День Высоких технологий

Фотография со Дня Высоких технологий - робот получает программу - алгоритм действий

День Высоких технологий - тематический день, проведенный впервые в ЛТО 2013 19 июля, реализован отрядом Комиссар.
Ответственные за день - Алексей Веселый и Владимир Батраев

Общее описание дня

День высоких технологий. Или "день развития техники", чтобы без пафоса. Вечерняя общая свечка гармонично вписывается в спокойную и размеренную атмосферу дня. Итого, на тематическую часть у нас около 2.5 часов. День с пометкой "У", то есть должен заставлять детей думать. Не на вечные темы, а про что-то типа науки.
Цель: заинтересовать детей в устройстве современной техники. Рассказать историю развития микропроцессоров и их интеграции с разнообразной техникой. Дать элементарное представление о программировании, развить алгоритмическое мышление. Развеять в головах детей миф о разумном и всемогущем компьютере.

Заставка

1 этап. Идет 10 мин.
Варианты:
1) Ученый из прошлого и современный. Современный рассказывает о том, какие у нас сейчас технологии. А тот, естественно, удивляется. Хочет узнать подробнее. Вот мы с ним вместе и узнаем.
2) Тоже человек, не знакомый с современными технологиями. Просит детей ему рассказать, как же устроены все эти чудесные фигульки. А дети не могут. Стыдно. Отправляются учиться уму-разуму.

Кругосветка

Отряд В фокусе получил робота. Программирование идет полным ходом

2 этап. 45 мин. Кругосветка. Станция 10 минут + 1 минута переход.

1.История
2. Травим медь.
Детям дается возможность увидеть, как выглядят печатные платы на разных этапах изготовления. Паяние и рассказ о функциональных узлах роботов.
3. Программирование. Низкий уровень. Высокий уровень, библиотеки функций. Попробовать с детьми посоставлять программы.
Вспомнить какую-нибудь интересную функциональность, которой все пользуются (например, контакт сам советует тебе послушать музыку, которая тебе понравится). На первый взгляд - чудо. Давайте попробуем придумать алгоритм, как же это может быть устроено.
4. Роботы. Программа, датчики, обработка внешних событий.
Ребятам демонстрируются микроконтроллеры и рассказывается как и где они применяются, также идет рассказ о командах робота.

Роботы

А отряд Моркошка уже тестирует своего робота-танцора (слева)

Во время тестирования робота возникли непредвиденные трудности

3 этап. 60 мин.
У отрядов задание: сделать робота с конкретной функцией. Робот-кофеварка, например. Дается набор команд, которые робот должен уметь выполнять (двинь рукой влево, сожми кулак, подвинься вправо).
Детям дается комиссар, коробка, всякие картонные детальки. ПРОДУМАТЬ РЕКВИЗИТ

Задачи:
- Составить несколько программ для робота. Посмотреть, как он их будет выполнять (день роботов, весенний сбор-2007). Дети делают программу криво, робот тупит, всем весело. В итоге программа получается хорошая.
- Оформить робота. Посадить в коробку, прорезать дырку для руки. Для головы - опционально. Приделать кнопки, приклеить к ним текст программ. Нарисовать цветочки.
- Нарисовать рекламный флаер. Что умеет наш робот, какой хороший и полезный.

Идеи роботов:
У всех отрядов одинаковые многофункциональные роботы. Набор команд один и тот же. Но у одних он будет пылесосить, а у других –что-нибудь еще. Нужно сделать две функции на заказ, одну придумать самим. Для вызова каждой функции на роботе делается кнопка. Или рычаг.
* Пылесос
* Стиральная машина
* Кухонный комбайн

Показ

4 этап. 20 мин.
В форме стендового доклада. Показываем роботов друг другу.
В это время комиссары делают хорошие смешные фотки роботов, чтобы потом на стену можно было приклеить флаер+фотку.

Диспут

5 этап. 30 мин.
Чтобы добавить осмысленности происходящему, предлагается в конце провести диспут. Примерные темы:
- В чем компьютер умнее человека? (то, что "умнее" - неправильный термин, пусть скажут сами)
- Как фантасты себе представляли себе 21 век. Чего мы не так и не достигли, а в чем превзошли ожидания. + показать рисунки из книг этих фантастов  

Раздаточный материал детям

Отряд Моркошка решил проверить программу для стирки

Отряд В фокусе оформляет робота-дворецкого

Стендовая презентация робота-строителя от отряда В фокус

Отряд В фокусе демонстрирует возможности своего робота-дворецкого (в центре)

Слив воды — уникальная функция робота отряда Моркошка

«Нажми на кнопку, и робот скажет тебе комплимент!»

Робот - стиральная машина демонстрирует выполнение алгоритма

Многофункциональная платформа RBT-013

Техническая спецификация.

Команды:
Л/П рука: сжать, разжать, рука выше, рука ниже, рука влево, рука вправо, рука вперед, рука назад – по каждому измерению у каждой руки по три положения.
Шаг
Налево/направо (поворот на 90 градусов)
Налево/направо N (поворот на N градусов)
Сесть
Встать
Ждать N (ничего не делать N секунд)

Операторы:
-> N переход на команду номер N (обычно после условия, можно и без)
Повторить A-BxN – повторить команды в от А до В, N раз
Одновременно { } – выполнять движения в скобках одновременно

Условия:
Препятствие
Касание

Комментарии:
* К любой команде приписать, например, х5 – команда будет повторена 5 раз.
* Для запуска или остановки робота – хлопнуть по плечу (приделать роботам на плечо большую красную кнопку!)
* Команды пишутся с порядковым номером.

Пример программы:
1. Шаг х2
2. Если НЕ Препятствие: -> 1
3. Направо 180
4. Л рука выше
5. П рука выше
6. П рука назад х2
7. Одновременно {
Л рука назад х2
П рука вперед х2
}
8. Одновременно {
Л рука вперед х2
П рука назад х2
}
9. Повтор 7-8 х10

Техническое задание:

В кратчайшие сроки изготовить промышленный образец бытового робота, выполняющие функции Пылесоса на базе многофункциональной платформы RBT-013 (спецификация в приложении).

Ведущий инженер НИИ Робототехники ____________________ / Батраев В. В. /

Директор завода бытовой электроники ____________________ / Веселый А. С. /

19.07.2013

Техническое задание:

В кратчайшие сроки изготовить промышленный образец бытового робота, выполняющие функции Стиральной машины на базе многофункциональной платформы RBT-013 (спецификация в приложении).

Ведущий инженер НИИ Робототехники ____________________ / Батраев В. В. /

Директор завода бытовой электроники ____________________ / Веселый А. С. /

19.07.2013

Техническое задание:

В кратчайшие сроки изготовить промышленный образец бытового робота, выполняющие функции Кухонного комбайна на базе многофункциональной платформы RBT-013 (спецификация в приложении).

Ведущий инженер НИИ Робототехники ____________________ / Батраев В. В. /

Директор завода бытовой электроники ____________________ / Веселый А. С. /

19.07.2013

Станция 1

Робот-танцор отряда Запекасина - новое слово в робототехнике

Загрузка программы-алгоритма в робота прошла успешно - действие завершено

Для восприятия различных способов подачи команд к роботам нового поколения встраивались специальные датчики

Робот - кухонный комбайнер со специфическим дизайном

Аннотация: от арифмометров, к компьютерам размером с дом, к интегральным схемам и микропроцессорам. Закон Мура (раз в два года транзистор становится в 2 раза меньше; а за 40 лет - в миллион раз меньше). Лекция о том, как микропроцессоры используются повсеместно. Хороший пример - фотоаппарат. Показать, как микропроцессор позволяет мигать прикольно лампочками по программе (реквизит в виде лампочек и программируемого микропроцессора)

*** Введение

По мере того, как человечество развивалось, людям все больше и больше нужно было что-то считать. Поначалу считали на пальцах, рисовали палочки или делали зарубки. Первое устройство, помогающее счету – счеты. Вернее, сначала это было даже более простое устройство – «абак», дощечка с углублениями для камешков.

Со временем стали развиваться науки – математика, физика. Считать нужно было все больше и все быстрее. В XVII веке появилась первая механическая счетная машина – арифмометр (картинка в приложении). В ней можно было на специальных шестеренках выставить два числа, а потом крутить ручку, пока не получишь ответ.

Со временем поняли, что быстрее и надежнее будет создавать вычислительные машины, основанные не на механике, а на электричестве. На арифмометре использовалась привычная для нас десятичная система счисления: каждая цифра записывалась на шестеренке с 10 зубчиками. В электронных машинах стали использовать двоичную систему: «1» - есть ток, «0» - нет тока. По такому же принципу работали устройства для ввода данных – перфокарты. Как она работает? На специальной платформе к перфокарте с двух сторон подходят контакты – по паре на каждую «ячейку». Если есть дырка, то ток пройдет – будет «1». Если дырки нет, то ток не пройдет – «0». (Видео https://www.youtube.com/watch?v=RkCBx82ISU8, время 1:40) В памяти современных компьютеров все так и хранится, ноликами и единичками: например, ячейка заряжена или нет.

Двоичные электронные устройства стали делать так, чтобы у них была не одна какая-то функция – например, «сложить», - а целый набор функций. И чтобы можно было сообщать устройству, в каком порядке какие функции применять – то есть, задавать программу. Такие программируемые устройства, совершающие расчеты, стали называть «компьютер», т. е. «вычислитель».

Все слышали про первые компьютеры, которые занимали целую комнату, а то и целое здание. Вот, например, советская МЭСМ (картинка в приложении), 1951 год. Памяти в ней хватало примерно на 200 чисел, а работала она на частоте порядка 5 кГц. Для сравнения, сейчас одна песня в формате mp3 требует в 3000 раз больше памяти, чем было в МЭСМ. Около 1000 таких песен может поместиться в оперативной памяти современного компьютера; около 1,000,000 – на жесткий диск.

*** Закон Мура

Сначала казалось, что компьютер может применяться только для серьезных научных и военных расчетов. Но наука и технологии в этой области стали очень быстро развиваться. Очень быстро удалось создать компьютер гораздо меньших размеров и сделать его пригодным для самых разных применений: на производстве, в магазине, дома.

Как быстро развивались компьютеры? Один из основателей компании Intel, Гордон Мур, сформулировал такое наблюдение: каждые два года число транзисторов (мельчайших элементов, из которых состоят сейчас и процессоры, и память) на одном чипе удваивается. Транзисторы становятся все мельче и мельче, за счет чего на их можно размещать все большее и большее количество. Это наблюдение стало называться «законом Мура». На самом деле это никакой не закон, но людям действительно удавалось так быстро развивать технологии, и удается до сих пор (хотя скоро этот процесс должен прерваться из-за некоторых физических ограничений). Что такое «удваивается каждые два года»? Это значит, что если в 1951 году мы могли хранить в памяти 200 чисел, то через 2 года сможем уже 400. Через 4 года – 800. Через 20 лет – 200,000. Через 40 лет – 200,000,000. К сегодняшнему дню – уже почти триллион. Действительно, приверно такие объемы памяти и есть у современных суперкомпьютеров.

В журнале «В мире науки» за 1983 год было напечатано такое сравнение: «Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолёт Boeing 767 стоил бы 500 долларов, совершал облёт земного шара за 20 минут и затрачивал при этом 20 литров топлива. Приведенные цифры весьма точно отражают снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ».

Как мы знаем, с Боингами ничего подобного не случилось. А вот с компьютерами – случилось. В «айфонах» сейчас такие объемы памяти и такая производительность, о какой 30 лет назад военные и ученые всего мира могли только мечтать. Но сейчас она уже никого не удивляет, и используется просто для того, чтобы телефон стал удобным персональным прибором.

*** Микропроцессоры

Но кроме больших, функциональных и производительных устройств, люди научились делать и маленькие, узкоспециализированные. Они незаметно, но очень плотно вошли в нашу жизнь.

Вот, например, фотоаппарат. Как он выглядел раньше? Чисто механическое устройство. «На глазок» выставляем выдержку и диафрагму, крутя рычажки. Нажимаем кнопку – щелкает объектив, пленка перематывается на кадр. Чтобы фотограф мог точнее измерить освещение, в фотоаппарат иногда встраивался специальный прибор – экспоно́метр. Но теперь у нас есть микропроцессор. Он тоже получает данные с датчиков и может сам мгновенно выставить необходимые параметры съемки. С микропроцессором легко задавать разные режимы (то есть, программы) работы: тут будет быстро движущийся объект, а теперь я снимаю ночью. Теперь фотоаппаратом может пользоваться любой – и получать хорошие кадры.

Или, например, такой бытовой прибор, как стиральная машина. Вы нажимаете кнопку «стирай джинсы». А в машину уже записано, что «джинсы» - это столько-то прополоскать, столько-то покрутить. Параллельно она еще вес белья измерит и соответственно скорректирует программу. Производитель уже все продумал – и теперь вы и джинсы не испортите, и постираете их хорошо, нажав всего несколько кнопок.

Арифмометр
МЭСМ (Малая электронная счётная машина), СССР, 1951 г.

Станция 2

Итоговая версия многофункционального робота на стендовой презентации

Аннотация: Поделать руками. Травим медные дорожки на текстолите..
Параллельно – лекция: Беспроводная передача. Радио. Радиолюбители. Как радиолюбители это все делали когда-то вручную.
+ Вай-фай, ИК. Как прикольно смотреть на пульт через фотоаппарат.

Раньше, когда люди конструировали первые технические аппараты (собственно, какие - вы узнаете из истории), они были вынуждены использовать большие элементы.
Объяснить почему они были большие и т. д. (Т.к. не придумали маленькие.)

Например, они делали большие радиостанции и никаких роботов, которые помогали все делать, еще не придумали. Потому люди все делали вручную.
Показываем, как делали платы и видосы как паяют.
Показываем радиостанцию обычную или что-то вроде этого, и видео или фото старой радиостанции.
Сюда же - рассказ об усилителях и приёмниках.
О новых и старых процессорах, как выглядели схемы даже 10 лет назад, и как сейчас. Разница даже тут видна, а раньше и подавно.
Ну а в конце показать, что для подачи сигнала можно использовать и ракеты, бахнуть, все довольны и запомнят это) + азбука Морзе
Можно также фото и видео сюда засунуть

Станция 3

Предпоказ - робот-дворецкий

Аннотация: Программирование. Низкий уровень. Высокий уровень, библиотеки функций. Попробовать с детьми посоставлять программы. Вспомнить какую-нибудь интересную функциональность, которой все пользуются (например, контакт сам советует тебе послушать музыку, которая тебе понравится). На первый взгляд - чудо. Давайте попробуем придумать алгоритм, как же это может быть устроено.

Реквизит: доска и мел.

Что такое программа? Программа – это набор команд, записанных в каком-то определенном порядке.
С понятием «программа» четко связано понятие исполнителя этой программы. Все команды, использующиеся в программе, должны быть однозначно и четко понятны исполнителю.
Например, возьмем рецепт из кулинарной книги, как готовить какое-нибудь сложное блюдо. Это программа?
Там написано: взять такие-то ингредиенты, соли по вкусу, варить до готовности.
Возможно. Зависит от того, кого мы рассматриваем в качестве исполнителя.
То есть, у каждого исполнителя программы есть собственный понятный ему набор команд.
У нас есть исполнитель – процессор. Какие команды понятны ему? Очень мелкие и простые: чтение/запись данных в память, арифметические действия над числами, сравнения, переходы.
Также есть команды для взаимодействия с внешним миром, т.е. ввода-вывода. Для вывода данных в программе может быть команда: отправь на выход номер N какое-то число. Например, так можно вывести на экран один символ. А если к выходу подключена лампочка, то можно ее погасить или зажечь. Команды очень маленькие, но современный процессор может выполнять больше миллиарда команд каждую секунду.

Программирование низкого уровня. Высокого.
Робот.
Наш робот.

Станция 4

Многофункциональный робот для клубов от отряда Запекасина

Роботы.

Показываем плату со светодиодиками, или чем-то еще. Рассказываем, что на этой фигне можно сделать. Рассказываем о производительности систем и почему все разное.
Что программы пишутся как для компьютера и показываем среду разработки например и что программа также связана с алгоритмом.
Показываем разные платы, не только с микропроцессорами, но и с другими модулями.
Какие существуют возможности и что делает микропроцессор сейчас.
Датчики показываем и например готовое полу-устройство, управление светофором. Прерывания.
Рассказываю, что работа робота состоит из примитивных операций.
ShowTime: А вот у нас есть микропроцессор, который умеет по-разному мигать лампочками. Такого поведения можно было бы достичь и при помощи механического устройства (так и делается для простых мигающих лампочек), но это становится слишком сложно и ненадежно.

Разбор дня на СК

* Детям больше всего нравится наряжать робота в костюм и давать ему инструмент. Много коробок не нужно.
* Нужно давать в отряды пример программы.
* Детей учим ПРОГРАММИРОВАТЬ, поэтому четко прописать (и объяснить) запрет на дачу команд по одной. Только хардкор: Написали листок, дали роботу, робот выполнил.
Если ошибка, посередине сломался.