Никитенко Руслан Дмитриевич
РФ, Липецкая область, город Липецк
Государственное бюджетное учреждение дополнительного образования «Центр дополнительного образования Липецкой области».
Педагог дополнительного образования
ruslan_nikitenko@mail.ru
«Изучение робототехники в школе»
УДК 374.32
Никитенко Руслан Дмитриевич, педагог дополнительного образования, Государственное бюджетное учреждение дополнительного образования «Центр дополнительного образования Липецкой области», г. Липецк.
ИЗУЧЕНИЕ РОБОТОТЕХНИКИ В ШКОЛЕ
Никитенко Руслан Дмитриевич
г. Липецк, ГБУ ДО «Центр дополнительного образования Липецкой области»,
педагог дополнительного образования
ruslan_nikitenko@mail.ru
Аннотация: В статье рассматривается реализация курса преподавания робототехники в школе. Курс носит междисциплинарный характер и позволяет решить задачи развития у учащихся научно-исследовательских, проектных, технико- технологических и гуманитарных компетенций.
В ходе освоения программы, учащиеся получат навыки конструирования и программирование в одном курсе. Для этого, в качестве основных технических ресурсов и платформыдлядетскогоисследования,конструированияисозданияроботовиспользуются конструкторы разныхвидов.
В программе заложено углубленное взаимодействие ребенка с миром научно- технического творчества, включающее в себя путь от авторского воплощения замысла до создания автоматизированной модели, проекта.
Ключевые слова: школа, робототехника, инженерное мышление, проект, конструктор.
Studying robotics at school
Annotation.The article discusses the implementation of the course of teaching robotics at school. The course is interdisciplinary in nature and allows you to solve the problems of developing students' research, design, technical and technological and humanitarian competencies.
In the course of mastering the program, students will gain design and programming skills in one course. For this, constructors of various types are used as the main technical resources and a platform for children's research, construction and creation of robots.
The program includes in-depth interaction of the child with the world of scientific and technical creativity, which includes the path from the author's embodiment of the idea to the creation of an automated model, project.
Keywords. school, robotics, engineering thinking, project, constructor.
Робототехнику, без сомнения, можно отнести к наиболее перспективным направлениям в области информационных технологий. И этоне удивительно, так как развитие современных производств, таких, например, как автомобилестроение, микроэлектроника, станкостроение на данный момент немыслимо без использования роботизированных систем. Не случайно робототехника стала одним из приоритетных направлений Сколково [1]. В свою очередь, развитие подобных производств потребует подготовки большого числа специалистов в области робототехники. Что, безусловно, поставит новые задачи перед современной системой образования. Подходить к решению этоговопросанужнокомплексно.Недостаточносоздатьфакультетробототехникиводном или нескольких институтах. Начинать подготовку будущего инженера робототехника нужно ещё со школьной скамьи. Однако решить данную задачу в рамках традиционного комплекса физико-математических дисциплин довольно сложно. Наиболее подходящей дисциплиной в этом смысле является информатика. Обучение детей робототехнике в рамках данной дисциплины может основываться на использовании специальных конструкторов,содержащихпрограммируемоеустройство.Наиболеераспространённымна данный момент является семейство конструкторов Lego, позволяющих охватить практически все возрастные группы учащихся, начиная от младших школьников и заканчивая учащимися старших классов. Данное обстоятельство является крайне важным, так как позволяет сохранить преемственность и поэтапность образовательного процесса.
Технология,основаннаянаэлементахLEGO-этопроектирование,конструирование и программирование различных механизмов и машин. При построении модели затрагивается множество проблем из разных областей знаний.
Образовательная система LEGO востребована в тех областях знаний, для которых важны: информатика (абстракция, логика), технология (конструирование), математика (моделирование), физика (основы механики). Работа с образовательными конструкторами LEGO Education позволяет школьникам в форме познавательной игры узнать многие важные идеи и развить необходимыевдальнейшейжизнинавыки.Назанятияхприрешениипрактическихзадачи поиска оптимальных решений учащиеся осваивают понятия баланса конструкции, ее оптимальной формы, прочности, устойчивости, жесткости и подвижности, а также передачи движения внутриконструкции.
Условно обучение робототехнике в рамках школьного курса информатики может быть разделено на три этапа: начальная школа, средняя школа и старшая школа. Для обучения робототехнике в начальной школе может быть использован конструктор Lego Education. Данный набор предоставляет широкие возможности для знакомства детей с зубчатыми передачами, рычагами, шкивами, маховиками, основными принципами механики, а также для изучения энергии, подъемной силы и равновесия. В процессе обучения происходит тренировка мелких и точных движений, формируется элементарное конструкторское мышление, ребята учатся работать по предложенным инструкциям и схемам, анализировать ситуацию и самостоятельно находить ответы на вопросы путем логических рассуждений, изучают принципы работы механизмов. Также может быть использованнаборLEGOWEDO2.0.Данныйнаборпомогаетдетямпознакомитьсясазами программирования. В комплекте с данным конструктором поставляется программное обеспечение,содержащеепростую,интуитивнопонятнуюсредупрограммирования.Кроме того, вместе с набором поставляется комплект заданий, представляющих из себя 12 отдельных проектов с подробным пошаговым описанием их выполнения. Это позволяет учащемуся самостоятельно собирать и программировать действующие модели, а затем использовать их для выполнения практическихзадач.
Реализация программы обучения в начальной школе осуществляется с использованием методических пособий, специально разработанных фирмой «LEGO» для преподавания технического конструирования на основе своих конструкторов. Простота в
построении модели в сочетании с большими конструктивными возможностями конструкторапозволяютдетямвконцезанятияувидетьсделаннуюсвоимирукамимодель, которая выполняет поставленную ими же самими задачу. При построении модели затрагивается множество проблем из разных областей знания – от теории механики до психологии.
Дляобученияробототехникевсреднейшколеможетбытьиспользованконструктор Lego Mindstorms, так же состоящий из стандартных деталей Lego (планки, оси, колеса, шестерни), сенсоров, двигателей и программируемого блока NXT[2]. Наличие отдельного программируемогоблокавсочетаниисосредойпрограммированиявысокогоуровняделает данный набор серьёзным инструментом, позволяющем создавать роботов, решающих достаточно сложные задачи. Программное обеспечение для комплектов LegoMindstorms NXT 2.0 представлено широким спектром сред программирования.
В состав самого комплекта ужевходит оригинальная графическая среда программирования NXT-G, позволяющая вовлечь в конструирование и программирование роботов даже учащихся начальных классов. Основная проблема NXT-G состоит в слабой поддержке математических выражений. Математические формулы здесь, как и вся программа, строятсявизуально,изблоков.Существуютблокичтенияизаписизначениявпеременную, блок, считывающий значение константы, блоки, считывающие показания с сенсоров, и блоки элементарных арифметических операций, не предоставляющих, впрочем, даже операции извлечения арифметического квадратного корня. Таким образом, даже чтобы запрограммировать несложную формулу, требуется изображать блоками дерево разбора выражения, которое эту формулу задаёт. Серьезность данной проблемы иллюстрируется программой, реализующей пропорционально-дифференциальный регулятор для движения роботавдольлиниииливокругпрепятствия.НаязыкеCтакаяпрограммазанимаетпорядка десятка строк, тогда как на NXT-G не помещается на одном экране, содержит множество потоковых связей и весьма сложна для понимания. Таким образом, одному из предложенных критериев — пригодности для иллюстрации содержательного материала информатикиикибернетики—NXT-Gнесоответствует.Восновном,поэтомуNXT-Gине получил широкого распространения в школах. Среда NXT-G специально создавалась для начинающих, поэтому довольно проста и удобна в работе. Помнению некоторых пользователей, она даже слишком эргономична, поскольку не даёт произвольно размещать блоки на диаграмме, автоматически (и не всегда удачно) прокладывает соединительные линиимеждублокамиит.д.Существуютнаучныестатьи,представляющиеотрицательные результаты работы с NXT-G [3]. Кроме того, дляприменения NXT-G в школьных классах оказалась важна такая особенность: большинство свойств элементов не отображаетсяна диаграмме, а доступна только через редактор свойств, что делает невозможным отображение всей программы на проекторе. Среда программирования Robolab также может быть использована при работе с учащимися младших классов, а среды программирования RobotC, NXC и LabVIEW рассчитаны на учащихся от 14 лет и старше [4]. Важным достоинством Lego Mindstorms является его простота и гибкость.
Набор позволяетподобратьнеобходимыедеталипрактическиподлюбуюзадачулибообъединить несколько наборов для решения сложных задач. Для обучения робототехнике в старшей школе может быть использован конструктор TETRIX, являющийся основным конструктором международных соревнований FIRST Tech Challenge. Данный конструктор состоит из набора металлических деталей, сенсоров, сервоприводов и программируемого блока NXT. Программирование роботов, собранных из данного набора, осуществляется на языкеRobotC.Спедагогическойточкизрения,использованиеподобныхнаборовимеетряд важных достоинств. Во-первых, этостимулирование мотивации учащихся к получению знаний. Приработе с Lego-конструктором учащийся видит плоды своей работы и имеет возможность применить полученные знания на практике. Кроме того, работа по созданию робота предполагает активную творческую деятельность ребёнка. Это реализуется через решение нестандартных для учащегося задач и большое количество вариантов решения. Во-вторых, эторазвитие интереса учащихся к технике, программированию и конструированию. Использование подобных конструкторов в образовательном процессе ведет к популяризации профессии инженера, а также прививает учащимся интерес к робототехнике. В-третьих, этоформирование навыков программирования, развитие логического и алгоритмического мышления. В условиях информатизации образования остро встаёт необходимость поиска новых подходов к развитию алгоритмических умений школьников. Старый подход к обучению школьников программированию при помощи только языков программирования (Паскаль, Бейсик) и в редких случаях использования компьютерных исполнителей (Робот, Чертёжник и др.) ужене отвечает реалиям сегодняшнего дня. Современное образование требует более активного внедрения робототехники в курс школьной информатики. Всё вышесказанное свидетельствует о том, что использование наборов LEGO Education, LEGO Mindstorms, LEGO WeDo и TETRIX в процессе обучения информатике позволяет перейти к изучению основ робототехники, а также преодолеть недостатки традиционного подхода в обучении программированию и вывести его на новый уровень. Впрочем, внедрение основ робототехники в современную систему образования сталкивается с рядом трудностей. Следует отметить, что в современных образовательных программах по информатике раздел робототехники либо представленфрагментарно,либововсе отсутствует.Этоделаеткрайнесложным преподавание данного раздела в рамках стандартного курса информатики. Тем не менее, робототехника продолжает развиваться и реализуется на практике в формате кружков и клубов на базе школ и дворцов детского творчества.
Не менее важным является уровень технического оснащения школ. Если по оснащению вычислительной и мультимедийной техникой школы в большей своей части вышли на приемлемый уровень в 8.1 ПК на 100 обучающихся [5], то в плане оснащения школ наборами для проведения занятий по робототехнике существует огромная проблема.
На данный момент наиболее интересной и масштабной программой по подготовке специалистов в области робототехники является программа «Робототехника. Инженерно- технические кадры инновационной России». Программа реализуется с осени 2008 года Фондом«ВольноеДело»впартнерствесФедеральнымагентствомподеламмолодежипри поддержке Министерства образования и науки РФ и Агентства стратегических инициатив [6]. В рамках программы организована работа по обучению робототехнике детей и молодёжи в возрасте от 7 до 30 лет. На базе дворцов детского творчества создаются региональные ресурсные центры, которые обеспечиваются всем необходимым оборудованием и учебно- методическими материалами. Проводится большое количество местных и региональных соревновании по робототехнике, завершающихся всероссийским робототехническим фестивалем«РобоФест».
Планируемые результаты обучения.
У обучающихся должно сложиться представление: об эволюции и современном состоянии робототехники; о существующих роботизированных платформах и способах их применения; о процессе технического конструирования и его особенностях; о способах работы с платформой Lego; о путях повышения своей компетентности через овладение навыками создания и управления роботами. Участие в занятиях должно помочь учащимся: понять роль и место роботизированных и информационных технологий в формировании общей культуры современного человека; приобрести начальную подготовку по использованию различных технических узлов, датчиков в роботизированных устройствах; повысить свою информационную и коммуникативную компетентность. Учащиеся будут знать: основные понятия робототехники, особенности конструирования роботов для решения прикладных задач; характеристики и основные параметры устройств, используемых в робототехнике; основные принципы программного управления роботом; принципы и способы автоматического управления; принципы работы программы Lego.
Цель программы обучения - развитие конструкторского мышления, учебно- интеллектуальных, организационных, социально-личностных и коммуникативных компетенций через освоение технологии LEGO - конструирования и моделирования.
Образовательные:
Способствовать формированию знаний, умений и навыков в области технического конструирования имоделирования;
Познакомить учащихся с комплексом базовых технологий, применяемых при создании роботов (простейшие механизмы, пневматика, источники энергии, управление электромоторами, зубчатые передачи, инженерные графические среды проектирования идр.);
Способствовать формированию навыка проведения исследования явлений и простейшихзакономерностей;
Способствовать повышению мотивации учащихся к изобретательству и созданию собственных роботизированныхсистем.
Способствоватьформированиюиразвитиюпознавательнойпотребностивосвоении физическихзнаний;
Развивать мелкую моторику, внимательность, аккуратность иизобретательность;
Развивать пространственное воображениеучащихся.
Создатьусловиядляразвитияпоисковойактивности,исследовательскогомышления учащихся.
Способствовать развитию коммуникативной культуры;
Формировать у учащихся стремление к получению качественного законченного результата;
Формировать навык работы вгруппе.
Способствовать созданию творческой атмосферы сотрудничества,обеспечивающей развитие личности, социализацию и эмоциональное благополучие каждогоребенка
Привлечение школьников к исследованиям в области робототехники, обмену техническойинформациейиначальнымиинженернымизнаниями,развитиюновыхнаучно- технических идей позволит создать необходимые условия для высокого качества образования, за счет использования в образовательном процессе новых педагогических подходов и применение новых информационных и коммуникационныхтехнологий.
Понимание феномена технологии, знание законов техники, позволит выпускнику школы соответствовать запросам времени и найти своё место в современной жизни [7]. В настоящее время образовательная робототехника очень активно развивается и включается в образовательную программу все большего количество школ, проводится очень много соревнований среди школьных команд. Но, несмотря на все преимущества, робототехника в основном фигурирует в рамках внеурочной деятельности. На это есть несколько причин. Первое это то, что внедрение роботов в основной образовательный процесс требует очень много временных затрат на подготовку учителей. Также нет достаточного количества учебных пособий для учащихся и методических рекомендаций для учителей. И второе – производство конструкторов не развито в России, в связи с чем цена достаточно высокая и не все школы могут приобретать комплекты роботов на каждый предмет.
Резюмируя всё вышесказанное, можно сделать вывод о том, что использование конструкторов LEGO Education, LEGO Mindstorms, LEGO WeDo и TETRIX делает возможным изучение основ робототехники в современных российских школах, а также позволяет формировать у учащихся навыки программирования, стимулирует интерес к технике и конструированию, способствует развитию логического и алгоритмического мышления учащихся [8].
Приложение 1.
Список литературы
Skolkovo Robotics International Conference.http://community.sk.ru/press/events/febfuary2013/robotics/
ФилипповС.А.Робототехника для детей и родителей. СПб.: Наука, 2013. С.11.
Мордвинов Д. А., Литвинов Ю.В. Сравнение образовательных сред визуального программирования роботов //Компьютерные инструменты в образовании, 2016. № 3. С.32–49.
ФилипповС.А.Робототехника для детей и родителей. СПб.: Наука, 2011. 263с.
Гохберг Л.М. Образование в цифрах: 2013. М., 2013.С.66.
Официальный сайт программы «Робототехника. Инженерно-технические кадры инновационной России»http://www.russianrobotics.ru/
Бусова С. Ю.Особенности внедрения образовательной робототехники в образовательном учреждении // Актуальные вопросы современной педагогики: материалы IV междунар. науч. конф., 2013. С.218–220.
Вагнер Г. А.Внедрение основ робототехники в современной школе // Вестник Новгородского государственного университета №74Т.2
Приложение 2.
