Рейтинг@Mail.ru

УРОКИ РОБОТОТЕХНИКИ В ШКОЛЕ

Копосов Денис Геннадьевич

МОУ «Средняя общеобразовательная школа №24 с углублённым изучением предметов художественно-эстетического направления» (МОУ СОШ№24). Архангельск

задать вопрос автору

С каждым годом повышаются требования к современным инженерам, техническим специалистам и к обычным пользователям, в части их умений взаимодействовать с автоматизированными системами. По этой причине учебные планы должны быть современными и релевантными, что позволит эффективно преподавать быстро изменяющиеся IT-технологии. Для этих целей в нашей школе создана современная лаборатория робототехники для учащихся 4-10 классов.

Существует множество важных проблем, на которые никто не хочет обращать внимания, до тех пор, пока ситуация не становится катастрофической. Ни рынок, сам по себе, ни правительство не заставят людей решать эти проблемы. Необходимо специально и постоянно обращать на них внимание, убеждать людей принимать участие в их решении. Одними из таких проблем в России являются: её недостаточная обеспеченность инженерными кадрам и низкий статус инженерного образования при выборе будущей профессии выпускниками школ. Сейчас необходимо активно начинать популяризацию профессии инженера в средней школе. Детям нужно иметь представление о современной и перспективной инженерной деятельности. Наш проект направлен на внедрение и распространение лучших практик по профориентации талантливой молодёжи на инженерно-конструкторские специальности.

За последние годы успехи в робототехнике и автоматизированных системах изменили личную и деловую сферы нашей жизни. Сегодня промышленные, обслуживающие и домашние роботы широко используются на благо экономик ведущих мировых держав: выполняют работы более дёшево, с большей точностью и надёжностью, чем люди, используются на вредных для здоровья и опасных для жизни производствах. Роботы широко используются в транспорте, в исследованиях Земли и космоса, в хирургии, в военной промышленности, при проведении лабораторных исследований, в сфере безопасности, в массовом производстве промышленных товаров и товаров народного потребления. Роботы играют всё более важную роль в жизни, служа людям и выполняя каждодневные задачи.

Интенсивная экспансия искусственных помощников в нашу повседневную жизнь требует, чтобы пользователи обладали современными знаниями в области управления роботами, что позволит быстро развивать новые, умные, безопасные и более продвинутые автоматизированные и роботизированные системы. Чтобы удовлетворить эту потребность, образовательные учреждения должны адекватно реагировать на высокие требования к специалистам в области робототехники, разрабатывая и предлагая соответствующие курсы для учащихся, популяризируя область роботостроения и автоматизированных систем.

В последнее десятилетие значительно увеличился интерес к образовательной робототехнике. В школы закупают новое учебное оборудование. Робототехника в образовании — это междисциплинарные занятия, интегрирующие в себе науку, технологию, инженерное дело, математику (Science Technology Engineering Mathematics = STEM), основанные на активном обучении учащихся. Во многих ведущих странах есть национальные программы по развитию именно STEM образования.

Робототехника в школе представляет учащимся технологии 21 века, способствует развитию их коммуникативных способностей, развивает навыки взаимодействия, самостоятельности при принятии решений, раскрывает их творческий потенциал. Дети и подростки лучше понимают, когда они что-либо самостоятельно создают или изобретают. При проведении занятий по робототехнике этот факт не просто учитывается, а реально используется на каждом занятии.

В 2008 году в нашей школе было принято решение об использовании образовательной робототехники по следующим основным направлениям:

  1. Создание лаборатории робототехники: оснащение современным учебным инструментарием, который предоставит учащимся обширный практический опыт, установка новейшего программного обеспечения.
  2. Разработка учебных программ по робототехнике.
  3. Развитие серии занятий и курсов по робототехнике для учащихся всех ступеней обучения.
  4. Организация в школе дополнительного образования по направлению «Робототехника» (создание творческого объединения).
  5. Сотрудничество с другими образовательными учреждениями и организациями по вопросам образовательной робототехники.

Изучение робототехники достаточно популярно в школах нашей страны, более 2000 школ имеют учебные комплекты для изучения основ робототехники. В чем же состоит особенность именно нашего проекта? Изучив и проанализировав опыт других образовательных учреждений, можно отметить, что практически все школы уделяют внимание только «талантливой» молодёжи…, означает это, во-первых, что организовано небольшое творческое объединение, на котором дети изучают или непосредственно вопросы Lego-конструирования, или происходит их подготовка для участия в соревнованиях по робототехнике, во-вторых, на занятиях — одни мальчишки. Есть хорошее сравнение нашей системы образования с «ситом»: на каждой стадии обучения отбираются только талантливые учащиеся, а это означает, что основная масса учащихся не получают качественного и современного образования. При таком подходе в стране сотни гениальных учёных и острая нехватка высококвалифицированных специалистов с высокой производительностью труда. Сейчас основная задача должна быть другой — охватить как можно больше молодёжи с целью привлечения её к науке и инженерному делу. Ключевая возможность учебных комплектов по робототехнике — простая интеграция с любой образовательной программой.

Ниже приведён фрагмент программы «Первый шаг в робототехнику» для учащихся 5-6 классов, рассчитанной на 68 часов.

§ 1.   Роботы. Что такое робот. Сборочный конвейер. Культура производства.

§ 2.   Робототехника. Законы робототехники. Передовые направления в робототехнике. Программа для управления роботом. Графический интерфейс пользователя. Первые ошибки. Как выполнять несколько дел одновременно.

§ 3.   Искусственный интеллект. Тест Тьюринга и премия Лёбнера. Интеллектуальные роботы. Справочные системы.

§ 4.   Роботы и эмоции. Эмоциональный робот. Экран, звук, режим ожидания. Конкурентная разведка.

§ 5.   Имитация. Роботы-симуляторы. Алгоритм и композиция. Свойства алгоритма. Система команд исполнителя.

§ 6.   Звуковые имитации. Звуковой редактор и конвертер. Учим робота говорить.

§ 7.   Космические исследования. Космонавтика. Роботы в космосе. Исследования Луны. Гравитационный манёвр.

§ 8.   Концепт-кары. Что такое концепт-кар. Минимальный радиус поворота. Кольцевые автогонки.

§ 9.   Парковка в городе. Плотность автомобильного парка. Проблема парковки в мегаполисе.

§ 10. Моторы для роботов. Сервопривод. Тахометр.

§ 11. Компьютерное моделирование. Модели и моделирование. Цифровой дизайнер Lego.

§ 12. Правильные многоугольники. Углы правильных многоугольников.

§ 13. Пропорция. Метод пропорции.

§ 14. Всё есть число. Итерации. Магия чисел (нумерология).

§ 15. Вспомогательные алгоритмы. Вложенные циклы.

§ 16. Органы чувств робота. Чувственное познание. Датчик звука.

§ 17. Всё в мире относительно. Как измерить звук. Децибелы. Проценты от числа. Измеритель уровня шума. Конкатенация.

§ 18. Военные роботы. Новинки вооружений. Система акустической разведки. Коммуникация.

§ 19. Описание процессов. ВПК и конверсия. Наблюдение процессов во времени. Координаты на плоскости. Координаты на экране. Домашний шумомер.

§ 20.  Безопасность дорожного движения. Третье воскресенье ноября.

Датчик света. Потребительские свойства товара. Альтернатива. Безопасный автомобиль.

§ 21. Фотометрия. Один люкс. Измеритель освещённости.

§ 22. Нажми на кнопку! Тактильные ощущения. Способы использования датчиков. Система автоматического контроля дверей.

§ 23. Сложные проекты. Как работать над проектом. Система «газ/тормоз».

§ 24. Системы перевода. Язык «Человек — компьютер». Компьютерные переводчики.

§ 25. Научный метод познания. Цвет для робота. Научный метод в исследовании.

§ 26. Симфония цвета. Частота звука. Симфония цвета.

§ 27. Число «Пи». Диаметр и длина окружности. Не верь глазам своим. Ищем взаимосвязь величин. Немного истории.

§ 28. Измеряем расстояние. Курвиметр и одометр. Математическая модель одометра.

§ 29. Время. Секунда. Таймер. Секундомеры.

§ 30. Система спортивного хронометража. Стартовая калитка. Самый простой хронограф.

§ 31. Скорость. Измеряем скорость. Скорость равномерного движения. Скорость неравномерного движения. Спидометр. Зависимость скорости от мощности мотора.

§ 32. Где черпать вдохновение. Бионика. Датчик ультразвука. Дальномер. Соблюдение дистанции на транспорте. Охранная система.

§ 33. Изобретательство. Терменвокс. Умный дом.

§ 34. Система подсчета посетителей. Подсчёт посетителей. Переменные. Счастливый покупатель.

§ 35. Программный продукт. Как из программы сделать программный продукт. Свойства математических действий. Вспомогательная переменная. Сравнение. Управление электромобилем. Баг.

§ 36. Кодирование. Азбука Морзе. Российский телеграф. Код и кодирование. Графы и деревья. Борьба с ошибками при передаче.

§ 37. Механические передачи. Зубчатые передачи. Передаточные отношения. Математическая модель одометра для робота с КПП. Спидометр для робота с КПП. Мгновенная скорость.

§ 38. Золотое правило механики. Перетягивание каната. Грузоподъёмность. Точность сервомотора.

§ 39. Управление. Системы управления. Gamepad. Виды систем управления.

§ 40. Импровизация. Импровизация и робот. Случайное число. Игра в кости. Множественный выбор.

§ 41. Промышленные роботы. Роботы в промышленности. Алгоритм отслеживания границы. Движение по линии. Гараж будущего.

§ 42. Автоматический транспорт. Персональный автоматический транспорт. Кольцевой маршрут.

§ 43. Персональные сети. Cybiko. Personal area network. Управление роботом с мобильного телефона.

§ 44. Профессия — инженер. Данные, информация, знания. Путь к знаниям. Выбор профессии.

Особенность программы в том, что она может быть реализована в рамках существующих учебных планов. Далее, в 9-х классах школьники могут выбрать элективный курс «Основы робототехники». В профильных классах (информационно-технологическом и физико-математическом) введён элективный учебный предмет «Робототехника». Таким образом, каждый выпускник школы пройдет по направлению «Робототехника» как минимум две ступени обучения. Более того, в школе планируется использование образовательного комплекса Lego WeDo для изучения робототехники и автоматизированных систем в начальной школе, что обеспечит каждому учащемуся трёхуровневое образование по данному направлению.

Текущая образовательная тенденция — проектная деятельность. На каждом занятии дети создают модель автоматизированного устройства, при этом поднимаются вопросы из курса математики, физики, технологии, биологии, обществознания, английского языка и других предметов. Рассматриваются только проблемные вопросы, когда теоретические расчёты с множеством допущений и округлений, отличаются от того, что будет происходить на самом деле — это прямой путь к осознанию того факта, что физический эксперимент интереснее и важнее любых информационных моделей и вычислений — т.е. фактически фундамент любого учёного и инженера. Происходит это без назидания педагога.

Есть много образовательных технологий развивающих критическое мышление и умение решать задачи, однако существует очень мало привлекательных образовательных сред, вдохновляющих следующее поколение к новаторству через науку, технологию, математику, поощряющих детей думать творчески, анализировать ситуацию, критически мыслить, применять свои навыки для решения проблем реального мира.

Литература

  1. Sergeyev A. Alaraje N. Promoting Robotics Education: Curriculum and State-of-the-Art Robotics Laboratory Development // The Technology Interface Journal. Vol. 10 N3. 2010. http://technologyinterface.nmsu.edu/Spring10/.
  2. Гейтс У. Механическое будущее // В мире науки. Информационные технологии. 2007, № 5.
  3. Hussein B., Nyseth K. A method for learning in project management, “Learning by projects” // 9th International Workshop on Experimental Interactive Learning in Industrial Management, “New Approaches on Learning, Studying and Teaching”, Espoo, Helsinki University of Technology SimLab, June 5-7, 2005.
  4. Pei-Yin Chung, Chin-Jui Chang. Design, Development and Learning Assessment by Applying NXT Robotics Multi-Media Learning Materials: A Preliminary Study to Explore Students’ Learning Motivation // World Academy of Science, Engineering and Technology, Issue 65. 2010. http://www.waset.org/journals/waset/.