Карпутина А.Ю. Образовательная робототехника
Робототехника в образовании
Существует множество важных проблем, на которые никто не хочет обращать внимания до тех пор, пока ситуация не становится катастрофической.
Одной из таких проблем в России становится её недостаточная обеспеченность инженерными кадрами. Все чаще падают космические ракеты и спутники, происходят техногенные катастрофы, обусловленные недостаточным профессионализмом обслуживающего персонала, разработчиков и проектировщиков.
Это вызвано, конечно, целым рядом причин. Однако, все, связанные с образовательной средой, единодушно отмечают, что в последние несколько лет наблюдается снижение интереса учащихся к изучению физики, математики, астрономии (которую, кстати, вообще вынесли за пределы школьного курса) и прочих точных наук, и, как следствие, падение качества образования в целом.
Например, А.М. Рейман, старший научный сотрудник Института прикладной физики Российской академии наук, считает: «У меня общее ощущение деградации образования в среднем звене, приводящей к уменьшению числа заинтересованных в учебе старшеклассников.... Физика воспитывать можно и нужно. И делать это надо рано, пока у ребенка горят глаза и не развился утилитарный подход к жизни. ... А еще они будут знать кое-что о современной науке, и им нельзя будет вешать лапшу...»
Работу по мотивации детей к занятиям серьезной наукой нужно начинать как можно раньше, желательно в начальной школе! Откуда такой вывод? При анкетировании детей на предмет, желают ли они заниматься в кружках технической направленности, определилась следующая картина: в девятых и более старших классах практически никакого интереса, в 6-8-х классах интерес проявился в основном у тех детей, которые самостоятельно дома или в организациях дополнительного образования занимаются лего-конструированием, радиоэлектроникой, программированием. А вот у учащихся четвертого класса интерес оказался просто огромен. То есть, если дети до 11-12 лет не касались технического творчества, то с возрастом у них интерес к этому занятию возбудить достаточно сложно. Поэтому работу по пропедевтике робототехники, физики, знакомству с началами программирования необходимо проводить в начальной школе и пятых классах. В результате в среднюю школу придут дети, у которых прилично развиты конструкторские навыки, сформировано алгоритмическое мышление, привит интерес к экспериментированию.
Таким образом, необходимо активно начинать пробуждение интереса к точным наукам и массовую популяризацию профессии инженера, причем предпринимать такие шаги необходимо для детей с достаточно раннего возраста. Необходимо вернуть в общество массовый интерес к научно-техническому творчеству.
На настоящий момент существует достаточное количество образовательных технологий, которые способствуют развитию критического мышления и умения решать задачи, однако в образовательных средах, вдохновляющих к новаторству через науку, технологию, математику, способствующих творчеству, умению анализировать ситуацию, применить теоретические познания для решения проблем реального мира, сегодня наблюдается определенный дефицит.
Наиболее перспективный путь в этом направлении – это робототехника, позволяющая в игровой форме знакомить детей с наукой. Робототехника является эффективным методом для изучения важных областей науки, технологии, конструирования, математики и входит в новую международную парадигму: STEM-образование (Science, Technology, Engineering, Mathematics).
Организация лаборатории робототехники в школе или учреждении дополнительного образования – это:
- внедрение современных научно-практических технологий в образовательный процесс;
- содействие развитию детского научно-технического творчества;
- популяризация профессии инженера и достижений в области робототехники;
- новые формы работы с одаренными детьми;
- эффективные формы работы с проблемными детьми;
- возможности инновационного обучения;
- игровые технологии в обучении;
- популяризация профессий научно-технического направления.
Робототехника - универсальный инструмент для образования. Вписывается и в дополнительное образование, и во внеурочную деятельность, и в преподавание предметов школьной программы, причем в четком соответствии с требованиями ФГОС. Подходит для всех возрастов - от дошкольников до профобразования. Причем обучение детей с использованием робототехнического оборудования - это и обучение в процессе игры и техническое творчество одновременно, что способствует воспитанию активных, увлеченных своим делом, самодостаточных людей нового типа. Немаловажно, что применение робототехники как инновационной методики на занятиях в обычных школах и в детских садах, учреждениях дополнительного образования обеспечивает равный доступ детей всех социальных слоев к современным образовательным технологиям.
Образовательная робототехника дает возможность на ранних шагах выявить технические наклонности учащихся и развивать их в этом направлении.
Робототехнику можно использовать в начальном, основном общем и среднем (полном) общем образовании, в области начального профессионального образования, а также специального (коррекционного) обучения.
Одной из важных особенностей работы с образовательной робототехникой должно стать создание непрерывной системы - робототехника должна работать на развитие технического творчества, воспитание будущего инженера, начиная с детского сада и до момента получения профессии и даже выхода на производство.
Дошкольное образование
Впервые из рук ребенка выйдет продукт, способный реально выполнить задуманные действия, решить поставленные задачи. Создав свои первые модели, дети впервые освоят основные принципы конструирования и программирования.
Конструкторы «Первые конструкции», «Первые механизмы»
Начальная школа
Предмет «Окружающий мир»
Социальный заказ общества диктует, что современный школьник должен знакомиться с окружающим миром не только на теоретическом уровне, но и постигать его тайны непосредственно на практике. Объединить теорию и практику возможно, если использовать образовательную робототехнику на уроках окружающего мира (более 25 тем) в начальных класса, что, обеспечит существенное воздействие на развитие у учащихся речи и познавательных процессов (сенсорное развитие, развитие мышления, внимания, памяти, воображения), а также эмоциональной сферы и творческих способностей. Например, в программе Плешакова А.А. «Зеленый дом» образовательная робототехника позволит создавать на уроках динамические схемы, отражающие те или иные явления, сделает демонстрацию опытов яркой, красочной и более наглядной.
Основная и старшая школа
В ходе занятий ребята не только и не столько занимаются робототехникой, сколько используют ее, как некий интерактивный элемент, с помощью которого некие теоретические знания закрепляются на практике. Теоретические знания могут быть, как по точным наукам: математике и физике, так и по естественным: химии, астрономии, биологии, экологии.
Коммерческие компании, активно поддерживающие образовательную робототехнику, поняли необходимость подготовки обучающих материалов для таких программ, и, таким образом, появились образовательные наборы «Green City» и «Space Challange».
Предмет «Физика»
На уроках физики робототехнику можно применять для лабораторных, практических работ и опытов, а также для исследовательской проектной деятельности при изучении разделов: «Физика и физические методы изучения природы», «Механические явления», «Тепловые явления», «Электрические и магнитные явления», «Электромагнитные колебания и волны».
Предмет «Информатика»
Образовательные конструкторы позволят более интенсивно формировать ключевые компетенции учащихся на уроках информатики при изучении разделов: «Информационные основы процессов управления», «Представление об объектах окружающего мира», «Представление о системе объектов», «Основные этапы моделирования», «Алгоритмы. Исполнитель алгоритма», «Среда программирования», «Архитектура ПК. Взаимодействие устройств компьютера».
Предмет «Технология»
Наиболее гармонично образовательная робототехника встраивается в такие разделы предмета «Технологии» как «Машины и механизмы», «Графическое представление и моделирование», «Электротехнические работы».
Предмет «Математика»
Одним из ярких и простых примеров закрепления знаний из школьного курса математики является расчет траектории движения робота. В зависимости от уровня знаний здесь могут использоваться как и обычный метод проб и ошибок, так и научный подход: здесь им могут понадобиться и свойства пропорции (6-7 класс), и знание формулы длины окружности (8-9ый) и даже тригонометрия (10-11 класс).
Внеурочная деятельность
Проектно-ориентированная работа с конструктором позволяет организовать факультативное, домашнее и дистанционное обучение.
В школе ребята могут заниматься в кружках, на факультативах, посещать занятия на базе учреждений дополнительного образования. Формы работы могут быть разнообразными: общеразвивающие кружки для ребят начального и среднего звена; проектно-исследовательские кружки для старшеклассников, включение исследований на базе образовательных конструкторов в деятельность научного общества учащихся и многое другое.
Организация кружков по робототехнике позволяет решить целый спектр задач, в том числе привлечение детей группы риска, создание условий для самовыражения подростка, создание для всех детей ситуации успеха, ведь робототехника - это еще и способ организации досуга детей и подростков с использованием современных информационных технологий.
Кроме того, благодаря использованию образовательных конструкторов мы можем выявить одаренных детей, стимулировать их интерес и развитие навыков практического решения актуальных образовательных задач.
Профессиональное образование
Подходя к моменту перехода на ступень профессионального образования, школьник благодаря образовательной робототехнике, как правило, уже сделал свой профессиональный выбор. Встраивание робототехники в образовательный процесс в учреждениях профессионального образования, будь то учреждение НПО, СПО, ВУЗ, помогает подростку не просто развивать в себе технические наклонности, происходит понимание сути выбранной профессии. Робототехника позволяет реализовать уже профессиональные знания через моделирование, конструирование и программирование. Главная цель на этапе встраивания робототехники на ступени профессионального образования - обеспечить взаимодействие образования, науки и производства.
Конструкторы для создания роботов
Инженерно-техническая направленность использования образовательной робототехники служит блестящей возможностью ребенку проявить свои знания в области инженерно-технической мысли путем быстрого (мобильного) создания конструкторов с использованием простых и сложных инженерных механизмов и технических решений.
В настоящее время в образовании применяют различные робототехнические комплексы, например, LEGO Education, FischerTechnik, Mechatronics Control Kit, Festo Didactic и другие.
Серия Lego Education
В серию Lego Education входят конструкторы Lego WeDo и Lego Mindstorms.
Lego WeDo
Конструктор предназначен для дошкольников и школьников младших классов. Хотя элементная база этого конструктора сильно упрощена, но в нём те же идеи, практически та же электроника и ПО, что и в Lego Mindstorms. При желании с этим набором можно использовать старые детали Lego и совместимые с ними. С Lego WeDo даже дошкольники могут работать практически самостоятельно или с минимальной помощью взрослых.
Количество деталей в наборе Lego WeDo: 158. В наборе есть 4 инструкции, в каждой по 3 модели. В итоге вы получаете 12 занятий – 12 моделей для 4-х тем.
Программное обеспечение: ПервоРобот LEGO® WeDo™
Lego Mindstorms
Это – самый известный и разработанный программируемый конструктор на рынке игрового роботостроения и электронных конструкторов, который позволит любому школьнику собрать настоящего робота. Вся электроника «встроена» в детали Lego, что делает сборку простой. Фантастический монстр, промышленный автомат или миролюбивый андроид – любые фантазии оживают вместе с Lego Mindstorms. Бесконечные возможности конструктора и гибкость программного обеспечения увлекают на долгие часы даже взрослых.
Среда для программирования (NXT G – это упрощенный вариант программы LabVIEW) максимально простая: действия робота обозначены иконками, которые нужно собирать в нужной последовательности.
Изучаются базовые принципы конструирования и программирования роботов различных типов: мобильных, шагающих, балансирующих, манипуляторов и др.
Комплектуются набором стандартных деталей LEGO (палки, оси, колеса, шестерни) и набором, состоящим из сенсоров, двигателей и программируемого блока. Наборы делятся на базовый и ресурсный.
Базовый набор NXT поставляется в трех версиях:
- 8527 LEGO MINDSTORMS NXT – первая версия коммерческого набора, 577 деталей;
- 9797 LEGO MINDSTORMS Education NXT Base Set – образовательный набор для обучения, 431 деталь;
- 8547 LEGO MINDSTORMS NXT 2.0 – вторая версия коммерческого набора, 619 деталей.
Состав робонабора EV3
Все три набора содержат в себе одну и ту же версию интеллектуального блока NXT, отличаются только версии прошивки, но это не принципиально, так как прошивку можно легко обновить. Так что в этом плане все три набора совершенно равноценны.
Базовый набор EV3 3.0 поставляется в одной версии 31313. Комплект конструктора LEGO EV3 изменился. Стало больше шестерёнок, ажурных элементов. Убрали часть не нужных маленьких штифтов. Но самое главное, «мозг» компьютера наконецто претерпел значительные изменения и обещает стать любопытной игрушкой не только для детей, но и для взрослых робототехников.
Комплект поставки EV3 3.0
- центральный блок управления
- 3 сервомотора (два больших и один маленький)
- датчик нажатия (Touch Sensor, попросту - кнопка)
- цветовой сенсор
- датчик расстояния
Так же есть ресурсные наборы : 9648 и 9695 LEGO MINDSTORMS Education Resource Set - набор средний ресурсный, 817 деталей. Ресурсный набор содержит больше видов и количество деталей. Оба набора могут быть использованы для участия в соревнованиях робототехники (например, во Всемирной олимпиаде роботов World Robot Olympiad).
Роботы, которые можно построить с использованием EV3
- Встроенное программное обеспечение EV3 (EV3 Firmware V1.03H.bin)
- Программное обеспечение EV3 (LMS-EV3-WIN32-RU-01-01-full-setup.exe)
- Интернет-магазин компании SMARTBRICKS - единственной российской компании производящей комплектующие для робототехнических наборов LEGO
Конструктор FischerTechnik
Наборы для конструирования FischerTechnik выпускает немецкая фирма fischertechnik GmbH.
Надо отметить, что хотя в России марка FischerTechnik не известна так широко, как Lego, в Европе это не только широко распространенная марка детских пластмассовых конструкторов, но и ведущий поставщик учебных конструкторов и моделей для школ и технических училищ. В последнее время линейка конструкторов FischerTechnik расширилась до нескольких десятков моделей разного уровня, для детей начиная от 5 лет.
Основным элементом конструктора является блок с пазами и выступом типа «ласточкин хвост». Такая форма дает возможность соединять элементы практически в любых комбинациях. Также в комплекты конструкторов входят программируемые контроллеры, двигатели, различные датчики и блоки питания, что позволяет приводить механические конструкции в движение, создавать роботов и программировать их с помощью компьютера.
ROBO TX Учебная лаборатория - набор для конструирования мобильных роботов и автоматических устройств. Состоит из более 310 компонентов, из которых можно собрать 11 различных моделей роботов, например, робота-футболиста, стиральную машину, робота-погрузчика и других.
Как и Lego, FischerTechnik может быть удобен, если у вас уже есть такие конструкторы, и вы будете использовать для строительства моделей старые детали.
Среда программирования: ROBO Pro.
Конструктор Arduino
Проект Arduino позволит войти в мир робототехники с минимальными затратами. Единственное «но» – программы для используемых в Arduino микропроцессоров пишутся на ассемблере или с использованием специальных трансляторов с других языков. Это уровень учащихся старших классов и студентов вуза. Среда Arduino IDE требует знания языков уровня C или Java. И как правило платы Arduino поставляются как набор для самостоятельной сборки, что подразумевает необходимость выполнять паяльные работы с последующей отладкой и перепайкой собранных компонентов.
Андроидные роботы конструктора Bioloid
Bioloid Comprehensive Kit - набор, позволяющий собрать до 26 вариантов конструкции робота. От простого шлагбаума с 1 степенью свободы, до паука или гуманоида с 18 степенями свободы. Помимо этого, данный набор предоставляет Вам возможность создать Вашего уникального робота, спроектировав, собрав и запрограммировав его самостоятельно.
Набор Bioloid Premium Kit похож на конструкторы LEGO Mindstorms, но является более профессиональным и продвинутым экземпляром. Набор используется в Военно-морской академии США как учебное оборудование в курсе машиностроения. Так же набор Bioloid часто используют участники международных соревнований RoboCup.
BEAM-роботы
BEAM - Biolоgy (Биология), Electronics (Электроника), Aesthetics (Эстетика), Mechanics (Механика). Роботы создаются из базовых элементов с применением пайки.
BEAM-роботы, в отличие от обычных роботов, основанных на цифровой технологии и микропроцессорах, создаются по аналоговым схемам. Вместо дискретной программы поведение роботов задается аналоговыми нейронными цепями, способными гибко выбирать путь обхода препятствий и реагировать на окружающий мир.
Соревнования по робототехнике
Одним из важных аспектов стимулирования детей к самостоятельному развитию творческой мыслительной деятельности и поддержанию интереса к техническому обучению является их участие в конкурсах, олимпиадах, конференциях и фестивалях технической направленности.
Существует целая система соревнований по робототехнике разного уровня: региональные, межрегиональные, всероссийские, международные.
В Самарской области ежегодно проводится областной фестиваль по робототехнике на основе правил всемирной олимпиады. Это состязание является первой ступенью к участию таких соревнованиях как «Робофест», «Евробот», «Робомир», спартакиада «Robojam», «World Robot Olympia».
Соревнования по робототехнике отличаются от других конкурсных мероприятий по нескольким параметрам:
- Зрелищность : ребенок видит положительную работу своих сверстников, передовые инженерно-технические достижения, новые решения в области робототехники.
- Состязательность : позволяет выявить наиболее подготовленную команду, способную оперативно решить поставленную тренером (организатором) задачу.
- Азартность : стремление детей к лидерству, опережению своих сверстников, быстрому и бескомпромиссному решению поставленной задачи как нельзя лучше проявляется во время соревнований по робототехнике.
- Робототехника: конструирование и программирование , Титульный лист
- Методика преподавания робототехники на базе конструктора Lego Mindstorms NXT
- Рабочая программа «Образовательная робототехника» с учетом ФГОС
- Образовательная программа по робототехнике в начальной школе Lego WeDo (внеурочная деятельность, 1-3 класс)
- Рабочая программа курса «технология» для 5-7 классов с применением образовательной робототехники
Курсы повышения квалификации по образовательной робототехнике
|
Робототехника в России в последнее время интенсивно развивается. Благодаря чему всё большее внимание уделяется использованию наукоёмких технологий и оборудования с высоким уровнем автоматизации и роботизации.
Для перехода к новым технологиям необходима система подготовки кадров для инновационной экономики (школьник – рабочий – дипломированный специалист) на современных подходах и мотивации.
В настоящее время происходит масштабная роботизация различных сфер человеческой жизни: машиностроения, медицины, космической промышленности и т.д. Промышленные роботы стали неотъемлемой частью многих сфер производства.
Образовательная робототехника сегодня набирает популярность в школах и кружках дополнительного образования. Ученики вовлечены в образовательный процесс благодаря созданию моделей – роботов, проектированию и программированию робототехнических устройств и участвуют в робототехнических соревнованиях, конкурсах, олимпиадах, конференциях.
Образовательная робототехника - часть инженерно-технического образования. Сейчас необходимо активно начинать популяризацию профессии инженера уже начиная со школы. Детям нужны образцы для подражания в области инженерной деятельности. Робототехника развивает учеников в режиме опережающего развития, опираясь на информатику, математику, технологию, физику, химию. Робототехника предполагает развитие учебно-познавательной компетентности обучающихся.
Образовательная робототехника - это учебная среда, основанная на использовании роботов для преподавательских целей. В ней учащиеся вовлечены и мотивированы самостоятельным моделированием и конструированием моделей (объектов, имеющих схожие или полностью идентичные реальным объектам характеристики). Эти модели создаются с использованием различных материалов и контролируются компьютерной программной системой, именуемой прототипом или симуляцией.
В опросе, проведенном среди 11-13-летних, было выяснено, что дети скорее предпочтут убраться в комнате, съесть суп, сходить к стоматологу, вынести мусор, чем сделать математику. Как это видимое отсутствие мотивации к изучению математики влияет на успеваемость? К сожалению, отсутствие мотивации негативно влияет на производительность в математических, научных, технологических и инженерных (STEM) областях; областях, жизненно важных для национальной глобальной конкурентоспособности, инноваций, экономического роста и продуктивности.
С этой целью увеличивается спрос на STEM-связанное образование и курсы для работников от технического до докторского уровня образования. STEM образование и курсы могут на выходе увеличить средний потенциал работников на 26%. К 2019 приблизительно 92% традиционных STEM профессий будут требовать некоторые формы дополнительного образования включая определенные уровни специфических промышленных сертификаций. Далее, некоторые отчеты предполагают, что даже работники не STEM профессий будут нуждаться в получении некоторых основных STEM компетенций чтобы соответствовать глобальным требованиям и выжить в современном технологичном обществе.
Обучение при помощи образовательной робототехники позволяет учащимся задуматься о технологиях. В процессе моделирования, конструирования, программирования и документирования автономных роботов, ученики не только учатся тому, как работают технологии, но и значимым и увлекательным способом применяют знания и умения, полученные в школе. Образовательная робототехника богата возможностями в интеграции не только в областях науки, технологии, инженерии и математики (STEM), но и во многих других областях, в том числе и грамотности, общественных науках, танцах, музыке и искусстве, позволяя ученикам находить способы работать совместно, чтобы развить их навыки сотрудничества и самовыражения, навыки решения проблем, критического и инновационного мышления.
Образовательная робототехника - это инструмент обучения, улучшающий ученический опыт через практическое изучение. И самое важное, образовательная робототехника предоставляет веселую и интересную среду обучения из-за ее практического характера и интеграции технологий. Привлекательная среда обучения мотивирует обучаться независимо от навыков и знаний, необходимых для выполнения поставленных целей для завершения заинтересовавшего их проекта.
Как преподаватель может заинтересовать учеников в изучении предметов, которые требуют наличие навыков в области науки, технологии, инженерии и математики (STEM)? Образовательная робототехника предлагает уникальную альтернативу традиционным методам обучения.
Интерес к использованию роботов для обучения учеников младших классов появился в первой половине 80-х гг. с началом использования программ, разработанных с помощью технологий, доступных на тот момент. Но он оставался невостребованным какое-то время из-за ограниченного доступа к связанным с ним технологиям, дороговизны, отсутствия исследований и необходимости проведения большого числа тестирований, что мешало обширному использованию роботов для преподавательских целей. Но времена поменялись. За прошедшее десятилетие с приходом технологических инноваций, школьники сейчас полностью аккультурированы к использованию технологий благодаря аудиоплеерам, смартфонам, планшетам, интернету и виртуальным мирам, созданным играми, в которые они играют. У учеников есть мотивация к использованию этих устройств, которые в свою очередь могут добавить новое измерение повседневному преподаванию.
Маленькие дети – настоящие инженеры. Они создают крепости, башни из кубиков, замки из песка, и разбирают свои игрушки, чтобы узнать, что внутри. И также в этом возрасте, дети в какой-то мере знакомы с конструкторами. Еще до достижения детсадовского возраста каждый ребенок уже играл с конструктором, или по крайней мере знает, что это такое. Используя эту ассоциацию можно вовлечь детей в процесс обучения.
Выбор важной и интересной для детей темы для проектирования является большой мотивацией к обучению. Например, дети на уроке узнали о цветах. Они создали небольшой сад и их задача – защитить его от вредителей. Учителем предлагается решить эту проблему, используя робототехнические наборы.
Каждому ребенку назначается его роль в проекте на основе его знаний и стиля обучения: разработчик, проектировщик, программист, фотограф, и т.д. Дети исследуют процесс проектирования при помощи следующих шагов, для решения проблемы: постановка проблемы, мозговой штурм для решения проблемы, выбор рабочей идеи, проектирование решения, создание решения, используя робототехнические наборы, программирование модели, документация процесса, и демонстрация получившегося проекта.
В процессе работы над проектом ученики узнают о физике, разработке и технологиях, развивают навыки работы в команде и коммуникативные способности посредством совместной работы над проблемой и экспериментирования с различными идеями.
Дети учатся работать совместно, и начинают быстро понимать важность каждого члена команды. Например, разработчик ничего не может создать без проектировщика, так как он не знает особенностей проектирования, а программист не может работать без разработчика, так как без готовой модели ему будет нечего программировать.
Дети не знакомые с конструкторами тоже должны создать проект на основе простых механизмов. Им предоставляется простор действий для того, чтобы помочь им учиться, играя с деталями конструктора. Также можно принести им недоработанные или сделанные некорректно модели и дать им возможность исправить их. Цель состоит в том, чтобы не давать детям пример для копирования, но предоставить им некоторое руководство о том, как сделать модель, что позволит им включиться в работу с остальной группой. Это действительно хорошо работает, и дети начинали методом проб и ошибок исправляют модель и учатся программировать ее. Они могут использовать различные стратегии для достижения конечного результата.
Конспектирование проекта также важно для детей. Оно помогает им систематизировать полученную информацию и лучше ее запомнить. Также оно помогает отслеживать их успехи в работе.
Учащиеся развивают технологическую беглость при использовании компьютеров, цифровых фотоаппаратов и прочих устройств, которые они могут использовать при разработке. Они учатся программировать и узнают базовые технические понятия, которые требуются для корректного моделирования. Развивая технологическую беглость, они самовыражаются различными способами посредством моделирования, записи, фотографировании и обсуждения их проекта. И самое главное они развивают самооценку и уверенность в себе как ученики.
Вышеописанное демонстрирует, что образовательная робототехника - это мощный инструмент, который может быть использован для обучения.
- Дети формируют свои знания благодаря процессу моделирования значимых для них проектов и воплощению их собственных идей, используя самостоятельно разработанные алгоритмы;
- Дети учатся благодаря одновременной работе в виртуальном (программирование) и реальном мире (создание модели);
- Дети сталкиваются с когнитивными конфликтами через сравнение условий и результатов в процессе программирования и тестирования модели;
- Дети учатся благодаря отражению и воспроизведению их собственных знаний, обсуждению их наблюдений;
- Дети учатся благодаря беседам, основанным на совместной работе, обсуждениям, аргументациям
Робототехника – универсальный инструмент для образования. Она хорошо подходит как для дополнительного образования, так и для внеурочной деятельности. Также она является неплохим вариантом для преподавания ее как предмета школьной программы, так как она полностью соответствует требованиям ФГОС. Обучаться робототехнике можно начиная с любого возраста.
Причем использование робототехнического оборудования – это обучение, игра и творчество одновременно, что гарантирует увлеченность и заинтересованность, а также развитие ребенка в процессе обучения.
Образовательная робототехника дает возможность на ранних шагах выявить технические наклонности учащихся и развивать их в этом направлении. В настоящее время существует большое количество различных робототехнических наборов, удовлетворяющих любым требованиям. Каждый из наборов имеет свои особенности. Это и количество, и тип деталей в наборе, и различные среды программирования, имитирующие или поддерживающие известные языки.
Кратко о себе:
Я не являюсь специалистом в области педагогики и образования, к детям отношусь сугубо как личностям в начале жизненного пути, а не к «цветам жизни» и преследую цель заинтересовать их и передать им свой опыт. В робототехнике работаю уже несколько лет и имею неподдельный интерес к этой сфере.
Кружков робототехники в России становится всё больше, однако мало кто из родителей понимает, что именно из себя представляет это направление. Большинство относится к нему скептически, считая что всё завязано на обычном LEGO, в которое можно поиграть и дома или же считают что это оторванный от жизни предмет, на который можно отправить ребенка ради его развлечения и отдыха. С другой стороны, некоторые считают это занятие уделом гениев или ботаников. Ну, или что оно способно сделать гения из их ребенка.
На самом же деле, образовательная робототехника не является ни заумным предметом, ни профессией будущего, ни беззаботным развлечением. А является она базой для серьезного изучения прикладных технических навыков, необходимых для будущего технаря уже сейчас.
Безусловно, это занятие не для всех - многие дети не горят желанием изучать «скучную» теорию вместо того чтобы, условно, порезвиться в спортивной секции. Однако, тех, кто любит всё время что-то создавать своими руками, интересуется компьютерной техникой или просто проявляет интерес к любой технике, образовательная робототехника способна обучить многим навыкам, например:
- Самостоятельному проектированию конструкций
- Пониманию принципов работы различных механизмов
- Основам компьютерной грамотности
- Принципам программирования
- Оптимизации процессов и поисках альтернативных решений
- Применению английского языка (стандарт в технической отрасли)
- Пониманию «для чего нужна математика»
- Взаимодействию программной части с конструкцией
- Работе в составе команды и общей социализации
Самое главное - не стоит нацеливаться на конкретные результаты, вроде занятия призовых мест на различных соревнованиях по робототехнике. Они нужны в первую очередь для социализации, созданию интереса к отрасли и духа соревнования. Это тот самый случай, когда во всех смыслах участие важнее победы. Здесь робототехника ближе к художественной школе с её выставками, где главное - на других посмотреть, да себя показать.
В качестве результата обучения можно рассматривать постепенное увеличение сложности создаваемых проектов (как в кружке, так и дома), однако тут всё индивидуально.
Перейдем к наиболее часто задаваемым вопросам:
Чем мы занимаемся на робототехнике?
Строим роботов, конечно! Интересных и разных. Из LEGO. Изучаем, что такое датчики, шестеренки, гусеницы, для чего это нужно и как это использовать. Воспроизводим некоторые приборы из «взрослого мира», вроде парктроника или охранной системы, а еще строим всякие гусеничные вездеходы.
Для всего этого нам часто приходится использовать математику и банальную интуицию. А логическое мышление - вообще наше всё.
Почему «LEGO»?
Образовательные наборы LEGO Mindstorms EV3 являются международным стандартом для образовательной робототехники, так как ни один другой набор не обладает таким уровнем стандартизации, простоты использования и глубины проработки. Выпущенное в 2013-м году третье поколение образовательного робототехнического набора от LEGO, EV3 (в народе «Ева») обладает поистине необъятной широтой возможностей, заложенных в программное обеспечение и аппаратную составляющую, а совместимость с любыми другими наборами LEGO даже 40-летней давности дает очевидную возможность использовать любые детали для строительства конструкций. Кстати, у LEGO в наборах есть шикарно реализованные механические узлы (дифференциалы, элементы различных типов передач, элементы подвески и тд) и даже внятная пневматика. Ни один другой набор не имеет ничего подобного на том же уровне реализации. Есть еще fischertechnik но он относительно редко мне встречался, а цена та-же.
У скептицизма в сторону LEGO есть две причины:
1. Поверхностное знакомство с этим набором. Многие преподаватели из кружков робототехники (даже ВУЗовских!) грешат тем, что плохо знают то, на чем они работают. Будучи не сильно знакомы с основами конструирования механизмов и программирования, они не в состоянии оценить все возможности инструмента, а тем более задействовать их в образовательных целях.
2. Высоко задранный нос у адептов «старой школы». Это о тех, кто заявляет, что те, кто занимаются на LEGO не знают ни о транзисторах-резисторах, и вообще мы тут из готовых блоков всё делаем и блоками-же программируем. Всё они верно говорят. Не знаем. Только робототехника не про электронику и пайку, а про решение практических задач и автоматизацию. Есть еще вариация с «крутыми программистами», которые сходу занимаются программированием микроконтроллеров и миганием светодиодами, напрочь забывая про механическую часть.
В реальности у LEGO Mindstorms всего 2 существенных минуса:
- Низкая жесткость больших конструкций
- Большой размер и вес главного модуля и двигателей (миниатюрных сервоприводов в наборе нет)
Для какого возраста подходит робототехника?
Примерно от 6-7 и до 67 лет:)
На самом деле всё очень индивидуально. В возрасте 5-6 лет большинство детей еще остаются в фазе «игра - основа обучения». В этом возрасте главное - приобрести навык созидания, то есть научиться собирать из конструктора самостоятельно, без инструкций и подсказок, по своему разумению. Примерно с 5,5 лет я беру детей на занятия, где у них, по сути, проходят «прописи» - мы собираем из кубиков машинки, самосвалы, самолёты и вертолеты, и оснащаем эти постройки двигателями, чтобы у них крутились колёса и винты (занимаемся на LEGO WEDO 2.0). Программирование даю только тем, кто сам тянется узнать «как оно там происходит».
С 7 лет обычно ребёнок достаточно созревает, чтобы осознанно вникать в сложные вещи без потери интереса. В этом возрасте занимаемся уже на «Еве», осваивая такие понятия как «градус угла, процент, десятичная дробь» (ну а как иначе, тут мы уже с датчиками вплотную работаем). Обычно ни у кого особенных проблем с этим не возникает, если есть интерес к познанию. Проблемы возникают только тогда, когда нам уже нужно что-нибудь делить-умножать, а в школе этого еще не проходили.
10-14 лет - самый эффективный возраст для обучения, поскольку отношение к предмету обычно более серьезное, интерес более профессиональный, и нет страха перед математикой уровня шестого класса. К тому же можно рассказать, для чего нужны эти пресловутые синусы-косинусы, прикладной смысл которых в школе остаётся неизученным.
Также, спустя год обучения, можно перейти с LEGO на свободную элементную базу (одноплатные компьютеры и датчики из китая + алюминиевые профили из строительного магазина).
А что, если купить такое LEGO домой и заниматься самим?
Это вполне здравая идея, если:Вы обладаете хотя бы минимальными знаниями о механизмах и программировании и способны изучить набор в полной мере самостоятельно. У вас есть лишние ~40 т.р. на покупку набора и некоторых дополнительных модулей. Однако даже в этом случае лучше параллельно учиться в кружке, развивая дома те идеи, которые пришли в голову после изучения новой темы.
Почему мы не используем инструкции?
Инструкции - от лукавого:)
Когда ребенок что-то строит по инструкции, он просто повторяет, не вникая в суть того, для чего та или иная деталь или узел нужен. Безусловно, купить дорогой набор LEGO Tehnic с кучей механики, пневматикой, и не построить предлагаемые модели по инструкции хотя бы ради изучения принципа работы - плохая идея. Эти модели очень сложные и интересные для изучения. Однако у нас в кружке главное - реализовать какой-либо принцип. А вот каким путем - уже проблема учащегося, которую он должен решить, используя свою голову. Пусть даже неправильно, с ошибками, но - сам. Инструкции у нас используются только когда мы собираем модель с очень сложной механикой и/или программой для изучения принципа работы.
Если в кружке собирают по инструкциям постоянно - это свидетельство профессиональной некомпетентности преподавателя. Такое часто наблюдается в кружках по франшизе и при школах.
Как происходит процесс программирования?
Для LEGO Mindstorms EV3 есть несколько вариантов:- Встроенная среда для программирования прямо в главном модуле. Оттуда можно программировать простые линейные алгоритмы типа «сначала едь вперед до стены, потом поверни ровно налево». С этого мы начинаем. Это позволяет нам отложить изучение программирования с компьютера, и сосредоточиться на основах.
- Специальное программное обеспечение для компьютеров и планшетов, основанное на «взрослой» системе визуального программирования LabView. Программа собирается из блоков-функций. Это позволяет избежать проблем с изучением синтаксиса и по функционалу ничем не уступает взрослому текстовому программированию. Правда, выглядит громоздко, да. Но зато наглядно. Циклы, условные операторы, переменные, функции и всё вот это вот - в наличии. Это наш основной инструмент.
- При желании можно использовать Си или другой язык программирования, но если встал такой вопрос, то для этого лучше использовать Arduino и вообще это уже совсем другая история.
На этом я закончу, спасибо за чтение!
Робототехника - универсальная наука, в которую входит большое количество специализаций, многие из них уже стали частью жизни общества. Роботы имеют связь со смартфонами, а вскоре обзаведутся своими приложениями, экосистемами. Просвещенный в этом мире человек сможет чувствовать себя как рыба в воде.
Больше полезных материалов в разделе " ": кружки, курсы и вузы (робототехника и искусственный интеллект).
Робототехника является прикладной научной отраслью, которая специализируется на создании роботов и автоматизированных технических систем. Отрасль еще называют роботостроением, что подразумевает процесс, аналогичный машиностроению. Сегодня существует промышленная, строительная, авиационная, космическая, подводная и военная робототехника. В последнее время актуальными стали боты-помощники и роботы для игр.
«Сестрой» робототехники является мехатроника - дисциплина, которая изучает создание и эксплуатацию машин, а также систем с программным управлением. Нередко мехатронику считают синонимом электромеханики и наоборот. Профессионалы-мехатроники занимаются заводскими станками, оснащенными программным обеспечением, беспилотными транспортными средствами, современной офисной техникой и пр. В общей сложности, их специализация - приборы, выполняющие конкретную задачу. Робототехника находится в родстве с мехатроникой.
Прямая задача инженера-робототехника - изготовить робота. Ему принадлежит выбрать задачи, для выполнения которых нужен бот, продумать его механику, электронную составляющую, запрограммировать действия. Естественно, одному специалисту не справиться с такой задачей, а поэтому робототехники трудятся в команде.
Но разработка и создание машины - это не все. Устройству необходимо качественное обслуживание - управление, отслеживание «самочувствия», ремонт. Здесь в игру вступает робототехник, который специализируется на обслуживании.
Основа современной робототехники состоит из механики, электроники и программирования. Футурологи прогнозируют, что со временем в ход пойдут био- и нанотехнологии. Это приведет к появлению киборга - кибернетического организма, который будет промежуточным звеном между человеком и роботом. Следовательно, получить образовании в данной сфере - означает иметь большие профессиональные и финансовые перспективы.
Где потом работать?
В специалистах по робототехнике нуждаются конструкторские бюро авиации и космонавтики, такие как НПО им. С.А.Лавочкина, научно-исследовательские центры, специализирующиеся на космической отрасли, медицине, нефтедобыче, компании, занимающиеся роботостроением.
Если Вы хотите посвятить себя робототехнике, то должны интересоваться точными науками, инженерным делом, обладать аналитическим сладом ума, отлично структурированным мышлением «приправленным» богатым воображением.
В итоге, Вам нужно овладеть знаниями в области механики, программирования, теории автоматического управления, проектирования автоматических систем. Также неплохо бы иметь навыки конструирования и «очумелые» ручки - придется работать с паяльником и не только.
Познаем азы еще в школе
Если задуматься серьезно, робототехника является идеальным предметом школьной программы. Она позволяет рисовать увлекательные образы будущего, которые популяризирует кино, литература, игры. Этот мир сегодня еще кажется сказочным, но если вникнуть глубже, то можно заметить, что он намного реальнее, чем нам может показаться.
На российском рынке присутствуют компании, которые предлагают обучающие курсы по робототехнике для школ, а также программы с использованием образовательных конструкторов для дошкольников и школьников.
В их число входят (это лишь небольшой перечень):
- «Роботбаза», «ИнноПарк», семейный досуговый центр «Интерес», Политехнический музей, музей занимательной науки «Экспериментаниум», (Москва).
- Санкт-Петербургский городской Дворец творчества юных робототехников, Санкт-Петербургский центр детского и юношеского технического творчества (Санкт-Петербург).
- Сеть учебно-творческих центров «Гений», центр инновационно-технического развития«Робот Центр», Дворец молодежи (Екатеринбург).
- Кружок робототехники при ННГУ им. Н. И. Лобачевского, Нижегородский Институт Информационных Технологий, Поволжский центр аэрокосмического образования (Нижний Новгород).
- Областной центр технического творчества учащихся, Профессиональный лицей № 3 (Ростов-на-Дону).
- Студия «Роботикс» в рамках университета «Иннополис», инновационный технопарк «Идея», Центр детского технического творчества им. В. П. Чкалова (Казань).
- «Лига Роботов» (франшиза).
- "РОББО Клуб" (франшиза).
Новый, расширенный список кружков по робототехнике для детей смотрите .
Какие навыки это позволит развить?
- Дает понятие профориентации в раннем возрасте.
- Расширяет политехнический кругозор, закрепляет на практике знания, полученные во время изучения основ наук.
- Развивает навыки проектной и конструкторской деятельности и пр.
Где получить высшее образование?
Чтобы связать свою профессиональную деятельность с этой сферой, необходимо получить образование в направлении «мехатроника и робототехника», после чего будет присвоена квалификация «инженер». Тем более что в России общее количество ВУЗов, где обучают «Мехатронике и робототехнике» доходит до 40.
Желающие могут стать студентами:
Факультета специального машиностроения кафедры «специальной робототехники и мехатроники» Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана.
Кафедры «автоматизации и робототехники» Омского Государственного технического университета.
Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (СГУАП)
Магнитогорского государственного технического Университета.
Южно-Российского Федерального Университета (Новочеркасский ГТУ).
Саратовского государственного технического Университета.
Робототехника является одним из самых перспективных направлений технологического бизнеса. Продажи роботов неустанно увеличиваются, а поэтому есть смысл серьезно задуматься о получении образования в этой сфере.
