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.
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
|
Сегодня занятия робототехникой становятся очень популярными. Школьникам такие уроки помогают сформировать и развить критическое мышление, научиться творчески подходить к процессу решения задач различного уровня сложности, а также получить навыки работы в команде.
Новое поколение
Современное образование переходит на новый виток своего развития. Многие педагоги и родители ищут возможность заинтересовать детей наукой, привить любовь к обучению и зарядить желанием творить и мыслить неординарно. Традиционные формы изложения материала уже давно утратили свою актуальность. Новое поколение не похоже на своих прародителей. Они хотят учиться живо, интересно, интерактивно. Это поколение легко ориентируется в современных технологиях. Дети хотят развиваться так, чтобы не только идти в ногу со стремительно развивающимися технологиями, но и непосредственно участвовать в этом процессе.
Многие из них интересуются: «Что такое робототехника? Где этому можно учиться?».
Образование и роботы
Эта учебная дисциплина включает в себя такие предметы, как конструирование, программирование, алгоритмику, математику, физику и другие дисциплины, связанные с инженерией. Ежегодно проводится World Robotics Olympiad (всемирная олимпиада по робототехнике - WRO). В образовательной сфере - это массовое соревнование, позволяющее лучше узнать, что такое робототехника для тех, кто впервые сталкивается с подобным предметом. Оно дает возможность попробовать свои силы участникам более чем из 50 стран. На соревнования съезжаются порядка 20 тысяч команд, в состав которых входят дети от 7 до 18 лет.
Основная цель WRO: развитие и популяризация НТТ (научно-технического творчества) и робототехники в молодежной и детской среде. Подобные олимпиады являются современным образовательным инструментом XXI века.
Новые возможности
Чтобы дети лучше понимали, что такое робототехника, на соревнованиях применяются теоретические и практические навыки, полученные на занятиях в рамках клубной работы и школьной программы по изучению естественно-научных предметов и точных наук. Увлеченность робототехнической дисциплиной постепенно перерастает в желание глубже узнать такие науки, как математика, физика, информатика и технологии.
WRO - это уникальная возможность для ее участников и наблюдателей не только узнать глубже что такое робототехника, но и развить в себе навыки творчества и критического мышления, которые так необходимы в XXI веке.
Обучение
Интерес к образовательной дисциплине робототехнического направления растет с каждым днем. Материальная база постоянно улучшается и развивается, многие идеи, еще недавно остававшихся мечтой - сегодня реальность. Изучение предмета «Основы робототехники» стало возможным для большого числа детей. На уроках ребята учатся решать задачи с ограниченными ресурсами, обрабатывать и усваивать информацию, а также использовать ее в правильном русле.
Дети учатся легко. Современное подрастающее поколение, воспитывающееся на различных гаджетах, как правило, не имеет трудностей в освоении дисциплины «Основы робототехники», при условии наличия желания и тяги к новым знаниям.
Нужно что даже взрослых людей сложнее переучивать, чем научить чистые, но жаждущие детские умы. Положительной тенденцией есть колоссальное внимание к популяризации робототехники в молодежной среде со стороны правительственных органов России. И это понятно, так как задача модернизации и привлечения молодых специалистов - это вопрос конкурентоспособности государства на международной арене.
Важность предмета
Сегодня актуальным вопросом Министерства образования стоит введение образовательной робототехники в круг школьных дисциплин. Она считается важным направлением развития. На уроках технологии дети должны получать представления о современной сфере развития техники и конструирования, которые дают им возможность самим придумывать и строить. Не обязательно всем ученикам становиться инженерами, но возможность должна быть у каждого.
Вообще, уроки робототехники крайне интересны детям. Это важно понимать всем - и учителям, и родителям. Такие занятия дают возможность увидеть другие дисциплины в ином свете, понять смысл их изучения. А ведь именно смысл, понимание того, зачем это нужно, движет умами ребят. Его отсутствие сводит на нет все усилия учителей и родителей.
Важным фактором является то, что обучение робототехнике - процесс не напрягающий и всецело поглощающий детей. Это не только развитие личности ученика, но и возможность уйти от улицы, неблагоприятной обстановки, праздного времяпровождения и влекущих за ним последствий.
Происхождение
Само название робототехники происходит от соответствующего английского robotics. Это прикладная наука, которая занимается разработкой технических автоматизированных систем. На производстве она является одной из главных технических основ интенсификации.
Все законы робототехники, как и сама наука, тесно связаны с электроникой, механикой, телемеханикой, механотроникой, информатикой, радиотехникой, электротехникой. Сама робототехника подразделяется на промышленную, строительную, медицинскую, космическую, военную, подводную, авиационную и бытовую.
Понятие «робототехника» впервые в своих рассказах использовал писатель-фантаст Это было в 1941 году (рассказ «Лжец»).
Само слово «робот» придумали в 1920 году чешский писатели и его брат Йозеф. Оно вошло в научно-фантастическую пьесу «Россумские универсальные роботы», которая была поставлена в 1921 году и пользовалась большим зрительским успехом. Сегодня можно наблюдать, как линия, обозначенная в пьесе, получила широкое развитие в свете научно-фантастической кинематографии. Суть сюжета: хозяин завода занимается разработкой и наладкой выпуска большого числа андроидов, способных работать без отдыха. Но эти роботы в итоге восстают против создателей.
Исторические примеры
Интересно, что зачатки робототехники появились ещё в античные времена. Об этом свидетельствуют останки движущихся статуй, которые были изготовлены в I веке до н.э. Гомер писал в «Илиаде» о сотворенных из золота служанок, способных говорить и мыслить. Сегодня разум, которым наделяют роботов, получил название - искусственный интеллект. Кроме того, древнегреческому инженеру-механику Архиту Тарентскому приписывают разработку и создание механического летающего голубя. Это событие датируется приблизительно 400 годом до н.э.
Таких примеров большое множество. Они хорошо раскрыты в книге Макарова И.М. и Топчеева Ю.И. «Робототехника: история и перспективы». В ней в популярной форме рассказано об истоках современных роботов, а также очерчена робототехника будущего и соответствующее развитие человеческой цивилизации.
Типы роботов
На современном этапе важнейшими классами роботов широкого назначения являются мобильные и манипуляционные.
Мобильный — это автоматическая машина с движущимся шасси и управляемыми приводами. Эти роботы могут быть шагающими, колёсными, гусеничными, ползающими, плавающими, летающими.
Манипуляционный — это автоматическая стационарная или передвижная машина, состоящая из манипулятора с несколькими степенями подвижности и программным управлением, выполняющим двигательные и управляющие функции в производстве. Такие роботы бывают в напольном, портальном или подвесном виде. Наибольшее распространение они получили на приборостроительных и машиностроительных производствах.
Способы перемещения
Большое распространение получили колёсные и гусеничные роботы. Перемещение шагающего робота представляет нелегкую задачу динамики. Такие роботы пока не могут иметь устойчивого движения, присущего человеку.
Относительно летающих роботов можно сказать, что большинство современных самолётов как раз ими являются, но управляются они пилотами. В то же время автопилот может контролировать полёт на всех стадиях. К летающим роботам относятся и их подкласс - крылатые ракеты. Такие аппараты имеют небольшой вес и выполняют опасные миссии, вплоть до ведения огня по команде оператора. Кроме того, есть проектные аппараты, способные к самостоятельному ведению огня.
Существуют летающие роботы, использующие методы движения, которые используют пингвины, медузы и скаты. Этот способ перемещения можно увидеть у роботов Air Penguin, Air Ray, Air Jelly. Их производит компания Festo. А вот роботы RoboBee используют методы полёта насекомых.
Среди ползающих роботов есть ряд разработок, подобных по перемещению червям, змеям и слизням. При этом робот использует силы трения на шероховатой поверхности или кривизну поверхности. Подобное перемещение полезно для узких пространств. Такие роботы нужны для поиска людей под обломками разрушенных зданий. Змееподобные роботы способны к перемещению в воде (такие, как ACM-R5 производства Японии).
Перемещающиеся по вертикальной поверхности роботы, используют такие подходы:
- подобные человеку, который взбирается на стену с выступами (Стэнфордский робот Capuchin);
- подобные гекконам, снабжённых вакуумными присосками (Wallbot» и Stickybot).
Среди плавающих роботов существует много разработок, перемещающимся по принципу подражания рыбам. Эффективность такого движения на 80% превосходит эффективность движения с гребным винтом. Подобные конструкции имеют низкий уровень шума и высокую маневренность. Этим они вызывают большой интерес у исследователей подводного пространства. К таким роботам относятся модели Эссекского университета - Robotic Fish и Tuna, разработанный институтом Field Robotics. Они смоделированы по движению, характерному для тунца. Среди роботов, имитирующих движение ската известна разработка фирмы Festo: Aqua Ray. А робот, движущийся как медуза, - это Aqua Jelly от того же разработчика.
Кружковая работа
Большинство кружков по робототехнике ориентированы на начальную и среднюю школу. Но и дети дошкольного возраста не обделены вниманием. Главную роль здесь играет развитие творчества. Дошкольники должны научиться мыслить свободно и воплощать свои идеи в творчестве. Именно поэтому занятия по робототехнике в кружках для детей до 6 лет направлены на активное использование кубиков и простых конструкторов.
Школьная программа, безусловно, усложняется. Она дает возможность познакомится с различными классами роботов, попробовать себя на деле, углубиться в науку. Новые дисциплины раскрывают потенциальные возможности ребенка для получения профессиональных навыков и знаний в выбранной области инженерии.
Робототехнические комплексы
Современное развитие робототехники находится в такой стадии, что, кажется, вот-вот произойдет мощный рывок в робототехнологиях. Это так же, как с видеосвязью и мобильными гаджетами. Еще недавно все это казалось недоступным для массового потребления. А сегодня - это обыденность, переставшая удивлять. Зато каждая выставка робототехники показывает нам фантастические проекты, которые захватывают дух человека от одной только мысли об их внедрении в жизнь общества.
В системе образования позволяют реализовать программу с применением проектной деятельности именно комплексные установки из роботов, среди которых популярны:
Управление
По типу управления системы бывают:
- биотехническими (командные, копирующие, полуавтоматические);
- автоматические (программные, адаптивные, интеллектуальные);
- интерактивные (автоматизированные, супервизорные, диалоговые).
К основным задачам управления роботами относятся:
- планирование движений и положений;
- планирование сил и моментов;
- идентификация динамических и кинематических данных;
- анализ динамической точности.
Большое значение в сфере робототехники имеет развитие методов управления. Это важно для технической кибернетики и теории автоматического управления.
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.