Методические аспекты внедрения основ робототехники в образовательный процесс

Современное поколение является свидетелем стремительного развития науки и техники. За последние триста лет человечество прошло путь от простейших паровых машин до мощных атомных электростанций, овладело сверхзвуковыми скоростями полета, поставило себе на службу энергию рек, создало огромные океанские корабли и гигантские землеройные машины, заменяющие труд десятков тысяч землекопов.

Эволюция современного общества и производства обусловила возникновение и развитие нового класса машин - роботов - и соответствующего научного направления – робототехники, как прикладной науки, занимающейся разработкой автоматизированных технических систем.

Современный уровень развития робототехники позволяет ставить и разрешать задачи создания новых устройств, которые освободили бы человека от необходимости следить за производственным процессом и управлять им, т. е. заменили бы собой оператора, диспетчера и т.д.

В истории развития роботов выделяют четыре основных этапа.

Первый исторический этап движения человечества по пути создания роботов характеризуется обилием мифов и легенд о механических существах, а также созданием первых довольно совершенных для своего времени человекоподобных автоматов - андроидов, предназначенных главным образом для культовых и зрелищных целей.

Второй этап развития робототехники характеризуется, с одной стороны, расцветом высочайшего технического искусства мастеров при создании сложных автоматических устройств, воспроизводящих функции животных и человека; с другой - началом разработки и внедрения в развивающееся промышленное производство весьма эффективных технологических устройств и станков-автоматов. Одновременно в этот период начинают формироваться соответствующие научные направления, заявляет о себе вычислительная техника.

Третий этап становления робототехники отмечен возникновением и всеобщим признанием термина "робот", разработкой и использованием для нужд человека прямых предшественников современных роботов - дистанционных копирующих манипуляторов и программируемых автоматических устройств манипуляционного типа, а также стремительным развитием научных и прикладных основ вычислительной техники и кибернетики. Этот мощный научно-технический задел, следуя интересам и потребностям общественного развития, вывел на старт современную робототехнику.

Четвертый исторический этап может быть назван в целом этапом современной робототехники. Он характеризуется разработкой и созданием уже достаточно совершенных роботов, управляемых в наиболее развитом виде от ЭВМ и имеющих прикладное назначение как в промышленном производстве, так и в научных исследованиях; динамичным развитием и широким использованием в общественных процессах роботов; окончательным формированием робототехники в единое научно-техническое направление.

В настоящее время робототехника является одним из перспективных направлений научно- технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта. Рассмотрение этого направления в рамках образовательного процесса  происходит в области информатики и информационных и коммуникационных технологий. Поэтому особое значение сейчас имеет внедрение учебных роботов в образовательный процесс школ, средне специальных заведений, высшей школы. Большую значимость среди учебных роботов в настоящее время имеют Лего – конструкторы.

Среди роботов серии Lego выделяют следующие учебные роботы:

• Lego WeDo;
• Lego Mindstorms NXT – G [1].

ПервоРобот LEGO WeDo

Данный конструктор в линейке роботов LEGO, предназначен в первую очередь для начальной школы (2 – 4 классы). Работая индивидуально, парами, или в командах, учащиеся любых возрастов могут учиться, создавая и программируя модели, проводя исследования, составляя отчёты и обсуждая идеи, возникающие во время работы с этими моделями [2].

ПервоРобот WeDo предоставляет учителям средства для достижения целого комплекса образовательных целей:

• развитие словарного запаса и навыков общения при объяснении работы модели;
• установление причинно-следственных связей;
• анализ результатов и поиск новых решений;
• коллективная выработка идей, упорство при реализации некоторых из них;
• экспериментальное исследование, оценка (измерение) влияния отдельных факторов;
• проведение систематических наблюдений и измерений;
• использование таблиц для отображения и анализа данных;
• построение трехмерных моделей по двухмерным чертежам;
• логическое мышление и программирование заданного поведения модели;
• написание и воспроизведение сценария с использованием модели для наглядности [3].

Программное обеспечение ПервоРобот LEGO WeDo (LEGO Education WeDo Software) предназначено для создания программ путём перетаскивания Блоков из Палитры на Рабочее поле и их встраивания в цепочку программы [4].

Комплект заданий WeDo позволяет учащимся работать в качестве юных исследователей, инженеров, математиков и даже писателей, предоставляя им инструкции, инструментарий и задания для межпредметных проектов [1].

Учебный робот Lego Mindstorms NXT – G

Lego Mindstorms работает на базе компьютерного контроллера NXT, то есть это два микропроцессора, более 256 кбайт Flash-памяти, USB-интерфейс, Bluetooth-модуль, а также жидкокристаллический экран, громкоговоритель, батарейный блок, порты датчиков и сервоприводов [2].

NXT – это самый главный элемент в работе MINDSTORMS. Это разумная, контролируемая компьютером деталь конструктора LEGO , которая может позволить роботу MINDSTORMS исполнять разнообразные действия [5].

Уже несколько лет в России известно Лего – конструирование — образовательная технология, формирующая у школьников способность критически мыслить, умение видеть возникающие проблемы и находить пути их решения, четко осознавать, где можно применить свои знания. Лего – робот помогает в курсе технологии средней школы понять основы робототехники, в курсе информатики – наглядно реализовать сложные алгоритмы, а в начальном профессиональном образовании – рассмотреть вопросы, связанные с автоматизацией производственных процессов и процессов управления, систем безопасности.

На сегодняшний день распространение робототехники  идет по разным направлениям. Нами внедрение основ робототехники ведется  в двух направлениях:

1. Создание кружка по робототехнике для студентов 4 и 5 курса Института физико-математического образования АлтГПА.

 2. Проведение 1 олимпиады по робототехнике в Алтайском крае.

Для того чтобы осуществить обучение основам робототехники необходимы преподаватели и учителя, которые владели бы основными знаниями по робототехнике, навыками работы с роботами, имели достаточно информации о возможностях учебных конструкторов робототехники, а также знали возможности применения роботов  в рамках образовательного процесса.

В связи с этим создание  кружка по робототехнике для студентов 4 и 5 курса Института физико-математического образования позволило подготовить будущих учителей информатики, способных решить поставленные выше задачи.

Нами была разработана программа изучения основ робототехники.

Цель программы: обучение основам алгоритмизации и программирования с использованием робота Lego Mindstorms NXT.

Задачи, реализуемые программой:

• научить  конструировать роботов на базе микропроцессора NXT;
• научить работать в среде программирования Mindstorms NXT;
• научить составлять программы управления Лего-роботами;
• развивать творческие способности и логическое мышление обучающихся;
• развивать умение выстраивать гипотезу и сопоставлять с полученным результатом;
• развивать образное, техническое мышление и умение выразить свой замысел;
• развивать умения работать по предложенным инструкциям по сборке моделей;
• развивать умения творчески подходить к решению задачи;
• развивать применение знаний из различных областей знаний;
• развивать умения излагать мысли в четкой логической последовательности, отстаивать свою точку зрения, анализировать ситуацию и самостоятельно находить ответы на вопросы путем логических рассуждений;
• получать навыки проведения физического эксперимента.

В качестве платформы для создания роботов используется конструктор Lego Mindstorms NXT.

Lego-робот представляет собой конструктор, который поможет в рамках изучения данной темы понять основы робототехники, наглядно реализовать сложные алгоритмы, рассмотреть вопросы, связанные с автоматизацией производственных процессов и процессов управления. Робот рассматривается в рамках концепции исполнителя, которая используется в курсе информатики при изучении программирования. Однако в отличии от множества традиционных учебных исполнителей, которые помогают обучающимся разобраться в довольно сложной теме, Lego-роботы действуют в реальном мире, что не только увеличивает мотивационную составляющую изучаемого материала, но вносит в него исследовательский компонент.

Контроль знаний и умений. Текущий контроль уровня усвоения материала осуществляется по результатам выполнения обучающихся практических  заданий.

Итоговый контроль реализуется в форме соревнований (олимпиады) по робототехнике.

Требования к результатам освоения программы:

Процесс изучения направлен на формирование следующих компетенций:

общекультурные компетенции (ОК):

• владеет культурой мышления, способен к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке  цели и выбору путей её достижения (ОК-1);
• умеет логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь (ОК - 6);
• готов к взаимодействию с коллегами, к работе в коллективе (ОК-7);
• владеет основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, имеет навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ОК - 8);
• способен понимать сущность и значение информации в развитии современного информационного общества (ОК - 12);
• способен использовать навыки публичной речи, ведения дискуссии и полемики (ОК-16);

общепрофессиональные компетенции (ОПК):

• осознает социальную значимость своей будущей профессии, обладает мотивацией к осуществлению профессиональной деятельности (ОПК-1);
• способен использовать систематизированные теоретические и практические знания гуманитарных, социальных и экономических наук при решении социальных и профессиональных задач (ОПК-2);

специальные компетенции (СК):

• готов применять знания теоретической информатики, фундаментальной и прикладной математики для анализа и синтеза информационных систем и процессов (СК-1);
• способен использовать математический аппарат, методологию программирования и современные компьютерные технологии для решения практических задач получения, хранения, обработки и передачи информации (СК-2);
• владеет современными формализованными математическими, информационно-логическими и логико-семантическими моделями и методами представления, сбора и обработки информации (СК-3);
• способен реализовывать аналитические и технологические решении в области программного обеспечения и компьютерной обработки информации (СК-4);

В результате  обучающийся должен:

знать: правила безопасной работы; знать основные компоненты конструкторов ЛЕГО; конструктивные особенности различных моделей, сооружений и механизмов; компьютерную среду, включающую в себя графический язык программирования; виды подвижных и неподвижных соединений в конструкторе; конструктивные особенности различных роботов; как передавать программы NXT; как использовать созданные программы; приемы и опыт конструирования с использованием специальных элементов, и других объектов и т.д.; основные алгоритмические конструкции, этапы решения задач с использованием ЭВМ;

уметь: использовать основные алгоритмические конструкции для решения задач; конструировать различные модели; использовать созданные программы; применять полученные знания в практической деятельности;

владеть: навыками работы с роботами; навыками работы в среде Mindstorms NXT – G .

Организация учебного процесса. Организация учебного процесса проходит в двух взаимосвязанных и взаимодополняющих формах:

• урочная форма, в которой преподаватель объясняет новый материал  и консультирует обучающихся в процессе выполнения ими практических заданий на компьютере;

• внеурочная форма, в которой обучающиеся после занятий (дома или в компьютерной аудитории) самостоятельно выполняют на компьютере  практические задания.

Программа изучения  темы «Основы робототехники»

Введение в робототехнику – 2 ч.

История развития робототехники.

Введение понятия «робот». Поколения роботов. Классификация роботов.

Значимость робототехники в учебной дисциплине информатика.

Конструирование роботов – 10 ч.

Основы конструирования роботов. Особенности конструирования Lego – роботов. Стандартные модели Lego Mindstorms. Сборка стандартных моделей Lego Mindstorms: «Tribot», «RoboArm T-56», «Spike», «Alpha Rex», «Shooterbot», «Robogator», «Color Sorter».

Программирование роботов – 28 ч.

Тематический план изучения темы «Основы робототехники»

Реализация программы в рамках кружка позволила констатировать, что у обучающихся были сформированы те знания и компетенции, которые были заложены в программе.

Итогом работы кружка явилось проведение студентами мастер – классов в базовых школах г.Барнаула (МОУ СОШ №37, КГОУ ЛИ “Алтайский краевой педагогический лицей, МОУ ИТЛ №124, МОУ «Лицей №129»), на которых были продемонстрированы основы работы с роботами.

Также результатом работы кружка стало проведение и участие команды студентов в Ι Олимпиаде по робототехнике, которая состоялась 25 марта 2011 года на базе АлтГПА совместно с “Гимназией №42” г.Барнаула.

При проведении олимпиады были реализованы следующие цели:

• Популяризация научно-технического творчества среди молодежи, привлечение внимания талантливой молодежи к сфере высоких технологий, обеспечение возможности публичной и открытой демонстрации своих профессиональных навыков и личных качеств.
• Заинтересовать робототехникой как можно больше молодых людей, а также пробудить интерес к научно-технической деятельности.
• Выявление способной и творческой молодежи с активной жизненной позицией, готовой заниматься исследовательской, проектной работой. Развитие творческого, научного и профессионального потенциала молодежи.
• Пропаганда естественных наук, помощь в выборе будущей профессии.

Важной задачей олимпиады являлось усиление роли информатики как науки-интегратора, науки активно использующей межпредметные связи. Олимпиада способна стимулировать учителей информатики к изучению новых подходов в преподавании предмета, делает актуальными такие направления как алгоритмика и программирование, темы - логика и моделирование.

В соревнованиях приняли участие 18 команд, 12 из которых представляли МОУ «Гимназию №42», a также - педагогическая академия, педагогический лицей, педагогический колледж и одна команда из МОУ «СОШ № 19» г.Новоалтайска. Участники были разбиты на три возрастные группы: 6-11 лет, 12-16 и от 17 и старше. Второклассники соревновались на равных с выпускниками.

Соревнования проходили в трёх состязаниях: «Кегельринг», «Кегельринг-квадро» и «Кегельринг-квадро+». Конкурсы только казались несложными: робот должен вытолкнуть из круга восемь кеглей всего за две минуты, при этом выезжая за периметр максимум на пять секунд. Второй и третий конкурсы стали более усложнёнными вариантами первого. Например, роботам пришлось подумать и выбрать только те кегли, которые отмечены зеленым цветом.

По итогам олимпиады первое место заняла команда педагогического колледжа, второе - команда из педагогической академии, а заслуженное третье место заняла команда девятиклассников из «Гимназии № 42».

Таким образом, в данной статье мы проанализировали опыт внедрения основ робототехники в образовательную практику посредством двух основных направлений: подготовку  будущих специалистов в рамках кружка по робототехнике и проведение 1 олимпиады по робототехнике. Мы, преимущественно,  делали акцент на внедрение основ робототехники при изучении информатики. Но  изучение робототехники возможно в курсе математики (реализация основных математических операций, конструирование роботов), технологии (конструирование роботов, как по стандартным сборкам, так и произвольно), физики (сборка деталей конструктора, необходимых для движения робота-шасси), химии и биологии (программирование и использование датчиков).

Работа по популяризации и внедрению основ робототехники в образовательную практику продолжается в настоящий момент.   В дальнейшем планируется организация дистанционного обучения по изучению основ робототехники, проведение дистанционной олимпиады по робототехнике, разрабатываются задания для олимпиады на следующий год и планируется проведение ряда других мероприятий.

Список литературы:

1. Мартыненко, Ю.Г. Динамика мобильных роботов [Текст] / Ю.Г. Марты­ненко // Соровский образовательный журнал.– 2000.– №5.– с. 110-116
2. NXT-G ver 1.1: Help and Support for Lego Mindstorms NXT/LEGO Group[Электронный ресурс].-Электрон. дан. и прогр.(253 Mb). - 2007. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).
3. Ушаков, А.А. Задачи для факультатива робототехники: Сборник задач. - Демонстрационный вариант [Текст]/ А.А.Ушаков.–  Барнаул: Гимназия №42, 2009.- 12 с.
4. Белоусов, И.Р. Дистанционное обучение механике и робототехнике через сеть Интернет [Текст] / И.Р. Белоусов, Д.Е. Охоцимский, А.К. Платонов [и др.] // Компьютерные инструменты в образовании.– 2003.– №2.– с. 34-41
5. Предко, М. 123 эксперимента по робототехнике [Текст] / М. Предко ; пер. с англ. В.П. Попова.– М.: НТ Пресс, 2007.– 544 с.