Образовательная робототехника: вопросы выбора платформ и методик

Аннотация

В данной статье рассмотрена особенность внедрения и создания учебной программы и методического пособия по дисциплине робототехника, рассматриваются ключевые моменты разработки методической литературы, рассмотрен пример учебной программы.

В современных условиях информационные технологии и цифровая трансформация являются основным фактором технологических перемен и условием обеспечения конкурентоспособности, основой для перехода к цифровому государству.

В новых условиях все больший масштаб приобретает образовательная деятельность, связанная с удовлетворением познавательных интересов и потребностей детей в сферах, связанных с искусственным интеллектом и робототехникой.

Специалистам будущего (т.е. нынешним учащимся) требуется всесторонняя подготовка и знания из самых разных образовательных областей естественных наук, инженерии и технологий. Одним из инструментов реализации данного интегрированного подхода является образовательная робототехника, в которой осуществляется современный подход к внедрению элементов технического творчества в учебный процесс через объединение конструирования и программирования. Образовательная робототехника - это новая, актуальная педагогическая технология, которая интегрирует в себя такие перспективные науки, как: физика, электроника, автоматика, логика, программирование и другие. Соответственно в школе робототехника может интегрироваться с такими предметами как математика, физика, информатика.

Подготовка специалистов в данной области является новым процессом, который в таких масштабах начался относительно недавно, и потому еще существует масса нерешенных вопросов, в том числе и вопрос о выборе оптимальной платформы.

Оптимально для обучения подойдет та платформа, которая будет поддерживать как образовательную направленность, так и производственно - технологическую.

На рынке образовательной робототехники долгое время лидером оставалась фирма «Лего» из - за развитой инфраструктуры и поддержки своих продуктов, однако все изменилось с появлением более доступной в финансовом плане Arduino. Роботехнические системы на основе Arduino стали серьезным конкурентом для LegoMindstorms EV3 и NXT.

Реализация технических схем и интерфейсов взаимодействия с пользователем могут быть созданы без особых проблем с использованием как стандартных, так и сторонних библиотек, и плагинов. Возможно так же использование довольно большого числа языков программирования, которые могут быть портированы в ArduinoIDE.

Рассмотрим различные образовательные робототехнические комплекты в плане их универсальности и доступности. Ниже представлена сравнительная таблица робототехнических комплектов и их ряда характеристик, желательных с точки зрения их использования в школах и других учебных заведениях[1, 2].

Таблица 1 Сравнительная таблица характеристик робототехнических образовательных комплектов

Сравнительная таблица характеристик робототехнических образовательных комплектов

 

Характеристики

Arduino

Mindstorms

EV3

Trik

Robo Track

 

Свободное подключение различной периферии

+

+

 

Открытая архитектура

+

+

 

Открытая среда разработки и программные библиотеки

+

 

Наличие доступной документации

+

+

+

+

 

Выгодная цена за комплект

+

+

 

Поддержка различных программно - аппаратных архитектур

+

+

+

+

Таким образом, платформа Arduino обладает наличием всех необходимых характеристик, в отличие даже от платформ, взявших за свою основу Arduino и являющихся ее производными. Популярность Arduino обусловлена невысокой ценой, простотой использования, открытой средой разработки и программирования, наличием в свободном доступе справочной информации и открытых библиотек для управления различными устройствами посредством bluetooth или wi-fi.

На базе Arduino можно собирать абсолютно различные схемы: умные дома, системы контроля температуры, управления освещением, робототехники. Множество различных производителей используют Arduino для производства образовательных наборов по различным предметам, и по робототехнике в том числе.

Исходя из вышесказанного, по мнению авторов, на настоящий момент оптимальной для решения образовательных задач является платформа Arduino. В образовании такую платформу можно применять не только на соответствующих и комбинированных занятиях, но и при подготовке школьных и вузовских научных проектов.

Обучение школьников с применением робототехнических комплексов на основе ARDUIN0 на уроках математики, информатики, физики, биологии, химии и др. является пропедевтикой для многих дисциплин, которые будут изучаться в последствии в вузах: механика, автоматизация, программирование, искусственный интеллект, биотехнологии и .т.п.

Возможность проведения междисциплинарных занятий, в том числе методом проектов, с применением методик работы в команде способствует развитию коммуникативных навыков учащихся. Кроме того, ученики уже в школе сталкиваются с необходимостью решать реальные практические задачи [3].

Ввиду того, что внедрение робототехники в образование - явление относительно новое, возникает естественная потребность в создании методик и технологий преподавания робототехники.

Разрабатываемая методика должна способствовать развитию личностных качеств, позволяющих творчески и продуктивно решать как производственные, так и повседневные задачи с использованием средств робототехники, что будет, в том числе способствовать успешной социализации личности в современном высокотехнологичном обществе.

В статье предлагается краткое описание методики.

Цель изучения дисциплины «Робототехника» в школе: формирование интереса к техническим видам творчества, развитие конструктивного мышления и логики.

Задачи. Образовательные:

  1. Развивать навыки конструирования.
  2. Ознакомить с основами программирования робототехнических комплексов на основе ARDUINO (может применяться и другая платформа).
  3. Формировать умения работать по предложенным инструкциям.
  4. Формировать умения творчески подходить к решению задачи.
  5. Обогащать информационный запас обучающихся научными понятиями и законами.

Развивающие:

  1. Развивать эмоциональную сферу ребенка, моторные навыки, образное мышление, внимание, фантазию, пространственное воображение, творческие способности.
  2. Развивать умение довести решение задачи до работающей модели.
  3. Развивать умение излагать мысли в четкой логической последовательности, отстаивать свою точку зрения, анализировать ситуацию и самостоятельно находить ответы на вопросы путем логических рассуждений.

Воспитательные:

  1. Формировать коммуникативную и общекультурную компетенции.

Ill

  1. Формировать культуру общения в группе.
  2. Формировать умения работать над проектом в команде, эффективно распределять обязанности.

Результативность. План реализации программы дисциплины рассчитан на 1 учебный год. Программа рассчитана на обучение учащихся 6-8 классов.

Режим организации занятий. Общее количество часов в год - 68 часа, в неделю - 2 часа. Занятия проводятся по 1 академическому часу.

После каждого теоретического занятия следует творческая мастерская, предполагающая применение полученных теоретических знаний на практике.

Формы и режим занятий. Групповые или индивидуальные формы занятий в зависимости от типа моделей (авторская модель, базовая модель). Конкретные формы занятий (игра, беседа, соревнования, конференция).

Планируемые личностные и метапредметные результаты освоения обучающимися программы курса:

  1. Коммуникативные универсальные учебные действия: формировать умения воспринимать информацию от других; формировать и отрабатывать умения согласованно работать в группах и коллективе; формировать умения формулировать высказывания в соответствии с поставленными задачами.
  2. Познавательные универсальные учебные действия: формировать умения извлекать информацию из различных источников информации, и на основе анализа делать выводы.
  3. Регулятивные универсальные учебные действия: формировать умения оценивать учебные действия в соответствии с поставленной задачей; формировать умения составлять план действия на уроке с помощью учителя; формировать умения анализировать результаты и корректировать план работы при необходимости.
  4. Личностные универсальные учебные действия: формировать мотивацию и личную ответственность за результаты обучения, общее представление о моральных нормах поведения.

Ожидаемые предметные результаты реализации программы. Первый уровень. У обучающихся будут сформированы:

  • основные понятия робототехники;
  • основы алгоритмизации;
  • умения автономного программирования;
  • знания среды ARDUINO;
  • основы программирования на ARDUINO;
  • умения подключать и задействовать датчики и двигатели;
  • навыки работы со схемами.

Второй уровень. Обучающиеся получат возможность научиться:

  • собирать базовые модели роботов;
  • составлять алгоритмические блок-схемы для решения задач;
  • использовать датчики и двигатели в простых задачах.

Третий уровень. Обучающиеся получат возможность научиться:

  • программировать на ARDUINO;
  • использовать датчики и двигатели в сложных задачах, предусматривающих многовариантность решения;
  • проходить все этапы проектной деятельности, создавать творческие работы.

Использование робототехники позволяет:

  • реализовывать в образовательном процессе системно - деятельностный подход;
  • развивать навыки коммуникации и обогащать словарный запас детей путем организации работы детей в группах, а также презентации своих проектов;
  • учить детей пространственной ориентации, помогать им осваивать понятия: слева, справа, над, под, за, перед, около и т.д.;
  • развивать координацию движений, ручные навыки, мелкую моторику;
  • развивать познавательные способности (сенсорное развитие, развитие мышления, внимания, памяти, воображения), а также эмоциональной сферы и творческих способностей.

Содержание программы (разделы):

  1. Робототехника. Основы конструирования.

Основные определения. Классификация роботов по сферам применения. Детали платформы ARDUINO. Знакомство с блоком ARDUIN0, сервомоторами, датчиками.

  1. Алгоритмизация. Автономное программирование.

Типы алгоритмов. Создание программ с использованием автономного программирования блока ARDUINO.

  1. Программирование в среде ARDUINO.

Понятие среды программирования. Среда программирования ARDUINO, основные особенности. Создание программ в среде программирования ARDUINO. Создание базовых программ, предусматривающих использование различных датчиков, решение задач смешанного типа. Соревнования роботов.

Исходя из вышесказанного, по мнению авторов, ввиду новизны самой предметной области образовательной робототехники, необходимы дальнейшие исследования в области технологий и методик преподавания робототехники в школах и в педагогических вузах.

 

Литература:

  1. Ивановский А.В. Начала робототехники: материал технической информации для подготовки методических пособий . Минск: Вышэйш. шк.. 2014. - 219 с.
  2. Интеллектуальные роботы: учеб, пособие по направлению "Мехатроника и робототехника" И.А. Каляев [и др.]под общ. ред.Е.И. Юревича. M.: Машиностроение. 2015. - 360 с.
  3. Конюх В.Л. Основы робототехники: учеб, пособие для вузов по направлениям подготовки 220300 "Автоматизация технол. процессов и пр - в" и 220400 "Мехатроника и робототехника" н/д: Феникс. 2016. - 282 с.
Год: 2017
Категория: Педагогика