02.12.2014
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:
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:
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:
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:
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):
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:
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.
Интерфейс NXT – G. Набор Lego Mindstorms. Подключение NXT – G. Датчики и интерактивные сервомоторы. Калибровка датчиков. Направляющая и начало программы. Палитры блоков. Блоки стандартной палитры NXT – G: блоки движения, звука, дисплея, паузы. Блок условия. Работа с условными алгоритмами. Блок цикла. Работа с циклическими алгоритмами. Математические операции в NXT – G. Логические операции в NXT – G. Подготовка к соревнованиям: кегельринг, квадро, квадро+. Итоговые соревнования (зачет).
Тематический план изучения темы «Основы робототехники».
№ п/п |
Наименование разделов и дисциплин |
Всего часов |
В том числе |
|
лекции |
практические занятия |
|||
1 |
Введение в робототехнику |
2 |
2 |
0 |
2. |
Конструирование роботов. Основы конструирования роботов. |
10 |
2 |
8 |
3. |
Программирование роботов. Знакомство с NXT |
2 |
1 |
1 |
4. |
Сенсоры и интерактивные сервомоторы |
2 |
1 |
1 |
5. |
Направляющая и начало программы |
2 |
1 |
1 |
6. |
Линейные алгоритмы |
2 |
1 |
1 |
7. |
Ветвление с контроллером от значения |
2 |
1 |
1 |
8. |
Ветвление с контроллером от сенсора |
2 |
1 |
1 |
9. |
Цикл с контроллером от таймера |
2 |
1 |
1 |
10. |
Цикл с контроллером от сенсоров |
2 |
1 |
1 |
11. |
Математические операции в NXT |
2 |
1 |
1 |
12. |
Логические операции в NXT |
2 |
1 |
1 |
13. |
Подготовка к соревнованиям |
6 |
1 |
5 |
14. |
Соревнования (зачет) |
2 |
0 |
2 |
Итого: |
40 |
15 |
25 |
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:
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.
6. Источник
Авторы: Пузырная Е.В., АлтГПА и Пророкова А.А., г.Барнаул
Вам понравилось? Расскажите о своем опыте своим друзьям в социальных сетях. Пусть им понравится тоже!