Робототехника как инновационное направление обучения информатике в школе

Софронова Н. В. ФГБОУ ВПО«Чувашский государственныйпедагогическийуниверситетим. И. Я. Яковлева»,Чебоксары

Школьный курс информатики претерпевает изменения с первых лет своего существования – с 1985 года. Сначала это было программирование (на Бейсике или программированных калькуляторах), затем изучение прикладного программного обеспечения (которое занимало до 80% всего курса) [7]. С принятием новых школьных Стандартов мы видим, что информатика все больше становится междисциплинарным предметом, и опять усиление программирования. Вместе с тем надо отметить, что школьная информатика должна готовить к жизни в информационном обществе, которое развивается по своим законам. Кто из нас еще лет 20 назад мог предположить, что будет создан параллельный мир, в котором общаются (почти живут) наши дети!? Сетевые технологии прочно вошли в нашу жизнь. Что дальше? Думается, что развитие информационных технологий связано с робототехникой.

Робототехника — прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем. Робототехника опирается на такие дисциплины как электроника, механика, программирование, искусственный интеллект. Робот - это трехмерная машина, имеющая три измерения, соответствующие пространству живого существа. В широком понимании робот может быть определен как техническая система, способная замещать человека или помогать ему в выполнении различных задач. Робот, активно взаимодействующий с окружающей средой, в общем виде должен содержать следующие системы: управляющую, информационно-измерительную (сенсорную), систему связи, исполнительную (моторную).

В настоящей статье мы остановимся на проблеме обучения робототехнике в школе. Однако нельзя не указать на другие возможности применения роботов в учебных заведениях. Например, технология R.BOT создает безбарьерную среду для инвалидов-школьников, позволяет им полноценно трудиться, учиться, отдыхать, общаться с другими людьми, не чувствуя ограничений, а также обеспечивает социальную адаптацию и интеграцию в общество миллионов инвалидов, отнесённых к категории слабозащищенных слоев населения, которые ранее часто были обречены жить в изоляции и в полной зависимости от других [6].

Для изучения робототехники в школе разработано несколько комплексов. Наиболее известные из них – это:

Robotis Bioloid;

LEGO Mindstorms;

fischertechnik;

Arduino.

Рассмотрим более подробно каждую систему

Robotis Bioloid

Robotis Bioloid — набор для создания робота, производимый корейской фирмой Robotis [5]. Набор предназначен для образовательных целей, а также для тех, кто увлекается робототехникой. Набор Bioloid включает в себя небольшие сервоприводы, называемые Dynamixels и представляющие собой самостоятельные модули, с помощью которых могут быть собраны роботы различной конструкции, например, колёсные или шагающие роботы. Набор Bioloid схож с наборами LEGO Mindstorms от компании LEGO и Vex Robotics Design System от компании VEX Robotics. Набор Bioloid часто используют участники международных соревнований RoboCup.

В комплект Bioloid входят сервоприводы Dynamixels, набор сенсоров, программное обеспечение, включающее в себя среду 3D моделирования и среду программирования на С-подобном языке.

LEGO Mindstorms

LEGO Mindstorms — это конструктор (набор сопрягаемых деталей и электронных блоков) для создания программируемого робота [2]. Впервые представлен компанией LEGO в 1998 году. Через 8 лет (2006) в свет вышла модель LEGO Mindstorms NXT, а в 2009 — LEGO Mindstorms NXT 2.0.

Наборы LEGO Mindstorms комплектуются набором стандартных деталей LEGO (палки, оси, колеса, шестерни) и набором, состоящим из сенсоров, двигателей и программируемого блока. Наборы делятся на базовый набор и расширенный.

Базовый набор поставляется в двух версиях: версия для широкой продажи и базовый обучающий набор. Оба набора могут быть использованы для участия в соревнованиях робототехники (например, во Всемирной олимпиаде роботов (англ. World Robot Olympiad)). Расширенный набор содержит большее количество деталей.

В комплект набора LEGO Mindstorms входит стандартное программное обеспечение NXT-G и Robolab, но также сторонние компании создали свое программное обеспечение для программирования роботов LEGO Mindstorms. Языки программирования для LEGO Mindstorms бывают графические и текстовые.

fischertechnik 

fischertechnik — развивающий конструктор для детей, подростков и студентов, изобретенный профессором Артуром Фишером в 1964 году [3].

Конструкторы fischertechnik часто используются для демонстрации принципов работы механизмов и машин в средних, специальных и высших учебных заведениях, а также для моделирования производственных процессов и презентационных целей.

Наборы для конструирования fischertechnik выпускает фирма fischertechnik GmbH, которая находится в Германии. Фирма fischertechnik GmbH входит в состав крупного немецкого холдинга fischerwerke GmbH & Co.KG, дочерние фирмы которого выпускают крепеж, крепежный инструмент, детали для автомобилей и различные изделия из пластмассы.

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.

Arduino

Неоспоримый интерес представляют конструкторы-платы Arduino. Arduino — это радио-конструктор, весьма простой, но достаточно функциональный для очень быстрого прототипирования и воплощения в жизнь технических идей [4]. Эта плата даёт возможность познакомиться с основами микроконтроллеров и реализовать свои идеи в железе, часто, даже не беря в руки паяльника. Основа платформы – собственно плата ардуино, со своим стандартом расположения выводов, программируемая из-под своей среды (Ардуино ИДЕ) на языке Виринг (фактически С++). Благодаря простоте освоения и доступности платформа получила широкое распространение, появились клоны платы, некоторые с полезными улучшениями. Документация и схема Arduino распространяется под лицензией Creative Commons Attribution Share-Alike и доступны на официальном сайте Arduino.

Еще одно перспективное направление в робототехнике – это создание антропоморфных роботов. Знакомство с базовыми принципами работы антропоморфных роботов начинается с человекоподобия этих систем. Удобство использования механизмов такого типа заключено в их анатомическом строении и полном совпадении со строением человека. В настоящее время в НПО «Андроидная техника» разработан робототехнический комплекс AR-600, возможности которого приближаются к необходимым для работы на орбитальных станциях [5]. В данной модели, построенной по структурной схеме подобно человеческому скелету, реализована инновационная система интерактивного управления. Исполнительная часть состоит из основания, на котором установлен двурукий антропоморфный робот, и блока контроля рабочей зоны. Устройство управления установлено на операторе и повторяет структурную схему манипуляторов. Робот оснащён системой технического зрения, управляемой головой оператора и обеспечивающей эффект присутствия. Информация из рабочей зоны отображается на панели оператора. Точное копирование роботом действий оператора – главное достоинство таких роботехнических комплексов. В один ряд с ним встаёт и универсальность, ведь на орбиту проще и выгоднее взять один механизм, чем десятки для разных операций.

Существуют и другие системы для разработки роботов.

Опишем систему обучения робототехнике с начальной школы по 11 класс. Будем учитывать, что обучение робототехнике пока не является обязательной составляющей ФГОС ООО, поэтому обучение робототехнике возможно по двум направлениям: внеклассная работа или профильное обучение (включая элективные курсы), и объединение с некоторыми дисциплинами школьного курса (прежде всего, физика, информатика, технология). Опишем систему обучения робототехнике по первому направлению. 

Таблица 1.

Системаобученияробототехнике вовнеурочнойработеили профильном обучении

valign="top"

Уровень   обучения

Цели и задачи

Рекомендуемые   системы

Особенности

Начальныеклассы

Сборкароботов, элементымеханикироботов

LEGO,LEGO

Mindstorms,   fischertechnik

Обучение должно бытьосновано   на потребностидетей   в конструировании

5-7классы

Знакомство с   механикой роботов

LEGOMindstorms,Robotis Bioloid,fischertechnik

Многие необходимые разделыфизики   детиеще не изучали,нужно   практикупредварятьтеорией

8-9классы

Программированиероботов внутреннимиресурсами   систем

LEGOMindstorms,Robotis Bioloid,fischertechnik

Программирование роботовхорошо коррелирует сучебной   программой поинформатике

10-11

классы

Программированиероботов с использованиеязыков программированияи внешних   устройств

LEGOMindstorms,Robotis Bioloid,fischertechnik,Arduino

Внеклассная работа расширяетиуглубляетнавыкиучащихсяпо программированиюи физике

В настоящее время практически нет школ (кроме нескольких специализированных школ в системе дополнительного образования), в которых обучение робототехнике велось бы планомерно и систематизировано. Как правило, это фрагментарное обучение на одном-двух указанных в таблице 1 уровнях обучения. Поэтому представленная таблица на сегодняшний день носит умозрительный характер. Вместе с тем выделенные конструкторы и особенности обучения на каждом уровне находят применение в практике обучения школьников, но пока безсистемно.

Если обучение робототехнике начинают в школе с начальных классов, то естественно надо опираться на увлечение детей ЛЕГО-конструированием. Многие дети уже в детском садике с удовольствием собирают достаточно сложные конструкции ЛЕГО. Работы таких детей можно использовать в качестве образцов, стимулировать дальнейшее усложнение агрегатов. Вместе с тем надо отметить, что только сборка ЛЕГО и тому подобных моделей еще далека от робототехники. Робот должен выполнять какие-то действия, например, вращать что-то с помощью кулачкового механизма и пр. 

В 5-7 классах обучение робототехнике может быть основано на конструировании движущихся механизмов. Однако есть проблема в том, что физику в большинстве школ изучают с 7 класса, то есть основы механики дети еще не знают. Поэтому учитель должен каждое занятие предварять теоретическим материалом, причем в доступном для детей изложении.

В 8-9 классе обычно уже изучают основы программирования, поэтому использование встроенной системы команд для управления роботами детям вполне доступно. Обычно на уроках информатики в школах изучают Паскаль, то есть язык структурного программирования. Встроенные языки для конструкторов роботов так же имеют команды для построения основных алгоритмических структур: условие, цикл, процедура. К сожалению, примеры в школьных учебниках по информатике и задания ГИА и ЕГЭ не ориентированы на написание программ для управления роботами, однако принципиальное единство в построении команд можно и должно использовать.

В 10-11 классах учащиеся уже, как правило, ориентированы на будущее профессиональное обучение, поэтому робототехникой занимаются школьники, которые хотели бы связать свою дальнейшую профессиональную деятельность с информатикой или физикой. Им доступны как серьезные языки программирования (такие, как С или С++), так и сложные манипуляции с платами и датчиками. Поэтому среди рекомендуемых систем появляется Arduino, для работы с платами которого необходимы неплохие знания по электронике. 

Еще одно интересное направление, повышающее у школьников мотивацию изучения робототехники, - это возможность использования мобильных технологий для управления роботами. Надо заметить, что мобильные технологии – это одно из наиболее интенсивно развивающихся направлений научно-технического прогресса, которое пока не нашло отражения ни в ФГОС ООО, ни, естественно, в школьных учебниках. 

Рассмотрим возможности включения элементов робототехники в школьные дисциплины. 

Таблица 2.

Системаобученияробототехникена основеобъединенияснекоторыми дисциплинамишкольногокурса

Рассказы о роботах на уроках информатики можно начинать с самых первых уроков, независимо от возраста учащихся в рамках раздела «Социальная информатика». Далее, когда учащиеся будут изучать программирование или моделирование, учитель может демонстрировать изучаемые алгоритмические структуры или приемы моделирования на роботах. Однако в классе должна быть группа учащихся, на которые учитель может «опереться», те, кто изучают робототехнику во внеурочное время.

На уроках физики робот может демонстрировать реальное воплощение основных законов механики и электродинамики. Главная проблема такой интеграции – это отсутствие методической литературы и учебно-методических пособий. Разработка электронного пособия «Робототехника в школе» началась в Чувашском государственном педагогическом университете им. И. Я. Яковлева. В республике в 123 школах есть конструкторы LEGO Mindstorms, приобретенные и распространенные по школам Министерством образования и молодежной политики Чувашии. За два года использования конструкторов уже накоплен опыт, который и будет систематизирован в разрабатываемом электронном пособии. Здесь же будут приведены примеры использования конструктора на уроках технологии.

Считаем, что создание роботов и управление ими это не только увлекательный процесс, но и занятие, имеющее большое дидактическое и воспитательное значение. Во-первых, роботы «возвращают» детей в реальность. Чуть ли не с первых лет жизни дети играют в компьютерные игры, в которых существуют свои правила (например, несколько жизней, нереальные прыжки или передвижения под водой без скафандра и пр.). У детей происходит смешение виртуального и реального миров. Роботы существуют в реальной среде и подчиняются законам реального мира. Во-вторых, скучное для многих школьников программирование превращается в увлекательнейшее занятие по составлению программы для управления роботом. Чтобы дети лучше могли понять смысл команд языков программирования, было придумано множество Исполнителей, первый из которых – знаменитая черепашка Лого (разработчик – Сеймур Пейперт). Робот тоже исполнитель, только существующий не в виртуальной, а реальной среде. И, наконец, интегративное значение роботов, для создания которых необходимо обладать знаниями в области программирования, технологий (чтобы собрать робота), физики (работа с датчиками) и пр. В целом робототехника в школе полностью соответствует основной идее новых Стандартов – формирование не только знаний и умений, но и способности применять их на практике.

Литература:

1. AR-600. Разработчик: НПО «Андроидная техника», 2007 г. : 
2. LEGO Mindstorms
3. Интеллектуальные конструкторы fischertechnik: обучение через игру: 
4. КМБ для начинающих ардуинщиков
5. Образовательный набор Robotis Bioloid Beginner
6. Роботы R.BOT в школах
7. Софронова, Н. В. Теория и методика обучения информатике: М: Высшая школа, 2006. – 226 с.

Источник