Понятие движение объектов в образовательной робототехнике. Что такое робототехника для школьников? VII

Тюменский областной государственный институт

развития регионального образования

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ

РОБОТОТЕХНИКА
Методические рекомендации

Составитель:

Бояркина Ю.А., к.п.н., доцент кафедры естественно-математического образования ТОГИРРО

Образовательная робототехника.

Методическое пособие. / Составитель Бояркина Ю.А.-

Тюмень: ТОГИРРО, 2013

Данное пособие является методической помощью специалистам и педагогам образовательных учреждений, ведущим практическую деятельность по реализации образовательных программ в области образовательной робототехники.

В пособии рассматривается круг вопросов, связанных с использованием образовательной робототехники на уроках в начальной школе, основной и старшей школе в условиях введения ФГОС. Пособие содержит апробированные материалы, обобщающие опыт внедрения образовательной робототехники учебными заведениями Тюменской области.

Методическое пособие рекомендуется педагогическим работникам, реализующим программы общего образования в условиях введения ФГОС в образовательном учреждении, методистам, курирующим реализацию направления робототехники, слушателям курсов повышения квалификации, руководителям образовательных учреждений.

ГЛАВА I

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ РОБОТОТЕХНИКИ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ ШКОЛЫ

Хороший инженер должен состоять из четырёх частей: на 25% - быть теоретиком; на 25% - художником, на 25% - экспериментатором и на 25% он должен быть изобретателем

П.Л.Капица

Уже в школе дети должны получить возможность
раскрыть свои способности, подготовиться к жизни
в высокотехнологичном конкурентном мире

Д. А. Медведев

1. 
   ВВЕДЕНИЕ

Робототехника - прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем. Робототехника опирается на такие дисциплины, как электроника, механика, программирование.

Робототехника является одним из важнейших направлений научно- технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта. На современном этапе в условиях введения ФГОС возникает необходимость в организации урочной и внеурочной деятельности, направленной на удовлетворение потребностей ребенка, требований социума в тех направлениях, которые способствуют реализации основных задач научно-технического прогресса. К таким современным направлениям в школе можно отнести робототехнику и робототехническое конструирование. В настоящий момент во многих образовательных учреждениях России и Тюменской области осуществляется попытка встроить в учебный процесс Lego робототехнику. Проводятся соревнования по робототехнике, учащиеся участвуют в различных конкурсах, в основе которых -использование новых научно-технических идей, обмен технической информацией и инженерными знаниями.

В современном обществе идет внедрение роботов в повседневную жизнь, очень многие процессы заменяются роботами. Сферы применения роботов различны: медицина, строительство, геодезия, метеорология и т.д. Очень многие процессы в жизни человек уже и не мыслит без робототехнических устройств (мобильных роботов): робот для всевозможных детских и взрослых игрушек, робот – сиделка, робот – нянечка, робот – домработница и т.д.

Специалисты, обладающие знаниями в области инженерной робототехники, в настоящее время достаточно востребованы. Благодаря этому вопрос внедрения робототехники в учебный процесс, начиная уже с начальной школы и далее на каждой ступени образования, включая ВУЗы, достаточно актуален. Если ребенок интересуется данной сферой с самого младшего возраста, он может открыть для себя много интересного и, что немаловажно, развить те умения, которые ему понадобятся для получения профессии в будущем. Поэтому внедрение робототехники в учебный процесс и внеурочное время приобретают все большую значимость и актуальность.

Целью использования Лего-конструирования в системе дополнительного образования - явля-ется овладение навыками начального технического конструирования, развитие мелкой моторики, изучение понятий конструкции и основных свойств (жесткости, прочности, устойчивости), навык взаимодействия в группе. В распоряжение детей предоставлены конструкторы, оснащенные микро-процессором и наборами датчиков. С их помощью школьник может запрограммировать робота - умную машинку на выполнение определенных функций.

Новые стандарты обучения обладают отличительной особенностью - ориентацией на резуль-таты образования, которые рассматриваются на основе системно - деятельностного подхода. Такую стратегию обучения помогает реализовать образовательная среда Лего.

Конструкторы LEGO бывают различных видов, направленные на образование детей с учетом удовлетворения возрастных особенностей и потребностей ребенка.

Рассмотрим классификацию конструкторов , используемых в образовательных учрежде-ниях.

1. 
   WeDo – конструктор, предназначенный для детей от 7 до 11 лет. Позволяет строить модели машин и животных, программировать их действия и поведение.
2. 
   E - lab «Энергия, работа, мощность» - для детей от 8 лет. Знакомит учащихся с различными источниками энергии, способами ее преобразования и сохранения.
3. 
   E - lab «Возобновляемые источники энергии» - для детей от 8 лет. Знакомит учащихся с тремя основными возобновляемыми источниками энергии.
4. 
   «Технология и физика» - для детей от 8 лет. Позволяет изучить основные законы механики и теории магнетизма.
5. 
   «Пневматика» - для детей от 10 лет. Позволяет конструировать системы, в которых используется поток воздуха.
6. 
   LEGO Mindstorms «Индустрия развлечений. Перворобот» (RCX ) - это конструктор (набор сопрягаемых деталей и электронных блоков) для детей от 8 лет. Предназначен для создания программируемых роботизированных устройств.
7. 
   LEGO Mindstorms «Автоматизированные устройства. Перворобот» (RCX ) - для детей от 8 лет. Позволяет создать программируемые роботизированные устройства.
8. 
   LEGO Mindstorms «Перворобот» (NXT ) - для детей от 8 лет. Позволяет создавать как простые, так и достаточно сложные программируемые роботизированные устройства.

Конструкторы ПервоРобот NXT позволяют учителю самосовершенствоваться, брать новые идеи, привлечь и удержать внимание учащихся, организовать учебную деятельность, применяя различные предметы, и проводить интегрированные занятия. Дополнительные элементы, содержа-щиеся в каждом наборе конструкторов, позволяют учащимся создавать модели собственного изоб-ретения, конструировать роботов, которые используются в жизни.

Данные конструкторы показывают учащимся взаимосвязь между различными областями зна-ний, на уроках информатики решать задачи по физике, математике и т.д. Модели конструктора ПервоРобота NXT дают представление о работе механических конструкций, о силе, движении и скорости, помогают производить математические вычисления. Данные наборы помогают изучить разделы информатики: моделирование и программирование.

1. 
   МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РОБОТОТЕХНИКИ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ

В рамках школьного урока и дополнительного образования робототехнические комплексы Лего могут применяться по следующим направлениям:

• 
  Демонстрация;
• 
  Фронтальные лабораторные работы и опыты;
• 
  Исследовательская проектная деятельность.

• 
  Объяснительно - иллюстративный - предъявление информации различными способами (объяснение, рассказ, беседа, инструктаж, демонстрация, работа с технологическими картами и др);
• 
  Эвристический - метод творческой деятельности (создание творческих моделей и т.д.);
• 
  Проблемный - постановка проблемы и самостоятельный поиск её решения обучающимися;
• 
  Программированный - набор операций, которые необходимо выполнить в ходе выполнения практических работ (форма: компьютерный практикум, проектная деятельность);
• 
  Репродуктивный - воспроизводство знаний и способов деятельности (форма: собирание моделей и конструкций по образцу, беседа, упражнения по аналогу);
• 
  Частично - поисковый - решение проблемных задач с помощью педагога;
• 
  Поисковый – самостоятельное решение проблем;
• 
  Метод проблемного изложения - постановка проблемы педагогом, решение ее самим педагогом, соучастие обучающихся при решении.

Проектно-ориентированное обучение – это систематический учебный метод, вовлекающий учащихся в процесс приобретения знаний и умений с помощью широкой исследовательской деятельности, базирующейся на комплексных, реальных вопросах и тщательно проработанных заданиях.

Основные этапы разработки Лего-проекта:

1. 
   Обозначение темы проекта.
2. 
   Цель и задачи представляемого проекта. Гипотеза.
3. 
   Разработка механизма на основе конструктора Лего-модели NXT (RCX).
4. 
   Составление программы для работы механизма в среде Lego Mindstorms (RoboLab).
5. 
   Тестирование модели, устранение дефектов и неисправностей.

При разработке и отладке проектов учащиеся делятся опытом друг с другом, что очень эффективно влияет на развитие познавательных, творческих навыков, а также самостоятельность школьников. Таким образом, можно убедиться в том, что Лего, являясь дополнительным средством при изучении курса информатики, позволяет учащимся принимать решение самостоятельно, применимо к данной ситуации, учитывая окружающие особенности и наличие вспомогательных материалов. И, что немаловажно, – умение согласовывать свои действия с окружающими, т.е. работать в команде.

Дополнительным преимуществом изучения робототехники является создание команды и в перспективе участие в городских, региональных, общероссийских и международных олимпиадах по робототехнике, что значительно усиливает мотивацию учеников к получению знаний. Основная цель использования робототехники – это социальный заказ общества: сформировать личность, способную самостоятельно ставить учебные цели, проектировать пути их реализации, контролировать и оценивать свои достижения, работать с разными источниками информации, оценивать их и на этой основе формулировать собственное мнение, суждение, оценку. То есть формирование ключевых компетентностей учащихся.

Компетентностный подход в общем и среднем образовании объективно соответствует и социальным ожиданиям в сфере образования, и интересам участников образовательного процесса. Компетентностный подход – это подход, акцентирующий внимание на результатах образования, причём в качестве результата образования рассматривается не сумма усвоенной информации, а способность действовать в различных проблемных ситуациях.

Главная задача системы общего образования – заложить основы информационной компетентности личности, т.е. помочь обучающемуся овладеть методами сбора и накопления информации, а также технологией ее осмысления, обработки и практического применения.

Более подробно возможности включения робототехники в изучение общеобразовательных предметов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Возможности использования робототехники в образовательном процессе

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

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.

1. Дети формируют свои знания благодаря процессу моделирования значимых для них проектов и воплощению их собственных идей, используя самостоятельно разработанные алгоритмы;
2. Дети учатся благодаря одновременной работе в виртуальном (программирование) и реальном мире (создание модели);
3. Дети сталкиваются с когнитивными конфликтами через сравнение условий и результатов в процессе программирования и тестирования модели;
4. Дети учатся благодаря отражению и воспроизведению их собственных знаний, обсуждению их наблюдений;
5. 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 в школе – это отличный способ для подготовки детей к современной жизни, наполненной высокими технологиями. Это необходимо, так как наша жизнь просто изобилует различной высокотехнологичной техникой. Ее знание открывает перед подрастающим поколением массу возможностей и сделает дальнейшее развитие технологий более быстрым.

Еще в 1980 году Лого Сеймур Пейпер, который является основоположником языка программирования, в своей книге предложил применять компьютеры для обучения детей. Пейпер в своем предложении основывался на естественной любознательности детей и средствах для ее удовлетворения. Ведь каждый ребенок – это архитектор, самостоятельно строящий структуру собственного интеллекта, а как вы уже догадались, любому архитектору необходим материал, при помощи которого все возводится. И именно окружающая среда и является тем самым материалом. И чем больше этих материалов, тем больше сможет достичь ребенок.

1. Зачем нужны курсы робототехники для детей?

Стоит обратить внимание на тот факт, что в повседневной жизни дома, в школе, в общественных учреждениях детей окружают самые разнообразные технические приспособления и устройства:

• Компьютер;
• Телевизор;
• Автоматическая стиральная машинка;
• Планшетные ПК;
• Смартфоны, телефоны и многое другое.

Для детей, как и для многих взрослых, все эти устройства являются абсолютно неизведанными объектами, то есть каждый знает для чего нужно то или иное устройство, а также как им пользоваться, но принцип работы известен лишь немногим. Отсюда выходит вопрос, а нужно ли это вообще знать? Ответ – конечно же, и в первую очередь для того, чтобы обезопасить себя, а также продлить срок действия используемого устройства.

Также у многих может возникнуть вопрос, а причем здесь робототехника? Для того чтобы получить ответ, стоит понять, что такое робот. Это автоматизированный механизм, который имеет программу для выполнения той или иной функции. Другими словами обычную стиральную машинку автомат можно назвать роботом, который запрограммирован для стирки, полоскания и выжимания белья, причем для этого предусмотрены различные режимы.

Программа робототехники в школе позволяет детям ближе узнать о принципах работы таких устройств. Это позволит сделать детей более мобильными, подготовленными к внедрению различных инноваций в повседневную жизнь. При этом они смогут быть технически более грамотными. В теоретическом аспекте данного вопроса детям помогают такие предметы как физика, математика, информатика, химия и биология. А вот синтезатором таких наук, который способен развивать технический уровень грамотности подрастающего поколения, путем научно-практических исследований и творческих проектов является рабочая программа по робототехнике в школе.

1.1. Интерес детей к обучению

Стоит отметить, что благодаря любознательности детей курсы робототехники в школах вполне способны превратиться в наиболее интересный метод познания и изучения не только цифровых технологий и программирования, но также и всего окружающего мира, и даже самого себя.

При этом особенность данного предмета заключается в том, что дети постоянно сталкиваются с различной техникой не только в школе, но и дома, а также в повседневной жизни. Это существенно усиливает интерес к получению знаний и позволяет легче и быстрее усваивать информацию.

1.2. Основные проблемы программы робототехники в школе

При введении в школьную программу курсов робототехники в учебном процессе мы сталкиваемся с двумя главными проблемами:

• Недостаточный уровень методических материалов;
• Высокая стоимость одной единицы робототехнического конструктора. При этом стоит отметить, что в подавляющем большинстве случаев используются иностранные разработки.

На данный момент в программах робототехники в школе могут применяться различные специальные робототехнические комплексы, такие как Mechatronics Соntrol Kit, Festo Didасtiс, LEGO Мindstоrms и так далее. Однако можно выделить комплексы, пользующиеся наибольшим распространением в России. К ним относится следующее:

• LEGO Мindstоrms. Это специальный конструктор нового поколения, который был представлен компанией Лего в 2006 году. Мозгом робототехнического конструктора является микрокомпьютер Лего. К его портам подключаются различные датчики, а также исполнительные устройства (механизмы). В зависимости от фантазии конструктора робота можно собрать в виде человека, машины, животного и так далее. При этом построенный механизм способен выполнять различные функции. Для того чтобы задать роботу поведение необходимо написать программу. Сделать это можно как при помощи самого микрокомпьютера, на котором предусмотрены клавиши, либо по средствам специального программного обеспечения на ПК.
• Конструктор Fischertechnik. Данный конструктор является развивающим. Он подходит как для детей, так и для подростков и студентов. Такой конструктор позволяет создавать самых разнообразных роботов и задавать им программы при помощи компьютера.
• Scratch Board.
• Arduino.
• Конструкторы УМКИ. Такие модули оснащены микропроцессором, а также наборами датчиков.

Все эти модули имеют достаточно высокую стоимость, что делает их менее доступными. Однако при этом они способны активно развивать детей во всех направлениях связанных робототехникой – мышление, логика, алгоритмические и вычислительные способности, а также исследовательские навыки и, самое главное, техническую грамотность.

2. Образовательная робототехника в начальной школе

Учитывая вышеуказанные проблемы, на данный момент программа робототехники в школе доступна все еще не везде. Однако даже без использования специальной техники, конструкторов и настоящих роботов в школьных программах по информатике и ИКТ стоит начать изучение введения в робототехнику. Это позволит ближе познакомить учеников с предметом, а также поможет в дальнейших шагах в данной сфере знаний. При этом достаточно провести всего лишь два занятия, после чего дети смогут самостоятельно заниматься робототехникой.

Основы робототехники для детей в начальной школе позволит понять ученикам, что такое робот и принцип его работы. Также детям будет интересно знать, что понятие «робот» было придумано писателем фантастом Карелом Чапеком в далеком 1920 году. Это основы робототехники, позволяющие окунуться в мир полный удивительных изобретений и высоких технологий, которые моментально возбуждают в детях огромный интерес к данной науке.

Кроме этого, основы робототехники помогут детям, выбравшим путь изучения роботов, в дальнейшем обучении.

Технологии не стоят на месте, они постоянно развиваются, и вполне возможно, что именно ваш ребенок или ученик сконструирует наноробота, который сможет лечить сложнейшие заболевания. Программа робототехники в школе – это огромный шаг к технологиям будущего, к развитию и совершенству технологий.

3. Мастер-класс по робототехнике: Видео

Кратко о себе:

Я не являюсь специалистом в области педагогики и образования, к детям отношусь сугубо как личностям в начале жизненного пути, а не к «цветам жизни» и преследую цель заинтересовать их и передать им свой опыт. В робототехнике работаю уже несколько лет и имею неподдельный интерес к этой сфере.

Кружков робототехники в России становится всё больше, однако мало кто из родителей понимает, что именно из себя представляет это направление. Большинство относится к нему скептически, считая что всё завязано на обычном LEGO, в которое можно поиграть и дома или же считают что это оторванный от жизни предмет, на который можно отправить ребенка ради его развлечения и отдыха. С другой стороны, некоторые считают это занятие уделом гениев или ботаников. Ну, или что оно способно сделать гения из их ребенка.

На самом же деле, образовательная робототехника не является ни заумным предметом, ни профессией будущего, ни беззаботным развлечением. А является она базой для серьезного изучения прикладных технических навыков, необходимых для будущего технаря уже сейчас.

Безусловно, это занятие не для всех - многие дети не горят желанием изучать «скучную» теорию вместо того чтобы, условно, порезвиться в спортивной секции. Однако, тех, кто любит всё время что-то создавать своими руками, интересуется компьютерной техникой или просто проявляет интерес к любой технике, образовательная робототехника способна обучить многим навыкам, например:

• Самостоятельному проектированию конструкций
• Пониманию принципов работы различных механизмов
• Основам компьютерной грамотности
• Принципам программирования
• Оптимизации процессов и поисках альтернативных решений
• Применению английского языка (стандарт в технической отрасли)
• Пониманию «для чего нужна математика»
• Взаимодействию программной части с конструкцией
• Работе в составе команды и общей социализации

Самое главное - не стоит нацеливаться на конкретные результаты, вроде занятия призовых мест на различных соревнованиях по робототехнике. Они нужны в первую очередь для социализации, созданию интереса к отрасли и духа соревнования. Это тот самый случай, когда во всех смыслах участие важнее победы. Здесь робототехника ближе к художественной школе с её выставками, где главное - на других посмотреть, да себя показать.

В качестве результата обучения можно рассматривать постепенное увеличение сложности создаваемых проектов (как в кружке, так и дома), однако тут всё индивидуально.

Перейдем к наиболее часто задаваемым вопросам:

Чем мы занимаемся на робототехнике?

Для всего этого нам часто приходится использовать математику и банальную интуицию. А логическое мышление - вообще наше всё.

Почему «LEGO»?

У скептицизма в сторону LEGO есть две причины:

1. Поверхностное знакомство с этим набором. Многие преподаватели из кружков робототехники (даже ВУЗовских!) грешат тем, что плохо знают то, на чем они работают. Будучи не сильно знакомы с основами конструирования механизмов и программирования, они не в состоянии оценить все возможности инструмента, а тем более задействовать их в образовательных целях.

2. Высоко задранный нос у адептов «старой школы». Это о тех, кто заявляет, что те, кто занимаются на LEGO не знают ни о транзисторах-резисторах, и вообще мы тут из готовых блоков всё делаем и блоками-же программируем. Всё они верно говорят. Не знаем. Только робототехника не про электронику и пайку, а про решение практических задач и автоматизацию. Есть еще вариация с «крутыми программистами», которые сходу занимаются программированием микроконтроллеров и миганием светодиодами, напрочь забывая про механическую часть.

В реальности у LEGO Mindstorms всего 2 существенных минуса:

• Низкая жесткость больших конструкций
• Большой размер и вес главного модуля и двигателей (миниатюрных сервоприводов в наборе нет)

Для какого возраста подходит робототехника?

Примерно от 6-7 и до 67 лет:)

С 7 лет обычно ребёнок достаточно созревает, чтобы осознанно вникать в сложные вещи без потери интереса. В этом возрасте занимаемся уже на «Еве», осваивая такие понятия как «градус угла, процент, десятичная дробь» (ну а как иначе, тут мы уже с датчиками вплотную работаем). Обычно ни у кого особенных проблем с этим не возникает, если есть интерес к познанию. Проблемы возникают только тогда, когда нам уже нужно что-нибудь делить-умножать, а в школе этого еще не проходили.

10-14 лет - самый эффективный возраст для обучения, поскольку отношение к предмету обычно более серьезное, интерес более профессиональный, и нет страха перед математикой уровня шестого класса. К тому же можно рассказать, для чего нужны эти пресловутые синусы-косинусы, прикладной смысл которых в школе остаётся неизученным.

Также, спустя год обучения, можно перейти с LEGO на свободную элементную базу (одноплатные компьютеры и датчики из китая + алюминиевые профили из строительного магазина).

А что, если купить такое LEGO домой и заниматься самим?

Вы обладаете хотя бы минимальными знаниями о механизмах и программировании и способны изучить набор в полной мере самостоятельно. У вас есть лишние ~40 т.р. на покупку набора и некоторых дополнительных модулей. Однако даже в этом случае лучше параллельно учиться в кружке, развивая дома те идеи, которые пришли в голову после изучения новой темы.

Почему мы не используем инструкции?

Инструкции - от лукавого:)

Если в кружке собирают по инструкциям постоянно - это свидетельство профессиональной некомпетентности преподавателя. Такое часто наблюдается в кружках по франшизе и при школах.

Как происходит процесс программирования?

1. Встроенная среда для программирования прямо в главном модуле. Оттуда можно программировать простые линейные алгоритмы типа «сначала едь вперед до стены, потом поверни ровно налево». С этого мы начинаем. Это позволяет нам отложить изучение программирования с компьютера, и сосредоточиться на основах.
2. Специальное программное обеспечение для компьютеров и планшетов, основанное на «взрослой» системе визуального программирования LabView. Программа собирается из блоков-функций. Это позволяет избежать проблем с изучением синтаксиса и по функционалу ничем не уступает взрослому текстовому программированию. Правда, выглядит громоздко, да. Но зато наглядно. Циклы, условные операторы, переменные, функции и всё вот это вот - в наличии. Это наш основной инструмент.
3. При желании можно использовать Си или другой язык программирования, но если встал такой вопрос, то для этого лучше использовать Arduino и вообще это уже совсем другая история.

На этом я закончу, спасибо за чтение!