Преподавание робототехники в образовательных учреждениях. Работа №22105

Преподавание робототехники на базе образовательных учреждений

Автор статьи преподаватель - дополнительного образования ЦДТТ «ЮНОСТЬ» Изотов Александр Александрович.

    В настоящее время в среднеобразовательных школах преподавание робототехники ведётся в основном на базе одной платформы — Лего. Сборка моделей из конструктора Лего осуществляется благодаря особой форме деталей: деталь, представляющая собой полый пластмассовый блок, соединяющийся с другими такими же «кирпичиками на шипах». Таким образом можно собирать модели автомобилей, самолётов, кораблей, зданий, роботов. Так как конструкторы Лего обладают относительной модульностью, это позволяет с их помощью наглядно демонстрировать учащимся возможности решения некоторых технических приёмов, а также прививать навыки конструирования, ремонта и разборки различных технических устройств. Одним из главных достоинств LEGO — простота изготовления модели и значительная вариативность конструкций.

    Тем не менее, Лего обладает не только достоинствами, но и недостатками. Так, наигравшись с набором деталей в течении одного учебного года и собрав несколько десятков различных моделей, учащийся, как правило, начинает терять интерес к образовательному процессу. В современных общеобразовательных школах обычно на этом всё и заканчивается. Это своего рода предел для LEGO. Другое дело обстоит в учреждениях дополнительного образования! В них обычно имеются возможности открывать группы, использующих в учебном процессе другую популярную платформу - Ардуино. Платформа Arduino, в отличии от LEGO, позволяет учащимся глубже проникнуться в суть большинства робототехнических технологий и открыть для себя такие неведомые ранее направления, как схемотехника и электроника, мехатроника, изготовление печатных плат, пайка и монтаж радиокомпонентов, сквозное проектирование электронных модулей, 3D моделирование, «взрослое» программирование и многое другое. Эти широта и глубина познания выгодно отличает Arduino от LEGO.

    Схемотехника в образовательных учреждениях — это научно-техническая дисциплина, занимающаяся проектированием, созданием и отладкой электронных схем и устройств различного назначения. Реализация простых задач по схемотехнике вполне по плечу начинающему «электронщику». При реализации задач по схемотехнике лучше использовать системный подход, который подразумевает компьютерное моделирование, подготовка и изготовление прототипов устройств, соответствующих основным принципам промышленного дизайна.

    Конечно, каждая платформа имеет свою возрастную категорию и эту данность нельзя не учитывать. Исходя из личного опыта преподавания робототехники в школе и учреждении дополнительного образования я пришел к мнению, что начинать обучение стоит именно с LEGO, так как это позволит учащимся начать разбираться в механике и конструировании. Это хороший старт для шестилеток. После одного или двух лет занятий LEGO можно смело переходить на платформу Arduino.

    Если с Лего современных преподавателям всё более или менее понятно, то с Arduino всё обстоит иначе. Ардуино совсем не похожа на то, к чему привыкли многие преподаватели робототехники в школе. Хотя всё не так сложно, как может казаться. Собственно Ардуино — это небольшая плата с микроконтроллером, у которой есть несколько клемм (выводов) для подключения к ним различных модулей. Что можно подключить к Arduino? Да что угодно! На рынке доступны сотни модулей, среди которых есть драйверы моторов постоянного тока, шаговые двигатели, сервоприводы, инфракрасные датчики, датчика газа и влажности и многое другое. Всё это позволяет на базе Ардуино собрать практически что угодно, не только мобильных роботов (мечта многих детей), но и метеостанции и умные дома (может пригодиться взрослым)!

    Очевидно, что большие возможности, предоставляемые платформой Arduino требуют от преподавателя определённых знаний и умений. Робототехника на Ардуино — это комплексная дисциплина! Так, часто для сборки модели может понадобиться пайка припоем, а для осуществления нестандартных решений придётся изготовить детали на 3D принтере.     Ещё очень важно уметь читать принципиальные схемы, знать элементную базу радиокомпонентов, использовать технологии изготовления печатных плат, которые могут понадобиться в случаях, когда предлагаемые промышленностью решения для вашего проекта не подходят. А ещё ведь нужно объяснить учащимся природу электричества. Так что без теории тут не обойтись.

    Кроме этого, для работы с платформой Arduino нам понадобятся специальные программные средства. Популярная программа Fritzing пригодится в освоении азов схемотехники.

С основными возможностями Fritzing можно ознакомиться на сайте https://nsportal.ru/shkola/dopolnitelnoe-obrazovanie/library/2019/09/09/svobodnoe-programmnoe-obespechenie-v-detsko

    Для сквозного проектирования печатных плат и изготовления на их основе различных электронных модулей я рекомендую программный комплекс KiCAD EDA, который представляет собой набор программ для создания электрических схем и печатных плат.

    С основными возможностями KiCAD EDA можно ознакомиться на сайте https://nsportal.ru/shkola/tekhnologiya/library/2019/09/10/svobodnoe-programmnoe-obespechenie-v-detsko-yunosheskih

    Особенное место в робототехнике на базе платформы Arduino занимает программирование.    Arduino основана на популярном микроконтроллере ATMega, в который при помощи USB можно загружать программный код (sketch), на языке С++ со специфичными для Arduino встроенными процедурами и библиотеками. В школах и учреждениях дополнительного образования многие преподаватели робототехники это учителя информатики, которые наверняка знакомы с языком программирования Pascal. Поэтому для них не составит труда разобраться в C++, так как основные алгоритмические конструкции для многих языков программирования похожи. Конечно, преподавателю, решившему освоить Ардуино самостоятельно придётся прочесть несколько книжек. По основам C++ я рекомендую прочесть «Освой самостоятельно C++ по одному часу в день. (8-е издание)» Сиддхартха Рао. А по Arduino можно почитать Джереми Блум «Изучаем Arduino. Инструменты и методы технического волшебства». Основы схемотехники лучше изучить по книге Паоло Аливерти «Электроника для начинающих». Это всё прекрасная литература для быстрого старта!

    Основным инструментов для программирования на Ардуино является Arduino IDE. Эта программа оснащена базовыми возможностями, которые позволят пользователю легко писать программы для своих устройств.

    С основными возможностями Arduino IDE можно ознакомиться на сайте https://nsportal.ru/shkola/tekhnologiya/library/2019/09/11/svobodnoe-programmnoe-obespechenie-v-detsko-yunosheskih

    Кроме этого существует несколько альтернативных программ для создания скетчей для Arduino. Например Visual Studio Code, который обладает возможностями мощных IDE. На мой взгляд, если сравнивать Arduino IDE с Visual Studio Code это как одномоторный «кукурузник» и реактивный истребитель!

    Как научить детей и подростков программировать? Главное - это необходимость учитывать возрастные особенности учащихся. Язык программирования С++ обладает большими возможностями выбора парадигм программирования. Считаю, что не стоит погружать детей в семантические абстракции и полиморфизм языка, так как это может усложнить понимание основ программирования на начальном этапе обучения. На «первых парах» достаточно будет познакомить их с методом процедурного программирования с постепенным переходом к функциям, которые, по моему опыту, многим учащимся очень нравятся.

    В сущности, методика преподавания детской робототехники сводится к простым принципам — от простого к сложному и от общего к частному. Так, на первых уроках по схемотехнике учащиеся рисуют в тетрадках модель атома и простые схемы. Когда как на последующих занятиях можно собрать с ними гирлянду из нескольких светодиодов на сдвиговых регистрах. Это их очень заинтересует.

    Тоже и с программированием. Двигаясь от общего к частному, можно на первом или втором уроке запрограммировать движение моторов мобильного робота! А уже потом, постепенно, шаг за шагом «разбирать» каждую процедуру программы.

    Многим известен игровой метод обучения. Игра, по определению, это особый вид деятельности понятный как детям, так и взрослым. Игра существует даже у некоторых животных. Игровой метод обучения, пожалуй, является одним из самых эффективных.

    Современные технологии позволяют нам использовать метод игрового обучения в педагогической деятельности. Класс, в котором проводятся занятия по робототехнике по умолчанию должен быть оборудован компьютерами, подключёнными к сети интернет. Это необходимо для комбинирования различных методик преподавания. Так, можно проводить онлайн-занятия по программированию, используя бесплатные сервисы. Один из таких сервисов находится по адресу https://code.org/. Его отличительной особенностью является поддержка русского языка.

    Кроме этого, для обучения программированию можно использовать компьютерные приложения. В своей преподавательской практике я применяю образовательную игру Colobot. Это фантастическая головоломка, которая позволяет в игровой форме освоить язык программирования C++. Перед выполнением миссий и заданий учащийся проходит специальные упражнения, в которых он осваивает синтаксис и семантику языка программирования, учиться писать базовые алгоритмы и циклы. Игровой процесс и 3D графика позволяют сделать программирование ни разу не скучным.

    Преподавание в учебных учреждениях робототехники даёт много очевидных преимуществ, главное из которых — это подготовка инженерно-технического кадрового резерва для экономики России. На поздних этапах обучения по дисциплине Робототехника возможно участие в WorldSkills, куда наша страна вступила в 2012 году. WorldSkills International — международная некоммерческая ассоциация, целью которой является повышение статуса и стандартов профессиональной подготовки и квалификации по всему миру, популяризация рабочих профессий через проведение международных соревнований по всему миру. Раз в два года одна из 80 стран-участниц движения проводит мировой чемпионат профессионального мастерства. В 2019-м он прошёл в России (WorldSkillsKazan 2019). Среди компетенций WSI есть мобильная робототехника и мехатроника — направления, которые могут быть интересны преподавателям и учащимся. Сегодня все преподаватели знают, что участие команд обучающихся стимулирует интерес у детей и подростков к предмету. Кроме этого, победы в конкурсах влияют на рейтинг учреждения. Поэтому образовательный процесс в «кружке» робототехники не должен быть замкнут на себя, так как важен не только сам процесс, но и выход на площадки, где можно «в живую» проверить результативность обучения.

    Отдельно стоит раскрыть значение термина «Мехатроника». Мехатроника — это научно-техническое направление, которое основано на неразрывном соединении механики, электроники и программирования, что обеспечивает машины и механизмы качественно новыми характеристиками. По своей сущности, мехатроника близка к современной робототехнике. Робототехника подразумевает, что при изготовлении робота не обязательно использовать микроконтроллер и программирование, тогда как в мехатронике электроника и программирование - это неотъемлемые составляющие. Кроме этого, основной целью мехатроники является разработка принципиально новых функциональных узлов, блоков и модулей, использующихся для интеллектуальных машин и систем. Мехатроника — это интеграция многих современных технологий.

    Особенная тема — это материально-техническое обеспечение «кружка» робототехники. Из моего опыта для занятий лучше подходят кабинеты информатики, так как они уже оборудованы персональными компьютерами. Кроме этого в кабинете необходима маркерная или школьная доска, на которой можно записывать важные для учащихся сведения. Видеопроектор для демонстрации мультимедиа. Лазерный принтер для печати схем и инструкций. Каждое рабочее место необходимо оборудовать маломощным лабораторным блоком питания. Так же необходимо оснастить рабочие места контрольно-измерительными приборами — цифровыми мультиметрами и одним современным осциллографом на группу из 10 учащихся.

    В процессе работы над проектами не помешают такие вещи как термоклеящий инструмент и ручная электрическая дрель. В кабинет, где проводятся занятия по технологии можно установить (с соблюдением всех требований по технике безопасности) небольшой фрезеровочный станок ЧПУ для изготовления печатных плат. Для непосредственного конструирования и сборки устройств требуются образовательные наборы. На российском рынке есть несколько фирм, специализирующихся на производстве наборов и методик обучения робототехнике. Среди них можно отметить LEGO EV3 (от 6 до 10 лет) и Амперка для платформы Arduino (от 10 лет). Так же продаются наборы, включающие несколько рабочих мест. Важно понимать, что для полноценной подготовки к участию в WorldSkills совершенно недостаточно будет ограничиться только LEGO, так как эта платформа не даёт никаких понятий схемотехники и природе электричества. Для качественного продвижения в обучении по робототехнике нужна Arduino. Кроме этого, можно оборудовать класс робототехники 3D принтером и паяльной станцией (и фильтром очистки воздуха).

    Подводя итоги вопроса преподавания робототехники в школе и учреждениях дополнительного образования важно отметить несколько вещей. Во-первых, преподавание не должно ограничиваться только LEGO. Во-вторых мы выяснили, что детская робототехника это комплексная дисциплина, которая включает в себя много других предметов, таких как физика, схемотехника, технология работы с ручным инструментом и оборудованием, 3D моделирование и программирование. Кроме этого мы раскрыли важность международного движения WorldSkills и пользы от участия в нём. Отдельно рассмотрели мехатронику, как часть современной робототехники. В-третьих, это то, что дети и подростки могут программировать мобильных роботов и другие устройства на «взрослом» языке программирования.

    Разумеется, что перечень технологий и средств, которые кратко описаны в статье ею не ограничиваются Каждый преподаватель робототехники может дополнить свои методы и инструменты.

    Кроме этого, в статье я специально пропустил программы для создания 3D моделей и печати их на принтере, так как это большая тема для отдельной статьи.

    Неупомянутыми в статье остались и одноплатные компьютеры, которые также могут использоваться в учебных занятиях по робототехнике. Это сделано по той же причине, что и с 3D моделированием.

    В заключении стоит сказать о том, что робототехника и программирование — это бесконечная тема для развития. Тут нет предела совершенствованию. Главное начать. А начав заниматься детской робототехникой, погружаясь в её возможности, уже не легко будет остановиться и отказаться от этого увлекательнейшего занятия!