Методические аспекты внедрения основ робототехники в образовательный процесс

Методические аспекты внедрения основ робототехники в образовательный процесс   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. Первый исторический этап движения человечества по пути создания роботов характеризуется обилием мифов и легенд о механических существах, а также созданием   первых   довольно   совершенных   для   своего   времени человекоподобных автоматов ­ андроидов, предназначенных главным образом для культовых и зрелищных целей. Второй   этап   развития   робототехники   характеризуется,   с   одной   стороны, расцветом   высочайшего   технического   искусства   мастеров   при   создании сложных автоматических устройств, воспроизводящих функции животных и человека;   с   другой   ­   началом   разработки   и   внедрения   в   развивающееся промышленное   производство   весьма   эффективных   технологических устройств   и   станков­автоматов.   Одновременно   в   этот   период   начинают формироваться   соответствующие   научные   направления,   заявляет   о   себе вычислительная техника. Третий этап становления робототехники отмечен возникновением и всеобщим признанием   термина   "робот",   разработкой   и   использованием   для   нужд человека прямых предшественников современных роботов ­ дистанционных копирующих манипуляторов и программируемых автоматических устройств манипуляционного   типа,   а   также   стремительным   развитием   научных   и прикладных   основ   вычислительной   техники   и   кибернетики.   Этот   мощный научно­технический задел, следуя интересам и потребностям общественного развития, вывел на старт современную робототехнику. Четвертый исторический этап может быть назван в целом этапом современной робототехники. Он характеризуется разработкой и созданием уже достаточно совершенных   роботов,   управляемых   в   наиболее   развитом   виде   от   ЭВМ   и имеющих прикладное назначение как в промышленном производстве, так и в научных исследованиях; динамичным развитием и широким использованием в общественных   процессах   роботов;   окончательным   формированием робототехники в единое научно­техническое направление. 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:  Lego WeDo;  Lego Mindstorms NXT – G [1]. 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:   развитие   словарного   запаса   и   навыков   общения   при   объяснении   работы модели;  установление причинно­следственных связей;  анализ результатов и поиск новых решений;  коллективная выработка идей, упорство при реализации некоторых из них;   экспериментальное   исследование,   оценка   (измерение)   влияния   отдельных факторов; проведение систематических наблюдений и измерений;  использование таблиц для отображения и анализа данных;  построение трехмерных моделей по двухмерным чертежам;  логическое мышление и программирование заданного поведения модели;   написание   и   воспроизведение   сценария   с   использованием   модели   для наглядности [3]. 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   Flash­памяти,   USB­интерфейс, Bluetooth­модуль, 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 физико­математического 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   физико­математического   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:  научить  конструировать роботов на базе микропроцессора NXT;  научить работать в среде программирования Mindstorms NXT;  научить составлять программы управления Лего­роботами;  развивать творческие способности и логическое мышление обучающихся;   развивать   умение   выстраивать   гипотезу   и   сопоставлять   с   полученным результатом;  развивать образное, техническое мышление и умение выразить свой замысел;   развивать   умения   работать   по   предложенным   инструкциям   по   сборке моделей;  развивать умения творчески подходить к решению задачи;  развивать применение знаний из различных областей знаний;   развивать умения излагать мысли в четкой логической последовательности, отстаивать   свою   точку   зрения,   анализировать   ситуацию   и   самостоятельно находить ответы на вопросы путем логических рассуждений;  получать навыки проведения физического эксперимента. В качестве платформы для создания роботов используется конструктор Lego Mindstorms NXT. Lego­робот   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, Lego­роботы 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):   владеет культурой мышления, способен к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке  цели и выбору путей её достижения (ОК­1);   умеет   логически   верно,   аргументировано   и   ясно   строить   устную   и письменную речь (ОК ­ 6);  готов к взаимодействию с коллегами, к работе в коллективе (ОК­7);  владеет основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки   информации,   имеет   навыки   работы   с   компьютером   как средством управления информацией (ОК ­ 8);   способен   понимать   сущность   и   значение   информации   в   развитии современного информационного общества (ОК ­ 12);   способен   использовать   навыки   публичной   речи,   ведения   дискуссии   и полемики (ОК­16); общепрофессиональные компетенции (ОПК):   осознает   социальную   значимость   своей   будущей   профессии,   обладает мотивацией к осуществлению профессиональной деятельности (ОПК­1);   способен использовать систематизированные теоретические и практические знания   гуманитарных,   социальных   и   экономических   наук   при   решении социальных и профессиональных задач (ОПК­2); специальные компетенции (СК):   готов   применять   знания   теоретической   информатики,   фундаментальной   и прикладной   математики   для   анализа   и   синтеза   информационных   систем   и процессов (СК­1); способен   использовать   математический   аппарат,     методологию программирования   и   современные   компьютерные   технологии   для   решения практических задач получения, хранения, обработки и передачи информации (СК­2);   владеет   современными   формализованными   математическими, информационно­логическими и логико­семантическими моделями и методами представления, сбора и обработки информации (СК­3);  способен реализовывать аналитические и технологические решении в области программного обеспечения и компьютерной обработки информации (СК­4); 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: •   урочная   форма,   в   которой   преподаватель   объясняет   новый   материал     и консультирует   обучающихся   в   процессе   выполнения   ими   практических заданий на компьютере; •   внеурочная   форма,   в   которой   обучающиеся   после   занятий   (дома   или   в компьютерной   аудитории)   самостоятельно   выполняют   на   компьютере практические задания.