Колыванов К.Ю., Шевчук Е.В., Шугулова Д.К.

Северо-Казахстанский государственный университет им. М.Козыбаева

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ ПЛАТФОРМ в ШКОЛЕ

В современном обществе развитие робототехники ежегодно наращивает темпы развития. Сферы применения роботов и робототехники многогранны: образование, медицина, строительство, геодезия, метеорология и т.д.

Соответственно, спрос на специалистов, обладающих компетенциями в этой области, с каждым годом увеличивается. В связи с этим вопросы внедрения элементов робототехники в учебный процесс являются актуальными и, как и любые инновации, пока еще недостаточно проработаны.

В настоящее время основным оборудованием, используемым при обучении детей робототехнике в школах, являются ЛЕГО конструкторы Mindstorm итальянской платформы Arduino, а также Raspberry Pi.

Не так давно стартовал первый облачный сервис Robot App Store (http://www.robotappstore.com), содержащий программное обеспечение для робототехнических платформ.

Образовательная сфера применения робототехники очень обширна, и позволяет комбинировать знания различных дисциплин, реализуя концептуальные теоретические выкладки на практике. Так, например, не так давно краудфандинговым проектом OpenWorm была реализована полностью жизнеспособная виртуальная модель нервной системы червя c.Eleganсе, с точностью позволяющая моделировать поведение отдельно взятой особи. Их проект имеет веб-версию, которая и демонстрирует жизнь данной разновидности червя посредством кластеризации вычислений всех моделей его поведения и реакции на различные раздражители. Весь исходный код проекта в свободном доступе и позволяет редактировать исходную конфигурацию.

Одним из интересных применений данного проекта является использование его в образовательных целях. Как показали проведенные авторами статьи исследования, исходный код проекта на С++ может быть легко портирован в качестве прошивки к основной операционной системе в такие робототехнические платформы как: Lego Mindstorms EV3, Arduino, Raspberry Pi. Подобная техническая реализация этого поможет поднять образовательный процесс на более высокий уровень, обеспечивая интеграцию нескольких учебных дисциплин, таких, как информатика, кибернетика, биология и другие.

Моделирование поведения живых органических систем путем кибернетизации их систем функционирования - не единственное, что можно использовать в образовательном процессе. Такое понятие, как алгоритмизация, тоже будет наглядно продемонстрировано. Все участники образовательного процесса будут иметь прямой доступ к практической реализации теоретических идей, гипотез и т.д.

Рассмотренные здесь три робототехнические платформы можно классифицировать как трехступенчатую модель обучения, на которой каждая платформа является возрастающей по сложности, и убывающей по простоте схемой изучения робототехники. В представленном ниже материале отображена степень и уровень возможностей каждой системы.

1. Lego Mindstorms EV3 - робототехническая платформа первого и самого начального уровня, позволяющая изучить и протестировать все основные концепции конструирования и проектирования роботов различной степени сложности. Плюсом является встроенный параметрическо-графический язык программирования Lego. Подходит для школьников самого младшего возраста включительно до среднего звена, т.к. дополнительно является инструментом развития мелкой моторики у детей, а также воспитания «маленького изобретателя». Кроме того, конструктор очень прочный, что не даст возможности сломать какие-либо детали.

2. Arduino – итальянская робототехническая система, имеющая множество различных конфигурации и модификаций. Из плюсов - относительно небольшая стоимость и встроенный язык программирования, составленный из урезанного С++, однако данная платформа поддерживает портирование и библиотеки классов еще двух языков программирования Java, MatLab. Подходит для школьников среднего звена, с начальными знаниями программирования и робототехники. В отличие от Lego, недостатком Arduino является ломкость - открытая электронная плата незащищена от неправильных подключений.

3. Raspberry Pi – платформа, имеющая массу разных применений, в том числе и робототехнику. Плюсом является низкая стоимость и полная свобода в выборе языка программирования, имеет множество периферийных модулей, поставляемых отдельно. Оснащается так же мощной аппаратной начинкой по сравнению с рассмотренными выше моделями. Может быть использована школьниками старшего звена, а также студентами и профессионалами.

Как один из вариантов создания роботов на основе Arduino и других компьютерных плат — использование уже готовых корпусов. Корпусами-скелетами в основном служат наземные модели на колесах. Платформы представляют собой алюминиевый сплав (подходит как основание для ездящего робота), или акриловое основание (для быстро передвигающегося робота). Кроме того, данные корпусы находятся в массовой продаже в интернет-магазинах, что делает проектирование своего робота доступным желанием каждого начинающего изобретателя.

В Казахстане инициатива развития робототехники поддерживается государственной программой в рамках Expo 2017. Для развития робототехники в Казахстан приглашаются международные тренеры по робототехнике.

Зарубежный опыт показывает, что использование робототехники в образовании положительно влияет на качество обучения в целом. Во-первых, за счет формирования умений высокой концентрации на деталях, во-вторых, за счет развития моторных функций, в-третьих, за счет формирования креативного мышления. Ребенок учится мыслить, составлять логические цепочки событий, брать ответственность за каждый свой шаг (особенно при построении алгоритма), а повышается интерес к учебному процессу.

Подводя итог, можно сделать выводы о том, что исследования в области использования робототехники в образовании являются актуальными и перспективными. Реализация кибернетической модели червя с.Elegance и его нервной системы уже начата на платформе Lego Mindstorms EV3. В настоящее время в экспериментальном режиме ведется активное внедрение робототехники в учебный процесс. В ряде школ данный процесс показал значительные положительные результаты. Стоит отметить, что использование робототехники в школе может вестись практически по любой из естественных дисциплин, таких как математика, физика, математика и даже химия и биология.

Опыт показывает /2/, что дети с большим удовольствием изучают основы робототехники, а вместе с тем, параллельно изучают смежные темы школьной программы. Подводя итог, следует отметить, что внедрение робототехники в образовательное пространство школы вносит достаточно весомый вклад в развитие регулятивных, познавательных и коммуникативных компетенций, что способствует полноценному развитию способностей учащихся. Организация урочной и внеурочной деятельности с использованием основ робототехники направлена на удовлетворение потребностей ребенка, требований социума в тех направлениях, которые способствуют реализации основных задач научно-технического прогресса, а также реализацию принципов компетентностно-ориентированного подхода к обучению.

Литература

1. Н. В. Лукьянова. Методика изучения основ робототехники в школе // Информатика в школе, 2012. - № 9

2. Злаказов А. С., Горшков Г. А., Шевалдина С. Г. Уроки Лего-конструирования в школе. М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011