Системный подход к образовательной робототехнике как составной части инженерного образования
Заведующий кафедрой инженерной предпрофессиональной подготовки школы №1538 (г. Москва) доктор технических наук, профессор Михаил Фролов рассказывает об опыте создания лабораторий и организации проектной деятельности.
Меня всегда интересовало инженерное образование, которым я занимаюсь уже более 40 лет. Работая преподавателем вуза, довольно рано осознал, что фундамент инженерного образования нужно закладывать еще в школе, а то и раньше.
Поэтому, совмещая работу преподавателя вуза с работой педагога дополнительного образования в разных школах, мне удалось к началу 2000-х создать учебные курсы по информатике и информационным технологиям для обучающихся дошкольных учреждений и 1-х – 11-х классов школы, студентов вузов и повышающих квалификацию преподавателей. Полученный опыт был опубликован в виде 14 учебников и учебных пособий.
Вот почему, когда появилась образовательная робототехника и другие новации (электроника, ЗD-моделирование, нанотехнологии и т.д.), решил пойти аналогичным путем и начал заниматься этими направлениями в рамках дополнительного образования с 2013 г.
С 2017 г. в ГБОУ Школа № 1538, которая участвует в проекте предпрофессионального образования «Инженерный класс в московской школе», организовал кафедру инженерной предпрофессиональной подготовки (ИПП), в состав которой вошли учителя математики, физики, информатики и робототехники, имеющие двойное – педагогическое и инженерное – образование.
В состав кафедры входят шесть лабораторий: «Аэрокосмическая, военная и реабилитационная робототехника, микроэлектроника и нанотехнологии», «Прикладная физика», «Прототипирование и ЗD-моделирование», «Информационные технологии», в которых занимаются обучающиеся с 1 по 11 классы школы (иногда бывают и дошкольники) по инновационным авторским программам основного и дополнительного образования.
Все лаборатории хорошо оснащены, в т.ч. благодаря оборудованию, которое школа приобрела по линии проектов предпрофессионального образования «Инженерный класс в московской школе» и «Академический класс в московской школе». Все занятия основаны на проектной деятельности.
Дошкольники и обучающиеся 1–4-х классов собирают и программируют роботов военной и аэрокосмической направленности на основе робототехнических наборов Lego WeDo. При этом основной упор в обучении делается на творчество.
Ребята 5–7-х классов создают собственных программируемых роботов военной, аэрокосмической и реабилитационной направленности на основе робототехнических наборов Lego Mindstorms EV3 Education и ТРИК.
Старшеклассники работают с наборами VEX, Tetrix, Robotis и ЛАРТ, а также изучают программируемую микроэлектронику на основе плат Arduino и микроконтроллеров AVR с помощью наборов «Матрешка Z» и Iskra Neo, изучают прототипирование и ЗD-моделирование в средах 3D StudioMAX, SketchUp и др., паяют электронные устройства, ставят физические эксперименты, используя аппаратно-программный комплекс автоматизации физического эксперимента, цифровую лабораторию и приборы для изучения атомной и квантовой физики, занимаются астрономией и геодезией, осваивая телескоп и теодолит, проводят наноисследования на атомно-силовом микроскопе.
Большое внимание на занятиях по робототехнике уделяется конструированию и программированию. Центральное место в конструировании занимает жесткость конструкций роботов и грамотный расчет механических передач. Важное место в создании роботов занимает их база, а также работа с датчиками. В зависимости от проекта обучающиеся изучают различные языки программирования: WeDo, Scratch, mBlock, EV3 Lab, Arduino IDE (Си, Си++), TRIK Studio, RobotC, JavaScript, Python, LUA и др.
Обучающиеся старших классов принимают активное участие и занимают многочисленные призовые места в олимпиадах и конкурсах научно-исследовательских и проектных работ. Вот некоторые примеры тематик таких работ: «Стендовая методика эффективного освоения образовательных робототехнических наборов на уроках технологии, проектной деятельности и дополнительного образования», «Наноисследование микроструктуры низкоуглеродистой легированной стали 16ХСН на образцах из хрупко разрушающихся болтов с московского машиностроительного завода «Авангард»», «Протезирование точной копии кисти руки на основе результатов трехмерного сканирования», «Нейронная сеть для игры в шахматы», «Применение метода Фролова для обучения робота с искусственным интеллектом избегать препятствия», «Разработка и изготовление электромагнитного ускорителя масс Гаусса под управлением микроконтроллера».
Накопленный кафедрой ИПП опыт опубликован в виде инновационных авторских электронных учебных пособий (ЭУП), размещенных в Библиотеке Московской электронной школы (МЭШ).
По образовательной робототехнике опубликовано 22 ЭУП.
Опубликованные кафедрой инновационные авторские ЭУП по образовательной робототехнике представлены следующими направлениями: виртуальная робототехника, реальная робототехника, стендовая методика, проектная деятельность обучающихся.
ЭУП по виртуальной робототехнике, получившей широкое распространение при дистанционном обучении в условиях карантина COVID19, представлены следующими бесплатными средами имитационного моделирования: TRIK Studio Junior и TRIK Studio, Open Roberta Lab для образовательных наборов ТРИК и Lego Mindstorms EV3 Education; Autodesk Tinkercad Circuit для наборов на основе Arduino; MUR IDE для подводных роботов MUR EDU; CoppeliaSim Edu для конструирования и программирования промышленной CAD-робототехники.
По реальной робототехнике опубликованы ЭУП на основе: Lego WeDo Education; интегрированного использования Знаток, Arduino и mBlock; Lego Mindstorms EV3 Education; Arduino.
Также представлено ЭУП по стендовой методике эффективного освоения реальной робототехники на основе наборов: Lego WeDo Education, Lego Mindstorms EV3 Education, FischerTechnik, Huna Top, VEX IQ, VEX EDR, Tetrix Max и ТРИК.
В области проектной деятельности опубликованы ЭУП по следующей тематике: POV-дисплей для безопасности пешеходов, метод Фролова, программатор для летающих роботов, прибор для оперативного мониторинга активности головного мозга, ракетный робототехнический комплекс, робот-вездеход на нейроуправлении, автомат измеритель-сигнализатор температуры.
В будущем планирутся внедрять в учебный процесс все новейшие разработки по образовательной робототехнике: Lego Mindstorms EV3 Classroom, Lego Mindstorms 51515 Robot Inventor education и др. В области проектной деятельности: создание газоанализаторов на робототехнических платформах, разработка устройств с искусственным интеллектом, создание портативных IC-автоматов, применение нечеткой логики, 3D печать моделей реновационных зданий, наноисследование термообработанных сталей, запуск ракет с телеметрией и стратосферных зондов.
