Робототехника как инструмент повышения качества освоения образовательных программ по физике

 

Для подготовки специалистов, способных решать сложные инженерно-технические задачи из реального сектора экономики, во всем мире в образовательный процесс внедряются различные инновационные технологии, самой эффективной из которых является образовательная робототехника. В данной статье рассматривается опыт внедрения образовательной робототехники в учебный процесс по физике для повышения качества освоения образовательных программ в системе высшего образования.

Ключевые слова: образовательная робототехника, робототехника, робототехника в системе высшего образования, инновационное образование.

 

For training specialists able to solve complex engineering problems of the real economy around the world various innovative technologies are being implemented into educational process, where the most effective is an educational robotics. This article deals with the experience of the implementation of educational robotics in the educational process of physics to improve the development quality of educational programs in higher education.

Key words: educational robotics, robotics, robotics in higher education, innovate education.

 

Основная задача современного высшего образования — формирование творческой личности специалиста, способного к инновационной деятельности, к саморазвитию и самообразованию. Федеральный Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению 011200 «Физика» устанавливает такие основные требования к профессиональным компетенциям бакалавра, как способность к научно-исследовательской и научно-инновационной деятельности, освоение методов инженерно-технологической деятельности, умения обрабатывать и анализировать полученные данные с помощью современных информационных технологий [9, с. 5] и т. д. Подготовка специалистов, отвечающих этим требованиям, не возможна классическим путем передачи готовых знаний и умений от преподавателя к студенту. В современном мире необходимо применять инновационные технологии, позволяющие преобразовать студента из потребителя знаний в активного их творца, способного внести свой вклад в развитие науки и техники. На сегодняшний день таких технологий много, но одним из самых эффективных является внедрение в учебный процесс образовательной робототехники.

Во всем мире, и уже во многих регионах Российской Федерации, образовательная робототехника используется в системе образования всех уровней, начиная от дошкольного и заканчивая высшим профессиональным образованием, как средство повышения качества образования. Образовательная робототехника — это новое междисциплинарное направление обучения, интегрирующее знания о физике, мехатронике, технологии, математике, кибернетике и ИКТ, и позволяющее вовлечь в процесс инновационного научно-технического творчества учащихся разного возраста. Она направлена на популяризацию научно-технического творчества и повышение престижа инженерных профессий среди молодежи, развитие у молодежи навыков практического решения актуальных инженерно-технических задач. Кроме того, необходимо отметить, что образовательная робототехника является эффективным инструментом при реализации ФГОС как инструмент повышения качества освоения образовательных программ. Внедрение образовательной робототехники в учебный процесс позволяет повысить эффективность образовательных программ естественнонаучных дисциплин за счет возможности интерактивной демонстрации различных законов механики, динамики, электроники и других явлений природы. Кроме демонстрационных возможностей, образовательная робототехника имеет ряд и других преимуществ перед классическим естественнонаучным лабораторным оборудованием, использующимся студентами в процессе научно-исследовательской деятельности. Современные платформы образовательной робототехники содержат в себе все необходимые аппаратные и программные инструменты для получения и анализа различных данных.

Несмотря на то, что образовательная робототехника — это направление относительно новое, развивается оно стремительными темпами. Разработкой робототехнических платформ для образования занимаются десятки зарубежных и несколько отечественных компаний. Все производители образовательной робототехники тесно сотрудничают с лучшими специалистами сферы образования со всего мира для выявления основных проблем образовательного процесса. Основная задача всех платформ образовательной робототехники — это повышение мотивации учащихся к обучению, повышение качества образовательных программ для подготовки компетентных специалистов, способных решать сложные инженерно-технические задачи. Различные платформы решают эту задачу по-разному. В таблице 1 приведен список основных робототехнических платформ, используемых в образовательном процессе. Большинство представленных платформ зарубежного производства, за исключением платформы ТРИК и Технолаб.

 

Таблица 1

Основные платформы образовательной робототехники

№	Производитель	Страна	Название платформы
1	Pitsco	США	TETRIX
2	Lego	Дания	Mindstorms Education EV3
			WeDo
3	ТРИК	Россия	TRIK
4	VEXRobotics	США	VEX IQ
			VEX EDR
5	FischerTechnik	Германия	fischertechnik
6	MRT International Limited	Южная Корея	Huna MRT
7	Экзамен-технолаб	Россия	ТЕХНОЛАБ
8	Robotis	Южная Корея	Bioloid

 

Платформа ТРИК — это отечественный продукт, разработанный для образовательной деятельности, включающий в себя аппаратное и программное обеспечение. В отличие от робототехнических модулей Технолаб, ТРИК — это полностью Российская разработка. Технолаб представляет собой образовательные модули из робототехнических платформ Южно-Корейского производства, сопровождаемые качественными учебно-методическим обеспечением, адаптированным под систему образования России. Все робототехнические платформы, представленные в таблице 1, применяются в различных образовательных учреждениях регионов России: от дошкольных учреждений до учреждений высшего профессионального образования. Каждый производитель выпускает наборы и комплекты платформы, ориентированные на разные возрастные категории [7, с. 9]. Например, в дошкольном образовании и в начальных классах могут использоваться образовательные наборы WeDo компании Lego, модули Технолаб начального уровня и наборы HunaMRT, а в старших классах и в высшем образовании — MindstormsEducationEV3, TETRIX, FischerTechnik, VEX и другие. Каждая из этих платформ имеет свои достоинства и недостатки, но в рамках данной статьи рассматриваются именно платформы для высшего профессионального образования в естественнонаучных дисциплинах.

Образовательная робототехника в Чеченской Республике начала развиваться только с 2012 года, но, к сожалению, на сегодняшний день она применяется только в системе дополнительного образования как отдельное объединение, и в системе высшего профессионального образования как соревновательный инструмент. В образовательных учреждениях высшего профессионального образования Чеченской Республики нет направлений подготовки и специальностей, изучающих робототехнику, но почти в каждом вузе есть студенческие научные общества и команды по робототехнике, которые участвуют в различных конкурсах и мероприятиях регионального и Федерального уровней. В вузах Республики есть оборудование по образовательной робототехнике, но оно используется только в соревновательных целях, или вообще не используются. Это говорит о том, что весь потенциал образовательной робототехники остается не задействованным. Как было сказано выше, прежде всего, образовательная робототехника — это инструмент повышения качества образования, который должен быть внедрен в образовательный процесс. Прежде всего, проблема заключается в отсутствии квалифицированных кадров, способных применять данную технологию в образовательном процессе. Те специалисты, которые занимаются робототехникой в образовательных учреждениях Республики, обучались самостоятельно, или проходили курсы повышения квалификации в Москве, но их, к сожалению, очень мало.

Для подтверждения потенциала робототехники как инструмента повышения качества освоения программ естественнонаучных дисциплин в системе высшего образования, на факультете физики и информационно-коммуникационных технологий ФГБОУ ВО «Чеченский государственный университет» были проведены занятия по физике, с использованием платформы MindstormsEducationEV3 и RoboPica. Платформа EV3 является наиболее популярной в образовательных учреждениях всех уровней в силу того, что она включает в себя все необходимые инструменты для образовательной деятельности. Основой платформы является мощный микрокомпьютер с функционалом регистрации, обработки данных и поддержкой самых современных протоколов обмена данными: Bluetooth, Wi-Fi. Платформа включает в себя пластиковые элементы для сборки различных робототехнических конструкций, а также большое количество различных датчиков и механики. Платформа EV3 позволяет студентам создавать, программировать и тестировать свои решения, используя технологии из реального мира промышленной и бытовой робототехники, а для преподавателя — это эффективный инструмент для демонстрации различных законов и явлений из разделов физики, математики, технологии и ИКТ.

Для апробации потенциала робототехники в образовательных программах по физике была выбрана одна из групп первого курса специальности «Радиофизика и электроника». Образовательная программа начального курса физики для данной специальности состоит из таких разделов, как механика, динамика, колебания и волны, электродинамика, оптика, радиофизика и т. д. Изучив основные возможности имеющейся платформы образовательной робототехники, было установлено, что она может быть использована для интерактивных демонстраций и самостоятельной работы по темам данных разделов. Для демонстрации тем из раздела механики платформа EV3 содержит в себе большое количество пластиковых элементов, из которых можно собрать любую конструкцию. Для того чтобы собранные конструкции можно было приводить в действие набор содержит 3 сервопривода повышенной точности. Программное обеспечение позволяет приводить в действие сервоприводы по различным алгоритмам. Например, привод можно запустить на определенное количество оборотов, секунд или градусов. Таким образом, собирая и программируя различные конструкции можно демонстрировать такие явления, как скорость, прямолинейное равномерное или равноускоренное движение, ускорение, траектория движения и путь. Для этих целей достаточно собрать базовую конструкцию, состоящую из двух сервоприводов с колесами, микрокомпьютера и третьего опорного шарового колеса.

Рис. 1. Базовая конструкция для демонстрации явлений из раздела механики

 

Стоит отметить, что, к большому сожалению, у большинства преподавателей и других работников сферы образования, конструкции, собранные из робототехнической платформы EV3 ассоциируются с игрушками. Связано это с тем, что в образовательных наборах EV3 компании Lego используются те же пластиковые соединительные детали LegoTechnic, что и в продукции сферы развлечений. Как видно из рисунка 2, базовая конструкция, используемая для демонстрации явлений из разделов механики, по внешнему виду действительно имеет много общего с игрушками. Но весь образовательный потенциал заключается в современном высокопроизводительном микрокомпьютере, датчиках и элементах механики.

Рис. 2. Алгоритм прямолинейного движения робототехнической конструкции в течение 20 секунд в среде Mindstorms EV3.

 

Для демонстрации законов механики с помощью данной конструкции микрокомпьютер EV3 программировался в среде EV3 Software, которая основана на платформе LabVIEW компании National Instruments (США) [8, с. 21]. На рисунке 2 представлен алгоритм прямолинейного движения робототехнической конструкции, написанный в среде EV3 Software. Путем добавления к данной конструкции различных датчиков, входящий в комплект набора, можно расширить возможности для интерактивной демонстрации более сложных тем и разделов. Использование ультразвукового датчика и сервопривода позволяет демонстрировать такие темы и явления, как колебания, автоколебания, вынужденные колебания и физический маятник. Для этого достаточно собрать соответствующую конструкцию из элементов набора, подключить сервопривод и ультразвуковой или инфракрасный датчик для регистрации колебаний системы.

Рис. 3. Регистрация и анализ колебательных движений конструкции в среде Mindstorms EV3

Полученные данные можно анализировать и обрабатывать в программном обеспечении. Как видно на рисунке 3, функционал программного обеспечения позволяет анализировать данные по различным параметрам. В разделах изучения электродинамики и сопутствующих тем могут быть использованы как базовые компоненты набора EV3, так и дополнительные. К дополнительным наборам относятся специальные комплекты для изучения физики и технологии, возобновляемых источников энергии и космических технологий. Используя эти элементы, есть возможность демонстрировать работу солнечных панелей, электрогенераторов, конденсаторов и аккумуляторных накопителей энергии.

Приведенные примеры применения робототехники в учебном процессе по физике — это лишь часть из всех возможных методов использования этой эффективной образовательной технологии. Функциональные возможности аппаратного и программного обеспечения современных платформ образовательной робототехники позволяют преподавателю адаптировать свои конструкции под демонстрацию практически любых тем и разделов начальных курсов физики, механики, электроники и даже информационно-коммуникационных технологий. Опыт внедрения образовательной робототехники в процесс изучения механики и других разделов показывает, что интерес и качество освоения материала у студентов на порядок выше, чем при устной или мультимедийной демонстрации. Это обусловлено тем, что робототехника направлена именно на практическую демонстрацию законов и явлений. Используя робототехнику, преподаватель не только рассказывает теоретическую часть рассматриваемой темы, а демонстрирует работу того или иного закона на практике.

В заключении хотелось бы сказать, что внедрение образовательной робототехники в учебный процесс — это новый шаг в развитии системы образования в целом. На современном этапе развития науки и техники возникает необходимость в организации учебной деятельности, направленной на развитие у подготавливаемых специалистов умений и навыков, которые способствуют реализации основных задач научно-технического прогресса. Именно образовательная робототехника способствует развитию этих компетенций. Ведь образовательная робототехника объединяет в себе самые различные области науки и техники — от схемотехники до искусственного интеллекта. Это именно те направления, от развития которых зависит будущее нашей Республики и всей страны в целом. Робототехника — это решение вопросов автоматизации и роботизации производства, привлечение самых передовых технологий. Развитие образовательной робототехники будет содействовать становлению Чеченской Республики как технически развитого региона через формирование востребованного кадрового резерва инженеров и специалистов, обладающих современными компетентностями в области науки и техники, способных решать задачи высокотехнологичных отраслей экономики России и всего мира.

 

Литература:

 

1.                Халамов В. Н. Робототехника в образовании / В. Н. Халамов. — Всерос. уч.-метод. центр образоват. робототехники. — 2013. — 24 с.
2.                Халамов В. Н. Fischertechnik — основы образовательной робототехники: учеб.-метод. пособие / В. Н. Халамов, Н. А. Сагритдинова. Обл. центр информ. и мат.-техн. обесп. ОУ Чел. обл. — Челябинск, 2012. — 40 с.
3.                Белиовская Л. Г. Программируем микрокомпьютер NXT в LabVIEW / Л. Г. Белиовская, А. Е. Белиовский. — М.: ДМК Пресс, 2012. — 280 с.
4.                Калугина В. А. Основы лего-конструирования: методические рекомендации / В. А. Калугина, В. А. Тавберидзе, В. А. Воробьева — Курган: ИРОСТ, 2012.
5.                Каширин Д. А. Курс «Робототехника»: методические рекомендации для учителя / Д. А. Каширин, Н. Д. Федорова, М. В. Ключникова; под ред. Н. А. Криволаповой. — Курган: ИРОСТ, 2013. — 80 с.
6.                Колотова И. О. Основы образовательной робототехники: уч.-метод. пособие для слушателей курса / Колотова И. О., Мякушко А. А., Сичинская Н. М., Смирнова Ю. В. — М.: Издательство «Перо», 2014. — 80 с.
7.                Филиппов С. А. Робототехника для детей и родителей. / А. С. Филиппов. — СПб.: Наука, 2013. 319 с.
8.                Овсяницкая Л. Ю. Курс программирования робота LegoMindstormsEV3 в среде EV3: основные подходы, практические примеры, секреты мастерства / Д. Н. Овсяницкий, А. Д. Овсяницкий. — Челябинск: ИП Мякотин И. В., 2014. — 204 с.
9.                Федеральный государственный образовательный стандарт по направлению 011200 «Физика», утвержден приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 08 декабря 2009 г., № 711.