Обзор программируемого комплекта робототехники Lego

Статья посвящена необходимости организации курса обучения робототехнике на LEGO Mindstorms NXT для студентов инженерно-технического профиля.

Ключевые слова: робототехника, микроконтроллеры, программирование, LEGO.

Робототехника — область науки и техники, находящаяся на стыке механики, электроники и программирования. Сегодня разработки робототехники внедряют в различные направления человеческой деятельности: от военной техники и робоавтомобилей, до бытовой техники и детских игрушек. Действительно, робототехника сегодня одно из самых интенсивно развивающихся направлений науки и техники.

В связи с развитием роботов актуализировались проблемы обучения робототехнике на различных уровнях образования и различных возрастных категорий обучающихся. В колледжах, вузах внедряются курсы по робототехнике, ориентированные на условия учебного заведения: материально-техническая база, аппаратно-программное обеспечение, учебно-методическую поддержку и др.

Образовательная робототехника — сравнительно новая область, как в технике, так и в педагогической науке и занимается проблемами организации учебного процесса и внеурочной деятельности по обучению роботам. Организация процесса обучения невозможно без соответствующих образовательных ресурсов и средств.

Начиная с 1960-х годов, кубики LEGO использовали в школе для преподавания различных дисциплин. В 1980 году компанией LEGO было принято решение об организации отдельного департамента развития образовательных продуктов. В 1989 году департамент был реформирован и получил название LEGO Dacta.

Сегодня образовательная продукция компании LEGO выпускается под брендом LEGO Education. Отличительной особенностью продукции LEGO Education от традиционных конструкторов LEGO является сфера использования продукта: детские сады, школы и другие учебные учреждения, которые подразумевают участие в образовательном процессе профессионального преподавателя.

В основе всех продуктов LEGO лежит принцип «Learning by making» («обучение через действие»), предполагающий реализации циклической модели обучения, основанной на четырех образовательных составляющих: взаимосвязь, конструирование, рефлексия, развитие (рис. 1).

Рис.1. Циклическая модель обучения на основе образовательного оборудования Lego

«Конструирование» подразумевает создание моделей и генерацию идей.

«Рефлексия» предполагает осмысление того, что сделано, создано, модифицировано, поиск словесной формулировки полученного знания, способов представления результатов опыта, путей его применения в комплексе с другими идеями и решениями.

Поддержка творческой атмосферы, эмоциональной и физической радости от успешно выполненной работы реализуется на этапе «Развитие» при выполнении более сложных заданий, способствующих углублению полученного опыта, развитию креативных и исследовательских навыков.

В этих словах выражена концепция образовательных программ LEGO Education, которые предоставляют все необходимые материалы для деятельностного подхода в образовании. Ученики получают возможность, играя, вырабатывать необходимые для жизни навыки, которым не всегда уделяется внимание на традиционных уроках. Поэтому для реализации курса робототехники были выбраны конструкторы серии LEGO Education. Для учащихся первой ступени обучения используются образовательные конструкторы LEGO Wedo, а для второй ступени — конструкторы серии LEGO Mindstorms NXT.

На каждой ступени обучения реализуется свой спектр целей и задач.

В дошкольном образовании в условиях организации предшкольной подготовки детей на базе школы (дети 5–6 лет) комплект реализуется с помощью таких средств обучения, как конструкторы LEGO®. Обучение LEGO-конструированию способствует развитию научно-технического мышления дошкольников, стимулирует детскую фантазию, развивает воображение и мелкую моторику рук детей, закладывает основы успешного обучения в общеобразовательной школе.

В начальной школе учащиеся переходят на новую ступень обучения с помощью конструкторов LEGO® Education WeDo™. Это позволяет детям 7–11 лет начать освоение робототехники, чтобы создавать и программировать собственные творческие продукты. С помощью конструктора младшие школьники познают особенности окружающего мира, исследуют и моделируют объекты окружающей среды, осваивают первые шаги построения алгоритмов. Работа с конструктором детей этой возрастной группы направлена на развитие гибкого, творческого мышления, речи и воображения.

Рис. 2. Базовый набор Lego Education Wedo

Учащиеся средней и старшей школы (12–17 лет), обладающие базовыми навыками конструирования моделей, самостоятельно программируют модели с помощью программы LEGO® Mindstorms® NXT. Работа с конструктором школьников этой возрастной группы расширяет возможности проектной и научно-исследовательской деятельности, обеспечивает интегрированную основу процесса познания научной картины.

Рис.3. Базовый набор NXT 2.0 LEGO Mindstorms Education

Для успешного обучения робототехнике студентов инженерно-технического профиля можно использовать робототехнический конструктор Lego Education, куда входят конструкторы Lego WeDo и Lego Mindstorms. LEGO Mindstorms NXT, снабженный входными портами для датчиков и выходными портами для исполнительных устройств, делающий робота программируемым, интеллектуальным, способным принимать решения.

Рис.4. Базовый набор Lego Mindstorms EV3 (45544) образовательная версия

В рамках формирования мотивации к исследовательской и проектной деятельности необходимо программирование микроконтроллера на основе программы «LEGO® Mindstorms® NXT Software», основанной на идеологии NI LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) — среды прикладного графического программирования и инструмента для проведения измерений, анализа данных и последующего управления приборами и исследуемыми объектами. С таким инструментарием можно работать и начинающему, и профессионалу.

Возможность интеграции с LabView и MATLAB/Simulink позволяет использовать NXT в научно-исследовательских целях, в частности, при создании алгоритмов управления техническими системами. Так, когда алгоритм управления, основанный на математической модели, отлажен в одной из инженерных сред, интеграция с платформами MATLAB/Simulink или LabView позволяет в краткие сроки провести испытания на реальном объекте, без каких-либо дополнительных усилий.

Наши исследования показывают, что для реализации различных курсов по робототехнике на профильном уровне обучения необходимы эффективные технические средства обучения и учебно-методические разработки. Разработка актуального содержания курса робототехники требует адресное профессиональное обучение и систематическое повышение квалификации соответствующих педагогов.

Литература:

1. Абдулгалимов Г.Л, Казагачев В.Н, Гулюта А. А. Обучение робототехнике: от элементарных понятий до программирования микроконтроллеров вузов // Новые информационные технологии в образовании: Сборник научных трудов 16-й международной научно-практической конференции «Новые информационные технологии в образовании» 2–3 февраля 2016г./ Под общ. ред. проф. Д. В. Чистякова. Часть 2.- М.: ООО "1С-Паблишинг», 2016. С. 309–311.
2. Белиовская Л. Г. Программируем микрокомпьютер NXT в LabVIEW. [Текст]: учеб. для школьников / Белиовская Л. Г., Белиовский А. Е. — М.: ДМК Пресс; 2010. — 280 с.: ил. + DVD.
3. Кремлев А.С, Зименко К.А, Боргуль А. С. Моделирование и программирование робототехнических комплексов. [Текст]: учебное пособие /А. С. Кремлев. Санкт-Петербург: Изд-во НИУ ИТМО, 2013. — 136 с.
4. Никитина Т. В. Образовательная робототехника как направление инженерно-технического творчества школьников. [Текст]: учебное пособие / Т. В. Никитина. Челябинск: Изд-во Челяб. гос. пед. ун-та, 2014. — 169 с.
5. Толстова Н. А., Бондаренко Д. А, Ганьшин К. Ю. Образовательная робототехника как составляющая инженерно-технического образования. // «Наука. Инновации. Технологии», № 3, 2013.
6. Филиппов С. А. Робототехника для детей и родителей. [Текст]: учеб. пособие для школьников / Филиппов С. А. — СПб. Наука, 2011. — 263 с.