Современное производство невозможно представить без автоматизации всех процессов, а высокое качество изделий при массовом выпуске требует применения робототехнических комплексов. Реализация этих технологий проводится во всех сферах деятельности человека: от медицины до космонавтики.

Развитие цивилизации требует внедрения новых технологий в области материаловедения, электроники, механики, программирования и других отраслей. Для этого необходимо использование высококвалифицированных кадров в указанных областях, поэтому ранняя профориентация стала приоритетом в основном общем образовании. Одним из направлений инженерной компетенции является робототехника.

Предмет робототехника изучает создание и применение роботов, других роботизированных средств и основанных на них технических систем, и комплексов различного назначения. Она позволяет спроектировать и сконструировать различные интеллектуальные механизмы – роботов, которые имеют модульную структуру и обладают мощными микропроцессорами.

Если рассматривать робототехнику с позиции российской школы, то возникают естественные вопросы: кто, как и зачем должен ее внедрять? Например, в Аэрокосмическом лицее имени Ю. В. Кондратюка «Основы робототехники» были выбраны в качестве школьного курса информатики. Акцент был сделан на изучение алгоритмов и программирования, а также на уровень инженерной составляющей предмета.

Педагогическая целесообразность этой темы очевидна. Ученики в процессе конструирования и программирования учатся объединять реальный мир с виртуальным. Кроме того, они получают дополнительные знания по физике, механике, электронике и информатике.

«Основы робототехники» как предмет

«Основы робототехники» – это один из интереснейших способов изучения компьютерных технологий и программирования. На занятиях ученики узнают, как проектировать, создавать и программировать роботов. Работа над практическими заданиями в команде способствует получению знаний о составляющих современных робототехнических устройств, а визуальная программная среда дает возможность легко и эффективно изучить алгоритмы и программирование.

Цель предмета робототехники: сформировать основы знаний по робототехнике и создать индивидуальный опыт, необходимые для выбора будущей профессии.

Задачи предмета:

– дать первоначальные знания о робототехнических устройствах;

– ознакомить с правилами безопасной работы с инструментами, которые необходимы при конструировании роботов;

– научить основным приемам сборки и программирования роботов;

– развивать творческую инициативу и самостоятельность;

– развивать память, логическое мышление, аналитические способности, концентрацию внимания.

Робототехника – предмет научно-технической направленности. В наше время с её помощью можно научить ребенка решать задачи, используя автоматические системы, которые он может самостоятельно проектировать. Он учится защищать свое решение и воплощать его в реальной модели, непосредственно сконструировать и запрограммировать.

Робототехника выступает не только как самостоятельный предмет, но и помогает в изучении остальных школьных дисциплин. Робототехнические конструкторы можно использовать при демонстрации учебных экспериментов по математике, физике, биологии, химии, искусству и технологии, что дает возможность показать ученикам картину реального мира. Использование роботов делает обучение более увлекательным и понятным. Ученик лучше разбирается в том, что создал и увидел сам, а это способствует развитию творческих способностей и формированию раннего профессионального самоопределения.

Робототехнические конструкторы

Для каждой собранной из LEGO Mindstorms EV3 конструкции ученики решают максимально возможное количество задач, которые позволяют изучить, понять и закрепить классические понятия информатики – линейный и циклический алгоритм, ветвление, переменная, математическая логика.

Робототехнические конструкторы должны служить не предметом, а средством обучения. Они дают возможность реализовать деятельный подход, для которого характерно получение учениками знаний не в готовом виде, а самостоятельный их поиск. Причем, небольшое количество конструкторов в школе нельзя считать недостатком. Этот дефицит оборудования подталкивает учителя к организации проектного, коллективного обучения. Ученики, которые работают над задачей в команде, достигают больших личных результатов, чем те, кто занимался индивидуально. Задания необходимо строить таким образом, чтобы обеспечить отработку максимального количества универсальных учебных действий.

В основе всех конструкторов LEGO лежит принцип «Learning by making», или «обучение через действие»), который предполагает реализацию циклической модели обучения, основанной на четырех образовательных составляющих: взаимосвязь, конструирование, рефлексия, развитие.

«Взаимосвязь» предполагает, что получение новых знаний происходит тогда, когда вновь приобретенные опыт и умения удается объединить с уже имеющимися, или превратить их в стимул, отправную точку для нового этапа обучения.

«Конструирование» представляет из себя создание моделей и генерацию идей. Предлагаются три вида «Конструирования»:

1) свободное «зондирование» проблемы: учащиеся знакомятся с новым понятием, самостоятельно модифицируя простые модели и управляют ими;

2) исследование по инструкции: учащиеся, следуя подробным инструкциям, создают модели, дающие какие-либо количественные результаты, пригодные для математической обработки;

3) свободное решение проблемы: учащиеся создают собственную модель, которая способна выполнить поставленную задачу.

«Рефлексия» предполагает осмысление созданного во время занятий, поиск словесной формулировки полученного знания, способов представления результатов опыта, путей его применения в комплексе с другими идеями и решениями.

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

Содержание предмета «Робототехника»

По содержанию в начальном курсе изучения основ робототехники можно выделить два раздела: «Основы конструирования и механики» и «Программирование робототехнических устройств».

Раздел «Основы конструирования и механики» служит для изучения базовых принципов механики и элементарных технических решений, которые лежат в основе всех современных конструкций и устройств. Эти знания дают учащимся возможность разрабатывать и собирать модели для решения поставленных задач.

Раздел «Программирование робототехнических устройств» основан на требованиях к результатам изучения предметной области «Математика и информатика», которые включают в себя:

– развитие алгоритмического мышления,

– развитие умений по составлению и записи алгоритмов для конкретного исполнителя,

– формирование знаний об алгоритмических конструкциях, логических значениях и операциях,

– знакомство с одним из языков программирования и основными алгоритмическими структурами – линейной, условной и циклической.

Любая робототехническая конструкция является исполнителем программы (алгоритма). В процессе обучения робототехнике, педагог сталкивается с необходимостью:

– организации проектной деятельности;

– использования метода научного познания в ходе выполнения проекта;

– подготовки учащихся к соревнованиям роботов.

Метод проектов

Метод проектов является ведущим методом при обучении образовательной робототехнике. Он предполагает использование широкого спектра проблемных, исследовательских, поисковых методов, ориентированных на реальный практический результат. Использование метода проектов в обучении предполагает наличие значимой проблемы, которая требует использования объединенных знаний, проведения исследования для поиска ее решения. Кроме того, в этом случае необходима организация самостоятельной деятельности учащихся на уроке или во внеурочное время. Создание действующей модели робота представляется в виде проекта. При этом созданная модель должна одновременно сочетать в себе функции как практико-ориентированного, так и исследовательского проекта.

Практико-ориентированный проект отличается тем, что результат деятельности обозначен с самого начала. Как правило, это робот, выполняющий определенные функции. При отладке робота проект приобретает характер исследования. Его суть заключается в том, что проект подчиняется логике пусть небольшого, но исследования, и имеет структуру, которая приближается к настоящим научным исследованиям.

Испытание и отладка робота также предполагает уяснение цели и обоснование гипотезы, проектирование серии опытов для испытания модели, подготовка условий для испытаний, проведение испытаний, внесение поправок в конструкцию и программу робота на основании сделанных выводов.

Соревнования роботов

Подготовка к соревнованиям роботов превращает учителя в тренера команды. Соревнования, как одна из форм организации учебного процесса по робототехнике, способствуют формированию конкурентоспособной личности. Этот метод опирается на естественные склонности человека к лидерству, к соперничеству. В процессе соревнования школьник улучшает отношения с товарищами, приобретает новый социальный статус. Соревнование вызывает не только активность, но и формирует у него способность к самоактуализации, которую можно рассматривать как метод самовоспитания.

Соревнования роботов можно назвать своеобразным смотром достижений. Участие в них является итоговым результатом их изучения робототехники. Это позволяет повысить мотивацию к занятиям робототехникой, популяризировать этот вид технического творчества.

Резюмируя сказанное, можно утверждать, что робототехника – это предмет, который дает возможность сформировать профессиональные навыки, помогает сделать осознанный выбор будущей профессии, получить углубленные знания по многим техническим дисциплинам. Учитывая скорость научно-технического прогресса, эта специальность будет становиться все актуальнее, и подготовка квалифицированных кадров может стать наиболее приоритетной в сфере образования.