Изучение основ робототехники в школе

Для подготовки детей к жизни в высокотехнологичном конкурентном мире у подрастающего поколения нужно развивать интерес к научно- техническому творчеству, технике, высоким технологиям. Ещё в 1980 году основоположник  языка  программирования  Лого  Сеймур  Пейперт  в  книге «Mindstorms: children, computers and powerful ideas» одним из первых предложил использовать компьютеры в обучении детей. В основе школы С. Пейперта и Ж. Пиаже лежит естественное любопытство детей и средства для удовлетворения их. Ребенок представляет собой зодчего, возводящего структуры собственного интеллекта, а любой зодчий нуждается в материалах, из которых он будет строить. Источником этих материалов является окружающая культура.

В повседневной жизни в школе, в общественных учреждениях, дома современного ребенка окружает огромное количество технических устройств: телевизор,    автоматическая    стиральная     машина,    мобильный     телефон, компьютерная техника и многое другое. Для ребенка, как впрочем, и для некоторых взрослых людей, эти объекты являются «черными ящиками»,  то есть, мы знаем какое воздействие нужно сделать на данный объект, и какой получим результат, но не представляем принцип работы данного устройства. А нужно ли нам это знать? Конечно, и в первую очередь для самосохранения. Современные  дома  сейчас  буквально  напичканы  разной  техникой,  а  какую опасность несет в себе «черный ящик», и как её предотвратить, обязательно ли нам нужно вызывать мастера или выбрасывать сломанную технику, может её можно легко и быстро починить самому? В настоящее время актуальны образовательные мультфильмы, рассказывающие об окружающих технических устройствах, например, «Фиксики».

Современный человек должен быть мобильным, готовым к внедрению инноваций в жизнь, он должен быть технически грамотным. В этом помогут научные дисциплины, как физика, информатика, математика, химия, биология, экология и другие. А синтезатором данных наук, способным развить техническую грамотность детей через научно-практические исследования и творческие проекты является робототехника.

Курс робототехники в школе может стать одним из интереснейших способов изучения не только компьютерных технологий и программирования, но и всего окружающего мира, а главное - себя. При преподавании данного курса в учебном процессе и внеучебной деятельности сталкиваемся с двумя основными проблемами: недостатком методических материалов и высокой ценой одной единицы робототехнического конструктора (чаще всего используются зарубежные разработки).

В настоящее время в образовании применяют различные робототехнические комплексы, например, Mechatronics Control Kit, Festo Didactic, LEGO Mindstorms и другие. Наиболее распространенными в нашей стране являются:

1) LEGO Mindstorms. Робототехнический конструктор нового поколения, представленный компанией Lego в 2006 году. «Мозгом» модели является ЛЕГО-микрокомпьютер (ранее RCX, сейчас его сменил NXT). К портам этого микрокомпьютера подсоединяются датчики и исполнительные механизмы. Робот собирается из пластмассовых деталей и может выглядеть как человек, машина, животное и выполнять различные функции. Поведение  робота задается программой, которую можно создавать как при помощи кнопок самого микрокомпьютера, так и при помощи специального программного обеспечения на      персональном      компьютере.      Программное      обеспечение      LEGO MINDSTORMS Education NXT является адаптированной версией NI LabVIEW.

2) Конструкторы fischertechnik. Развивающий конструктор для детей, подростков и студентов, изобретенный профессором Артуром Фишером в 1964 году. В перечень поставляемой продукции входят конструкционные блоки, элементы электро и пневмопривода, различные датчики, программируемые контроллеры и программное обеспечение. Основным элементом конструктора является блок с пазами и выступом типа «ласточкин хвост». Такая форма дает возможность соединять элементы практически в любых комбинациях. Также в комплекты конструкторов входят программируемые контроллеры, двигатели, различные датчики и блоки питания, что позволяет приводить механические конструкции в движение, создавать роботов и программировать их с помощью компьютера.

3) ScratchBoard. В среде программирования Scratch программа составляется из отдельных команд - «кирпичиков», позволяя строить достаточно сложные конструкции. Плата PicoBoard, разработанная специально для использования со Scratch и имеющая в нем встроенную поддержку со стороны блоков программирования позволяет считывать данные из окружающей среды и передавать эти данные в среду Scratch.

4) Arduino. Среда Arduino IDE требует знания языков уровня C или Java. Платы Arduino поставляются как набор для самостоятельной сборки, что подразумевает  необходимость  выполнять  паяльные  работы  с  последующей отладкой и перепайкой собранных компонентов.

5) Конструкторы УМКИ (Умные МашинКи Инновационные) или SmartCar. Конструкторы, оснащенные микропроцессором Xbee, и наборами датчиков. В качестве основного модуля робототехнического конструктора единицы SmartCar использованы электронные конструкторы Знаток − вездеходы Лидер. Управление SmartCar осуществляется с помощью персонального компьютера на аппаратно-программной платформе для беспроводных сенсорных сетей разработанной в ИПЛИТ РАН (Институт Проблем Лазерных технологий Российской Академии Наук). Программное обеспечение (на основе СПО) с графическим интерфейсом под различные операционные системы (Linux, windows)   позволяет организовать отдельные модули в распределенные сети, где SmartCar’ы способны связываться друг с другом, опрашивать и обмениваться данными.

В процессе конструирования и программирования робота из любого указанного выше конструктора на факультативных или элективных курсах развивается мышление, логика, математические и алгоритмические способности школьников, исследовательские навыки, а главное техническая грамотность.

Но не везде пока это возможно, однако и без использования робототехнических конструкций и реальных роботов в школьном курсе информатики и ИКТ следует изучать введение в робототехнику. С целью ознакомления учеников с данной наукой и указание дальнейших шагов роста в этой области знаний, достаточно провести два учебных занятия, в дальнейшем ребята могут заниматься робототехникой самостоятельно.
Вначале следует рассказать, что слово «робот» было придумано чешским писателем Карелом Чапеком и его братом Йозефом и впервые использовано в пьесе Чапека «Р.У.Р.» («Россумские универсальные роботы», 1920).
Далее познакомить учеников с основными понятиями:

• Робот (чеш. robot, от robota — подневольный труд, rob — раб) - машина с антропоморфным (человекоподобным) действием, которая частично или   полностью   выполняет   функции   человека   (иногда   животного)   при взаимодействии с окружающим миром.
• Робототехника (от робот и техника; англ. robotics) — прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем.

Интерес представляют законы робототехники, которые придумал американский писатель-фантаст, биохимик, автор около 500 в основном художественных книг, Айзек Азимов:
1. Робот не должен вредить человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинён вред.
2. Робот должен выполнять приказы человека, кроме приказов, противоречащих первому закону.
3. Робот должен заботиться о своей безопасности, если это не противоречит первому и второму законам.

Много предположений возникает у учащихся вопрос - когда был изобретен первый робот. Оказывается, первые мысли к созданию роботов возникли еще до нашей эры: в середине 3-го тысячелетия Египтяне изобрели «думающих машин» - внутри статуй прятались жрецы, чтобы давать предсказания и советы. В 1950-х годах были найдены чертежи человекоподобного робота, сделанные Леонардо да Винчи, примерно в 1495 году. На чертеже был детально изображен механический рыцарь, который мог сидеть, раздвигать руки, двигать головой, открывать и закрывать челюсти. По его замыслам работой рук должно было управлять механическое программируемое устройство в груди, ноги должны были управляться с помощью рукоятки, приводящий в движение трос, связанный с ногами. До появления промышленных роботов считалось, что роботы должны выглядеть подобно людям. Самыми первыми были изобретены именно   промышленные роботы. В 1980 году в СССР создан центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики (ЦНИИ РТК) и изобретен первый пневматический промышленный робот МП-8 с позиционным управлением.

Учащиеся должны иметь представление, что за время своего развития – роботы пережили эволюцию, как сферы использования, так и функциональных возможностей.  Роботы  первого  поколения  -  это  роботы  с  программным управлением, предназначенные для выполнения определенной, жестоко запрограммированной последовательности операций, диктуемой соответствующим технологическим процессом. Роботы второго поколения – это «очувствленные» роботы, предназначенные для работы с неориентированными объектами произвольной формы, осуществления сборочных и монтажных операций, сбора информации о внешней среде с помощью большого количества сенсоров. Роботы третьего поколения - это так называемые интеллектуальные, или разумные, роботы, предназначенные и не столько для воспроизведения физических и двигательных функций человека, сколько для автоматизации его интеллектуальной деятельности, т.е. для решения интеллектуальных задач. Они принципиально отличаются от роботов второго поколения сложностью функций и совершенством управляющей системы, включающей в себя элементы искусственного интеллекта.

По области использования роботы делятся на виды. С различными видами роботов эффективнее знакомиться в ходе самостоятельной работы учеников за компьютерами, имеющими выход в глобальную сеть, как на уроке, так и дома. Учащиеся (индивидуально или в парах) находят понятие и примеры роботов одного вида и оформляют материал в форме доклада, презентации, видеофильма.

Представляя свои наработки на следующем занятии, происходит демонстрация интересных фактов робототехники, так называемый «Парад роботов». Наглядно изучаются промышленные, бытовые, медицинские, обучающие, военные, охранные роботы, биороботы, роботы-игрушки, нанороботы, а также андроиды и киборги. Особенно эффектно смотрятся короткометражные видеофильмы, найденые в сети Интернет.

Заинтересовавшиеся  ученики  не  остановятся  на  достигнутом,  смогут заниматься самообразованием, и ещё ни раз посетят робототехнические сайты, например:
1. "Роботы от А до Я" - http://www.joho.ru/medicina.htm
2. "Искуственный интелект" - http://machine-intelligence.ru/robots-types
3. "Мой робот" - http://www.myrobot.ru/articles/hist.php
4. «ProRobot" - http://www.prorobot.ru/12/robot-it-is.php

Достаточно давно люди пытаются создать автоматизированный механизм, который будет выполнять сложную работу за человека, оставляя ему только интеллектуальную деятельность. В отчете аналитиков AAAS (Американская ассоциация содействия развитию науки) говорится, что в будущем - к 2020 году каждый третий военнослужащий или образец техники будут роботизированными механизмами с искусственным интеллектом.
Мир не стоит на месте, всегда развивается, и кто знает, может именно ваши ученики, создадут нанотехнологичный аппарат. С помощью атомов нанороботы смогут собирать вам дома всевозможные предметы и разбирать обратно после использования: утром – зубную щетку с пастой, в обед – столовые принадлежности, вечером - телевизор. Вещи не будут накапливаться, загромождая квартиру. Таким образом, стоимость изделия значительно уменьшится, поскольку нужно платить лишь за электричество и сам прибор. И наконец, прекратится дальнейшее загрязнение окружающей среды, ведь новая технология, по сути, безотходна.

Список использованной литературы:

Пейперт С. Переворот в сознании: дети, компьютеры и плодотворные идеи: Пер. с англ. – М.: Педагогика, 1989 г.