Робототехника в средней школе - практика и перспективы

Мы живем в век информационных технологий. Дети с самого раннего возраста видят компьютеры, электронные устройства и воспринимают их как часть обыденной жизни. Трехлетний ребенок уверенно управляет телевизором, сотовым телефоном, может выполнять элементарные операции на персональном компьютере.

Школы, благодаря усиленным поставкам последних лет, были оснащены современными компьютерами, мультимедийными проекторами, интерактивными досками. Последние три года школы имеют постоянное подключение к сети Интернет. Создается впечатление, что ребенок, придя в школу, увидит адекватное окружение, соответствующее его представлениям о современной школе.

Действительно, ребенок может ничего не заметить, однако это может сделать учитель – в настоящее время не существует равновесия – в школе учащиеся получают знания с помощью компьютера, который выводит на экран красивые фотографии или фильмы. Ребенок может управлять виртуальными системами с помощью интерактивной доски, исследовать их поведение, получая адекватное представление о взаимосвязях различных элементов этой системы. С помощью интерактивной доски можно получить полноценное представление о любом сложном понятии – круговороте воды в природе, законе Ома. В случае если в памяти компьютера нет необходимой информации ребенок, или учитель, могут быстро найти ее в сети Интернет.

Однако все эти знания виртуальны. Они приходят со страниц учебников или экрана компьютера, в который они попадают с мобильных носителей информации или по каналам связи. С помощью интерактивной доски ребенку при желании можно доказать что Земля плоская, а скорость света мгновенна. 

Чтобы избежать схоластичности знаний предметы естественнонаучного цикла используют демонстрационный эксперимент и лабораторные работы. И здесь мы видим дисбаланс. Оборудование, которые используется учителями этих предметов, чтобы продемонстрировать детям, как изучается реальный физический мир, и выводятся его закономерности и законы, не является техникой «21 века». Приборы, составляющие основу школьного фонда лабораторного оборудования, обладают не только высокой погрешностью, позволяющей оценивать результаты эксперимента скорее качественно, чем количественно. Оно никак не использует возможности компьютера, который уже стоит в кабинете. Компьютер помогает работать с информацией, обрабатывать ее, интерпретировать. Однако эта информация попадает в школьный компьютер в обход приборов, которыми пользуются учитель и ученик. 

Решением этой проблемы может служить программно-аппаратный комплексы AFS, Vernier, Архимед представляющие собой цифровую естественнонаучную лабораторию на базе компьютерного оборудования, и предназначенные для проведения демонстрационных учебных экспериментов по физике, химии, биологии, математике и основам безопасности жизнедеятельности. И конструкторы Lego Mindstorms NXT. Которые позволяют через занятия робототехникой познакомить ребенка с законами реального мира и особенностями функционирования восприятия этого мира кибернетическими механизмами.

Оборудование AFS, Vernier и Lego Mindstorms имеет не только общую концепцию, но совместимость на уровне датчиков и языка программирования. Их датчики могут быть установлены на роботе, а язык программирования робота, LabView, используется для программирования лабораторного оборудования.  Данную особенность можно использовать для создания системы взаимосвязанных факультативных занятий по физике, химии, биологии и информатике, объединенных не только единой технологией, но и общими, глобальными, целями -выявление и поддержка одаренных учащихся, развитие их интеллектуальных, творческих способностей, поддержка научноисследовательских интересов.

Окончательным результатом может стать цикл научно-исследовательской и технической деятельности охватывающий учащихся с 1 по 11 класс:

• 1-2 класс – Лего-творчество (развитие внимания, сообразительности, памяти, мелкой моторики);
• 3-4 класс – Лего-конструирование (изучение простых машин – рычаги, редукторы; простое программирование);
• 5-9 класс – Лего-робототехника (Сборка и программирование роботов, соревнования);
• 8-11 класс – Олимпиадное программирование (Изучение теории алгоритмов, математики, классических языков программирования);
• 8-11 класс – Соревнования роботов (Подготовка и участие в соревнованиях, изучение альтернативных языков программирования роботов);
• 8-11 класс – Естественнонаучное исследование (Целенаправленная работа над проблемой имеющей научно-практическое значение, изучение научного способа познания мира с использованием современных лабораторных инструментов и систем обработки данных).

В МОУ Гимназия №42 существуют фрагменты данной целостной системы. Сдерживающим фактором является необходимость формировать базовый комплект оборудования, который станет единообразным стандартом во всех лабораториях гимназии, значительно упрощая организацию исследовательской и творческой деятельности учащихся.

Нетрудно заметить, что робототехника, как факультатив информатики занимает в данной схеме центральное место. Это логично – в современном мире главным качеством специалиста является способность работать с информацией.

Дети с легкостью осваивают новые компьютерные программы, без инструкций разбираются в настройках сотовых телефонов и других технических устройств.

Но есть и другое -их все труднее заинтересовать такими вещами как программирование и конструирование. Причин этого явления много современный мир перегружен впечатлениями, событиями, информацией. И дети просто не успевают сосредоточиться на чем-то одном на достаточно длительный срок. Интересно все. А математика, программирование требуют полной сосредоточенности и дают какой-то результат иногда даже не через месяцы занятий, через годы. В том же программировании ребенку трудно найти стимул – кажется, что все программы уже написаны, чем удивить сверстников?

Еще одна проблема – виртуализация жизни детей. Они слишком много времени проводят за компьютером и телевизором, размывая в своем сознании границу между реальным и выдуманным миром. Законы физики они узнают из фильмов и игр.

Как мы уже отмечали, в школе сейчас им предлагают всего лишь еще один вариант виртуальности. Требуется найти соприкосновение с реальным миром.  Для информатики таким «соприкосновением» может стать робототехника.

В начальной школе, 5-7 классах, иногда и в старших, изучение программирования вводится с понятия исполнителя. Это некий робот. В Лого это Черепаха, но известны и другие исполнители – Робот, Пылесос, Жук, Муравей. Идея использования исполнителя для развития алгоритмического мышления детей проверена временем и практикой. Дети с удовольствием командуют роботами, заставляя делать их все более и более сложные действия. Изучая в игровой форме сложные алгоритмические конструкции и связанный с ними теоретический материал.

В основе нашей работы лежит идея продолжить методику преподавания информатики, основанную на понятии исполнителя, заменив виртуального робота реальным. Это стало возможным после начала продаж конструктора Lego Mindstorms NXT. Данный конструктор универсален, с его помощью можно собрать десятки конструкций, но мы останавливаемся на модели максимально похожей на Черепаху Сеймура Пейперта, являющуюся частью среды программирования Лого.

Конструктор может быть использован на обычном уроке информатики. Демонстрация Лего-робота, его конструкции, движение при выполнении программ, на первых уроках изучения языка программирования Лого позволяет детям лучше представить, чем они будут заниматься на последующих занятиях. Такая визуализация поможет тем детям, которые испытывают трудности с восприятием схематического исполнителя, который они видят на уроке информатики.

Однако наиболее интересны занятия, на которых робот является не вспомогательным, а основным средством обучения. Для снижения риска от внедрения нового учебного оборудования предлагаем начинать с факультативных занятий.

Уже первые уроки робототехники дадут ученику, и учителю, понимание разницы между виртуальным и реальным миром. Например, если Черепахе на  экране монитора компьютера дать команду «вперед 10», то Черепаха нарисует прямую линию, и пройдет ровно 10 шагов. Лего-роботу можно дать точно такую же команду. Однако, то, что он проедет по прямой линии и на указанное расстояние уже менее вероятно. Почему? Это уже постановка задачи первого исследования. Возможно, неудачна конструкция робота или влияют внешние условия. Можно ли исправить это отклонение программным методом?

Что такое черный цвет? А белый? Как объяснить роботу, что он должен ехать до конца черной линии? Это уже не просто программирование, это исследование.

Нужно найти шарик, расположенный на лабораторном столе и взять его в клешни.

Решение кажется не очень сложным – поворот вправо, пока не увидишь препятствие, движение вперед, пока не окажешься на расстоянии 5 см от препятствия, разжать клешни, движение вперед на 3 см, сжать клешни.

Такое решение подсказывает математика и предыдущий опыт программирования.

Но теоретический алгоритм не срабатывает. Решение занимает до 2-3 уроков, даже у достаточно взрослых учащихся.

Проблемы:

1. Увидев препятствие (шарик) робот не может точно определить его положение из-за наличия погрешности в показаниях ультразвукового радара. 
2. Установив, с помощью математической коррекции погрешности, наиболее вероятный вектор движения на шарик робот может потерять его из поля зрения при движении вперед. Потребуется постоянная коррекция курса. 
3. Если сжать клешни робота с излишней силой шарик просто выскользнет из них.

Мы считаем, что занятия робототехникой помогут заинтересовать детей информатикой, техникой, наукой. Программирование робота позволяет получить интересный результат уже на первых занятиях. Даже небольшие и простые программы заставляют робота демонстрировать интересное поведение, которое можно с гордостью показать своим одноклассникам.  Если таких стимулов будет недостаточно стоит обратить внимание на соревнования роботов, которые можно проводить внутри школы. Ради победы в соревнованиях может возникнуть стимул изучить и более сложные темы – такие как логика, или более сложный язык программирования робота.

Сами по себе соревнования роботов очень красивы и азартны, они хорошо воспринимаются неподготовленными зрителями, поэтому они могут сыграть роль популяризатора занятий, вовлекая в занятия программированием все новых школьников. Считаем, что было бы полезно провести пробные и показательные соревнования роботов: http://s42.asu.ru/doc/ic/curs/robot/index.php

Конечно же, факультатив робототехники не приведет к тому, что все дети захотят стать программистами и роботостроителями, инженерами, исследователями. В первую очередь занятия рассчитаны на общенаучную подготовку школьников, развитие их мышления, логики, математических и алгоритмических способностей, исследовательских навыков.

Кроме того, учащиеся, прошедшие обучение на факультативных занятиях по робототехнике могут, при желании, продолжить занятия с учителями естественнонаучных предметов, которые смогут использовать их знания оборудования и языка программирования LabView для проведения научноисследовательских работ с использованием самых современных средств сбора и обработки данных.