· 

ОПЫТ ПРЕПОДАВАНИЯ РОБОТОТЕХНИКИ В ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ШКОЛЕ

Григорьев Александр Тихонович

 

         ОПЫТ ПРЕПОДАВАНИЯ РОБОТОТЕХНИКИ В ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ШКОЛЕ

 

В данной статье представлена трехлетняя история преподавания учебной программы "Робототехника и конструирование", реализуемой в рамках внеурочной деятельности для детей 3-7 класса непрофильной общеобразовательной школы (без физико-математического и технического уклона), рассматриваются перспективные средства обучения и возможные формы организации занятий.

 

В современном мире происходит множество изменений, вызванных  совершенствованием технологий, модернизацией материально-технической базы промышленного производства и сельского хозяйства, что затрагивает самые разные сферы общественной жизни и требует модификации системы образования. Это проявляется, в частности, в развитии образовательной робототехники и ее все более широком использовании в учебном процессе.

 

Занятия по направлению "Робототехника и конструирование" проводятся в средней общеобразовательной школе №169 с углубленным изучением английского языка Центрального района Санкт-Петербурга с 2014 года. За это время был пройден непростой путь, получен опыт ошибок и достижений, в результате чего возникло более целостное понимание роли данного учебного курса в общей образовательной программе основного общего образования.

 

Внедрение робототехники началось с занятий в 2014-2015 учебном году с 4 и 5 классом на базе наборов "Перворобот" (Lego WeDo  плюс ресурсный набор), а затем наборов "Scratchduino.робоплатформа" и "Scratchduino.лаборатория". Несмотря на то, что дети с удовольствием занимались конструированием из деталей конструктора Lego, выявилось немало проблем. Набор "Перворобот" позволяет построить лишь самые простые механизмы (один мотор, один датчик), количество сопровождающих инструкций для сборки очень ограниченно. Оказалось явно недостаточно иметь лишь сами наборы, необходимо было приобретать дополнительные обучающие курсы, включающие расширенный учебный материал и новые инструкции. Кроме того, в качестве серьезной проблемы воспринималось наличие большого количества разнообразных мелких деталей. В таких условиях педагогам приходится прикладывать значительные усилия на поддержание и восстановление комплектности наборов, а где брать запасные детали, непонятно. Да и основное время занятий тратится детьми на сборку и разборку конструкций.

 

На этом фоне переход к использованию наборов "Scratchduino.робоплатформа" показался весьма перспективным решением. Модульная крупноблочная конструкция, практически нулевое время сборки благодаря магнитному креплению датчиков, опора на использование СПО, а также свободных и бесплатных учебных курсов. В реальности методических материалов почти не было, часто возникали сбои и отказы, но все это воспринималось как временные сложности. Нестабильность работы Bluetooth соединения в значительной степени определяла набор учебных заданий, робоплатформа в основном оставалась "привязанной" к компьютеру проводом. Кроме того, эта проблема позволила осознать важность освоения альтернативного доступного инструментария, позволяющего детям создавать программы автономной работы для робоплатформы (в противоположность работе под управлением компьютера, как того требует ПО Scratchduino). В качестве подобного инструмента был найден плагин Ardublock, подключаемый к среде разработки Arduino IDE. В блоге Ю.А. Винницкого на сайте "Intel Education Galaxy" (здесь и далее: в настоящее время Галактика закрыта, статьи блога перенесены на наш сайт, ссылки работают. Примечания редактора) появилась серия публикаций о его использовании.

 

 Что касается "Scratchduino.лаборатории", в тот момент было не совсем понятно, каким именно образом и для чего применять ее в учебном процессе.

 

По результатам 2014-2015 учебного года был создан первый вариант учебного курса робототехники на базе "Scratchduino.робоплатформы" и написано соответствующее учебное пособие - книга Ю.А. Винницкого и К.Ю. Полякова "Конструируем роботов на ScratchDuino. Первые шаги".

 

Следующий, 2015-2016 учебный год выявил существенные недостатки конструкции, ограничивающие возможность использования "Scratchduino.робоплатформы", а также то, что часть этих недостатков принципиально неустранима. В ходе занятий с детьми 5-6 классов большое количество наборов вышло из строя частично или полностью, потребовался их ремонт, замена хрупких расколовшихся деталей. Магнитное крепление датчиков оказалось ненадежным и создающим массу проблем. Выяснилось, что доработка и расширение возможностей "Scratchduino.робоплатформы" требуют чрезмерно высокой квалификации от педагогов и неоправданно больших усилий с их стороны. В исходном виде этот набор весьма примитивен, что вызывает быструю потерю интереса детей. Во время занятий приходится непрерывно бороться с отказами техники, а это тоже не способствует эффективности учебного процесса. (Намного интереснее новая модификация Scratchduino.робоплатформы, но это уже тема для отдельного исследования, примечания редактора).

 

Вместе с тем "Scratchduino.лаборатория" предстала более целостным и законченным продуктом. Несмотря на то, что здесь тоже присутствует масса недоработок, оказалось, что для ряда задач использование этого набора вполне оправдано. К подобной задаче в первую очередь можно отнести освоение средств визуального программирования путем создания простых компьютерных игр, использующих "лабораторию" как устройство ввода, то есть по сути как элементарный игровой джойстик. Но если содержанием занятия является проведение физических экспериментов с замером различных показаний, гораздо более эффективно применять другие наборы, например "Матрешку" от компании "Амперка" или "Датчики и сенсоры для проектов на основе контроллера Arduino" серии "Смайл". Достаточно сказать, что на показания датчика освещенности "Scratchduino.лаборатории" оказывают влияние не только внешние источники света, но и собственная светодиодная индикация.

 

В 2015-2016 учебном году новым перспективным направлением работы стало для нас освоение средств 3D-моделирования и 3D-печати.  Продукция компании Scratchduino не предназначена для проработки конструкторской составляющей в ходе занятий робототехникой, вместо этого разработчики предлагают на второй год обучения заняться самостоятельным изготовлением собственной робоплатформы с использованием 3D-печати. Нам на практике пришлось убедиться в том, что это сродни попытке человека прыгнуть на две головы выше собственной, если он едва научился ходить. Данная задача является неподъемной не только для детей, но и для основной массы педагогов, которым предстоит проводить подобные занятия.

 

3D-моделирование и 3D-печать это безусловно важные, интересные и перспективные направления, которые необходимо интегрировать в школьную программу.  Однако это достаточно сложные области, осваивать которые требуется поэтапно, и начинать следует с элементарных задач, с изготовления простых изделий, а также деталей, способных дополнить существующий конструктивный набор.

 

Было переосмыслено отношение к робототехническим наборам, ориентирующимся на сборку из готовых деталей. Конструкторы Lego зарекомендовали себя как "неубиваемые", потенциальные возможности их использования оказались поистине безграничными, а сложность и правдоподобность устройства многих собранных механизмов неизменно поражает воображение и детей, и взрослых. Следует отметить, что сказанное относится в первую очередь к механической части конструкторов Lego, то есть деталям и наборам серии Lego Technic, при этом можно "оживить" механику Lego при помощи дешевых и доступных электромеханических и электронных компонентов, совместимых с платформой Arduino. Совершенная, разнообразная и наращиваемая конструкторская база Lego Technic вызывает у детей живой интерес, поскольку ее использование само по себе является некоторой забавной "головоломкой", а это, в свою очередь, служит важным мотивирующим фактором во время занятий.

 

Кроме того, сборка и разборка конструкций перестала восприниматься как вынужденная необходимость. К концу учебного дня, когда проходят занятия, особенно остро ощущается, что преподавание нового материала следует перемежать паузами, использовать смену форм деятельности. Таким образом, при соблюдении некоего разумного подхода, даже если на сборку каждый раз тратить половину или треть времени занятий, их содержательная часть не страдает, напротив, эффективность становится выше. Детям интереснее "обучать" те устройства, которые они создали сами.

 

Выяснилось, что поддержание комплектности наборов Lego возможно несколькими путями, в том числе с использованием интернет-сервиса BrickLink. Теряются, как правило, мелкие, дешевые и распространенные детали. Разумно иметь некоторый их запас, предусмотреть соответствующие статьи расходов. Вместе с тем требуется хорошо ориентироваться в номенклатуре Lego Technic, что является хоть и непростой, но посильной задачей. Широчайший ассортимент деталей это та самая сторона наборов Lego, которая обеспечивает интерес детей, возможность собирать разнообразные конструкции, но усложняет для педагога подготовку к занятиям.

 

К сожалению, маркетинговая и лицензионная политика компании Lego препятствует возможности использовать этот исключительно проработанный конструктив для робототехнических наборов сторонних производителей.  В попытке реализовать идею совмещения достоинств свободных и проприетарных решений мы вынуждены были начать искать альтернативную конструкторскую базу. Следует сказать, что, несмотря на существование достойных свободных продуктов от других производителей (например, Multiplo и MakeBlock), конструктив Lego Technic до сих пор видится непревзойденным, и мы продолжаем использовать его для занятий. Это касается и разнообразия деталей, и скорости сборки, и прочностных характеристик получающихся конструкций. В частности, у качественного пластика Lego отсутствует остаточная деформация после нагрузки, которой подвержены металлические детали многих конструкторов.

 

Нами была разработана собственная трансформируемая робототехническая платформа на базе деталей Lego Technic и элементной базы Arduino.

 

Другой важной задачей, которую мы решали в 2015-2016 учебном году, был поиск и проверка возможностей свободного программного обеспечения, которое могло бы быть использовано для проведения занятий на базе робототехнической платформы Arduino. Было ясно, что подобное программное обеспечение должно удовлетворять определенному набору требований: быть визуально ориентированным, использовать структурный подход (позволять создавать именованные программные блоки), способствовать легкому освоению в будущем альтернативных, текстовых языков программирования. Кроме того, по дидактическим соображениям очень важно, чтобы существовала возможность использовать разные режимы работы контроллера Arduino: интерактивный под управлением компьютера и автономный  с загрузкой управляющей программы непосредственно на плату. Практически все подобные средства опираются на использование языка визуального программирования Scratch.

 

В результате проведенной работы стало понятно, что в настоящий момент существует только два программных продукта, поддерживающих и ту и другую возможность. Первый, Snap4Arduino, лишь недавно вышел из стадии бэта-тестирования, обладает большим потенциалом, надежными и устойчиво функционирующими средствами интерактивного управления платой Arduino, однако средства создания автономных программ здесь развиты слабо.  Второй продукт, mBlock, обладает не меньшим потенциалом развития, активно совершенствуется разработчиками, и его сильной стороной является удобство создания программ автономной работы для контроллера Arduino. Управление контроллером в интерактивном режиме тоже возможно, однако может рассматриваться в настоящее время в основном как дополнительный, второстепенный способ работы из-за низкой скорости и подверженности сбоям.

 

Другой сильной стороной программной среды mBlock оказалось то, что она содержит массу высокоуровневых библиотек для программирования расширенных функций собственных робототехнических контроллеров компании MakeBlock, и разработчики предоставили возможность задействовать эти библиотеки для робототехнических контроллеров альтернативных производителей при условии совместимости конфигурации. В частности, это проявилось в том, что оказалось возможным использовать среду mBlock для удобного и простого программирования "Scratchduino.робоплатформы", так как последняя имеет сходную схему управления двигателями. Таким образом было найдено пусть не идеальное, но уникальное по своим возможностям программное средство, и всем разработчикам будущих робототехнических наборов на базе Arduino следует обратить особое внимание на совместимость с продукцией компании MakeBlock.

 

Методы работы с программной средой mBlock, ее особенности были описаны в серии публикаций в блогах Ю.А. Винницкого и А.Т. Григорьева на сайте "Intel Education Galaxy".

 

Как уже говорилось, во время занятий часто происходили сбои и отказы оборудования. Одной из самых распространенных проблем была потеря связи робоплатформы с компьютером. В результате подобных сбоев происходила существенная потеря времени занятий, что вызывало угрозу их полного срыва. Это поставило во главу угла вопрос создания удобного в использовании отказоустойчивого Bluetooth соединения между каждой робоплатформой и соответствующим управляющим компьютером как одно из возможных решений данной проблемы. На сайте "Intel Education Galaxy" было представлено описание данной методики, а также сделан доклад на форуме, проходившем в рамках международного фестиваля "Робофинист-2016".

 

К началу 2016-2017 учебного года оформилось понимание того, что характер занятий робототехникой в общеобразовательной школе должен быть принципиально иным, чем в специализированных учебных заведениях. Необходимо сдвигать вниз возрастную границу, с которой начинаются занятия, и переориентировать их на пропедевтику, формирование предметного интереса к изучаемой области. К тому же, современные дети оказываются готовы к восприятию множества учебных задач гораздо раньше, чем это подразумевается учебной программой, что особенно ярко видно на примере глубины владения ими информационно-коммуникационными технологиями.

 

В результате было принято решение о том, что внеурочная деятельность по направлению "Робототехника и конструирование" в 2016-2017 учебном году будет осуществляться с учениками 3, 4, 5, 6, 7 класса. С учетом ограниченности материально-технической базы школы пришлось оптимизировать распределение ресурсов, выделять новые перспективные формы работы.

 

Стала яснее мысль о том, что для учеников младших классов более подходит игровая форма занятий. Обучающие курсы должны больше опираться на использование игры для мотивации усвоения учебного материала, а успешное решение каждого задания обеспечивать достижение какой-либо игровой цели. В качестве примера можно привести задачу организации дистанционного управления робоплатформой для того, чтобы можно было проводить минисоревнования и игры, подобные робофутболу и прохождению трассы с препятствиями. По мере освоения детьми учебного материала дистанционное управление должно дополняться различными алгоритмами автономной работы. Использование лаборатории в качестве пульта дистанционного управления робоплатформой превращается в одну из частных, осмысленных в игровом контексте задач. В настоящее время осуществляется разработка учебного курса, основанного на подобном подходе.

 

Стали шире использоваться средства компьютерного моделирования физических явлений, а также моделирования работы роботизированных устройств в реальных условиях. С одной стороны, подобная "робототехника без роботов" направлена на освоение средств программирования, а с другой стороны, стимулирует интерес к изучению законов, по которым живет окружающий мир, поскольку позволяет придумывать простые компьютерные игры, воссоздающие поведение физических объектов и живых существ. Заниматься подобным моделированием можно с использованием Scratch и любых программных сред на его основе, а также при помощи более специализированных программ - TRIK Studio, Algodoo и других.

 

Был разработан набор учебных заданий, позволяющих осуществить знакомство по средой программирования Scratch на примере использования черепашьей графики. Занятия по данной методике можно проводить с детьми разных возрастов, начиная с младших классов. После освоения базовых возможностей Scratch детям становится доступно программирование не только виртуального исполнителя, но и реального робота-художника для создания разнообразных рисунков и узоров. Была разработана специализированная робоплатформа, способная исполнять команды черепашьей графики.  Кроме того, полученный детьми опыт оказывается применим для создания 3D-моделей разнообразных геометрических фигур и узоров в среде визуального программирования BeetleBlocks с последующей печатью их на 3D-принтере. Методика была представлена на мастер-классе, проводимом в рамках VIII Всероссийской конференции с международным участием "Информационные технологии для Новой школы".

 

В рамках сотрудничества с издательством "БХВ-Петербург" была создана серия публикаций об использовании среды визуального программирования mBlock вместе с наборами "Умный дом" и "Мобильные роботы". Ведется работа по подготовке к изданию новых наборов.

 

Как итог непростого пути выкристаллизовалось понимание того, что дальнейшему развитию свободной робототехники на базе Arduino препятствует отсутствие некоторых общепринятых стандартов и оптимальных решений, которых придерживалась бы основная масса производителей робототехнических наборов. Наличие подобных стандартов позволило бы создавать универсальные учебные курсы и универсальные методические материалы. Предложения по стандартизации были опубликованы Ю.А. Винницким на сайте "Intel Education Galaxy". В качестве образца, на который следует ориентироваться, было предложено рассматривать продукцию компании MakeBlock, мирового лидера в области свободной образовательной робототехники. Это позволит использовать все инструменты среды mBlock, единственного в настоящий момент визуального средства, дающего детям возможность с легкостью создавать программы для интерактивного управления и автономной работы разнообразных устройств на базе Arduino.