CC BY
16
УДК 378
Д. В. Лучанинов
ФОРМИРОВАНИЕ У СТУДЕНТОВ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ НАВЫКОВ В ОБЛАСТИ РОБОТОТЕХНИКИ ПОСРЕДСТВОМ ОНЛАЙН ОБУЧЕНИЯ
Целью статьи является изучение разработанной методики формирования изобретательских навыков студентов при онлайн обучении основам схемотехники и робототехники. Система моделирования электросхем Autodesk TinkerCAD используется для практического освоения принципов схемотехники, лекционные и консультационные мероприятия реализуются с помощью сообщества социальной сети ВКонтакте и трансляций на RuTube. Обучение основано на принципах постепенного усложнения заданий и обучения изобретательству. Исследование проводилось в Приамурском государственном университете имени Шолом-Алейхема в 2021—2022 учебном году. Для исследования были отобраны две группы, контрольная группа изучала основы схемотехники с использованием подготовленных заданий разного уровня, экспериментальная группа использовала систему моделирования TinkerCAD для обучения с целью формирования изобретательских навыков. Результаты исследования показали эффективность методики: прирост в контрольной группе составил всего 13 процентов, в то время как в экспериментальной группе наблюдался прирост на 42 процента. В ходе исследования было отмечено повышение интереса студентов к выполнению работ, попытки самостоятельно совершенствовать рабочие устройства. Дальнейшее совершенствование методологии может быть связано с адаптацией разработанной системы к расширенному спектру направлений подготовки.
Ключевые слова: схемотехника, моделирование схем, изобретение, онлайн обучение, робототехника, Autodesk TinkerCAD.
DOI: 10.24412/2227-1384-2022-146-111-120
Изменения, которые произошли и происходят в современном высшем образовании, всё чаще вынуждают преподавателей использовать не только различные образовательные среды, но и инструменты для реализации различного рода онлайн занятий. Это серьёзно отличает такой подход от предыдущего этапа, на котором всё ограничивалось использованием программных инструментов для онлайн коммуникаций [15], а данные исследований показывали откровенные проблемы с внедрением новых инструментов в обучение [4]. Конечно, в условиях активного развития робототехники и технологий Интернета вещей существует большое количество уже разработанных сред для различных контроллеров. В част-
Лучанинов Дмитрий Васильевич — старший преподаватель кафедры информационных систем, математики и правовой информатики (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан, Россия); e-mail: dvluchano@mail.ru.
© Лучанинов Д. В., 2022
111
ном случае, при использовании системы контроллеров Arduino наиболее подходящей из них является система Autodesk TinkerCAD Circuits (далее — Circuits) [2], признанная многими разработчиками в области робототехники в качестве инструмента предварительного моделирования [8].
Для обучения схемотехнике и робототехнике часто используются различные системы, которые, комбинируясь по модульному принципу, способны обеспечить эффективность учебного процесса [11]. В то же время инструментальные системы, такие как Circuits, используются для многих реализаций как по уровням образования [9], так и по областям использования [5]. Как один из модулей, Circuits хорошо интегрирован в образовательный процесс по принципу повсеместного обучения [13].
С другой стороны, формирование изобретательских навыков у студентов с помощью различного рода тренажёров уже хорошо зарекомендовало себя [3]. Суть успешного развития таких навыков в основном заключается в правильном выборе задач [1]. В этом исследовании, помимо прочего, будет разговор о преодолении возможных проблем, связанных с переносом деятельности в области схемотехники и робототехники с реальных компонентов на моделируемое поведение устройств.
В нынешней эпидемиологической ситуации университеты по-прежнему вынуждены, по крайней мере, частично, использовать формы косвенного образования (с частичными группами, помещёнными в карантин, или со старыми преподавателями), что привело к ряду трудностей. Они касались как проблем поиска оптимальных инструментов для организации занятий, так и модификации материалов и заданий для дистанционного обучения. В этих условиях было решено собрать набор образовательных инструментов, позволяющих в короткие сроки организовать общение со студенческими группами, выполнять практические задания и проверять знания студентов.
В результате анализа работ [6—7], [10], [12], [14] было выявлено, что существует инвариантный набор образовательных инструментов для любого обучения. Их использование имеет довольно долгую историю, плюс за последний год было разработано большое количество образовательных платформ и приложений, которые могут быть применены или адаптированы к образовательному процессу. Анализ показал, что три основные формы классов в целом могут быть реализованы следующим образом:
1. Лекционные занятия: текст с возможным гипертекстом, видео с метками по времени, аудиозапись;
2. Набор тестовых заданий: тренировочные тесты, тесты на прохождение контрольных точек, контрольные тесты;
3. Практические задания в большом разнообразии в зависимости от преподаваемого предмета и подхода.
Изобретение, как правило, довольно сложная тема. Есть фундаментальные открытия, теоретические положения, которые разрабатывались в
112
течение длительного времени и с теоретических позиций (с пренебрежением к частным случаям). В основе изобретения лежит конкретная ситуация, которую необходимо решить, или проблема, которая подталкивает к созданию чего-то принципиально нового. В этом случае, когда учитываются все факторы, появляется изобретение, позволяющее решить проблему или её часть. Например, когда при работе с компьютером появилось большое количество графических элементов, возникла проблема с доступом к этим элементам, в результате чего был создан манипулятор, который мы знаем как компьютерную мышь — устройство, ставшее для многих наиболее удобным инструментом взаимодействия с компьютером на годы. Сейчас мышь уступает в этом только сенсору.
Необходимо понимать, что изобретатель, как правило, не создаёт чего-то принципиально нового, он использует доступные инструменты и средства для создания нового продукта, который решает интересующую его проблему. Другой подход к изобретательству заключается в создании устройства, аналогичного существующему, которое значительно превосходит его, например, по дешевизне производства или использования, или использует другой принцип в своей работе. Например, вы можете посмотреть на изобретение различных двигателей для техники, принцип работы которых схож, но характер самого движения иногда отличается.
В силу определённых исторических причин изобретательство в России и в Биробиджане в частности практически свелось к ничтожным цифрам. На данный момент основной задачей в этом направлении является обучение школьников и студентов основам не только с технической составляющей, но и мотивации, инициативы и других, в основном психологических, аспектов изобретательства.
При описании текущего эксперимента основное внимание будет уделено принципу организации практических задач в системе Circuits, остальные элементы имеют широкое описание в представленных источниках.
При внедрении системы появляется концепция — подход к обучению. В этом смысле представляют интерес три типа подходов:
1. Когнитивный, при котором обучение происходит с позиции «что, если?»;
2. Индуктивный, при котором обучение использует процесс «от частного к общему»;
3. Интегрированный, в котором познание сочетается с индукцией.
В процессе обучения для достижения образовательных результатов необходимо сочетать применение общего опыта студента к конкретной ситуации в сочетании с любопытством и экспериментированием. В соответствии с таким подходом построены сама форма и содержание заданий, которые обладают следующими особенностями:
1. Задача основана на существующей базе знаний, по крайней мере, частично (в случае недостатка знаний выбирается ближайший аналог, например, светодиодная лампочка);
113
2. Это создаёт цепь подготовительных шагов для реализации принципа постепенного усложнения материала (например, при использовании светодиодов, постепенного увеличения их количества и совместной работы, перехода к устройствам, которые ими управляют, и т. д.);
3. Происходит постепенное облегчение «руки на плече», уменьшается количество однозначных инструкций, что добавляет свободы действий ученику по мере усложнения материала.
Таким образом, при изучении схемотехники, с одной стороны, студент привыкает к элементам и устройствам, с которыми он работает, обретая уверенность в своих действиях, с другой стороны, расширяется спектр возможностей, заключающийся в применении программных и технических подходов к приборостроению. Благодаря появлению более бесплатных инструкций и пошаговому выполнению задач собранные устройства со временем приобретают индивидуальность человека, их создающего. То же самое можно сказать и о реализации программного кода. Таким образом, может быть реализована индивидуальная траектория обучения.
В случае дистанционного обучения в основном используется самостоятельная часть, которую довольно сложно контролировать и «нацеливать» на студента. Для очного обучения схемотехнике и робототехнике обычно используются специальные наборы Arduino, в удалённом формате лучше использовать системы моделирования, такие как Circuits. Система TinkerCAD Circuits обладает большим набором инструментов как для реализации процесса моделирования схем и проектов, так и для организации работы студентов и их контроля.
Самый простой способ управления в Arduino — создать класс (рис. 1).
В списке указаны устройства с подписями учащихся. Также в нём описывается текущее состояние устройств. Каждое устройство можно открыть, например, чтобы добавить подпись или объяснение своей ошибки, и нажать кнопку «Редактировать», которая появляется на изображении его работы. Кроме того, имея список уже добавленных учеников группы, преподаватель может перейти в их профиль и просмотреть (и отредактировать) их проекты. Вся система доступа похожа на рабочую тетрадь, к которой есть доступ даже во время работы студента, хотя для более или менее онлайн режима отслеживания необходимо либо использовать такие системы, как организованное сообщество социальной сети ВКонтакте, либо иногда обновлять страницу.
Проблема в том, что использование обучающих инструментов в системе довольно громоздко, а сама система загружается долго, поэтому лучше использовать другую платформу, например, социальную сеть, для организации информационного хаба.
Обычная структура урока создаёт следующий темп обучения: максимум 15 — 20 минут на теорию, за которой следует практика. Если возможно, в удалённом режиме необходимо использовать живое общение (с использованием Zoom и Skype) для объяснения теоретических момен-
114
тов, а затем перейти к мониторингу и индивидуальной консультации с использованием TinkerCAD и этих инструментов. На рисунке 2 показан пример схемы, созданной учащимися в результате урока.
Рис. 1. Организация класса в системе TinkerCAD Circuits
Рис. 2. Пример готовой работы в системе TinkerCAD Circuits
115
Таким образом, если говорить об инструментах опосредованного обучения схемотехнике и робототехнике, то они заключаются в следующем:
1. Для решения организационных вопросов, таких как расписания, оценки, списки групп, учебные материалы и т.д. Более подходящими инструментами являются сообщества в социальной сети или обучающая среда в формате MOOC (массовые открытые онлайн курсы, такие как курсы в Stepik, Открытое образование и т. д.);
2. Для установления "живых" коммуникационных средств интернет-общения, таких как Zoom и Skype;
3. Для организации рабочего пространства используется система моделирования цепей TinkerCAD Circuits;
4. Для внедрения тестовых материалов, любых инструментов тестирования и оценки, например, Google Forms, системных инструментов MOOC.
К предыдущему пункту следует добавить, что проверка знаний нужна не столько для количественной оценки работы студента, сколько для понимания того, чему он не научился в процессе обучения, соответственно, с этими результатами можно либо корректировать дальнейшее обучение, либо проводить индивидуальную работу.
Эксперимент, доказывающий эффективность использования разработанной системы заданий для формирования изобретательских навыков, был проведён в течение осеннего семестра 2021—2022 учебного года, обучение было организовано в рамках дисциплины «Компьютерные технологии». Экспериментальной базой исследования стал Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема. В качестве эксперимента была выбрана группа первокурсников направления «Электроэнергетика и электротехника». В эксперименте приняли участие 30 студентов экспериментальной группы и 38 студентов контрольной группы. Контрольная группа была обучена с помощью интерактивных средств обучения. Экспериментальная группа прошла обучение в среде онлайн обучения с использованием следующих инструментов:
1. Сообщество социальной сети ВКонтакте как информационно-коммуникационный узел;
2. Система Autodesk TinkerCAD Circuits как среда моделирования схем и робототехники;
3. Система Moodle для проведения обучающих, промежуточных и контрольных тестов (она также использовалась для контрольной группы);
4. Платформа RuTube для выставки видеоматериалов по дисциплине;
5. Сообщество социальной сети ВКонтакте для организации координационного центра по работе со студентами.
Обучение с использованием интерактивных инструментов с целью проверки их эффективности проходило в три этапа: подготовительный, процедурный и контрольный.
На подготовительном этапе для каждой группы студентов было проведено вступительное тестирование, тесты были составлены на осно-
116
ве последующего материала для оценки уже имеющегося багажа компетенций. После этого была проведена работа по обучению студентов использованию инструментов, с которыми они будут работать, включая систему Circuits. На процедурном этапе осуществлялся процесс обучения, особенности которого указаны выше. На контрольном этапе было проведено итоговое оценивание, которая позволила определить количественные изменения в процессе обучения. Технически как вводное, так и итоговое тестирование проводились с использованием системы управления обучением Moodle, вопросы для обеих групп были идентичными.
В ходе эксперимента при оценке знаний и умений использовалась стобалльная шкала. Изобретательские достижения студентов оценивались в начале и в конце курса. По результатам тестирования все студенты были разделены на три группы в соответствии с их уровнем квалификации: низкий (менее 33 баллов), средний (34 — 66 баллов) и высокий (более 67 баллов). Результаты исследования показали эффективность применяемой методики: прирост в контрольной группе составил всего 13 процентов, в то время как в экспериментальной группе наблюдался прирост на 42 процента. В ходе исследования было отмечено повышение интереса студентов к выполнению работ, попытки самостоятельно совершенствовать рабочие устройства. Консультации со студентами экспериментальной группы показывают, с одной стороны, значительный рост интереса, с другой стороны, возникают трудности в постепенном обретении творческой свободы при реализации устройств. В целом можно сказать, что создание условий для самостоятельной продуктивной работы в области схемотехники и робототехники положительно сказалось на успеваемости студентов. На основании визуального анализа можно сделать вывод, что они стали более открытыми, увереннее чувствуют себя в ситуации неопределённости, чего не наблюдается у студентов контрольной группы. Результаты исследования показаны на рисунке 3.
Результаты эксперимента
100% so% 60% 40%
20% iWt
■ Низкий Средний ■ Высокий Рис. 3. Результаты исследования в контрольной и экспериментальной группах
117
Использование разработанной системы заданий с Circuits в качестве инструмента моделирования для обучения студентов направления подготовки «Электроэнергетика и электротехника» показало свою эффективность. Главная особенность заключается в том, что для его использования не требуется никакого дополнительного программного обеспечения или технической подготовки, то есть система моделирования довольно легко интегрируется в концепцию повсеместного обучения. Дальнейшее совершенствование может быть связано с техническим проектированием удалённых лабораторий в области схемотехники и робототехники, а также с углублением теории изобретений в сочетании с использованием проектной и командной деятельности. Также они могут быть связаны с адаптацией разработанной системы к расширенному спектру направлений подготовки.
Список литературы
1. Arciszewski T. Inventive engineering: Knowledge and skills for creative engineers. CRC Press, 2016. 417 p.
2. Autodesk Tinkercad — бесплатная онлайн коллекция инструментов программного обеспечения [Электронный ресурс]. URL: tinkercad.com (дата обращения 15.03.2022).
3. Bujdoso G., Novac O. C., Szimkovics T. Developing cognitive processes for improving inventive thinking in system development using a collaborative virtual reality system / /2017 8th IEEE international conference on cognitive infocommunications (coginfocom). IEEE, 2017. Pp. 000079 — 000084.
4. Coman C. [et al.] Online teaching and learning in higher education during the coro-navirus pandemic: Students' perspective / / Sustainability. 2020. Vol. 12. No. 24. P. 10367.
5. Cullen C. Learn Audio Electronics with Arduino: Practical Audio Circuits with Arduino Control. Focal Press, 2020.
6. Kidd S. Tools for communication and interaction in online mathematics teaching and learning / / Teaching and Learning Mathematics Online. 2020. Pp. 163 — 188.
7. Liu Z. Y., Lomovtseva N., Korobeynikova E. Online learning platforms: Reconstructing modern higher education / / International Journal of Emerging Technologies in Learning (iJET). 2020. Vol. 15. No. 13. Pp. 4— 21.
8. Mohapatra B. N. [et al.] Smart performance of virtual simulation experiments through Arduino Tinkercad Circuits / / Perspectives in Communication, Embedded-systems and Signal-processing-PiCES. 2020. Vol. 4. No. 7. Pp. 157 — 160.
9. Moreno-Vera F. [et al.] A comparison of the adaptive behavior from kids to adults to learn Block Programming / / National University of Engineering, Lima, Peru. 2018.
10. Piteira M., Costa C., Aparicio M. Computer programming learning: how to apply gamification on online courses? / / Journal of Information Systems Engineering and Management. 2018. Vol. 3.
11. Shalannanda W. Digital Logic Design Laboratory using Autodesk Tinkercad and Google Classroom / / 2020 14th International Conference on Telecommunication Systems, Services, and Applications (TSSA). IEEE, 2020. Pp. 1— 5.
12. Smyk A. F., Tkacheva T. M., Portnov Y. A. New digital technologies of training in the transport education / / IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 832. No. 1. P. 012068.
118
13. Twidale M. B. From ubiquitous computing to ubiquitous learning // Ubiquitous learning. University of Illinois Press, 2010. Pp. 72 —89.
14. Watanobe Y. [et al.] Next-generation programming learning platform: Architecture and challenges // SHS Web of Conferences. EDP Sciences, 2020. Vol. 77. P. 01004.
15. Yang H. [et al.] An Exploration of Online Teaching Based on Arduino Virtual Simulation Experiments / / 2021 IEEE 3rd Eurasia Conference on Biomedical Engineering, Healthcare and Sustainability (ECBIOS). IEEE, 2021. Pp. 126—128.
•Jc -Jc -Jc
Luchaninov Dmitry V.
FORMING STUDENTS' INVENTION SKILLS
IN ROBOTICS THROUGH ONLINE LEARNING
(Sholom-Aleichem Priamursky State University, Birobidzhan, Russia)
The purpose of the article is to study the effectiveness of the formation of inventive skills of students in online learning the basics of circuitry and robotics. The TinkerCAD circuit modeling system is used for practical mastering of the principles of circuitry, lectures and consulting activities are implemented using Skype communication tools and broadcasts on RuTube. Training is based on the principles of gradual complication of tasks and teching to invent. The study was conducted at Sholom-Aleichem Priamursky State University in the 2021—2022 academic year. Two groups were selected for the study, the control group studied the basics of circuitry using prepared tasks of different levels, the experimental group used the TinkerCAD modeling system for training in order to form inventive skills. The results of the study showed the effectiveness of the technique: the increase in the control group was only 13 percent, while in the experimental group there was an increase of 42 percent. In the course of the study, an increase in the interest of students in the performance of work, attempts to independently improve working devices were noted. Further improvement of the methodology may be associated with the adaptation of the developed system to an expanded range of areas of training.
Keywords: circuit design, circuit modeling, invention, online learning, robotics, TinkerCAD. DOI: 10.24412/2227-1384-2022-146-111-120
References
1. Arciszewski T. Inventive engineering: Knowledge and skills for creative engineers, CRC Press, 2016. 417 p.
2. Autodesk Tinkercad. Available at: https://www.tinkercad.com/ (accessed March 15, 2022).
3. Bujdoso G., Novac O. C., Szimkovics T. Developing cognitive processes for improving inventive thinking in system development using a collaborative virtual reality system, 2017 8th IEEE international conference on cognitive infocommunications (coginfocom), IEEE, 2017, pp. 000079—000084.
4. Coman C. [et al.] Online teaching and learning in higher education during the coro-navirus pandemic: Students' perspective, Sustainability, 2020, vol. 12, no. 24, p. 10367.
5. Cullen C. Learn Audio Electronics with Arduino: Practical Audio Circuits with Arduino Control, Focal Press, 2020.
6. Kidd S. Tools for communication and interaction in online mathematics teaching and learning, Teaching and Learning Mathematics Online, 2020, pp. 163—188.
7. Liu Z. Y., Lomovtseva N., Korobeynikova E. Online learning platforms: Reconstructing modern higher education, International Journal of Emerging Technologies in Learning (iJET), 2020, vol. 15, no. 13, pp. 4—21.
119
8. Mohapatra B. N. [et al.] Smart performance of virtual simulation experiments through Arduino Tinkercad Circuits, Perspectives in Communication, Embedded-systems and Signal-processing-PiCES, 2020, vol. 4, no. 7, pp. 157—160.
9. Moreno-Vera F. [et al.] A comparison of the adaptive behavior from kids to adults to learn Block Programming, National University of Engineering, Lima, Peru, 2018.
10. Piteira M., Costa C., Aparicio M. Computer programming learning: how to apply gamification on online courses?, Journal of Information Systems Engineering and Management, 2018, vol. 3.
11. Shalannanda W. Digital Logic Design Laboratory using Autodesk Tinkercad and Google Classroom, 2020 14th International Conference on Telecommunication Systems, Services, and Applications (TSSA), IEEE, 2020, pp. 1— 5.
12. Smyk A. F., Tkacheva T. M., Portnov Y. A. New digital technologies of training in the transport education, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020, vol. 832, no. 1, p. 012068.
13. Twidale M. B. From ubiquitous computing to ubiquitous learning, Ubiquitous learning. University of Illinois Press, 2010, pp. 72—89.
14. Watanobe Y. [et al.] Next-generation programming learning platform: Architecture and challenges, SHS Web of Conferences. EDP Sciences, 2020, vol. 77, p. 01004.
15. Yang H. [et al.] An Exploration of Online Teaching Based on Arduino Virtual Simulation Experiments, 2021 IEEE 3rd Eurasia Conference on Biomedical Engineering,
Healthcare and Sustainability (ECBIOS), IEEE, 2021, pp. 126—128.
* * *
120
