CC BY
72ПЕДАГОГИЧЕСКАЯ ПЕРСПЕКТИВА. 2021. № 3. С. 19-
Pedagogical perspective. 2021; 3 : 19-26.
Научная статья УДК 378
ПОДГОТОВКА СПЕЦИАЛИСТОВ ДЛЯ ПРЕПОДАВАНИЯ РОБОТОТЕХНИКИ В РАЗНЫХ СТРАНАХ
С.Ю. Орлов
Новосибирский государственный Россия, [email protected]
педагогический университет, Новосибирск,
Аннотация. В статье рассматривается актуальное состояние робототехники в современных образовательных организациях. Описывается актуальность обучения робототехнике, возможности и средства её изучения. Автор даёт характеристику некоторых программ обучения преподавателей робототехнике, а также соответствующих курсов повышения квалификации. Приводятся примеры различных стратегий и концепций в области развития информационных технологий, реализуемых государством. В статье представлены формы обучения робототехнике в современных образовательных системах, в том числе, традиционные очные курсы с ежедневными занятиями и дистанционные курсы с самостоятельным обучением. Анализируется опыт Германии, Китая, Кореи, США, Японии в сфере образовательной робототехники как лидирующих в данной области стран. Раскрываются возможности реализуемой новой концепции STEAM и рассматриваются перспективы развития робототехнической индустрии.
Ключевые слова: робототехника, образовательная робототехника, изучение робототехники, STEAM-обучение.
Для цитирования: Орлов С.Ю. Подготовка специалистов для преподавания робототехники в разных странах // Педагогическая перспектива. 2021. № 3. С. 19-26.
TRAINING OF SPECIALISTS FOR TEACHING ROBOTICS
IN DIFFERENT COUNTRIES
S.Yu. Orlov
Novosibirsk State Pedagogical University, Novosibirsk, Russia, [email protected]
Abstract. The article examines the current state of robotics in modern educational institutions. The relevance of teaching robotics, the possibilities and means of its study are described. The author describes some of the robotics teacher training programs, as well as the corresponding refresher courses. Examples of various strategies and concepts in the field of information technology development implemented by the state are given. The article presents the forms of teaching robotics in modern educational systems, including: traditional face-to-face courses with daily classes and distance courses with self-study. The experience of Germany, China, Korea, USA, Japan in the field of educational robotics as the leading countries in this field is analyzed. The possibilities of the implemented new STEAM concept are revealed and the prospects for the development of the robotics industry are considered.. Keywords: robotics, educational robotics, learning robotics, STEAM training.
For citation: Orlov S.Yu. Training of specialists for teaching robotics in different countries. Pedagogical perspective. 2021; 3 : 19-26. (In Russ.).
В XXI веке во многих странах мира происходит внедрение робототехники в общеобразовательную программу. Для того чтобы этот процесс был результативней, необходима подготовка высо-
коквалифицированных специалистов в области преподавания робототехники.
Предмет робототехники - это создание и применение роботов и других робототехнических механизмов
© Орлов С.Ю. 19
различного назначения. Возникнув на основе кибернетики и механики, робототехника способствовала появлению новых направлений развития и самих этих наук. Так, в кибернетике появилось интеллектуальное управление, которое требуется для роботов, а в механике - многозвенные механизмы типа манипуляторов [1].
Робототехника охватывает достаточно большой круг систем, которые берут свое начало от полностью автоматизированных производств (производственные конвейерные линии, беспилотные космические корабли, автоматические подводные аппараты и т.д.) до бытовых помощников и детских игрушек. Такое обширное использование роботизированных помощников в производственной и личной сферах жизни требует обладания определённым уровнем специализированных знаний как у взрослых, так и у детей.
Робототехника является одним из важнейших направлений научно-технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий непосредственно связаны с проблемами искусственного интеллекта [2]. В современных условиях происходит активное внедрение робототехники в учебный процесс, проводятся соревнования, конкурсы; осуществляется обмен новыми идеями, знаниями, технической информацией. Эта организационно-педагогическая деятельность поддерживается государственной образовательной политикой, что отмечено в «Концепции развития регулирования отношений в сфере технологий искусственного интеллекта и робототехники до 2024 года» [3]. Современное общество всё больше старается внедрить роботов в повседневную жизнь путём их применения в различных сферах, а так же заменить, усовершенствовать и модернизировать различные процессы жизнедеятельности. Поэтому профессионалы, обладающие знаниями робототехники и программирования, оста-
ются востребованными на рынке труда в течение длительного времени.
Сегодня при изучении робототехники используются различные специализированные комплексы: 1) специальный конструктор нового поколения Lego Mindstorms; 2) развивающий конструктор Fischertechnik, предназначенный как для детей, так и для подростков и студентов; 3) Scratch Board, Arduino, конструкторы УМКИ, оснащённые микропроцессором и наборами датчиков.
М.В. Кузьмина [4] рассматривает робототехнику как прикладную науку, занимающуюся разработкой автоматизированных технических систем и взаимодействующую с такими дисциплинами как электроника, механика, программирование. Образовательная робототехника - это система воспитания и обучения личности, которая за счёт автоматизированных технических систем способствует формированию инженерного мышления, что, в свою очередь, помогает личности быть конкурентоспособной.
Образовательная робототехника в современном мире занимает достаточно важное место. Во-первых, её прогресс направлен на потребности современного общества, во-вторых, она определяет глобальные изменения, связанные с привлечением внимания молодого поколения к инженерным специальностям. Во время перехода страны от индустриального к постиндустриальному информационному обществу возникают новые задачи в системе образования и социализации человека. Актуальными становятся изменения, способствующие формированию конкурентоспособных навыков человека, позволяющих включаться в общественно важные процессы.
Актуализация робототехники в России поддерживается «Стратегией развития отрасли информационных технологий в РФ на 2014-2020 гг. и на перспективу до 2025 г.» [5], в которой в качестве приоритетов зафиксированы робототехника; машинное
обучение; человеко-машинное взаимодействие; новые алгоритмы взаимодействия робототехнических комплексов и человека; новые человеко-машинные интерфейсы, включая новые методы использование жестов, зрения, голосовых интерфейсов для управления компьютерными и робототехническими системами; новые нейрокогнитивные технологии, методы, инфраструктурные решения и программное обеспечение для дополненной реальности; новые программные средства и устройства, повышающие социальную адаптацию людей с ограниченными возможностями; методы роботизации и автоматизации производств, программные технологии поддержки принятия решений в реальном времени с элементами искусственного интеллекта и др.
Робототехника является эффективным инструментом обучения, потому что помогает создать увлекательную среду, способствующую поддержанию интереса у обучающихся к инженерным специальностям. Она даёт практический опыт и выступает в качестве отличного инструмента для реализации проектного обучения. На основе проектов учащиеся работают в группах, чтобы «исследовать реальный мир». Образовательная робототехника помогает создать прекрасную среду для учащихся, где они могут найти решения интересных проблем и продемонстрировать их не только в теоретическом, но и в практическом аспектах [6].
На сегодняшний день во многих странах мира наблюдается значительный интерес к данному научно-техническому направлению. В некоторых странах технические университеты самостоятельно или совместно с производственными компаниями (FANUC, RoboticsAmericaInc, MobileRobotsInc, и др.) развивают образовательные направления для привлечения школьников и студентов к робототехнике, например, ILERT. Страны Азиатско-Тихоокеанского региона, США, страны
Евросоюза включили робототехнику в список общеобразовательных предметов для 9-12 классов [7].
Российская общеобразовательная программа не предусматривает изучение робототехники в качестве обязательного компонента, хотя и осуществляется попытка её внедрения во внеурочную деятельность и систему дополнительного образования. Анализ программ и учебников родственных предметов (физика, технология, математика, информатика), рекомендованных Министерством просвещения, показывает, что ни один из них не затрагивает вопросов, связанных с изучением данного направления. Несмотря на то, что в обязательной школьной программе пока ещё нет робототехники, обучающиеся из России весьма успешно выступают на соответствующих соревнованиях мирового уровня.
Актуальность образовательной робототехники предопределила неизбежность проблемы подготовки педагогических кадров для её преподавания в школе. На сегодняшний день в нашей стране нет специальности «Педагог по робототехнике» и, к сожалению, нет такой программы подготовки в бакалавриате. В тоже время в различных вузах страны идёт активная разработка и реализация магистерских программ, связанных с робототехникой, например, «Робототехника, мехатроника и электроника в образовании», «Робототехника и прикладные исследования в области информационных технологий» и др.
Всё более значимыми становятся курсы повышения квалификации и профессиональной переподготовки. Среди наиболее востребованных можно выделить те, которые пользуются большой популярностью среди педагогических работников и предлагаются на различных образовательных сайтах:
- «Преподавание основ робототехники в начальной школе с использованием Lego Education WeD», «Преподавание основ образователь-
ной робототехники с помощью Lego Mindstorms EV3» - Институт новых технологий;
- «Основы работы с Lego Mindstorms EV3 и его применение в урочной и внеурочной деятельности средней школы», «Методика работы с WeDo/WeDo 2.0», «Программируем с Ардуино: основы работы со скетчами», «Основы образовательной робототехники» - фгос-игра.рф;
- «Робототехника. Основы программирования в LabView», «Базовый курс робототехники на языке Robolab», «Основы робототехники», «Методика преподавания робототехники на базе конструктора ТРИК» - Центр педагогического мастерства;
- «Легоконструирование и робототехника как средство разностороннего развития ребенка дошкольного возраста в условиях реализации ФГОС ДО» -проект «Инфоурок».
Актуальность проблемы подготовки кадров осознаётся не только в России, но и в других странах, где набирает популярность робототехника. Так, в частности, в 2000 году в США финансируемый NASA Национальный инженерный центр робототехники (NREC), который был частью Института робототехники Карнеги-Меллона, создал проект лагеря для детей, где ведущим направлением обучения и социализации было изучение робототехники. Проект стал востребован и на его основе была создана Академия робототехники Института Карнеги-Меллона (CMRA).
Первоначально финансирование CMRA осуществляли AT&T, фонды ALCOA, Heinz и Grable. Активизация школьников для привлечения их внимания к STEM-образованию за счёт использования робототехники стала миссией CMRA. Одновременно Академия совместно с преподавателями Института Карнеги-Меллона разрабатывала программы подготовки педагогов по робототехнике. В течение следующих лет CMRA составила комплекс учебных программ для обучающихся от 10 до 17
лет, который включал вводные учебные программы по программированию роботов среднего уровня для аппаратных платформ LEGO, VEX и Arduino, учебные материалы по программированию на языках LEGO ROBOLAB™, LEGO NXT-Graphical, LEGO EV3-Graphical, ROBOTC, ROBOTC Graphical и LabVIEW [8].
Учебный план состоит из уроков по вводным программам на основе промежуточного уровня, «математике роботов», науке о роботах и регистрации данных, а также «вводной инженерии среднего уровня». Помимо этого CMRA разработала материалы и рекомендации для организации лагеря по робототехнике, проводит многочисленные конференции по робототехнике для повышения квалификации педагогов в данной области.
Другим примером является Япония, в которой очень хорошо развивается индустрия робототехники. В 2020 году правительство выделило средства на реализацию концепции STEAM-об-разования. Программирование и робототехника на сегодняшний день являются обязательными предметами в школах Японии. При этом 70% расходов на организацию инженерного класса покрывают выделенные государственные субсидии, а 30% компаниия - участник программы. Так, например, компания ROBBO Japan планировала оборудовать 200 японских школ за один год. Инженерный класс от ROBBO состоит из специализированных наборов и программного обеспечения для обучения робототехнике, программированию, 3D-моделированию и 3D-печати, схемотехнике, технологиям интернета вещей и «умного дома». Кроме этого, специалисты компании проводят обучение педагогов, предоставляют методические материалы и поурочные планы для реализации данного направления в общеобразовательной организации.
Также активно в области робототехники развивается Южная Корея, в
которой на её развитие в ближайшие 5 лет будет выделено 500 млрд. вон (около 445 млн. долларов). Эти средства планируется использовать на поиск новых перспективных проектов, которые помогут стране перейти на следующее поколение робототехнических изделий. От робототехники в Корее ожидают дополнительного ускорения развития промышленного сектора, ориентированного на экспорт. Правительство старается поддерживать инвестирование бизнеса в это перспективное направление. Не забывают и о профориентации подрастающего поколения. В стране строится посвящённый робототехнике развлекательно-образовательный парк RobotLand стоимостью 625 млн. долларов, с пропускной способностью 2,8 млн. человек в год.
Развитие образовательной робототехники в Китае также осуществляется высокими темпами. Китайская робото-техническая отрасль, несомненно, обширна и имеет большие перспективы для дальнейшего совершенствования. Китайское правительство обозначило это в своей стратегии промышленного развития «Сделано в Китае-2025», которая определяет робототехническую отрасль в качестве стратегически важного сектора. Это признание порождает как новые возможности, так и вызовы для иностранных инвесторов. Правительство Китая сосредоточено на развитии робототехнической отрасли. Стратегия акцентирует внимание на искусственный интеллект и автоматизацию. Приоритетным сектором развития в данной стратегии является трансформация и модернизация промышленности. Благодаря данной стратегии производство роботов Китая на мировом рынке должно увеличится с 31% в 2016 г. до более 50% к 2025 г.
В тоже время, как и в других странах, в Китае ощущается нехватка специалистов робототехнической сферы и недостаток образовательных возможностей для их подготовки. В качестве
хорошего примера развития образовательной робототехники рассматривается система образования США. Начиная с 2013 года число желающих обучаться в США по специальности «Робототехника» непрерывно увеличивается. В связи с этим, к 2030 году ожидается увеличение китайских студентов, аспирантов и докторов наук практически в 2 раза. Одной из главных проблем Китая является слабая возможность системы образования гибко реагировать на запросы рынка в области искусственного интеллекта и робототехники. Несмотря на значительные достижения в промышленной робототехнике, наблюдается отставание в технологиях: высокоточные редукторы, сервоприводы электрических машин, контроллеры, панели управления [9].
Что касается Германии, то на сегодняшний день в этой стране существует множество технических университетов и учреждений среднего профессионального образования, в которых успешно реализуются образовательные программы по робототехнике. Эти образовательные ресурсы являются доступными и используются для изобретения новых технологий (например, SD-печать металлом). Кроме того, создаются специальные институты для обучения робототехнике, которые дают возможность молодым студентам пройти обучение STEM.
STEAM-концепция зародилась в США в версии STEM18 и получила развитие в виде STEAM, STREAM19, STEMAC20 (S - Science (наука), T -Technology (технология), R - Reading (чтение), E - Engineering (инженерия), A - Arts (искусство), M - Math (математика), C - Culture (культура)). Сегодня STEM играет существенную роль в опи-писании объединения науки, техники и математики в учебных планах. Авторы концепции определили STEM как образовательный запрос, где обучение поставлено в реальный контекст, а учащиеся решают задачи, приближенные к реальным проблемам [10].
Сходство STEM (во всех его вариациях) и образовательной робототехники проявляется в междисциплинар-ности, предполагающей интеграцию учебных дисциплин в метапредметном аспекте и способствующей эффективному преподаванию отдельных курсов. Также связь робототехники и концепции STEM позволяет развить интерес к тому или иному предмету в рамках реализации различных проектов. Не только школьники, но и студенты при переходе к STEAM могут расширить свои знания в области технологий и программирования за счёт интереса к творчеству. В связи с этим ряд исследователей и практиков считают, что в STEM и STEAM необходимо включение культурной составляющей (искусства, культуры, гуманитарных наук), что в свою очередь позволяет более эффективно реализовывать междисциплинарные связи между естественными и гуманитарными науками. Поэтому необходимо использованную STEAM концепцию расширить до области STEMAC [11].
Одним из примеров такого подхода является программа Тобольской государственной социально-педагогической академии им. Д.И. Менделеева. Для студентов физико-математического факультета разработан курс «Теория и методика обучения основам робототехники».
Цель курса: знакомство студентов с возможностями образовательной робототехники для повышения качества обучения в условиях реализации федеральных государственных образовательных стандартов нового поколения и развития научно-исследовательской деятельности обучающихся, а также формирование готовности студентов к творческой инновационной деятельности со школьниками.
Основными задачами курса являются: 1) знакомство студентов с основами современной робототехники; 2) формирование общенаучных и технологических навыков проектирования
и конструирования самоуправляемых робототехнических систем; 3) развитие алгоритмической культуры, формирование навыков программирования ро-бототехнических систем; 4) изучение и развитие методики внедрения элементов образовательной робототехники в изучение различных школьных предметов; 5) изучение методических особенностей подготовки школьников к участию в различных робототехнических мероприятиях; 6) освоение возможности использования робототехнического конструктора в научно-исследовательской деятельности школьников; 7) выработка у студентов профессиональных навыков работы со школьниками в рамках данного направления.
Программа рассчитана на 100 часов и состоит из двух образовательных модулей по 36 часов: «Основы робототехники», «Методика обучения основам робототехники» и модуля учебной практики продолжительностью 28 часов.
В 2012-2013 гг. более тридцати выпускников академии получили сертификаты и удостоверения, подтверждающие их научную и методическую готовность обеспечить инновационную работу со школьниками по направлению «Образовательная робототехника» [7].
Внедрение образовательной робототехники в педагогических университетах XXI века позволило развить интерес студентов в области технологического образования. Для повышения конкурентоспособности будущих специалистов образовательные организации расширяют требования к результатам их подготовки. Современный учитель технологии, физики или информатики должен: 1) обладать знаниями в области образовательной робототехники; 2) уметь наставлять, мотивировать и поддерживать школьников при подготовке к участию в профилях НТИ олимпиады, быть экспертом в компетенциях WSR; 3) быть готовым в рамках внеурочной деятельности вести кружок по робототехнике [11].
В результате проанализированных данных можно прийти к пониманию того, что несмотря на актуальность и бурное развитие робототехники во всем мире в системах образования различных стран наблюдаются проблемы в сфере подготовки профессиональных кадров. Часть из них связана с техническим обеспечением, нехваткой ресурсов, другая - со сложностями переобучения и повышения квалификации педагогов в направлении образовательной робо-
тотехники, третья - с неэффективным применением специализированных методик обучения. Популяризация и развитие робототехники у школьников осуществляется благодаря концепции STEM, но, к сожалению, в подготовке кадров она играет незначительную роль. В целом проблема нехватки компетентных преподавателей робототехники остаётся сегодня актуальной и значимой на всех уровнях реализации современного образования.
Список литературы
1. Юревич Е.И. Основы робототехники. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 416 с.
2. Гайсина И.Р. Развитие робототехники в школе // Педагогическое мастерство: материалы II Междунар. науч. конф. М.: КТ «Буки-Веди», 2012. С. 105-107.
3. Концепция развития регулирования отношений в сфере технологий искусственного интеллекта и робототехники до 2024 года: распоряжение Правительства Российской Федерации от 19.08.2020 № 2129-р. URL: https://www.economy.gov.ru/material/file/57ff642339b16c479b12030fb5f1b 6e3/19082020_2129-p.pdf (дата обращения: 26.06.2021).
4. Кузьмина М.В. др. Робототехника в школе как ресурс подготовки инженерных кадров будущей России: сборник методических материалов для работников образования в условиях реализации Федеральных государственных образовательных стандартов (по итогам областных семинаров и курсов повышения квалификации по образовательной робототехнике). Киров: Институт развития образования Кировской области, 2017. 179 с.
5. Об утверждении Стратегии развития отрасли информационных технологий в Российской Федерации на 2014-2020 годы и на перспективу до 2025 года: распоряжение Правительства Российской Федерации от 01.11.2013 № 2036-р. URL: // http://government.ru/docs/8024/ (дата обращения: 26.06.2021).
6. A. Eguchi. Educational robotics for promoting 21st century skills. Journal of Automation Mobile Robotics and Intelligent Systems. 2014; 8(1). doi: 10.14313/JAMRIS_1-2014/1.
7. Ечмаева Г.А. Подготовка педагогических кадров в области образовательной робототехники // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 2. URL: http://www.science-education. ru/ru/article/view?id=9099 (дата обращения: 26.06.2021).
8. Ионкина Н.А. Особенности отечественного и зарубежного опыта подготовки педагогов к обучению робототехнике // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Информатизация образования. 2018. Т. 15. № 1. С. 114-121. doi: 10.22363/2312-8631-2018-15-1-114-121.
9. Комиссина И.Н. Современное состояние и перспективы развития робототехники в Китае // Проблемы национальной стратегии. 2020. № 1(58). С. 123-145.
10. Гагарина Д.А., Гагарин А.С. Робототехника в России: образовательный ландшафт. Ч. 1. // Современная аналитика образования. 2019. № 6(27). С. 5-101.
11. Пустыльник П.Н. Развитие методологии обучения студентов педагогического университета в области технологического образования: влияние робототехники // Вестник Сургутского государственного педагогического университета. 2020. № 1(64). С. 110-118. doi: 10.26105/ SSPU.2020.64.1.005.
References
1. Yurevich E.I. Fundamentals of Robotics. St. Petersburg: BKHV-Peterburg; 2005. 416 p. (In Russ.).
2. Gaisina I.R. The development of robotics at school. In: Pedagogicheskoye masterstvo: materialy II Mezhdunar. nauch. konf. Moscow: KT «Buki-Vedi»; 2012, pp. 105-107. (In Russ.).
3. The concept for the development of regulation of relations in the field of artificial intelligence and robotics technologies until 2024: order of the Government of the Russian Federation dated August
19, 2020 No. 2129-r. Available at: https://www.economy.gov.ru/material/file/57ff642339b16c479b12030fb 5f1b6e3/19082020_2129-p.pdf (Accessed: 26.06.2021). (In Russ.).
4. Kuzmina M.V. etc. Robotics at school as a resource for training engineering personnel of the future Russia: a collection of methodological materials for educators in the context of the implementation of Federal state educational standards (based on the results of regional seminars and advanced training courses in educational robotics). Kirov: Institut razvitiya obrazovaniya Kirovskoy oblasti; 2017.179 p. (In Russ.).
5. On the approval of the Strategy for the development of the information technology industry in the Russian Federation for 2014-2020 and for the future until 2025: order of the Government of the Russian Federation dated 01.11.2013 No. 2036-r. Available at: // http://government.ru/docs/8024/ (Accessed: 26.06.2021). (In Russ.).
6. A. Eguchi. Educational robotics for promoting 21st century skills. Journal of Automation Mobile Robotics and Intelligent Systems. 2014; 8(1). doi: 10.14313/JAMRIS_1-2014/1.
7. Echmaeva G.A. Training of teaching staff in the field of educational robotics. Sovremennyye problemy nauki i obrazovaniya. 2013; 2: Available at: http://www.science-education.ru/ru/article/ view?id = 9099 (Acceseds: 26.06.2021). (In Russ.).
8. Ionkina N.A. Features of domestic and foreign experience in training teachers for teaching robotics. Vestnik Rossiyskogo universiteta druzhby narodov. Seriya: Informatizatsiya obrazovaniya. 2018; 15(1): 114-121. doi: 10.22363 / 2312-8631-2018-15-1-114-121. (In Russ.).
9. Komissina I.N. Current state and prospects for the development of robotics in China. Problemy natsional'noy strategii. 2020; 1(58): 123-145. (In Russ.).
10. Gagarina D.A., Gagarin A.S. Robotics in Russia: Educational Landscape. Part 1. Sovremennaya analitika obrazovaniya. 2019; 6 (27): 5-101. (In Russ.).
11. Pustylnik P.N. Development of teaching methodology for students of a pedagogical university in the field of technological education: the influence of robotics. Vestnik Surgutskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo universiteta. 2020; 1(64): 110-118. doi: 10.26105 / SSPU.2020.64.1.005. (In Russ.).
Информация об авторе
Сергей Юрьевич Орлов - аспирант Новосибирского государственного педагогического университета.
Sergey Yu. Orlov - Novosibirsk State Pedagogical University, postgraduate student.
Статья принята в редакцию 13.07.2021; одобрена после рецензирования 16.07.2021; принята к публикации 20.07.2021.
The article was submitted 13.07.2021; approved after reviewing 16.07.2021; accepted for publication 20.07.2021.
Information about the author
