CC BY
40УДК: 004.896 EDN: MEAEDS
DOI: https://doi.org/10.47813/2782-5280-2023-2-2-0301-0310
Преподавание основ образовательной робототехники в дистанционном формате обучения
А. И. Эшниязов
Гулистанский государственный университет, Гулистан, Узбекистан
Аннотация. Статья направлена на анализ возможностей применения симуляторов при обучении основам образовательной робототехники в условиях дистанционной формы обучения. Описываются методы и технологии, которые используются при обучении робототехнике, такие как программирование, электроника, механика и другие. Основным результатом является разработанная методика обучения основам образовательной робототехники в дистанционном формате, основанная на практической работе с виртуальными микроконтроллерами и программными средствами для работы с ними в симуляторе Tinkercad.
Ключевые слова: образовательная робототехника, дистанционный формат, Arduino, симуляторы, Tinkercad, программирование, C++.
Для цитирования: Эшниязов, А. И. (2023). Преподавание основ образовательной робототехники в дистанционном формате обучения. Информатика. Экономика. Управление -Informatics. Economics. Management, 2(2), 0301-0310. https://doi.org/10.47813/2782-5280-2023-2-2-0301-0310
Teaching the basics of educational robotics in a distance
learning format
A. I. Eshniyazov
Gulistan State University, Gulistan, Uzbekistan
Abstract. The article is aimed at analyzing the possibilities of using simulators in teaching the basics of educational robotics in a distance learning environment. The methods and technologies that are used in teaching robotics, such as programming, electronics, mechanics, and others, are described. The main result is the developed methodology for teaching the basics of educational robotics in a remote format, based on practical work with virtual microcontrollers and software tools for working with them in the Tinkercad simulator.
Keywords: educational robotics, remote format, Arduino, simulators, Tinkercad, programming, C++.
© А.И. Эшниязов, 2023
0301
For citation: Eshniyazov, A. I. (2023). Teaching the basics of educational robotics in a distance learning format. Informatics. Economics. Management, 2(2), 0301-0310. https://doi.org/10.47813/2782-5280-2023-2-2-0301-0310
ВВЕДЕНИЕ
Образовательная робототехника — это область образования и науки, которая использует роботов и программное обеспечение для развития учебных и практических навыков учащихся [1-4]. Эта область обучения включает в себя такие дисциплины, как программирование, электроника, механика и автоматизация. Образовательная робототехника может быть использована для создания различных проектов роботов, которые могут выполнять различные задачи, например, сбор информации, передвижение по определенной траектории, выполнение определенных действий по команде. Например, на рисунке 1 представлены роботы, спроектированные и созданные для занятий по образовательной робототехнике в КФУ. Эти роботы могут быть использованы для участия в соревнованиях и выставках, что помогает учащимся проявить свои творческие и инженерные способности. Образовательная робототехника может быть использована для развития социальных навыков, таких как командная работа, общение и решение проблем в группе [5].
Рисунок 1. Роботы, спроектированные и созданные для занятий по образовательной
робототехнике в КФУ. Figure 1. Robots designed and built for educational robotics classes at KFU.
Междисциплинарная польза обучения образовательной робототехнике заключается в том, что она помогает студентам объединять знания и навыки, полученные
в различных дисциплинах, для создания новых решений и идей [6-8]. Этот подход может помочь стать более компетентными и творческими в различных сферах. Например, студенты развивают свои математические навыки, измеряя расстояния, углы поворота и скорость робота. Они также учатся программировать роботов, используя языки программирования, такие как Scratch, Python, C++.
Изучение основ робототехники рекомендуется проводить в очном формате, так как это позволяет учащимся максимально полно освоить необходимые знания и умения. Однако, в некоторых ситуациях, когда невозможно избежать удаленного формата обучения, онлайн платформы могут быть эффективным инструментом для преподавания материала основ робототехники. Они могут обеспечить доступ к современным технологиям, позволяющим учащимся изучать теоретические и практические аспекты робототехники в онлайн-режиме. Примерами таких онлайн-платформ являются робототехнические конструкторы и программы для симуляции робототехнических систем [9].
Далее рассмотрим опыт проведения автором статьи занятий по образовательной робототехнике в дистанционном формате. Для организации видеоконференций со студентами была использована платформа Яндекс Телемост (https://telemost.yandex.ru/), для обмена текстовой информации со студентами — мессенджер Telegram (https://web.telegram.org/), для проведения лекционных занятий — облачный сервис Google Презентации (https://workspace.google.com/), для моделирования робототехнических устройств на практических занятиях — онлайн-симулятор Tinkercad (https://www.tinkercad.com) [10], для закрепления полученных навыков — курсы на образовательной платформе Stepik (https://stepik.org/course/102886/promo) [11].
КОНСТРУКТОР ARDUINO
Конструктор Arduino — это электронный набор, который включает в себя плату Arduino, комплект датчиков, актуаторов и других электронных компонентов, которые можно использовать для создания устройств, таких как роботы, умный дом и другие проекты.
Как показывает образовательная практика [12-14], конструкторы Arduino часто используются в образовательной робототехнике, так как они предоставляют студентам и учащимся возможность изучения основ электроники, программирования и механики через практическую работу над реальными проектами.
На рисунке 2 представлено расположение основных элементов на плате Arduino UNO R3.
Рисунок 2. Расположение основных элементов на плате Arduino UNO R3 (источник:
https://all-arduino.ru/product/arduino-uno/).
Figure 2. Location of the main elements on the Arduino UNO R3 board (source: https://all-
arduino.ru/product/arduino-uno/).
Плата Arduino — это микроконтроллерная платформа, используемая для создания различных проектов в области электроники и робототехники. Она состоит из следующих основных функциональных элементов. Микроконтроллер — это основной элемент Arduino, отвечающий за обработку программного кода и управление интегральными возможностями конструктора. Порты ввода-вывода (пины) — это интегральные части Arduino, которые используются для подключения различных датчиков, устройств управления и механизмов движения к конструктору. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — интегральный компонент Arduino, который позволяет измерять величины аналоговых сигналов и преобразовывать их в цифровой формат. Разъем питания для подключения питания к конструктору. Монтажная плата — это место, где устройства, сенсоры и другие интегральные компоненты соединяются и монтируются.
Для того, чтобы писать программы для микроконтроллера Arduino, необходимо знать основы языка программирования C++: синтаксис, основные конструкции языка, таких как переменные, условные операторы, циклы, массивы, функции и т.д. Также
необходимо понимание того, как подключать датчики, актуаторы и другие компоненты к плате Arduino, и как использовать соответствующие библиотеки для работы с ними.
СИМУЛЯТОР TINKERCAD
Симуляторы могут помочь обучающимся практиковать программирование и тестирование своих роботов, не имея доступа к реальным устройствам. Некоторые из популярных онлайн-симуляторов, которые можно использовать для обучения, включают Tinkercad, Wokwi, RobotMesh Studio, V-REP, Robot Virtual Worlds и другие [9-11].
Tinkercad — это онлайн-симулятор, который позволяет создавать 3D-модели и электронные схемы, используя простой drag-and-drop интерфейс. В Tinkercad есть библиотека Arduino, содержащая множество готовых компонентов, таких как датчики, дисплеи, моторы и другие, которые можно использовать в своих проектах.
Tinkercad используют для создания виртуальных прототипов проектов, например, можно создать схему подключения датчиков и актуаторов к платформе Arduino в Tinkercad, а затем использовать Arduino IDE для написания программного кода, который будет управлять ими. Это позволяет быстро и легко создавать и проверять концепции прототипов проектов, прежде чем начать физическую реализацию.
На занятиях были рассмотрены принципы работы некоторых технических элементов конструктора, схемы подключения и программный код, отвечающий за включение и передачу информации к устройству.
Были рассмотрены следующие детали конструктора: плата Arduino Uno, макетные платы, резисторы, светодиоды, RGB-диоды, пьезоэлементы, кнопки, датчики температуры, газа, влажности, ультразвуковые датчики расстояния, фотоэлементы, ЖК-экраны, моторы и сервоприводы.
Материалы занятий были подобраны таким образом, чтобы по мере знакомства и освоения новых технических элементов, усложнялся и соответствующий программный код для управления роботом. Студенты знакомились с синтаксисом языка программирования C++, базовыми конструкциями и алгоритмическими.
Использование робототехнического симулятора сделало возможным наглядно продемонстрировать важность структур данных, массивов, условных операторов, циклов, генератора случайных чисел, функций и других концепций программирования.
На рисунке 3 представлен пример материалов для дистанционных занятий по образовательной робототехнике, содержащий схемы сборки и программный код микроконтроллера.
Рисунок 3. Материалы для дистанционных занятий по образовательной робототехнике, содержащие схемы сборки и программный код микроконтроллера (источник:
https://www.tinkercad.com/). Figure 3. Materials for distance learning on educational robotics, containing assembly diagrams and microcontroller code (source: https://www.tinkercad.com/).
Рисунок 4. Схема подключения сервопривода и ЖК-дисплея к микроконтроллеру, программа на языке C++, контролирующая функциональное взаимодействие. Figure 4. Scheme of connecting a servo drive and an LCD display to a microcontroller, a C++
program that controls the functional interaction.
На рисунке 4 представлена схема подключения сервопривода и ЖК-дисплея к микроконтроллеру, программа на языке C++, контролирующая функциональное взаимодействие.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При всех недостатках, дистанционное преподавание предоставляет студентам некоторые дополнительные возможности: изучать материалы в своем собственном темпе и в удобное для них время; получать доступ к курсу, ранее недоступному для них из-за географических ограничений; использовать различные онлайн-ресурсы и программное обеспечение для изучения робототехники.
Чтобы успешно преподавать основы робототехники в дистанционном формате, необходимо использовать разные методы обучения, обеспечивать доступ к качественным онлайн-ресурсам и организовывать практические задания для учеников. Tinkercad является весьма популярным симулятором для Arduino, поскольку он легок в использовании, бесплатен, безопасен. В целом, Arduino и Tinkercad позволяют пользователям создавать и проверять концепты своих проектов виртуально, что ускоряет и упрощает процесс разработки.
Заметим, что робототехника и технология интернета вещей (IoT) тесно связаны друг с другом. IoT — это концепция, которая описывает сеть устройств, которые могут обмениваться данными и управляться удаленно через интернет. Применение IoT в робототехнике позволяет создавать более эффективные и автономные роботы, например, робот, использующий данные с датчиков, подключенных к IoT, для принятия решений о том, как лучше выполнить задачу.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Емельянова Д.А., Чиркова А.С., Попугайло М.В. Отношение студентов к использованию дистанционных технологий и внедрению робототехники в образовательный процесс. Вестник науки. 2022; 1(6 (51)): 30-37.
[2] Оспенников А. А. Применение образовательной робототехники в учебном процессе по физике. Вестник Пермского государственного гуманитарно-педагогического университета. Серия: Информационные компьютерные технологии в образовании. 2016; 12: 116-141.
[3] Мануйлова Л.М., Басгаль В.В. Педагогические основы создания электронного учебника по методике обучения образовательной робототехнике. Вестник Сибирского института бизнеса и информационных технологий. 2022; 11(4): 10-16. doi:10.24412/2225-8264-2022-4-10-16
[4] Руселевич, Н.Ф. Дистанционное преподавание робототехники. Молодой ученый. 2020; 52(342): 42-45. https://moluch.ru/archive/342/76986/
[5] Корягин А.В., Смольянинова М.Н. Образовательная робототехника (Lego WeDo). М.: ДМК-пресс; 2016. 254.
[6] Oza V., Mehta P. Arduino robotic hand: Survey paper. International Conference on Smart City and Emerging Technology (ICSCET). 2018 January. 2018: 1-5. DOI: 10.1109/ICSCET.2018.8537312.
[7] Ha V., Thanh N., Ha V. Design and fabrication of a moving robotic glove system. International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE). 2023; 13: 2704. DOI: 10.11591/ijece.v13i3.pp2704-2710.
[8] Chebotareva E., Gavrilova L. Educational Mobile Robotics Project "ROS-Controlled Balancing Robot" Based on Arduino and Raspberry. 12th International Conference on Developments in eSystems Engineering (DeSE). October 2019 IEEE Conference. 2019: 209214. DOI:10.1109/DeSE.2019.00047: 2019
[9] Вавилов Е.Д. Использование сервиса Autodesk Tinkercad для обучения работе и/или тестирования программ микроконтроллера Arduino. Постулат. 2020; 2(52): 3.
[10] Швецова А.В., Минкин А.В. Современное обучение с использованием образовательной программы Tinkercad. Форум молодых ученых. 2018; 11-2 (27): 10401042.
[11] Зайцев К.А. Исследование платформ для онлайн обучения в современной цифровой образовательной среде E-Scio. 2020; 7(46): 51-62.
[12] Омельченко Е.Я., Танич В.О., Маклаков А.С., Карякина Е.А. Краткий обзор и перспективы применения микропроцессорной платформы Arduino. Электротехнические системы и комплексы. 2013; 21: 28-33.
[13] Выдрин Д.Ф., Махнёва А.О., Мавлютов А.Р. Платформа Ардуино: преимущества. Academy. 2017; 1(16): 9-12.
[14] Байда А.С. Использование платформы Arduino при подготовке специалистов автомобильной отрасли. Концепт. 2016; 5: 150-156.
[15] Гордиевских В.М., Кораблев А.А. Особенности программирования движения роботизированных устройств на платформе Arduino. Вестник Шадринского государственного педагогического университета. 2017; 2(34): 150-156.
REFERENCES
[1] Emel'yanova D.A., Chirkova A.S., Popugajlo M.V. Otnoshenie studentov k ispol'zovaniyu distancionnyh tekhnologij i vnedreniyu robototekhniki v obrazovatel'nyj process. Vestnik nauki. 2022; 1(6 (51)): 30-37.
[2] Ospennikov A.A. Primenenie obrazovatel'noj robototekhniki v uchebnom processe po fizike. Vestnik Permskogo gosudarstvennogo gumanitarno-pedagogicheskogo universiteta. Seriya: Informacionnye komp'yuternye tekhnologii v obrazovanii. 2016; 12: 116-141.
[3] Manujlova L.M., Basgal' V.V. Pedagogicheskie osnovy sozdaniya elektronnogo uchebnika po metodike obucheniya obrazovatel'noj robototekhnike. Vestnik Sibirskogo instituta biznesa i informacionnyh tekhnologij. 2022; 11(4): 10-16. doi:10.24412/2225-8264-2022-4-10-16
[4] Ruselevich, N.F. Distancionnoe prepodavanie robototekhniki. Molodoj uchenyj. 2020; 52(342): 42-45. https://moluch.ru/archive/342/76986/
[5] Koryagin A.V., Smol'yaninova M.N. Obrazovatel'naya robototekhnika (Lego WeDo). M.: DMK-press; 2016. 254.
[6] Oza V., Mehta P. Arduino robotic hand: Survey paper. International Conference on Smart City and Emerging Technology (ICSCET). 2018 January. 2018: 1-5. DOI: 10.1109/ICSCET.2018.8537312.
[7] Ha V., Thanh N., Ha V. Design and fabrication of a moving robotic glove system. International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE). 2023; 13: 2704. DOI: 10.11591/ijece.v13i3.pp2704-2710.
[8] Chebotareva E., Gavrilova L. Educational Mobile Robotics Project "ROS-Controlled Balancing Robot" Based on Arduino and Raspberry. 12th International Conference on Developments in eSystems Engineering (DeSE). October 2019 IEEE Conference. 2019: 209214. DOI:10.1109/DeSE.2019.00047: 2019
[9] Vavilov E.D. Ispol'zovanie servisa Autodesk Tinkercad dlya obucheniya rabote i/ili testirovaniya programm mikrokontrollera Arduino. Postulat. 2020; 2(52): 3.
[10] SHvecova A.V., Minkin A.V. Sovremennoe obuchenie s ispol'zovaniem obrazovatel'noj programmy Tinkercad. Forum molodyh uchenyh. 2018; 11-2 (27): 1040-1042.
[11] Zajcev K.A. Issledovanie platform dlya onlajn obucheniya v sovremennoj cifrovoj obrazovatel'noj srede E-Scio. 2020; 7(46): 51-62.
[12] Omel'chenko E.Ya., Tanich V.O., Maklakov A.S., Karyakina E.A. Kratkij obzor i perspektivy primeneniya mikroprocessornoj platformy Arduino. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy. 2013; 21: 28-33.
[13] Vydrin D.F., Mahnyova A.O., Mavlyutov A.R. Platforma Arduino: preimushchestva. Academy. 2017; 1(16): 9-12.
[14] Bajda A.S. Ispol'zovanie platformy Arduino pri podgotovke specialistov avtomobil'noj otrasli. Koncept. 2016; 5: 150-156.
[15] Gordievskih V.M., Korablev A.A. Osobennosti programmirovaniya dvizheniya robotizirovannyh ustrojstv na platforme Arduino. Vestnik Shadrinskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo universiteta. 2017; 2(34): 150-156.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Эшниязов Абдумалик Искандарович,
д.ф.ф.-м.н (PhD), доцент, кафедра математики, Гулистанский государственный университет, Гулистан, Узбекистан e-mail: eshniyozovabdumalik75@gmail .com
Abdumalik Ashniyazov, Doctor of Physics and Mathematics (PhD), Associate Professor, Department of Mathematics, Gulistan State University, Gulistan, Uzbekistan
Статья поступила в редакцию 20.05.2023; одобрена после рецензирования 06.06.2023; принята
к публикации 09.06.2023.
The article was submitted 20.05.2023; approved after reviewing 06.06.2023; accepted for publication
09.06.2023.
