CC BY
72
Терехов А.Н.1, Киселев М.М.2
1 Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, доктор физ-мат наук, профессор, заведующий кафедрой системного программирования СПбГУ a . terekhov @spbu . ru
2 ГБОУ школа-лицей №419, Санкт-Петербург, педагог дополнительного образования, учитель предмета «Технология».m.kisselev@yandex.rll
РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЙ КОНСТРУКТОР ТРИК НА УРОКАХ «ТЕХНОЛОГИЯ» В
ШКОЛЕ
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Школьный предмет «Технология», робототехника, инженерное образование, графические технологии программирования, информатика.
АННОТАЦИЯ
Сейчас много говорится о необходимости развития инженерного образования в нашей стране. Современные школьники не умеют пользоваться гаечными ключами и отвертками, не знают устройство розетки или электрического выключателя. С 2015 изменились требования к предмету «Технология», предписывается использовать проектный подход, делать упор на индустриальный труд и ведение дома, но пока нет никаких детальных методических рекомендаций. В данном докладе описан опыт авторов по преподаванию этого предмета в школе-лицее №419 г. Санкт-Петербурга. Мы начали применять робототехнический конструктор ТРИК[1,2] и графическую технологию ТРИК-студия в кружках дополнительного образования еще до появления предмета «Технология» в нынешнем виде. Мы пришли к выводу, что роботы могут послужить хорошим мостиком к общеинженерному образованию. Авторы много лет успешно сотрудничают друг с другом — А.Н. Терехов со стороны разработки инструментальных средств, а М.М. Киселев со стороны их практического использования в школе.
ИСТОРИЯ ПРОЕКТА
Большим коллективом преподавателей, студентов и аспирантов кафедр системного программирования и теоретической кибернетики математико-механического факультета СПбГУ разработан новый конструктор роботов. Для одного из авторов этой статьи (А.Н. Терехова) вхождение в эту тематику было довольно неожиданным. Вот как он вспоминает эту ситуацию.
Так получилось, что 7-8 лет назад я подарил одному мальчику возраста примерно 8-9 лет конструктор LegoMindstormsNXT с надеждой, что этот мальчик начнет учиться программировать. Действительно, поначалу все шло очень хорошо, он быстро запрограммировал несколько первых примеров, но потом дело явно застопорилось. Я предложил этому мальчику запрограммировать объезд роботом картонной коробки с тем, чтобы робот мог сделать несколько кругов. Ребенок несколько дней бился над этой задачей, ничего у него не получилось, и он в слезах стал говорить: «Раз Вы профессор, то Вы и делайте». Тогда я попробовал сам запрограммировать эту задачу и у меня тоже ничего не получилось. Позже я советовался с одним из лидеров движения роботов в нашей стране Сергеем Александровичем Филипповым, преподавателем-методистом президентского лицея 239. Он посмеялся, сказал, что они тоже столкнулись с этой проблемой. Трудности связаны с тем, что у Lego очень плохие датчики, они срабатывают на отражение от пола, на другие помехи и, кроме того, моторы не очень точные, поэтому не позволяют повернуться роботу ровно на 90 градусов. В результате робот может, максимум, обогнуть 1-2 угла, а потом он либо утыкается в стенку, либо уходит далеко от коробки. С.А. Филиппов предложил решить эту задачу таким образом — робот должен ехать под углом к стенке, отталкиваться и таким вот зигзагообразным путем объезжать коробку, но меня это решение никак не устроило.
Я начал беседовать с разными людьми, для меня, естественно было начинать с кафедры теоретической кибернетики СПбГУ Оказалось, что там есть большой активист роботов — Роман Михайлович Лучин, который руководил студенческими командами по робофутболу. Он тоже посетовал на недостатки существующего материала. Если младших школьников еще как-то можно
заинтересовать конструктором Lego и ему подобными, то уже для старших школьников и, особенно, для студентов вузов — это совершенно не интересно, поскольку каких-нибудь хотя бы минимально нетривиальных задач решить не удается. Я поинтересовался, какие задачи являются примерами нетривиальных задач. Оказалось, что это прежде всего — вертикальный маятник, т.е. робот, который на ладони может удерживать незакрепленную длинную палку. Если палка наклонится вперед, робот должен проехать вперед и так далее, с тем, чтобы палка все время сохраняла вертикальное положение. В этой задаче очень важна быстрая реакция на датчики (гироскопы, акселерометры). Если робот не успевает среагировать в реальном масштабе времени, то палка падает.
Еще более завлекательной мне показалась такая история: в далеком 1972 году заведующий кафедрой теоретической кибернетики ЛГУ, член-корр АН СССР Владимир Андреевич Якубович (к сожалению, недавно ушедший из жизни) на каком-то международном конгрессе впервые изложил математическую теорию езды на велосипеде — почему велосипед не падает. За все эти годы так и не удалось сделать реальный робот, который управлял бы велосипедом. Несколько раз в интернете попадались съемки роботов-велосипедистов, бодро едущих, даже с преодолением препятствий, но при внимательном рассмотрении оказывалось, что это все обман. Либо есть большой груз близко к полу, существенно понижающий центр тяжести и повышающий устойчивость, либо еще какие-нибудь неестественные ухищрения.
КОНСТРУКТОР ТРИК
Позже С.А. Филиппов на вопрос авторов доклада, что нужно сделать, чтобы существенно продвинуться в конкуренции с существующими робоконструкторами, ответил, что прежде всего важны стереозвук, стереозрение и другие задачи, требующие значительной вычислительной обработки. Тогда было решено, что «спасение утопающих — дело рук самих утопающих», т.е. не нужно ждать, пока кто-то сделает хороший конструктор роботов, а сделать его самим.
Основу конструктора составляет очень мощный контроллер, разработанный под руководством Бориса Николаевича Кривошеина. Дело в том, что у нас есть многолетний опыт разработки вычислительных машин для разных, в том числе, специальных целей. Есть большой коллектив инженеров, конструкторов, есть выходы на промышленность, позволяющие наладить производство таких специализированных компьютеров. За несколько попыток такой контроллер был разработан. В том же форм-факторе (грубо говоря, та же мыльница, как и контроллер Lego) помещается очень мощное вычислительное устройство с тремя процессорами — ARM9, DSP и MSP (последний нужен для управления мощными моторами). Весь периметр (все боковые стенки) этого контроллера усыпаны различными разъемами, т.е. к нему можно подключить большое количество аналоговых и цифровых датчиков, есть 4 клеммы для выхода на мощные моторы, а акселерометр и гироскоп в виде миниатюрных микросхем размещены прямо на плате контроллера. С нашим опытом не так трудно разработать новый контроллер, трудно добиться, чтобы это изделие не ломалось в детских руках, которые норовят все время что-нибудь сунуть не туда и не так, чтобы были всякие защитные механизмы, чтобы можно было работать с разнообразными наборами датчиков и управляющих устройств. Например, Lego даже разъемы использует только свои патентованные с тем, чтобы в контроллер нельзя было воткнуть провод от какого-нибудь чужого датчика. Мы, конечно, не хотели идти по этому пути, так как изначально боролись за универсальность контроллера.
Но сам по себе контроллер — это просто мертвая машина. Опять-таки, пользуясь нашими заделами в области технологий программирования^], аспиранты А.Н. Терехова Юрий Викторович Литвинов и Тимофей Александрович Брыксин при участии большого количества студентов кафедры системного программирования СПбГУ разработали для конструктора систему программирования^], основанную на диаграммах, графических образах, причем применили в этой системе наши многолетние заделы по улучшению пользовательского интерфейса, экономии движения рук, распознавание жестов мышью и так далее. В результате получилась довольно удобная среда, которой могут пользоваться школьники 3-4 класса, иногда даже младше, до старшеклассников и студентов. В принципе, мы рассчитываем в ближайшем будущем выйти и на промышленное использование нашего контроллера и особенно его среды программирования для «взрослых» разработок.
Постепенно сложился коллектив единомышленников. Директором вновь созданной компании КиберТех стал преподаватель кафедры теоретической кибернетики Р. М. Лучин. Идеологом, определяющим, в каком направлении надо развивать как средства программирования, так и контроллер и остальные детали конструктора, стал С. А. Филиппов. Маркетинговую работу
взял на себя преподаватель кафедры системного программирования Яков Александрович Кириленко (кстати, он и Р.М. Лучин преуспели в совершенно фантастических масштабах — сегодня на всех конференциях, во всех школах знают, что такое ТРИК, министр связи знает Р.М. Лучина и Я.А. Кириленко по именам, сам обращается к ним на всяких конференциях, учителя забрасывают нас письмами с вопросами, где приобрести конструктор, когда появятся методические материалы — разбивка по урокам, примеры для практики и так далее). Промышленное производства контроллера, а также пластмассовых корпусов, шестеренок и металлических балок налажено компанией МакроГруп, поскольку в число учредителей КиберТеха вошел президент компании МакроГруп Дмитрий Александрович Велеславов. Как обычно, при налаживании массового производства мы столкнулись с большим количеством проблем, но, кажется, их все удалось преодолеть, и сейчас конструктор роботов выпускается в довольно больших объемах.
КОНСТРУКТОР ТРИК В ШКОЛЕ
Второй автор этой статьи Михаил Михайлович Киселев долгое время работает в физико-математической школе-лицее №419 — вначале системным администратором, а потом увлекся техническим творчеством школьников, начал организовывать различные кружки. В частности, он организовал там первые кружки робототехники на базе нескольких наборов LegoMindstorms, которые были ему подарены. С течением времени эти кружки стали массовыми, М.М. Киселев полностью отказался от Lego и перешел на конструктор ТРИК — сначала это было дополнительное внешкольное образование, в его кружках обучалось порядка 50-70 школьников, несколько раз участники этих кружков занимали первые места на крупных соревнованиях с нашим робототехническим конструктором, но постепенно интерес к езде по линии и другим стандартным соревновательным задачам угасал. Робот — это не обязательно тележка с колесами. Устройство, открывающее окно, если в комнате душно, или включающее свет, если стало темно, — это тоже робот, для которого нужен контроллер и хорошие средства программирования. Сейчас во всем мире популярна идея "умного дома", в рамках которой автоматизируются многие бытовые процессы.
Эти идеи хорошо коррелируют со школьным предметом — «Технология». Лет 20-30 назад во всех школах были уроки труда, девочки учились шить, мальчики занимались слесарным или токарным делом. В эпоху перестройки в школах стало трудно поддерживать технически сложные устройства. Кроме того, все большую силу набирало движение, одним из инициаторов которого был академик А.П.Ершов «Программирование — вторая грамотность»[5]. Практически во всех школах России появились компьютерные классы, уроки информатики. Но с течением времени стало ясно, что программирование само по себе не может заменить уроки труда. Психологи и специалисты по развитию детей давно обратили внимание на важность тренировки микромоторики, детям нужно не только "пялиться" на экран компьютера или планшета, но и делать что-то своими руками.
На взгляд авторов этой статьи, роботы являются идеальной основой для предмета Технология.
Рассказывает М.М.Киселев.
Появление на информационном стенде нашего лицея объявления о начале работы кружка «Робототехника», вызвало огромный интерес учеников, особенно начальных классов. Количество желающих заниматься робототехникой превысило технические возможности кружка. На начальном этапе в моем распоряжении были только три набора LegoMindstrorm, 15 наборов LegoWeDo и 4 LegoEducation, из методического обеспечения одна единственная книга С.А. Филиппова «Робототехника для детей и родителей»[6] и небольшой набор сайтов в интернете. При разработке программы кружка я опирался на опыт педагогов 239 лицея. Но во время первых занятий пришлось вносить существенные изменения. Вместо программы «Robolab» мы начали использовать программную разработку кафедры системного программирования СПбГУ «ТРИК-студия», что позволило снизить возрастную планку учащихся, в кружке стали заниматься дети с первого класса.
С самого начала стало понятно, что проводить занятия в младшей группе по общей программе невозможно, поэтому возникла необходимость создать для них отдельный план работы. Использование «ТРИК-студии» оказалось огромным преимуществом. Эта программная среда не перегружена пиктограммами, интерфейс доступен даже младшим школьникам и, самое главное, в ней есть 2D-модель робота, перемещающегося по плоской сцене, в которой произвольным образом задаются стенки и другие ограничения, имитируется работа разнообразных датчиков. Такой режим отладки позволяет проводить быструю проверку
выполненных заданий, не подключаясь к физическому устройству.
Для моделей, которые собирались из конструкторов, потребовалась большая наглядность и привязанность к реальной жизни. В качестве примера можно привести две такие модели:
Рис.1 Модель «Карусель» — одна шестереночная Рис. 2 Модель «Зингер» — кривошипно-шатунный
передача, назначение — развлечения механизм, назначение — домашнее хозяйство
Старшие школьники занимались, как и большинство слушателей других кружков «Робототехника», по методике, разработанной С.А Филипповым. В этом случае тоже не обошлось без трудностей. Современные дети гораздо быстрее осваивают всевозможные гаджеты, чем приобретают навыки работы обычной отверткой или гаечным ключом. К тому же, наборы деталей в конструкторах сильно ограничивают возможности конструирования реальных моделей, чаще всего из-за необходимости использования большого разнообразия материалов.
Опыт первого года преподавания конечно же важен, ведь преподаватели учатся вместе со своими учениками. Пришло понимание возможностей предмета, обозначились ключевые моменты необходимые для изучения, вскрылись и недостатки методических рекомендаций.
ИНЖЕНЕРНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ В ШКОЛЕ
После появления в физико-математической школе-лицее №419 контроллера ТРИК изменился наш взгляд на возможности преподавания технических предметов с использованием робототехники и возникла идея «Инженерной лаборатории».
Цель проекта: содействие в подготовке учащихся к самостоятельной трудовой жизни, приобщение школьников к современной технологической культуре обработки различных материалов и творческому проектированию изделий.
Задачи:
1. Заинтересовать в научных исследованиях;
2. Показать многогранность инженерных знаний;
3. Наглядно продемонстрировать действие естественнонаучных законов;
4. Показать разнообразие материалов;
5. Привить навыки пользования простыми инструментами;
6. Научить применять полученные знания в повседневной жизни.
Актуальность проблемы:
1. Недостаточность инженерных знаний обсуждается на всех уровнях;
2. Понятие usability (удобство использования) вытесняет знания о предмете (нужно не
просто знать, какую кнопку нажать, но и понимать, как и почему это работает);
3. Школьники не работают руками, так как виртуальный мир этого не требует;
4. Появление новых материалов требует их изучения;
5. Умение работать на сложных приборах и механизмах начинается с освоения простых;
6. В повседневной жизни мы также окружены сложными приборами;
7. Нацеленность на результат всегда актуальна.
Современное состояние дел по данной проблеме:
1. Отсутствуют общие методики;
2. Отсутствие соответствующих программ подготовки педагогов и материальной базы;
3. Если сохранились кабинеты труда, то не используются последние научные разработки;
4. Используются ограниченные наборы, поставляемые в учебные учреждения;
5. Существующие методики рассчитаны в основном на старшеклассников. Новизна нашего проекта:
- Использование широкого спектра материалов;
- Использование «обычных» предметов из повседневной жизни для изучения;
- Использование инновационных разработок (ТРИК и ТРИК-Студия);
- Вариативность проведения занятий;
- Разработанные стенды «участвуют» в процессе;
- Обучение пониманию предмета;
- Взаимосвязь с предметами труда, информатики, технологии, ОБЖ, здорового образа жизни и т.п.;
- Конечная цель — умение сформулировать тему проекта и реализовать его;
- Предмет «Робототехника» является составной частью «Инженерной лаборатории» На практике «Инженерная лаборатория» выглядит следующим образом.
В кабинетах физики, химии, биологии и других в шкафах нашлось некоторое количество приборов и инструментов, которые не были задействованы на уроках, в основном по причине своей технической сложности, например, цифровая лаборатория «Архимед». По аналогии с тем, как создавались ресурсные центры СПбГУ было решено все высокотехнологичные приборы собрать в одном месте для дальнейшего их использования в проектной деятельности. Первое, что было сделано — это разработаны учебные стенды: электротехнический, пожарной и охранной сигнализации, отопительные системы, гидоо и аэропоники, медицинский.
т г
Рис. 3 Стенды
Основной девиз Инженерной лаборатории «Изучение-Управление-Совершенствование». Стенды собирались только из тех составных частей, которые используются в повседневной жизни. Это электрореле, розетки, лампочки, датчики освещенности, дыма, аквариумные насосы и т. п. Все это можно при изучении потрогать, разобрать, заменить. Материалы для их комплектации тоже
как из «хозяйственного магазина». Управление составными элементами осуществляется контроллером ТРИК. То есть мы можем сами создать систему электронных элементов и датчиков и научиться ей управлять. Последняя часть девиза — совершенствование — это уже самостоятельная деятельность учащихся. По сути стенды — это набор датчиков и управляемых элементов. Область применения их зависит только от выбора преподавателя или ученика, от кабины самолета до элементов «умного дома».
Робототехника, в том числе и спортивная стала составной частью лаборатории, а название кружка поменялось на «Конструирование и программирование механизмов и роботов». ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Практические результаты не заставили себя долго ждать, на международном фестивале «Робофинист-2014» ученики 4 и 5 класса заняли 2 и 3 места в спортивной робототехнике в дисциплине «Линия-профи», надо заметить, что первое место занял студент МФТИ. На следующих соревнованиях (Открытое первенство Санкт-Петербурга), выступая уже в трех дисциплинах — в двух они заняли первые места. Проект «Воздействие звуковых волн на барабанные перепонки (выбираем наушники)» стал лауреатом Всероссийского фестиваля творческих открытий и инициатив «Леонардо» и победителем 11-х городских лицейских чтений «Здоровье человека через призму исследовательских работ школьников». Автоматический светофор ученика 5 класса, участвуя в городском конкурсе детского творчества «Дорога и мы» по профилактике детского дорожно-транспортного травматизма стал победителем районного этапа и занял второе место на городском. Выставка работ на VI Международной конференции «Информационные технологии для новой школы» вызвала огромный интерес ее участников, особенно гидропонные установки для выращивания растений. Было проведено несколько открытых уроков в рамках научно-практической конференции «Инженерное образование: опыт и перспективы развития».
В этом году учебный предмет «Технология» уже использует элементы Лаборатории в урочной деятельности. На уроках дети изучают электронные компоненты как инструмент, который будет использоваться в проектной деятельности учащихся. Спортивная робототехника выделена отдельной дисциплиной. Новые проекты были представлены в сентябре 2015 г. на международном фестивале «Робофинист». (1-е место в «Линии-профи» и 2-е место в творческой номинации для средней возрастной группы с проектом судна на воздушной подушке).
Надо отметить, что в таком виде предмет Технология полностью соответствует требованиям ФГОС, что для нас очень важно, поскольку наш лицей является городской экспериментальной площадкой по внедрению ФГОС. И что самое главное, предмет мотивирует учеников на самостоятельные исследования, поскольку нет ограничений в работе как по тематике проектов, так и с используемыми материалами для изготовления моделей.
Все возможности интеграции робототехники в учебный процесс, конечно же не исчерпаны. Поэтому обмен опытом, методиками преподавания, новыми разработками уроков является очень важным для создания общей программы обучения.
Литература
1. http://blog.trikset.com/сайт конструктора ТРИК.
2. А.Н.Терехов, Р.М.Лучин, С.А. Филиппов, "Образовательный кибернетический конструктор для использования в школах и вузах", Сборник избранных трудов «VI Международная научно-практическая конференция «Современные информационные технологии и ИТ-образование», кол-во страниц — 11.
3. А.Н.Терехов, Т.А.Брыксин, Ю.В. Литвинов, QReal: платформа визуального предметно-ориентированного моделирования, Программная инженерия, 6, 2013.
4. Andrey Terekhov, Yurii Litvinov, Timofey Bryksin, QReal:Robots an environment for teaching сотрШег science and robotics in schools, Proceedings of the 9th Central & Eastern European Software Engineering Conference in Russia, ACM New York, NY, USA ©2013.
5. А.П. Ершов, Программирование — вторая грамотность, http://ershov.iis.nsk.su/russian/second_literacy/article.
6. С.А.Филиппов, Робототехника для детей и родителей, изд.3, дополненное и исправленное, Санкт-Петербург, НАУКА, 2013.
