Сегодня, согласно принимаемым на правительственном уровне документам, основной стратегической задачей развития России является достижение нового уровня экономического и социального развития, соответствующего статусу мировой державы. В условиях глобальной экономической конкуренции, обеспечить национальную безопасность страны, занимающей передовые позиции в мировом сообществе, возможно только в том случае, если экономика страны основана на активном использовании высокотехнологичного производства и значительном интеллектуальном потенциале специалистов [1].
Одним из приоритетных направлений развития современной науки является кибернетика и, в частности, робототехника. Ее история неразрывно связана с историей развития науки, техники и технологий, ее практически невозможно отделить от большинства изобретений, сделанных человечеством. Сегодня робототехника представляет собой интегративное направление научно-технического прогресса, объединяющее знания в области физики, микроэлектроники, современных информационных технологий и искусственного интеллекта. Робототехника охватывает достаточно широкий класс систем: от полностью автоматизированных производств (производственные конвейерные линии, беспилотные космические корабли, автоматические подводные аппараты и т. д.) до бытовых помощников и детских игрушек.
Такое интенсивное внедрение искусственных помощников в производственную и личную сферы жизни общества требуют от пользователей обладания определенным уровнем знаний в области организации и управления роботизированными устройствами и системами, как у взрослых, так и у детей. Сегодня во многих странах мира, таких как Австралия, Дания, Израиль, Канада, Китай, Корея, США, Сингапур, Япония, и т.д., наблюдается значительное увеличение интереса к общеобразовательной составляющей данного научно-технического направления. В этих странах технические университеты самостоятельно или совместно с производственными компаниями (FANUC, RoboticsAmericaInc., MobileRobotsInc., и др.) развивают программы образовательного направления для привлечения школьников и студентов к данной сфере, например, ILERT [5]. В некоторых странах Азиатско-Тихоокеанского региона, в США, в станах Евросоюза робототехника является общеобразовательным предметом, изучаемым в 9-12 классах.
К сожалению, в России школьная общеобразовательная программа изучение такого предмета не предусматривает, кроме того, анализ содержания программ и учебников родственных предметов (физика, технология, математика, информатика), рекомендованных Министерством образования, показывает, что ни один из них не затрагивает вопросов, связанных с изучением данного направления. И это несмотря на то, что знания из данной предметной области актуальны и востребованы сегодня как на профессиональном, так и на бытовом уровне.
Сегодня многие ведущие фирмы, производственные и научные организации в сфере высоких технологий занимаются разработкой и продвижением образовательных проектов в области IT-технологий и применения цифровой техники в школьном образовании. Ряд фирм, такие как LEGO, DFRobot, UCR, INEX, и др., выпускают образовательные робототехнические конструкторы и комплексы для учебных лабораторий: MechatronicsControlKit, FestoDidactic, LEGO Mindstorms, fischertechnik, Arduino, Архимед и др., на основе программируемых микроконтроллеров, в состав которых, как правило, входят конструкционные детали, сервомоторы и различные датчики, позволяющие школьникам понять организацию и функционирование современных промышленных и научных роботизированных систем, а также освоить технологию их проектирования и моделирования. Большинство программного обеспечения, поставляемого вместе с конструктором, реализует парадигму визуального программирования. Среды имеют графический интерфейс, управляющие программы представляют собой рисунки-схемы, способные реализовать работу достаточно сложных систем, а освоение таких сред и принципа программирования, как показывает российская и мировая практика, не представляет особых проблем для обучающихся. Кроме того следует отметить, что используемые для конструирования роботов наборы могут быть использованы и как современные высокотехнологичные исследовательские лаборатории, с помощью которых можно организовать научно-исследовательскую деятельность обучающихся по различным естественнонаучным направлениям: биология, химия, БЖД, окружающий мир, изучение физических явлений и математических закономерностей и т.д. Программируемые микроконтроллеры, на базе которых поставляется робототехнический конструктор, можно использовать и для регистрации одного или нескольких данных. Специальные модули используемого программного обеспечения позволяют полученные с датчиков данные различных физических величин представлять в виде таблиц и графиков, что значительно облегчает обучающимся процесс выявления зависимостей и закономерностей.
Следует отметить, что в последние годы в России, в связи с продвижением Общероссийской программы «Робототехника: инженерно-технические кадры инновационной России», реализуемой с 2008 года по инициативе и под патронатом Федерального агентства по делам молодежи и Фонда поддержки социальных инноваций «Вольное Дело», достигнуты определенные результаты: организовано более 40 ресурсных центров программы во многих регионах страны; ежегодно проводятся для школьников робототехнические фестивали, соревнования и олимпиады всех уровней; проводятся летние образовательные площадки и т.д. [2]. Однако результаты исследования показывают, что ознакомление школьников с основами робототехники осуществляется преимущественно в рамках дополнительного образования в виде кружков, клубов, секций, факультативных и элективных курсов. Вместе с тем можно отметить положительный результат ряда пилотных регионов страны (Санкт-Петербург, Архангельск, Челябинская обл. и т.д.), где предмет «Образовательная (общая) робототехника» включен в учебный план образовательных учреждений за счет регионального компонента, и как показывает практика, учащиеся этих школ с успехом осваивают данное направление, показывая высокие результаты своих учебных и исследовательских достижений [2, 4].
Принятие ряда стратегических документов, направленных на развитие российской системы образования: Федеральных государственных образовательных стандартов нового поколения (ФГОС), Национальной образовательная инициатива «Наша новая школа», Концепции Федеральной целевой программы развития образования на 2011 - 2015 годы и др. дает возможность образовательным учреждениям самостоятельно решать вопрос о том, каким образом они будут способствовать формированию высокообразованного инновационно мыслящего «человеческого капитала». Мы считаем, что одним из возможных вариантов является внедрение образовательной робототехники, поскольку она в явном виде позволяет реализовывать компетентностный подход, концепцию «обучения на проектах». Как показывает практика, применение образовательных робототехнических конструкторов даёт возможность одновременного освоения, закрепления знаний и отработки навыков сразу по нескольким предметам: информатика, математика, физика, технология, биология, химия и т.д. В свою очередь, формирование комплексных знаний способствует развитию системности мышления, учит комплексно подходить к решению реальных практических задач.
Включение вопросов робототехники в учебный процесс требует и соответствующей квалификации педагогов. Образовательная робототехника - это не только новое междисциплинарное направление в обучении, развитии школьников, но и новое направление в теории и методике обучения. Педагог, берущийся за преподавания основ робототехники школьникам, должен обладать соответствующими знаниями и навыками по теории и методике обучения частным вопросам таких предметов, как математика, технология, физика, информатика и ИКТ, а также иметь базовые знания по некоторым дисциплинам технических ВУЗов, в частности по теории автоматического управления, и при этом хорошо разбираться в программировании, поскольку каждая модель учебного робота - это не просто занимательная игрушка, это точный автономный механизм с обратной связью, управляемый достаточно сложной программой, содержащей ветвления, циклы, подпрограммы, параллельные программы и т.д.
Как показывают результаты исследования, подготовка педагогических кадров по вопросам образовательной робототехники в данный момент осуществляется преимущественно в виде семинаров-презентаций, мастер-классов, либо краткосрочных курсов и учебно-тренировочных сборов, ориентированных на соревновательное (спортивное) направление, которое реализуют Ресурсные центры Общероссийской программы. Подобные мероприятия позволяют педагогам получить общее представление о робототехнических соревнованиях, базовых конструктивных решениях и используемых алгоритмах. Такое фрагментарное знакомство с робототехникой у педагогов зачастую порождает большое количество вопросов, ответы на которые не всегда может найти учитель-предметник, поскольку предполагают интеграцию знаний из разных предметных областей. Все это приводит к непониманию общеобразовательного и развивающего потенциала данного направления. Кроме того, на таких мероприятиях не рассматриваются возможности использования образовательных робототехнических конструкторов для организации на их базе научно-исследовательской деятельности обучающихся.
В рамках реализации долгосрочной целевой программы «Основные направления образования и науки Тюменской области» нами было проведено исследование на предмет готовности школьных учителей и студентов педагогического вуза изучать и в дальнейшем использовать в работе со школьниками вопросы, связанные с робототехникой. Исследование показало, что наибольшую готовность к освоению данного направления показывают школьные учителя информатики и ИКТ, и студенты, обучающиеся по этой же специальности (направлению). Данный результат, на наш взгляд, объясняется тем, что информатика наиболее близка кибернетике, разделом которой, по сути, и является робототехника, а также достаточной базовой межпредметной подготовкой, обеспечиваемой учебным планом данной специальности (направления). Кроме того, разработка алгоритмов и управляющих программ любой сложности для учебных роботов у учителей информатики не вызывает особых затруднений и является естественной сферой их профессиональной деятельности.
Для студентов физико-математического факультета ТГСПА им. Д. И. Менделеева 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:
- Знакомство студентов с основами современной робототехники.
- Формирование общенаучных и технологических навыков проектирования и конструирования самоуправляемых робототехнических систем.
- Развитие алгоритмической культуры, формирование навыков программирования робототехнических систем.
- Изучение и развитие методики внедрения элементов образовательной робототехники в изучение различных школьных предметов.
- Изучение методических особенностей подготовки школьников к участию в различных робототехнических мероприятиях.
- Освоение возможности использования робототехнического конструктора в научно-исследовательской деятельности школьников.
- 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. Содержательно первый модуль курса знакомит студентов с теоретическими основами робототехники мехатроники, с элементами теории автоматического управления, основами потокового программирования и направлен на формирование общенаучных и технологических навыков проектирования, конструирования и программирования образовательных робототехнических систем. Для проведения занятий по данному курсу в академии выделен специализированный кабинет, площадью 50 м2, который оборудован специализированной учебной мебелью, компьютерной и проекционной техникой, локальной сетью, доступом в Интернет. Для организации занятий закуплены робототехнические образовательные конструкторы LegoMindStormsNXT 2.0 базовой комплектации, ресурсные наборы, устройства беспроводной связи с контролерами, дополнительные датчики.
Содержание второго модуля рассматривает методические аспекты организации обучения школьников основам робототехники и имплицитное включение ее элементов в изучение различных общеобразовательных предметов (информатика, математика, физика, технология, химия и т.д.), а также вопросы использования робототехнического конструктора в организации научно-исследовательской деятельности школьников. Особое внимание уделяется освоению методов и методических приемов организации групповой и коллективной работы обучающихся, направленной на выработку конструктивных решений поставленной задачи, а также развитию их творческих способностей.
По третьему модулю программы студенты, изучающие данный курс в рамках учебного процесса, проводят занятия курсов дополнительного образования со школьниками на базе академии или занятия робототехнического кружка на базе МАОУ «Лицей», городского Дома детского технического творчества. Занимаются подготовкой школьников к различным робототехническим мероприятиям: соревнованиям, фестивалям, выставкам, конкурсам, научно-практическим конференциям и т.д. Летом студенты проходят практику на базе летних образовательных площадок, лагерей в качестве преподавателей-инструкторов по робототехнике.
В 2012-2013 гг. более тридцати выпускников физико-математического факультета академии получили сертификаты и удостоверения, подтверждающие их научную и методическую готовность обеспечить инновационную работу со школьниками по направлению «Образовательная робототехника».
Статья выполнена в рамках финансирования долгосрочной целевой программы «Основные направления образования и науки Тюменской области».
Рецензенты:
Колычева Зоя Ивановна, доктор педагогических наук, профессор ТГСПА им. Д. И. Менделеева, профессор Российской академии естествознания, г. Тобольск.
Яркова Татьяна Анатольевна, доктор педагогических наук, профессор, заведующая кафедрой педагогики и социального образования ТГСПА им. Д. И. Менделеева, г. Тобольск.