Примеры робототехники в школе

Обновлено: 05.07.2024

Этот подраздел посвящен детским творческим исследовательским проектам по робототехнике учеников 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 классов, а также воспитанников детских образовательных учреждений под руководством педагогов, в которых описывается теория робототехники как прикладной науки, введение занятий по робототехнике в ДОУ, методы моделирования и конструирования роботов при помощи конструкторов lego ev3 и wedo, история LEGO. В творческих проектах и работах по робототехнике даются практические рекомендации по легоконструированию, выполнение проектирования и сборки умного города, парка для отдыха, манипулятора, робота-сортировщика мусора, робота-пожарного.

Разбираемся с терминами и понятиями

Робототехника (robotics) — наука и практика разработки, производства и применения роботов.

Образовательная робототехника, в свою очередь, – это междисциплинарная учебная среда, основанная на использовании роботов и электронных компонентов в качестве общей составляющей для улучшения развития навыков и компетенций у детей и подростков. Это, прежде всего – дисциплины, именуемые STEAM ( s cience – наука, t echnology – технология, e ngineering – инжиниринг, a rts and m ath – искусство и математика), хотя робототехника может также затрагивать и другие области, такие как лингвистика, география и история.

Всех роботов условно можно разделить на два типа – промышленные и обслуживающие (сервисные) устройства. Те, которые используются в школах и колледжах, в большинстве своем, относятся к обслуживающим, но тут стоит обратить внимание на важный нюанс – целью создания таких роботов является не новый продукт или сервис, а именно образование – то есть передача связанных знаний о мире, технике, социальных взаимодействиях или иных навыков посредством конструирования и программирования робота. То есть робот в образовании – это не цель, а только лишь инструмент.

История образовательной робототехники в России

Как в России, так и за рубежом, появление и развитие образовательной робототехники неразрывно связано со знаменитой датской компанией Lego. Именно она разработала первый массовый роботехнический конструктор Lego Mindstorms в уже далеком 1998 году. В том же году первые наборы этого конструктора появились в нескольких пилотных школах Москвы, а еще через пару лет начались массовые поставки, были разработаны первые учебные методические материалы.

В дальнейшем робототехническое образование начинает набирать популярность, уже начиная с 2010-х годов, появляются кружки, сайты, региональные программы развития и поддержки, а также первые отечественные производители. Робототехника попадает во ФГОС и становится обязательным элементом школьного образования:

ФГОС ООО (Приказ Минобрнауки РФ от 17 декабря 2010 г. № 1897)

Как мы видим, буквально за полтора десятка лет робототехника прочно вошла в школу и продолжает развиваться. Но почему же робототехника так важна для современного образования и зачем она приходит уже даже в детские сады? Давайте разберемся.

Для чего ребенку робототехника?

Для начала необходимо уточнить, что отдельного предмета Робототехника в школьной программе, а тем более в программе детского сада, не существует. Эта тематика затрагивается в основном в рамках дополнительного образования, а также на уроках технологии и информатики. Кроме того, практически в каждом городе России существует множество кружков, секций и центров робототехники, как сетевых, охватывающих практически всю страну, так и местных.

Робототехника так привлекательна для педагогов и тренеров, в первую очередь потому, что позволяет охватить очень большой пласт знаний и компетенций, показать ребенку их взаимосвязь, развить принципиально новые навыки. Среди них и критическое мышление, и творческий подход к решению задач, а также работа в команде, креативность, адаптация, кодирование, различные коммуникативные навыки, а также – ответственность, умение систематизировать собственные действия, развитие пространственного восприятия и отношений между объектами и субъектами. Кроме того, конструируя, собирая, программируя робота, ребенку требуются самые различные знания из математики, информатики, физики, инженерии, а иногда даже химии и биологии.

Создание робота в формате образовательной робототехники должно приводить не просто к появлению движущейся машинки или предмета, выполняющего заданный алгоритм действий, а к реализации проекта с заранее запланированным результатом посредством робота. То есть построить прибор, который будет поливать цветы в теплице в зависимости от влажности почвы, конечно, возможно и это тоже будет результат, но намного более значимым проектом станет конструирование подобной теплицы и оснащение ее необходимыми приборами и датчиками, позволяющими получить лучший урожай.

Для создания подобного оборудования ребенку потребуется не просто расставить датчики и подвести привод, но разобраться с особенностями почвы, требованиями к освещенности для различных растений, вегетативным циклами и множеством других вопросов, напрямую с конструированием робота не связанными.

Именно поэтому робототехника считается важным элементом STEAM-образования – модели обучения, предназначенной для совместного изучения естественных наук, математики и технологий, и в которой практика имеет приоритетное значение над теорией.

Кроме всего вышесказанного, робототехника позволяет развить так называемое вычислительное мышление. Проектируя и создавая роботов, мы учимся абстрагироваться от концепций, разделять большую проблему на мелкие части и предлагать решения, которые могут быть представлены в виде последовательности инструкций и алгоритмов.

Роботы с пеленок

Последнее время робототехника становится все более популярным способом для практического знакомства с информатикой даже самых маленьких детей. Наборы робототехники в этом случае выступают как инструменты, с помощью которых дети могут создавать, строить или программировать, повышая технологическую грамотность. Существуют различные наборы, каждый из которых поддерживает разные виды деятельности и стили обучения, в том числе заранее сконструированные роботизированные системы (например, Bee-Bot) и системы, которые дают детям возможность участвовать в создании робота (например, Lego Education WeDo 2.0).

С помощью игры обучающие роботы помогают детям в раннем возрасте развить одну из основных познавательных компетенций математического мышления: вычислительное мышление. То есть они помогают развивать мыслительный процесс, который мы используем для решения различных проблем, посредством упорядоченной последовательности действий – алгоритма.

Конечно, роботы для малышей — это не те конструкторы, которые они встретят в школе, их не нужно долго и кропотливо собирать, они довольно просты в использовании и обычно умеют делать не так много, например, ходить вперед-назад и поворачиваться (как Bee-Bot). Но этого уже достаточно для того, чтобы дети начали понимать принципы алгоритмики и в будущем смогли легко справляться с более сложными задачами.

Робототехника в современном российском образовании

Сейчас в России нет единой политики и стандартов в отношении робототехники в образовании, что обусловливает заметные различия в характере и масштабах ее развития в регионах. Драйверами развития направления зачастую являются педагоги-энтузиасты, частные компании, иногда этим направлением заинтересовываются чиновники от образования, что дает заметный рост в регионе.

Так в Москве наборами робототехники, которые входили в комплектацию инженерных классов, были оснащены большинство образовательных комплексов за счет бюджетных средств.

А, например, в Свердловской области робототехника развивалась усилиями частных компаний и уже позднее в это направление включился Свердловский институт развития образования и государственные структуры.

Иной сценарий был выбран в Пермском крае. В этом регионе Министерство образования обязало директоров в каждой школе создать зоны робототехники, а позже в подобные проекты также были вовлечены и детские сады.

Конечно, в крупных городах и региональных центрах (прежде всего, в Москве и Санкт-Петербурге) вариантов для занятий робототехникой много, и они разнообразны. Программы предлагают как государственные организации (школы, организации дополнительного образования, вузы), так и большое число частных клубов. Содержание программ, продолжительность и цены могут отличаться существенно. Большую долю рынка занимают крупные сетевые кружки, такие как Лига роботов, РОББО, StartJunior.

Основным барьером для развития робототехники в небольших городах и поселках является банальная нехватка денег. Наборы для робототехники дороги, а самостоятельно закупать оборудование школы и детские сады зачастую могут в очень скромных объемах.

Роботы вокруг нас

Мы уже сейчас живем в мире роботов, часто не замечая этого. Автоматические двери супермаркетов, лифты, багажные ленты, автоматы самообслуживания – это все роботы. И если для взрослых роботизированный мир наступал постепенно, то наши дети родились уже в нем. Конечно, понимание законов функционирования этого мира, правил взаимодействия с ним для получения необходимого результата здорово упрощает жизнь. А робототехника дает именно эти необходимые знания, делая мир вокруг понятным и предсказуемым.

Оригинальная статья размещена здесь.

Чтобы быть в курсе последних новостей из мира образования, подписывайтесь на наш Telegram-канал .

Современное образование невозможно представить без использования высоких технологий и роботизации. Школы повсеместно оснащаются электронными досками, в университетах появляются роботизированные системы для изучения программирования и инженерного дела. Об образовательном применении разных образцов робототехники мы рассказываем в этой статье.

Этот рынок постоянно развивается: появляется множество интересных разработок от стартапов и крупных компаний. Процесс охватил все развитые страны: производством занимаются не только в США и западной Европе. В лидеры вырывается Китай, свои разработчики появляются и в России.

Направление в обучении, основанное на использовании роботов, называется STEM (от англ. “science, technology, engineering and mathematics — наука, технологии, инженерия и математика”).

Производители роботов

На рынке автоматизированных систем для обучения нет недостатка в производителях. Многие крупные компании, специализирующиеся на разработке роботов или обучающих систем, пошли в этом направлении. О некоторых из них читайте далее.

Начальное образование

В начальном образовании применяются в основном игровые системы, которые в интересной форме позволяют детям освоить азы высоких технологий.

Фото: Образовательное решение Lego Mindstorms.

Одним из крупнейших производителей является знаменитая компания LEGO. Они выпускают обучающие конструкторы, собирая которые дети познают основы инженерного дела. А с помощью набора WeDo 2.0 учащиеся могут получить ещё и начальные навыки программирования, проектирования и научной деятельности.

Амперка

Фото: Амперка МАТРЁШКА Y.

Российская компания Амперка выпускает наборы для обучения инженерному делу. В них входят микросхемы, резисторы, провода и другие детали для создания механизмов. Продукция различается по сложности, поэтому может использоваться не только в начальной школе, но и в старших классах.

Makeblock

Фото: Конструктор makeblock mBot Ranger Robot Kit.

Makeblock — китайский производитель роботов, прославился разработкой mBot. Это устройство для детей обучит их логическому мышлению, даст начальные инженерные навыки. В игровой форме ребёнок освоит азы программирования, научится анализировать и решать поставленные задачи.

Robotis

Фото: Робот ROBOTIS DARwIn-MINI.

А фирма Robotis предлагает игровые наборы в виде роботов, обучающих детей программированию. В игрушки встроены микросхемы, которые можно перепрограммировать, чтобы устройство выполняло определенные действия.

Среднее образование

Устройства для средней и старшей школы уже более серьёзные. Они позволяют решать конкретные задачи, при этом обучаясь робототехнике и программированию.

uFactory

Фото: uArm можно “научить” поднимать предметы и перекладывать их в нужное место.

Китайская компания uFactory, знаменитая своими обучающими технологиями, представила механизм uArm. Это роботизированная рука, которую можно “научить” выполнять различные действия.

Ученики познают основы робототехники, программируя устройство на выполнение каких-то задач. Учащийся сможет создать собственный конвейер с полной автоматизацией процесса.

Hanwha

Фото: Коллаборативный робот Hanwha HCR-3.

Компания Hanwha специализируется на разработке коллаборативных роботов. Они позволяют применять в учебных целях системы реального производства, программировать “руку” на выполнение необходимых действий и обрабатывать материалы.

Высшее образование

Роботы для вузов — это уже профессиональное оборудование, которое поможет в научной и инженерной деятельности, в реализации проектов и научных работ.

Крупнейшими производителями таких устройств являются Fanuc и Kuka.

Фото: Роботизированная ячейка управляется удалённо, с помощью пульта.

Kuka предлагает для учащихся специализированную ячейку ready2_educate. Роборука способна выполнять любые действия: перемещение, захват и т.д. Через командный блок осуществляется программирование — устройству можно задать разнообразные задачи.

Fanuc

Фото: LR Mate 200iD — профессиональное устройство, которое используется и в производстве, и в обучении.

Робот Fanuc LR Mate 200iD позволяет выполнять производственные задачи. Это небольшая автоматическая рука с разнообразными насадками. Она пригодится инженерам для выполнения операций по обработке материалов.

Примеры использования роботов в обучении

Russel помогает больным детям

Роботизированные технологии помогают упростить процесс обучения детей с заболеваниями. Например, робот Russel разработан специально для работы с учащимися болеющими аутизмом.

VGo для удаленного обучения

Если у ребёнка нет возможности присутствовать на занятиях, то поможет устройство VGo. Робот управляется с домашнего компьютера, перемещается между классами, передает и принимает изображение. А благодаря динамикам ученик сможет контактировать с окружающими.

Engkey — дистанционный учитель

В Южной Корее получил распространение робот Engkey. Это устройство транслирует голос учителя в аудиторию. Таким образом студенты и школьники учат английский язык с помощью удаленного преподавателя.

Китайский стартап Makeblock поможет студентам освоить программирование роботов

Китайский стартап Makeblock стремится помочь студентам создавать роботов и учиться писать компьютерные программы в увлекательной игровой форме, поскольку тенденция внедрения робототехники в образование становится глобальной.

Фото: mBot V1.1-Pink

Компания из Шэньчжэня создала платформу с открытым исходным кодом, которая позволяет пользователям легко собирать различные механические детали и электронные модули. В настоящее время технология используется в более 300 школ по всему Китаю. Электронные наборы позволяют ученикам собирать простых роботов, управлять ими и писать простые программы.

Фото: Makeblock mBot v1.1-Blue (Bluetooth Version) — робот-конструктор, которым можно управлять по Bluetooth.

В то время как другие образовательные роботизированные наборы, например, Lego Mindstorm, стоят больше 300 долларов, продукты Makeblock отпускаются от 95 долларов. Одним из самых популярных продуктов является набор mBot, который привлек более 285 000 долларов в рамках краудфандинговой кампании на Kickstarter.

mBot — это не просто готовый робот. Его ещё надо собрать и запрограммировать.

Роботизированные комплекты работают с mBlock, программой, которая позволяет пользователям легко контролировать движения роботов, комбинируя команды.

Компания впервые начала создавать детали для роботов ещё в 2013 году, но затем переключилась на образовательные наборы в области науки, техники, инженерии и математики (STEM).

Несколько начальных школ в Чжэнчжоу, городе в провинции Хэнань, и в провинции Цзянсу, заключили соглашение с Makeblock, которая создаёт на их базе инновационные центры и лаборатории робототехники.

Makeblock Education прост в использовании, так как пользователям не нужно устанавливать программы. Они могут написать код прямо в браузере и поделиться им с другими членами сообщества.

Системы Wisenet от Hanwha в Бейкентском университете

Студенты-медики в Бейкентском университете должны выполнять лабораторные занятия, включая аудиометрию и углубленное моделирование. Однако в аудиометрической лаборатории только 3 из 20 учеников в классе могут находиться в “тихом” кабинете, где проводится проверка слуха.

Около 450 камер Hanwha Techwin были установлены в нескольких кампусах университета с октября 2015 года по август 2017 года. В частности, 2-х мегапиксельные (SND-6084R) и 5-ти мегапиксельные камеры высокого разрешения (XNO-8080R) в лабораториях для поддержки обучения студентов-медиков.

Университет также установил камеры и рекордеры Wisenet, чтобы создать безопасную среду для студентов и преподавателей во всех помещениях, включая общежития, аудитории, медицинскую школу и стоматологический факультет в кампусе Авалон.

Производимая компанией Hanwha робототехника может применяться для обучения операторов и техников обслуживания роботизированного производства. В частности — коллаборативные роботы серии HCR используются в корейском университете Changwon Moonsung University при обучении студентов работе с робототехникой.

Роботы заменили учителей в Бангалоре

Высокие технологии и искусственный интеллект пробираются в классы в виде человекоподобных роботов, заменяя живых учителей. Это не сюжет из фильма про далёкое будущее, а реальность в Бангалоре, Индия.

“Наши роботы ежедневно проводят уроки по пяти предметам примерно для 300 учащихся 7–9 классов. Они взаимодействуют с детьми и отвечают на вопросы по предметам”,
— заявил главный конструктор Индийской международной школы Вигнеш Рао.

Хотя пятифутовые роботы, одетые в официальные женские костюмы, полностью не заменяют настоящих учителей, они помогают им в преподавании и отвечают на часто задаваемые вопросы студентов.

“Мы запрограммировали интерактивных роботов отвечать на вопросы, которые ученики чаще всего задают по предметам”.

В частной международной школе-интернате по 25 учащихся в каждом классе. Заведение связано с Международным институтом бакалавриата (IB) в Женеве и работает по собственной программе, которая признана во всём мире.

Роботы с поддержкой ИИ преподают биологию, химию, географию, историю и физику. Согласно модели совместного обучения (CLM), в школе работает команда, состоящая из учителя, учеников и робота. Учитель сотрудничает с роботом и задаёт основные моменты, которые тот должен осветить.

Рао и его команда из 17 человек спроектировали и изготовили трех собственных роботов с помощью 3D-печати. Эти машины имитируют жесты, похожие на человеческие, могут передвигаться и говорить.

“Нашей команде понадобилось почти два года, чтобы спроектировать и разработать эти машины с программным, аппаратным и искусственным интеллектом, сделать их помощниками в преподавании и позволить учителю-человеку быть более значимым в классе, чтобы он мог сосредоточиться на ребёнке, а не на предмете”.

Команда состоит из специалистов: программистов, разработчиков контента, графических дизайнеров и инженеров, которые создали мобильных роботов весом по 45 кг каждый.

Несмотря на то, что команда не привлекала ни одного производителя для создания роботов, она закупала аппаратные и программные компоненты у лучших игроков отрасли.

Благодаря современным устройствам учителя могут вести обучение удалённо. Фото inspire-edu.tech

“Реакция студентов на робота положительная и обнадеживающая. Они чувствуют, что сотрудничество между учителем-человеком и роботом улучшает обучение. Это заставляет учителя-человека сосредоточиться на ребенке и персонализировать обучение”.

Школа, которая считается первой в своём роде, планирует масштабировать пилотный проект и выпустить больше роботов для других классов и предметов.

Заведение подало заявку на международный патент для защиты интеллектуальной собственности своего гуманоидного робота Eagle 2.0.

“Цель CLM состоит в том, чтобы сделать учителей-людей более креативными в сфере образования. Роботы не заменят своих коллег, они будут работать вместе с учителями в качестве инструмента и помощника, улучшая учебный процесс”.

Робот Сайя — знаменитая японская разработка 2009 года. Создатели смоделировали реалистичную внешность с возможностью выражения эмоций. Модель говорит на нескольких языках и используется в обучении детей младшего школьного возраста. Фото cbc.ca

Будущее роботов в образовании

Роботы становятся неотъемлемой частью образовательного процесса, что показывает быстрый рост рынка. Конечно, устройство не может полностью заменить учителя — такие системы берут на себя рутинные задачи, что в разы увеличивает эффективность образования.

Роботизированная техника полезна для всех возрастов учащихся — от младших классов до университетов. Благодаря ей дети учатся азам IT и инженерии, развивают логическое мышление, а студенты на живом примере проводят лабораторные и практические работы, что может послужить основой для будущей научной и профессиональной карьеры.

Для оснащения учебного заведения робототехникой обратитесь в Top 3D Shop — подберем оптимальный набор оборудования и ПО по вашим требованиям и программе обучения.

Подписывайтесь на наш телеграм-канал с отборными кейсами Роботизации и Автоматизации со всех уголков мира:

На самом же деле, образовательная робототехника не является ни заумным предметом, ни профессией будущего, ни беззаботным развлечением. А является она базой для серьезного изучения прикладных технических навыков, необходимых для будущего технаря уже сейчас.

Самое главное — не стоит нацеливаться на конкретные результаты, вроде занятия призовых мест на различных соревнованиях по робототехнике. Они нужны в первую очередь для социализации, созданию интереса к отрасли и духа соревнования. Это тот самый случай, когда во всех смыслах участие важнее победы. Здесь робототехника ближе к художественной школе с её выставками, где главное — на других посмотреть, да себя показать.

В качестве результата обучения можно рассматривать постепенное увеличение сложности создаваемых проектов (как в кружке, так и дома), однако тут всё индивидуально.

Перейдем к наиболее часто задаваемым вопросам:

Чем мы занимаемся на робототехнике?

Для всего этого нам часто приходится использовать математику и банальную интуицию. А логическое мышление — вообще наше всё.

У скептицизма в сторону LEGO есть две причины:

1. Поверхностное знакомство с этим набором. Многие преподаватели из кружков робототехники (даже ВУЗовских!) грешат тем, что плохо знают то, на чем они работают. Будучи не сильно знакомы с основами конструирования механизмов и программирования, они не в состоянии оценить все возможности инструмента, а тем более задействовать их в образовательных целях.

В реальности у LEGO Mindstorms всего 2 существенных минуса:

Низкая жесткость больших конструкций
Большой размер и вес главного модуля и двигателей (миниатюрных сервоприводов в наборе нет)

Для какого возраста подходит робототехника?

10-14 лет — самый эффективный возраст для обучения, поскольку отношение к предмету обычно более серьезное, интерес более профессиональный, и нет страха перед математикой уровня шестого класса. К тому же можно рассказать, для чего нужны эти пресловутые синусы-косинусы, прикладной смысл которых в школе остаётся неизученным.

Также, спустя год обучения, можно перейти с LEGO на свободную элементную базу (одноплатные компьютеры и датчики из китая + алюминиевые профили из строительного магазина).

А что, если купить такое LEGO домой и заниматься самим?

Это вполне здравая идея, если:

Вы обладаете хотя бы минимальными знаниями о механизмах и программировании и способны изучить набор в полной мере самостоятельно. У вас есть лишние ~40 т.р. на покупку набора и некоторых дополнительных модулей. Однако даже в этом случае лучше параллельно учиться в кружке, развивая дома те идеи, которые пришли в голову после изучения новой темы.

Почему мы не используем инструкции?

Когда ребенок что-то строит по инструкции, он просто повторяет, не вникая в суть того, для чего та или иная деталь или узел нужен. Безусловно, купить дорогой набор LEGO Tehnic с кучей механики, пневматикой, и не построить предлагаемые модели по инструкции хотя бы ради изучения принципа работы — плохая идея. Эти модели очень сложные и интересные для изучения. Однако у нас в кружке главное — реализовать какой-либо принцип. А вот каким путем — уже проблема учащегося, которую он должен решить, используя свою голову. Пусть даже неправильно, с ошибками, но — сам. Инструкции у нас используются только когда мы собираем модель с очень сложной механикой и/или программой для изучения принципа работы.

Если в кружке собирают по инструкциям постоянно — это свидетельство профессиональной некомпетентности преподавателя. Такое часто наблюдается в кружках по франшизе и при школах.

Исключением можно считать книжки — сборники разнообразных механических узлов из LEGO (и не только). Такая шпаргалка очень полезна при проектировании.

Читайте также: