Соавторы: Тищенко Константин Константинович, магистрант 2 курса ФГБОУ ВО Московский педагогический государственный университет, Школа № 97, г. Москва
Научный руководитель: Чернецова Наталья Леонтьевна, доцент кафедры технологических и информационных систем Института физики, технологии и информационных систем ФГБОУ ВО «МГПУ», кандидат педагогических наук, доцент
Код уникальной десятичной классификации: 372.862

Аннотация. В статье рассматривается использование информационных технологий, в частности, виртуальных лабораторий из библиотеки Московской Электронной Школы при обучении учащихся средней и старшей школы в области технологии, робототехники и ИКТ. Проанализированы используемые инструменты, их достоинства и недостатки.

Ключевые слова: дистанционное обучение, смешанное обучение, МЭШ, видеоурок, виртуальные лаборатории, робототехника, схемотехника.

Робототехника как прикладная наука занимается разработкой и внедрением автоматизированных систем. На территории Российской Федерации она появилась в 1990-е годы, тогда же были предложены и разработаны образовательные программы [4]. За последние годы прогресс в этой области изменил все сферы нашей жизнедеятельности. Сегодня промышленные и домашние роботы используются повсеместно в нашей стране и за рубежом. Согласно статистическим данным IFR основной потребитель промышленных роботов – автомобилестроение. Лидеры по использованию промышленных роботов: Китай, Япония, США [6]. Например, в 2019 году в Китае на 10 тыс. работников промышленной сферы приходилось 187 робототехнических устройств. Существует высокий запрос на профессиональных сервисных роботов: в 2017 году на мировом рынке было продано 2,4 млн. учебно-развлекательных роботов и 6,1 млн. бытовых роботов. Все это связано с высокой и безотказной производительностью роботов в использовании.

Для отладки работы роботов и осуществления контроля требуется большое количество специалистов в области технологии, инженерии, робототехники. Поэтому в Российской Федерации организуются образовательные программы по подготовке кадров. Специальные навыки необходимо формировать в раннем возрасте, т.е. в школе. Указ президента РФ № 623 от 2015 года рассматривает робототехнику в качестве передового направления развития науки, технологии и техники. В связи с этим Департамент образования города Москвы в 2015 выпустил приказ о создании инженерного класса в Московской школе, где особое внимание уделяется такому предмету как «Робототехника». Также этот предмет реализуется в дополнительном образовании. Существует интеграция в курсы Технологии и Информатики [2], [5]. В УМК Босовой Л.Л. сделан акцент на робототехнику в начальной школе. А Копосов Д.Г. рассматривает робототехнику, начиная с 5-го класса: изучаются алгоритмы, их свойства и исполнители.

В процессе освоения программ основного общего образования по робототехнике закладываются основы инженерного мышления для дальнейшего развития обучающихся и последующей подготовки высококвалифицированных кадров инновационного и современного промышленного производства. Модернизация образовательного процесса должна оказать существенное влияние на формирование компетентных специалистов для цифровой экономики страны на всех уровнях образования [4]. Чтобы соответствовать высокому уровню и качественно осуществлять предпрофессиональную подготовку, школы вынуждены своевременно обновлять свою материально-техническую базу, что требует больших инвестиций.

Динамика развития основ робототехники в образовании достаточно высока, постоянно появляются новые робототехнические конструкторы, микроконтроллеры и др. За рубежом, в частности в Германии, Китае, Японии специалистов-робототехников готовят на различных ступенях образования (школа, колледжи, университеты). В Токийском университете располагается центр Робототехники, где реализуются разноуровневые программы по обучению робототехнике еще с начала XX века [6].

Как показал анализ специальной и технической литературы по рассматриваемой проблеме, альтернативой такому подходу является развитие виртуальных лабораторий [1], [7]. Виртуальная лаборатория (ВЛ) – это условная техническая платформа, база для осуществления компьютерного моделирования, проектирования, программирования в искусственно заданных или созданных условиях. Здесь учитываются характерные свойства окружающей действительности, при этом достигаются результаты, приближенные к реальным условиям.

Библиотека Московской электронной школы (далее – МЭШ) в 2021 году представила виртуальную лабораторию (далее – ВЛ) «Технология. Моделирование роботов», в основе которой лежит клиент-серверная архитектура, для её использования достаточно наличия браузера на устройстве. Школьники познают законы программирования микроконтроллеров, знакомятся с моделированием и построением схем, проводят опыты и эксперименты в виртуальном пространстве. Преимущество ВЛ – более простая схема обновления и модернизации виртуальных условий, чем действительных. Она способствует визуализации сложных процессов, которые трудно проиллюстрировать на привычном школьном оборудовании. Поскольку виртуальность несет в себе элементы игровой формы обучения, существует риск утраты осознания реальности, т.е. происходит снижение способности адекватно воспринимать, оценивать и интерпретировать действительность.

В рамках предмета «Технология. Моделирование роботов» ВЛ включает в себя следующие компоненты [3]:

  • Полигон – это трехмерное поле, по которому будет перемещаться робот. На нем можно расположить различные элементы: лестницы, горки, ворота, линии, держатели и др.
  • Видеоинструкция – содержит в себе справку об использовании компонентов. Дополнительно можно просмотреть подсказки-изображения используемых элементов интерфейса.
  • Меню – предназначено для работы со сценами, есть функция сохранения и открытия ранее сохраненных сцен.
  • Окружающая среда – изменение доступных параметров окружающей среды. Необходимо кликнуть на изображение «Окружающая среда», при помощи ползунков можно внести необходимые изменения.
  • ИК-контроллер – управление роботом дистанционно с помощью специального ИК-приемника.
  • Рука – фиксация положения объекта на полигоне.
  • Курсор – выбор компонентов и перемещение по рабочей области, приближение и отдаление, вращение предмета вокруг оси, перенос других объектов при использовании курсора.
  • Подача питания – кнопка для запуска схемы, происходит проверка собранной схемы (в случае наличия ошибок, необходимо внести изменения).
  • Очистка рабочей области – удаление всех компонентов с полигона. После нажатия на данную кнопку потребуется подтверждение на запуск очистки.
  • Библиотека компонентов – место хранения всех элементов, которые можно применить при построении полигона, робота и его электронной схемы. Она делится на две группы: шасси роботов и интерьерные компоненты. Для удобства у каждого элемента, уже расположенного на поле, можно посмотреть описание.
  • Режим редактирования модели робота. Чтобы перейти в данный режим, необходимо расположить робота на полигоне. При использовании этой функции можно добавлять на робота различные датчики, располагать на нем микроконтроллеры, колеса, гусеницы, манипуляторы (роборуки), макетную плату.
  • Режим схемотехники. Данная функция позволяет соединять электрические компоненты робота между собой.
  • Режим редактирования программного кода. Здесь имеется возможность корректировки и дополнения кода, исполняемым роботом и его элементами.

При разработке программ по функционированию робота можно создать как полностью автоматизированного робота, ориентирующегося на полигоне по датчикам, так и управляемого с помощью виртуального пульта человеком. Во время демонстрации на электронных панелях удобно работать мышью и с помощью касаний экрана. Однако недостатком использования виртуальной лаборатории является отсутствие возможности отправки собранной схемы преподавателю. Для показа выполненной работы обучающемуся придется авторизоваться в библиотеке МЭШ в присутствии преподавателя. Затем показать работу, либо представить видеозапись своих достижений.

В заключение отметим, что в условиях стремительной популяризации робототехники виртуальная лаборатория «Технология. Моделирование роботов» действительно выглядит привлекательно. Она способствует расширению образовательных возможностей, позволяет глубже понять изучаемый материал [8]. Однако виртуальная (игровая) реальность не может стать полноценной заменой действительности. Необходимо сформировать понимание у обучающихся о настоящем аппаратно-техническом комплексе, используемом в производстве. В качестве рекомендаций – авторам-составителям целесообразно расширить существующую базу дополнительными учебными заданиями, выполнением творческих и практических работ. При грамотном включении виртуальной лаборатории в образовательный процесс можно сформировать предпрофессиональные навыки, умения и компетенции в области робототехники. Они сформируют прочную базу для дальнейшего освоения программ высшего образования, что позволит стать высококвалифицированными и востребованными специалистами-робототехниками.

Virtual laboratory «Technology. Modeling of robots» Moscow electronic school

Skrylev V.A.,
undergraduate of 2 course of the Moscow Pedagogical State University, Secondary «School №902 «Dialogue», Moscow

Tishchenko K.K.,
undergraduate of 2 course of the Moscow Pedagogical State University, Secondary «School №97», Moscow

Research supervisor:
Chernetsova Natalya Leontyevna,
Associate Professor, Department of Technological and Information Systems, Institute of Physics, Technology and Information Systems of the Moscow Pedagogical State University, Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor

Annotation. The article discusses the usage of information technologies, in particular, virtual laboratories of Moscow electronic school library in teaching secondary school students in technology, robotics and information and communications technology. The tools used, their advantages and disadvantages were analyzed.
Keywords: remote learning, mixed learning, Moscow electronic school, video lesson, virtual laboratories, robotics, schematics