Робототехника

По всем вопросам связанным с внедрением робототехники

в образовательный процесс обращаться на

e-mail: inf-tech@mail.ru

Швечков А.Е.

Роботы-игрушки, как исполнители алгоритмов

В XXI веке робототехника является одним из приоритетных направлений в сфере информатики, экономики, машиностроения, здравоохранения, военного дела и других направлений деятельности человека. И специалисты, обладающие знаниями в этой области, чрезвычайно востребованы. Но в России существует проблема недостаточной обеспеченности инженерными кадрами и низкий статус инженерного образования. Поэтому, необходимо вести популяризацию профессии инженера, ведь использование роботов на производстве, в быту и на поле боя требует, чтобы пользователи обладали современными знаниями в области управления роботами. Как этого достичь? С чего начинать? Школа – это первая ступень, где можно закладывать начальные знания и навыки в области робототехники, прививать учащихся интерес к робототехнике и автоматизированным системам.

С 2015 года курс основ робототехники включён в образовательную программу российских школ. Изучение «Основ робототехники» обеспечивает возможность для непрерывного технического образования, создает условия для освоения самых современных технологий, ориентирует учащихся на выбор востребованных перспективных профессий в бурно развивающемся информационном обществе. Естественно, не нужно ожидать, что занятия робототехникой приведут к тому, что все дети захотят стать программистами и робототехниками, инженерами и исследователями. Но эти занятия ведут к значительному росту общенаучной подготовки школьников, активному развитию их мышления, логики, математических способностей и исследовательских навыков.

В основном, при обучении детей робототехнике в школах используются конструкторы LEGO Mindstorms Education. Конструкторы LEGO Mindstorms Education комплектуются набором стандартных деталей LEGO (балки, оси, колеса, шестерни, сервомоторы) и набором, состоящим из сенсоров, двигателей и программируемого блока. Эти конструкторы предназначены для создания нескольких видов программируемых роботов различной степени сложности. Базовый набор конструктора LEGO Mindstorms Education EV3 оптимизирован для использования в классе или кружке робототехники и содержит все необходимое для обучения с помощью технологий LEGO Mindstorms. Но на пути широкого применения данного конструктора есть очень существенное препятствие – высокая цена базового и ресурсных наборов.

Если учесть, что один набор конструктора LEGO фирма-производитель рекомендует использовать максимум двумя детьми, то понятна «неподъёмность» для большинства школ оснащения курса подобными наборами.

А ведь использование робототехники, кроме курса «Основ робототехники», является очень полезным и при изучении алгоритмики. Изучение алгоритмики помогает развить у учащихся алгоритмическое мышление, что само по себе является базой для освоения программирования. Поэтому, алгоритмика является очень важной частью курса информатики. Для исполнения созданных алгоритмов нужен исполнитель, имеющий определённую систему команд (СКИ). Таких исполнителей школьный курс информатики предлагает достаточное количество, начиная ещё с начальных классов. А в среднем и старшем звене преобладает использование системы «Кумир». Но у всех этих исполнителей алгоритмов есть большой недостаток – они исключительно виртуальны. И пусть, такой исполнитель гордо называется «Робот», но учащийся видит всего лишь ромбик, перемещающийся по экрану. Таким образом, теряется интерес детей к работе с подобными исполнителями, а значит и к самой алгоритмике и началам программирования, как составной части информатики. Что же делать в таком случае? Как поддержать и усилить интерес детей к освоению алгоритмов и начал программирования? Для этого просто необходимо привлечение в качестве исполнителей алгоритмов реальных, а не виртуальных роботов. Исполнитель должен «сойти» с экрана дисплея в школьный класс! И в этом качестве, конечно же, могут выступать и роботы из набора LEGO Mindstorms Education EV3. Но вопрос снова упирается в слишком высокую стоимость таких наборов. В качестве возможного решения этой проблемы можно предложить использование в качестве исполнителей алгоритмов роботов-игрушек.

Роботы-игрушки в большом разнообразии представлены в детских магазинах, как в обычных, так и в сетевых. При этом цена на такие роботы начинается от 1000 рублей, что почти в 30 раз дешевле стоимости набора LEGO Mindstorms Education. Поэтому, покупка данных роботов не будет представлять финансовой проблемы для школ. Что умеют делать данные роботы? Набор их функций достаточно обширен и варьируется от модели к модели. Но основные функции этих роботов совпадают – это движение в четырёх направлениях управляемое через пульт дистанционного управления. Отдельные модели имеют ещё и голосовое управление и речевые функции, что является особенно привлекательным для детей. Такие функции отсутствуют даже у роботов LEGO Mindstorms Education. Но каким образом создать интерфейс для взаимодействия этих роботов с компьютерами, на которых работают учащиеся. Рассмотрим примеры организации такого интерфейса между компьютером и роботом-игрушкой.

В качестве первого примера рассмотрим создание интерфейса с использованием голосового управления между компьютером и роботом-игрушкой типа «Электрон», «Линк» и им подобных.

Интерфейс взаимодействия робота и компьютера в данном случае состоит только из софтовой части. На ученическом компьютере запускается программа формирующая алгоритм для исполнителя. Кстати, в качестве такой программы могут использоваться и привычный «Кумир» и другие подобные средства. После создания учеником заданного алгоритма запускается специальная программа, которая переводит данный алгоритм в голосовую форму и управляет действиями робота – исполнителя алгоритма. В данном случае используются только четыре голосовые команды: вперёд, назад, налево, направо. Это является вполне достаточным, хотя, например, возможности робота «Линк» позволяют выполнять 27 голосовых команд.Таким образом, в данном случае схема взаимодействия компьютера с роботом имеет следующий вид:

В качестве второго примера расмотрим создание интерфейса с использованием дистанционного управления между компьютером и роботом-игрушкой типа «Электрон», «Линк», «Киб», «Космический десант», «Бабочка» и массе им подобных.

В данном случае интерфейс взаимодействия робота и компьютера состоит из софтовой и хардверной частей. Для максимального упрощения реализации хардверной части, был выбран способ передачи команд роботу через программное управление работой светодиодных индикаторов клавиатуры NumLock, CapsLock и ScrollLock.

Данные светодиодные индикаторы связываются проводным шлейфом с устройством преобразующим сигналы на индикаторах в команды пульта дистанционного управления. На ученическом компьютере запускается программа формирующая алгоритм для исполнителя. После создания учеником заданного алгоритма запускается специальная программа, которая переводит данный алгоритм в сигналы, управляющие работой светодиодных индикаторов клавиатуры NumLock, CapsLock и ScrollLock. Затем, эти сигналы преобразуются в команды пульта дистанционного управления, и управляют действиями робота – исполнителя алгоритма. В данном случае используются три команды управления (по числу светодиодов): вперёд, налево и направо.

Таким образом, в данном случае схема взаимодействия компьютера с роботом имеет следующий вид:

Учащиеся с большим интересом и энтузиазмом создают алгоритмы для таких роботов-исполнителей, проверяют их правильность и вносят необходимые коррективы.

Использование в качестве исполнителей алгоритмов роботов-игрушек значительно повышает мотивацию учащихся к изучению предмета, прививает интерес к робототехнике и делает каждый урок ярким и незабываемым, настоящим уроком-открытием или уроком-эврикой.

Методические рекомендации

«Применение робототехники на уроках информатики и

во внеурочной деятельности»

Внедрение роботов в различные сферы производства и быта в современном мире происходит очень быстрыми темпами. Области применения роботов весьма обширны и будут продолжать расширяться в будущем. Вопросами создания и применения роботов занимается робототехника. Робототехника — прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем.

Робототехника опирается на такие дисциплины, как информатика электроника, механика, телемеханика, радиотехника и электротехника. Робототехника является одним из важнейших направлений научно- технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта. Робототехника – одно из самых передовых направлений науки и техники, а образовательная робототехника – это новое междисциплинарное направление обучения школьников, интегрирующее знания о информатике, физике, технологии, математике, и позволяющее вовлечь в процесс инновационного научно-технического творчества учащихся разного возраста. Она направлена на популяризацию научно-технического творчества и повышение престижа инженерных профессий среди молодежи, развитие у навыков практического решения актуальных инженерно-технических задач и работы с техникой. Специалисты, работающие в этой области, являются чрезвычайно востребованными.

Поэтому так актуален сегодня вопрос внедрения робототехники в учебный процесс, начиная с начальной школы. Внедрение робототехники в учебный процесс позволит расширить кругозор учащегося, познакомить его с основами самых современных и перспективных технологий, заложить базу для будущего профессионального самоопределения. Следовательно, активное внедрение робототехники в учебный процесс и внеурочную деятельность имеет большую значимость и актуальность.

Наибольшее распространение при обучении детей робототехнике в школах получили конструкторы LEGO Mindstorms Education. Основная предметная направленность конструкторов LEGO Mindstorms Education – это конструирование, информатика и технология. Однако выполнение всех проектов, включенных в курс LEGO Mindstorms Education, позволяет организовать межпредметную работу с охватом естественных наук, технических дисциплин и математики. Увлекательное и мотивирующее программное обеспечения для планшета поможет быстро обучить детей конструированию, программированию и проведению экспериментов, даже если у них еще нет опыта по программированию и сборке. Применение LEGO Mindstorms Education в образовательном процессе делает решение сложных задач увлекательным исследовательским процессом, позволяя усвоить не только знания по изучаемой теме, но и освоить инструмент для изучения любых других тем. Платформа LEGO Mindstorms Education задумана как уникальный инструмент для поиска творческих альтернативных решений, способствует развитию навыков работы в команде, совместной реализации идей и проектной деятельности.

Конструкторы LEGO Mindstorms Education комплектуются набором стандартных деталей LEGO (балки, оси, колеса, шестерни, сервомоторы) и набором, состоящим из сенсоров, двигателей и программируемого блока.

Эти конструкторы предназначены для создания нескольких видов программируемых роботов различной степени сложности.

Ниже приведено описание возможностей роботов комплекта LEGO Mindstorms Education EV3:

1. Пять различных моделей для сборки.
2. Различает семь основных цветов, реагирует на степень освещенности помещения.
3. "Видит" на расстоянии до 2,5 метра с точностью до 1 мм, "слышит" ультразвуковые волны.
4. Имеет мощный микрокомпьютер с тактовой частотой 300 MHz.
5. "Общается" с компьютером и другими роботами по Wi-Fi и Bluetooth.
6. Возможно интегрирование с мобильными устройствами систем Android и iOS.
7. Поддержка карт памяти формата SD объемом до 32 Гб.

Внешний вид некоторых из роботов, созданных из конструктора LEGO Mindstorms Education, показан на фото. Базовый набор конструктора LEGO Mindstorms Education EV3 оптимизирован для использования в классе или кружке робототехники и содержит все необходимое для обучения с помощью технологий LEGO Mindstorms. Набор Lego-45544 позволяет ученикам конструировать, программировать и тестировать их решения, используя настоящие технологии робототехники. Но на пути широкого применения данного конструктора есть одно существенное препятствие – высокая цена базового и ресурсных наборов.

Самая низкая цена базового набора LEGO Mindstorms Education в настоящее время (2016 г.) при покупке в Интернет-магазине составляет 29.900 руб. А ведь таких наборов для проведения занятий нужно иметь несколько. Кроме того, потребуются ещё и ресурсные наборы. К сожалению, столь высокая цена LEGO Mindstorms Education будет существенным препятствием к их приобретению для многих образовательных учреждений.

Есть ли альтернатива, которая обеспечила бы возможность применения робототехники на уроках и во внеурочной деятельности, но являлась бы менее дорогой? Да, такая альтернатива есть – это робот BLU – BOT Intelligent Bluetooth Robot BTR - 01 компании Silverlit. Данный робот является интеллектуальным программируемым устройством с управлением по каналу Bluetooth. Робот не требует сборки и не является набором-конструктором, поставляясь производителем готовым к немедленному использованию. Возможности BLU – BOT Intelligent Bluetooth Robot весьма широки, а цена почти в 6 раз ниже, чем у LEGO Mindstorms.

Кратко рассмотрим основные возможности робота:

- умеет самостоятельно исследовать окружающий мир, инфракрасные датчики позволяют обходить препятствия;

- обнаруживает других роботов, находящихся поблизости и взаимодействует с ними;

- ходит вперед, назад, вправо и влево;

- поворачивает голову влево, вправо и кивает;

- поворачивается на хлопки;

- 20 видов эмоций;

- в режиме охраны обнаруживает объекты вокруг себя и предупреждает хозяина;

- имеет режимы записи и изменения голоса и режим танца;

- все действия робота могут программироваться с помощью панели управления на задней части робота или с помощью приложения для Android или IOS;

- программирование, передача заданных программ и непосредственное управление роботом в реальном времени осуществляется с планшета (смартфона) или компьютера по каналу Bluetooth.

Далее, рассмотрим основные принципы программирования BLU – BOT Intelligent Bluetooth Robot в приложении для Android или IOS.

Бесплатно скачать приложение Intelligent Bluetooth Robot для управления роботом можно в Google Play, по ссылке: https://play.google.com/store/apps/details?id=com.silverlit.robot или App Store, по ссылке: https://itunes.apple.com/ru/app/intelligent-bluetooth-robot/id895663968?mt=8.

После установки приложения на планшет (а с некоторыми ухищрениями и на компьютер) или смартфон, необходимо включить робота выключателем на задней панели и проконтролировать его подключение по каналу Bluetooth к используемому устройству (планшет, компьютер, смартфон), а затем, запустить приложение.

Приложение Intelligent Bluetooth Robot позволяет полностью контролировать BLU – BOT Intelligent Bluetooth Robot по каналу Bluetooth перейдя в режим управления роботом в реальном времени.

Для этого необходимо, выбрать в меню приложения пункт «Gesture Control» («Управление жестами») и с помощью жестов задавать направление передвижения для робота. Таким же образом, выбрав в меню пункт «Robot Dance» («Танец робота»), можно переключить робота в режим исполнения танцев. А включив режим «Voice Change» («Изменение голоса»), поработать с записью и изменением воспроизводимого голоса. Но главным в приложении является режим «Program» («Программирование»). Этот режим позволяет задать BLU – BOT Intelligent Bluetooth Robot алгоритм выполнения действий длиной до 40 шагов, включающий движения, повороты, вращения головы и эмоциональное реагирование.

Задание роботу алгоритмов движения осуществляется с помощью «языка стрелок». Для задания команд движения вперёд и назад и поворотов влево и вправо необходимо перетянуть соответствующие стрелки с пиктограммами в первый столбец программного поля. Для задания вращений головой необходимо перетянуть соответствующие пиктограммы во второй столбец программного поля. И наконец, для задания эмоционального реагирования робота, необходимо перетянуть соответствующие пиктограммы в третий столбец программного поля. Введённый алгоритм можно удалить, нажав экранную кнопку «CLR». Для передачи заданного алгоритма роботу по каналу Bluetooth необходимо нажать экранную кнопку «SEND» («Отправить»). Для исполнения роботом заданного алгоритма необходимо нажать экранную кнопку «GO/STOP» («Иди/Стой»). Не нужно забывать, что при исполнении заданного алгоритма (программы на «языке стрелок») инфракрасные датчики робота контролируют окружающее пространство и, обнаруживая препятствие, робот попытается его обойти, что может изменить ход выполнения заданного алгоритма. Поэтому, при решении задач на движение робота в лабиринте для построения лабиринтов нужно применять ограничители (стены) малой высоты, лучше не более 5 см.

Далее рассмотрим основные положения примерной программы дополнительного образования кружка «Занимательная информатика и робототехника» рассчитанного на использование данного вида роботов.

Общая характеристика программы.

Рабочая программа составлена в соответствии с Законом Российской Федерации «Об образовании» и «Примерными требованиями к программам дополнительного образования детей».

Цели программы:

• развитие навыков моделирования, алгоритмирования и элементарного программирования;
• развитие логического мышления;
• развитие способности творчески подходить к проблемным ситуациям;
• развитие познавательного интереса;
• развитие мотивации к изучению наук естественнонаучного цикла;
• организация продуктивного досуга школьников в летнее время;
• создание условий для успешного освоения учащимися основ исследовательской и проектной деятельности в процессе изучения и освоения робототехники.

Задачи программы:

• расширение знаний учащихся об окружающем мире, о мире техники и современных технологиях;
• обучение умению программировать простые действия и реакции робототехнических устройств;
• обучение на практике решению творческих, нестандартных ситуаций и задач;
• развитие коммуникативных способностей учащихся, умения работать в группе, умения аргументировано представлять результаты своей деятельности, отстаивать свою точку зрения;
• формирование у учащихся представления об исследовательском обучении как ведущем способе учебной деятельности.

Актуальность программы обусловлена тем, что она способствует ознакомлению с организацией коллективного и индивидуального исследования, обучению в действии, побуждает к наблюдениям и экспериментированию. Актуальность программы также обусловлена её методологической значимостью. ФГОС нового поколения предполагает использование в образовательном процессе технологий деятельностного типа, методы проектно-исследовательской деятельности определены как одно из условий реализации образовательной программы. Знания и умения, необходимые для организации проектной и исследовательской деятельности, в будущем станут основой для организации научно-исследовательской деятельности в процессе дальнейшего обучения и в практической работе по избранному направлению. Программа позволяет реализовать актуальные в настоящее время компетентностный, личностно-ориентированный, деятельностный подходы.

Программа дополнительного образования кружка «Занимательная информатика и робототехника» предназначена для учащихся 2-5 классов, обучающихся в ОУ.

Программа курса рассчитана на 1 год обучения (34 часа). Форма обучения: очно-заочная. Очные занятия проводятся в кабинете информатики. Заочные занятия проводятся с помощью раздела сайта "Дистанционные образовательные технологии" ОУ по курсу "Робототехника". Количество обучающихся в группе - 8-10 человек. Занятия проводятся в учебном году во внеурочное время по 1 часу в неделю, а также, по специальному расписанию в летнее время.

Планируемые результаты изучения курса.

Личностные результаты

• положительное отношение к исследовательской деятельности;
• широкая мотивационная основа исследовательской деятельности, включающая социальные, учебно-познавательные и внешние мотивы;
• интерес к новому содержанию и новым способам познания; способность к самооценке на основе критериев успешности исследовательской деятельности;
• ориентация на понимание причин успеха в исследовательской деятельности, в том числе на самоанализ и самоконтроль результата, на анализ соответствия результатов требованиям конкретной задачи, понимание предложений и оценок учителя, взрослых, товарищей, родителей.

Метапредметные результаты

Регулятивные универсальные учебные действия

• принимать и сохранять учебную задачу; учитывать выделенные учителем ориентиры действия;
• планировать свои действия;
• осуществлять итоговый и пошаговый контроль;
• адекватно воспринимать оценку учителя;
• различать способ и результат действия;
• оценивать свои действия на уровне ретро-оценки;
• вносить коррективы в действия на основе их оценки и учета сделанных ошибок;
• выполнять учебные действия в материале, речи, в уме.

Познавательные универсальные учебные действия

• осуществлять поиск нужной информации для выполнения учебного исследования с использованием учебной и дополнительной литературы в открытом информационном пространстве, в т.ч. контролируемом пространстве Интернет;
• использовать знаки, символы, модели, схемы для решения познавательных задач и представления их результатов; высказываться в устной и письменной формах;
• ориентироваться на разные способы решения познавательных исследовательских задач;
• владеть основами смыслового чтения текста;
• анализировать объекты, выделять главное;
• ориентация на понимание причин успеха в исследовательской деятельности, в том числе на самоанализ и самоконтроль результата, на анализ соответствия результатов требованиям конкретной задачи, понимание предложений и оценок учителя, взрослых, товарищей, родителей; осуществлять синтез (целое из частей);
• проводить сравнение, сериацию, классификацию по разным критериям;
• устанавливать причинно-следственные связи;
• строить рассуждения об объекте;
• обобщать (выделять класс объектов по какому-либо признаку);
• подводить под понятие;
• устанавливать аналогии;
• оперировать такими понятиями, как проблема, гипотеза, наблюдение, эксперимент, умозаключение, вывод и т.п.;

Коммуникативные универсальные учебные действия

• допускать существование различных точек зрения;
• учитывать разные мнения, стремиться к координации;
• формулировать собственное мнение и позицию;
• договариваться, приходить к общему решению; соблюдать корректность в высказываниях; задавать вопросы по существу;
• использовать речь для регуляции своего действия;
• контролировать действия партнера;
• владеть монологической и диалогической формами речи.

Содержание программы

Тема 1: «Введение. Роботы на службе человеку» (1ч).

Знакомство с основами робототехники, её историей, современным состоянием и перспективами развития.

Тема 2: «Основы алгоритмики. Алгоритмы и исполнители» (3 ч).

Понятия «алгоритм» и «исполнитель алгоритмов». Виды алгоритмов. Свойства алгоритмов. Система команд исполнителя. Алгоритм и программа.

Тема 3: «Роботы - исполнители алгоритмов. Знакомство с роботом. Элементарное программирование робота» (6 ч).

Робот, как один видов исполнителей алгоритмов. Знакомство с системой команд робота Intelligent Bluetooth Robot BTR-01. Исследование возможностей робота Intelligent Bluetooth Robot BTR-01 и его команд.

Тема 4: Исследование на тему «Линейные алгоритмы. Программирование робота на достижение поставленной цели» (6 ч).

Выбор и обоснование учащимися темы для программы, реализующей линейный алгоритм. Постановка цели создаваемой программы и разработка поэтапных шагов для её достижения. Создание программы для робота с использованием методики линейных алгоритмов. Проверка созданной программы. Анализ работы созданной программы и выводы.

Тема 5: Исследование на тему «Алгоритмы с ветвлением. Робот в лабиринте» (6 ч).

Выбор и обоснование учащимися темы для программы, реализующей алгоритм с ветвлением. Постановка цели создаваемой программы и разработка поэтапных шагов для её достижения. Создание программы для выхода робота из лабиринта с использованием методики алгоритмов с ветвлением. Проверка созданной программы. Анализ работы созданной программы и выводы.

Тема 6: Исследование на тему «Циклические алгоритмы. Робот в нестандартной ситуации» (6 ч).

Выбор и обоснование учащимися темы для программы, реализующей циклический алгоритм. Постановка цели создаваемой программы и разработка поэтапных шагов для её достижения. Создание программы для робота с использованием методики циклических алгоритмов и включающей использование инфракрасных сенсоров робота. Проверка созданной программы. Анализ работы созданной программы и выводы.

Тема 7: Исследование на тему «Программа для робота с использованием всех видов алгоритмов». (6 ч).

Выбор и обоснование учащимися темы для программы реализующей все виды алгоритмов. Постановка цели создаваемой программы и разработка поэтапных шагов для её достижения. Создание программы для робота с использованием всех видов алгоритмов и включающей использование инфракрасных сенсоров робота. Проверка созданной программы. Анализ работы созданной программы и выводы.

Использование роботов BLU – BOT Intelligent Bluetooth Robot BTR - 01 компании Silverlit возможно, также, на уроках информатики в младшей школе и среднем школьном звене при изучении тем «Алгоритмы» и «Программирование». Использование данных роботов прекрасно дополняет работу с различными виртуальными исполнителями алгоритмов («Робот», «Чертёжник», «Черепашка»). Образно выражаясь, BLU – BOT Intelligent Bluetooth Robot позволяют исполнителям «шагнуть с экрана» прямо в компьютерный класс. Использование таких роботов гарантированно позволяет решать многие проблемы современного образования, такие как:

• отсутствие у учащихся мотивации к освоению предмета;
• расширение содержания образования по предмету;
• углубление межпредметных знаний;
• способствует решению актуальной для России проблемы с научно-техническим образованием и подготовкой инженерно-технических кадров.