Робототехника что за предмет
Робототехника в школе: 5 плюсов
Так школа для школы или школа для жизни?
Если в XXI веке мы решимся выбрать второе, то практико-ориентированные предметы и комплексные знания станут неотъемлемой ее – школы – частью. Робототехника дает возможность отработать профессиональные навыки сразу по 3 направлениям: механике, программированию и теории управления. Более того, дети уже в рамках начального и среднего образования понимают: у них есть возможность решать реальные практические задачи.
Робототехника – это область техники, связанная с разработкой и применением роботов, а также компьютерных систем для управления ими, сенсорной обратной связи и обработки информации.
Зачем вводить предмет в школьную программу? Робототехника позволит вовлечь учащихся в процесс, мотивировать их на учебную деятельность, разнообразить программу, использовать групповые методы обучения, наладить межпредметные связи. К числу плюсов также стоит отнести практическую составляющую предмета и его профориентационное значение.
5 плюсов робототехники в школе
1. Робототехника может стать стартовой площадкой для школьников, «горящих» техническими науками
Сам процесс роботостроения позволяет развить несколько компетенций за раз, более того, применить свои практические навыки сразу в нескольких дисциплинах.
Удивительно наблюдать, как любовь детей к определенному предмету растет благодаря новым возможностям. И даже у тех, кто не горел особыми чувствами к математике или физике.
Некоторые из учеников проявляют интерес к 3D-печати, программированию и даже доходят до любимых занятий юности их родителей и дедушек: разбору и сборке бытовой техники (чей папа в детстве не разбирал радио или часы?). Вы можете наблюдать самостоятельно, как школьники выстраивают собственную траекторию обучения, потому что робототехника – по-сути, предоставляет им открытую платформу для творчества и экспериментов. Что касается педагогов, то учебная программа по робототехнике позволит в полной мере применить тот самый индивидуальный подход и помочь ребенку найти себя.
Если вы уже используете современные образовательные технологии на своих уроках, то рады пригласить к участию во всероссийском конкурсе iУчитель-2018. Прием заявок продлится до 11 февраля.
2. Хорошая учебная программа по робототехнике позволит развивать лидерские качества у учеников
Когда учащиеся взаимодействуют с роботами в классе и заставляют их выполнять различные движения и задачи, они развивают и совершенствуют свои сильные качества и стороны.
Робототехника – это предмет, где требуется слаженная работа в команде, и где каждый ученик сможет взять на себя роль, которая удается ему лучше всего. Кто-то быстро схватывает задачу и хорошо выражает свои идеи на бумаге, есть ученики, которые ведут себя «тише», но отлично кодируют, выполняют технические задачи и даже поддерживают дисциплину в команде, напоминая, что надо сосредоточиться на задаче. Благодаря объединенной работе оба типа учеников развивают свои качества, выражают идеи и создают наилучший конечный результат. Умения понимать в чем твоя сильная сторона, кооперироваться и договариваться будут иметь важное значение в жизни детей, независимо от того, станут ли они художниками, бизнесменами, менеджерами или инженерами.
Что использовать? Большинство школ закупает действительно хорошую конструкторскую базу – Lego Education (тут все зависит от возраста детей и уровня подготовки: WeDo или Mindstorms NXT).
3. Робототехника может научить школьников, как работать на разных технологических и информационных платформах
Социальные медиа стали частью нашей повседневной жизни, и использование их для школьников сегодня так же естественно, как пользоваться ручкой и карандашом. Не буду отрицать: в социальных сетях много полезных и классных ресурсов и вещей, но также много потенциальных опасностей и контента, которого стоило бы избегать.
Рассказывает один европейский учитель: «У нас в классной комнате есть полутораметровый робот по имени Твич. Твич имеет собственную учетную запись в Twitter. Школьники ежедневно обновляют профиль и рассказывают от имени Твича об экспериментах и своей работе. Так что робототехника учит не только изгибать свои «математические мышцы», но и может показать, как «серфить» в Интернете или грамотно вести переписку».
Итак, благодаря пресловутой работе в команде и необходимости искать новую информацию на разных платформах, дети получают опыт написания эффективных сообщений для различных аудиторий – а этот навык, поверьте журналисту, важен каждому, независимо от карьеры.
Где использовать? Сегодня робототехнические конструкторы используются для проведения демонстрационных учебных экспериментов по физике, химии, биологии, математике, программированию. Все это позволяет познакомить школьника с законами мира на практике.
4. Робототехника может стать основой для формирования сообщества и мотивацией для роста
Школьное сообщество, по свидетельствам психологов и методистов, имеет многочисленные преимущества: улучшение посещаемости и оценок, формирование комфортной эмоциональной атмосферы – уменьшение количества поведенческих проблем. Самое главное, пожалуй, это формирование позитивной мотивации в отношении образования в целом.
Преподавание робототехники в классе может создать чувство общности, которое расширится до сообщества в его полноценном понимании. В России есть школы, ученики которых уже представляли своих роботов на региональных и международных выставках и конкурсах. Это их «минута славы», их продукт, в который они вложили усилия, так что необходимость ради такого поработать и взять на себя ответственность становится не препятствием, а, наоборот, стимулом.
Благодаря указанным возможностям, школьники начинают рассматривать робототехнику как нечто большее, чем просто проект для оценки, а скорее как инструмент, который может вдохновлять других.
5. Робототехника учит работать в команде
Робототехника учит навыкам командной работы – это факт, причем педагогически полезный. Понятно, что не все ваши ученики собираются пойти работать в Роскосмос или хотя бы пойдут учиться в МГТУ им. Баумана. Тем не менее, навыки командной работы и понятие личной ответственности, возникающее при разделении обязанностей, приобретенные на уроках робототехники, они будут использовать в течение всей жизни.
Когда учащиеся работают в группах над проектом, они быстро видят: технические навыки и кодирование важны. Однако их робот не будет двигаться, если они не знают, как сотрудничать с другими участниками и сообщать свои идеи. На русском языке или на уроке алгебры, увы, довольно трудно научиться выражать себя и учиться слушать других.
Подведем итог: мы живем в XXI веке, и этот факт вносит свои коррективы в современное образование. Нашим детям предстоит занять другие должности, по-другому общаться и уметь делать другие вещи, чем мы с вами. Наша задача: не мешать, а помочь.
Хорошим подспорьем в обучении технологии в 5-9 классах станет рабочая программа линии УМК Е.С.Глозмана, О.А.Кожиной, Ю.Л.Хотунцева, Е.Н.Кудаковой. Доступна к просмотру и бесплатному скачиванию.
Робототехника в России: как обучают детей и студентов и насколько наше образование лучше западного
В российских школах хотят ввести новый обязательный предмет — робототехнику. Изучать ее будут на уроках труда. Впрочем, и сейчас в некоторых школах есть кружки, где детей учат собирать и программировать роботов. Обучают робототехнике и в большинстве крупных технических вузов страны, выпускники которых потом легко находят работу не только в России, но и за границей. « Хайтек » выяснил, как устроено российское образование в области робототехники и почему оно не уступает западному.
Читайте «Хайтек» в
Как детей учат строить роботов
Учить робототехнике в России начинают с четырех-пяти лет. Занятия проходят в робототехнических кружках, количество которых из года в год растет. Например, по данным Национальной ассоциации участников рынка робототехники (НАУРР), в 2017 году в стране было около 1 300 таких кружков. А в 2019 году их уже порядка 1 500–2 000.
Впрочем, это еще не так много. «Даже в продвинутой Москве всеми программами дополнительного образования технической направленности, куда входит и робототехника, охвачено не более 7% детей. Этот рынок сейчас находится в стадии зарождения и может вырасти минимум в десять раз», — рассказывает основатель и продюсер проекта «РОББО» Павел Фролов. Его компания выпускает оборудование для кружков робототехники и развивает собственную сеть робоклубов, куда входит больше 100 кружков в России. И каждый месяц открываются новые. А всего по учебным программам, разработанным этой компанией, занимаются больше 50 тыс. детей в десяти странах мира, включая Финляндию, Китай, Великобританию и Италию.
На занятиях по робототехнике в «РОББО» дети от 5 до 15 лет изучают внешнее и внутреннее устройство робота, а потом программируют для него задачи и действия.
После каждого года обучения — выпускной проект. Пятилетние дети делают для готового робота костюм из бумаги и других подручных средств, а потом ставят спектакль с участием машины. У 15-летних подростков все намного серьезнее: они сами на 3D-принтере изготавливают детали робота, собирают его и программируют. «Ученики делали мобильную роботизированную платформу, которая была синхронизирована с дроном. Куда бы он не летел, за ним следует платформа, на которую он может в любой момент сесть, — рассказывает Павел Фролов. — Другой ребенок придумал и создал робота, который ползает внутри газо- и нефтепровода и решает задачи починки труб».
В российских школах отдельного предмета «Робототехника» пока нет. Максимум при учебном заведении может быть все тот же робокружок, а некоторые элементы робототехники могут преподавать в курсе информатики или технологии. С 2008 года в петербургском физико-математическом лицее № 239 работает Центр робототехники, где ученики изучают основы робототехники (LEGO + TRIK Studio), робототехнику на платформе ТРИК, основы теории автоматического управления, андроидных роботов и другие направления. А потом побеждают на международных соревнованиях. Например, они выиграли в 2017 году на Всемирной олимпиаде роботов WRO 2017 в Коста-Рике, в 2018-м — на всемирных соревнованиях по робототехнике RobotChallenge в Китае, в 2019-м — на чемпионате мира по робототехнике RoboCup в Австралии.
«В начале этого года был принят новый образовательный стандарт урока “Технология”, который раньше назывался “Труд”, — говорит Павел Фролов. — Теперь там есть такие модули, как робототехника, схемотехника, интернет вещей, прототипирование и 3D-печать. Эти направления школа сама по выбору сможет включать в нужном количестве в уроки технологии. Первые пилотные проекты по внедрению робототехники начнутся уже в следующем учебном году. Мы на все это смотрим очень положительно и надеемся, что скоро в каждой школе будет и класс, и кружок робототехники».
Одна из главных проблем с введением робототехники в школах — нехватка учителей, которые смогут ее преподавать. «Очень мало специалистов, которые способны учить новым технологиям, — считает Фролов. — А если учитель способен, то возникает вопрос, почему он этим занимается вместо того, чтобы работать в ИТ-компании».
Впрочем, по словам основателя «РОББО», проблема с учителями — общемировая, поэтому в компании разработали собственную методику подготовки и сертификации педагогов робототехники.
Например, в Финляндии до седьмого класса все предметы преподает один перегруженный учитель, которому уж точно не до робототехники. А до 2016 года там не обучали детей даже программированию.
Как и в России, в Европе и США нет отдельных уроков по робототехнике. «Она включена в так называемые STEM-уроки — Science, Technology, Engineering, Mathematics, — рассказывает Павел Фролов. — Но упор на них делается в сторону математики и науки. К тому же, куда больше там популярны программирование и кодинг, а не робототехника. И мы предрекаем Европе очень большие проблемы, потому что, не развивая кадры в области робототехники уже со школьной скамьи, в будущем можно получить чудовищное отставание как в области экономики, так и в военной сфере».
Как устроено высшее образование в области робототехники
У выпускников российских школ большой выбор, где продолжить образование в области робототехники. Большинство крупных технических университетов страны включают в свои программы направление «Мехатроника и робототехника». Кроме того, робототехнику могут преподавать в рамках направлений «Автоматизации технологических процессов и производств», «Робототехнических системах и комплексах», а искусственный интеллект — в «Математике и механике» или «Компьютерных и информационных науках».
Но на всех этих направлениях учат исключительно промышленной робототехнике. Отдельных специализированных программ по медицинской, бытовой или сервисной робототехнике в России пока нет. Как, впрочем, и на Западе.
«У нас учат только промышленной робототехнике, а все остальные навыки размазаны как масло по хлебу по разным направлениям: инженеры-конструкторы учат мехатронику, инженеры-электронщики — электронику и сенсорику, инженеры-программисты — языки программирования, — говорит сооснователь Promobot Олег Кивокурцев, участник списка 30 самых перспективных россиян в возрасте до 30 лет по версии Forbes. — За рубежом медицинскую, бытовую и сервисную робототехнику, как правило, объединяют в программу Computer Science, куда входят программирование, изучение нейронных сетей, базовых принципов логики, программной архитектуры и так далее».
Больше всего вузов, которые обучают робототехнике, в Москве — например, МГТУ имени Н. Э. Баумана, МТУ, НИЯУ МИФИ, МЭИ, и Петербурге — ИТМО, СПбГУ, СПбГПУ, Военмех, СПбГУАП. Так же робототехнике учат в Татарстане в Университете Иннополис, в Томском государственном и политехническом университетах, в Уральском федеральном университете, в Новосибирском государственном техническом университете.
В каждом вузе программа подготовки может немного отличаться. Например, где-то будет больше дисциплин, которые касаются механики или электроники, а где-то — программирования. Это во многом зависит от преподавателей, которые есть в вузе, и от требований, которые региональные работодатели предъявляют к выпускникам. «Есть государственный образовательный стандарт, на который мы должны ориентироваться, создавая учебный рабочий план. Если, конечно, хотим, чтобы наши студенты получали дипломы гособразца. Но вузы имеют право самостоятельно устанавливать примерно 80% дисциплин в этом стандарте, вводя какие-то новые и модифицируя типовые», — говорит доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматика и и телемеханика» Пермского национального исследовательского политехнического университета Александр Южаков.
В 2018 году Михаил Останин закончил магистратуру Университета Иннополис по специальности «Робототехника» и сейчас учится там в аспирантуре. В первый год он изучал общие для ИТ предметы — алгоритмы и структуры данных, базы данных, введение в программирование, архитектура ПО, а во второй год в программу входили уже профильные предметы — кинематика и динамика роботов, индустриальная робототехника, мобильная робототехника, управление, взаимодействие «человек-робот» и компьютерное зрение.
«Программы каждый год меняются. Например, сейчас студенты магистратуры Университета Иннополис уже оба года изучают профильные предметы по робототехнике. Учатся основам кинематики, динамики, управлению, программированию роботов, SLAM, машинному обучению и компьютерному зрению», — рассказывает Михаил Останин.
«Для расширения кругозора обучающихся мы даем знания из смежных дисциплин, которые могут быть применены в области робототехники, например, в области виртуальной и смешанной реальности, нейронауки», — отмечает доцент, руководитель Центра технологий компонентов робототехники и мехатроники Университета Иннополис Александр Климчик. — Студенты уже во время учёбы начинают работать над робототехническими проектами на стажировках в нашем центре. К тому же, на базе Университета Иннополис в рамках НТИ открылся Центр технологий компонентов робототехники и мехатроники, в консорциум которого входят ведущие вузы и академические институты страны, крупные индустриальные предприятия, а также зарубежные партнёры».
О сильных сторонах российского образования и об охоте на наших робототехников
Эксперты, которых опросил «Хайтек», оценивают российское образование в области робототехники очень высоко. Оно не только не уступает западному, а в чем-то даже и превосходит его. Александр Южаков говорит, что стандарты образования в России и за границей примерно одинаковые, «за исключением некоторых нюансов».
Например, выпускник-магистр российского вуза — специалист более широкого профиля, чем его западный коллега. «Скажем, человек на Западе заканчивает соответствующее образовательное направление и умеет писать драйверы для роботов. И все. А наш, помимо этого, обязательно знает и систему распознавания [лиц], и работу с облаком, и так далее, — рассказывает Александр Южаков. — Этот принцип образования идет еще из советской школы. Мы никогда не готовили очень узких специалистов, мы готовили качественных, которые уже потом затачивали себя под решение конкретных задач. На мой взгляд, это лучше: когда у тебя хорошая базаты можешь реализовать что угодно».
Александр Южаков рассказывает, что еще в начале 2000-х годов в Пермский политех приезжали профессора из университетов США и знакомились с учебными планами вуза: «Они нам завидовали, потому что у нас математика идет пять семестров, электроника — четыре семестра, а физика — три. А у них все это скомкано в один семестр. Зато очень много гуманитарных, социальных и прочих вещей».
Соснователь Promobot Олег Кивокурцев закончил кафедру строительных и дорожных машин Пермского политеха. Кивокурцев рассказывает, что у студентов технических специальностей в его вузе и правда «очень хорошая инженерная база».
«У нас на всех экзаменах на столах всегда лежали справочники, и это не считалось списыванием. Это был навык поиска информации. Так формировался инженерный склад ума, который помогал развиваться дальше, в том числе в робототехнике», — говорит Кивокурцев.
По оценке основателя проекта «РОББО» Павла Фролова, в год все российские вузы, которые готовят студентов в области робототехники, выпускают не больше 1000 человек. И все они легко находят работу, в том числе за границей.
«За этими ребятами ведется очень серьезная охота со стороны других стран, — говорит Павел Фролов. — Недавно в Национальную ассоциацию участников рынка робототехники пришел запрос из Южной Кореи: помогите донести до ваших студентов, что мы бы хотели увезти их к себе в страну работать. Когда надо решить сложную техническую задачу в условиях ограниченных ресурсов и времени, наши ребята вне конкуренции».
О проблемах российского образования
Впрочем, у нашего образования существуют и недостатки. Главная проблема — устаревшие программы. Не во всех вузах, которые готовят студентов в области робототехники, в учебных программах есть необходимые предметы или они преподаются в достаточном количестве. Например, руководитель Центра технологий компонентов робототехники и мехатроники Университета Иннополис Александр Климчик говорит, что вместо робототехники могут быть «только компоненты механики, мехатроники и теории управления».
Олег Кивокурцев рассказывает, что молодых сотрудников Promobota приходится учить некоторым дисциплинам уже на рабочем месте.
«В университетах до сих пор не изучают нейронные сети, не везде введена дисциплина, которая обучает компьютерному зрению, построению карт. Все это максимум изучается по верхам, — рассказывает Олег Кивокурцев. — То есть образовательная система иногда не успевает подстроиться под быстро развивающуюся индустрию. Но мы не видим в этом особой проблемы, потому что самая главная задача университета — это научить человека работать с информацией».
Отсутствие в программах некоторых нужных дисциплин подтверждают и сами выпускники. Аспирант Университета Иннополис Михаил Останин закончил бакалавриат Механического факультета Уральского государственного университета путей сообщения: «Я поступил на специальность “Мехатроника и робототехника”. В ходе обучения по этой специальности уклон был больше в сторону механики (САПР, теоретическая механика, сопромат, детали машин), электроники (электротехника, привода, микроэлектроника) и управления (ТАУ), а вот программирования было не так много. В этом вузе мне довольно хорошо давали базовые знания, но было мало знаний, которые относились к современным методам и подходам».
Выпускник Томского политехнического университета Алексей добавляет, что программа в его вузе устаревшая, и актуальные знания приходилось искать самостоятельно: «С одной стороны, это дает хороший опыт самообразования, однако, с другой стороны, устаревшие предметы — это лишняя нагрузка. При этом в ТПУ преподают хорошие фундаментальные знания из области теории автоматического управления и электропривода.
На мой взгляд, в нашем университете уделяется мало внимания компьютерным наукам и в частности машинному обучению. При изучении языков программирования упускается такие важные разделы как теория алгоритмов и структуры данных. Машинное обучение, которое является довольно частой вещью в современной робототехнике, к сожалению, не преподают».
Впрочем, вузы стараются бороться с этой проблемой. Например, в Университете Иннополис приглашают преподавать экспертов из-за границы, если считают, что какие-то важные знания не могут дать студентам самостоятельно. В университете работают профессора из Италии, Швейцарии, Канады, Колумбии, Республики Корея, Пакистана, Индии и Белоруссии.
А в Пермском политехническом университете разработали новую программу магистратуры «Сервисная робототехника», набор по которой начнется в 2020 году. В течение двух лет студенты будут изучать 26 дисциплин, в числе которых — компьютерное зрение, нейронные сети в робототехнике, основы искусственного интеллекта, мехатроника для современных робототехнических систем и интеллектуальные средства управления, распознавание образов и многое другое.
Студентов-робототехников в России практически не учат маркетингу и продажам. Это приводит к тому, что хорошо обученные выпускники не могут вывести на рынок свои разработки. «Люди в России умные, а продавать не могут, — считает Олег Кивокурцев. — Помню, советские преподаватели в моем университете говорили, что предприниматели — жулики, торгаши, они обворуют, обуют нас. Лучше идите в конструкторское бюро, это стабильность, вы будете получать зарплату — говорили нам».
Основатель «РОББО» Павел Фролов изучал коммерциализацию инноваций в Массачусетском технологическом институте. По его словам, преподаватели там подробно рассказывали студентам, как запускали многомиллионный бизнес. «Я таких людей в российских вузах не видел, — говорит Павел Фролов. — Сделать проект любой сложности, подковать блоху наши могут. А вот построить бизнес, связанный с производством очень качественного продукта, работать системно — это уже тяжело, этому в наших вузах не учат. Нашим подавай новых блох».
Еще одна проблема — небольшое количество практики. «Мало практики, тонны теории. Без применения знаний это все забывается на раз», — признается выпускник Московского энергетического института Михаил.
Что делать?
Улучшить и без того неплохое российское образование в области робототехники вполне реально, считают эксперты. По мнению Олега Кивокурцева, для этого надо добавить в учебные программы больше часов программирования, подробно изучать нейронные сети, сенсорику и современные принципы компьютерного зрения. «Во все инженерные специальности, и в робототехнику в том числе, стоит обязательно добавить курс предпринимательства и инновационного бизнеса. Надо говорить, что инженер-предприниматель — это герой, который создает новые рабочие места и дает конкурентное преимущество стране и в экономическом, и в социальном смыслах», — считает Олег Кивокурцев.
Александр Климчик из Университета Иннополис предлагает и вовсе ввести обязательный предмет по робототехнике для всех инженерных и технических специальностей, в том числе для средних специальных учебных заведений.
Но главное — необходимо разгрузить вузовских преподавателей, чтобы у них было больше времени для индивидуальной работы со студентами.
«Сегодня нагрузка на российских преподавателей очень высока, — признается Александр Южаков. — На Западе кроме аудиторных занятий профессора ведут индивидуальную работу со студентами, то есть выполняют роль тьютора. Впрочем, есть и отдельные ставки тьюторов. Как правило у них по два-три студента, с которыми постоянно работают и направляют их. У меня на выпуске 50 человек, получается, нужно только 25 тьюторов. К сожалению, у нас в образовательной политике таких должностей нет. Вот только чтобы выпустить хорошего магистранта, профессор должен с ним постоянно работать, общаться. А если таких студентов очень много, человек просто физически не будет успевать».