Идея создания робота появлялась на протяжении всего времени существования человеческой цивилизации, от роботов прошлого до современных человекоподобных роботов и автоматизированных инструментов для производства, которые привели к промышленной революции. Несмотря на то, что доподлинно неизвестно, сколько типов роботов было предложено в прошлом, ясно, что человечество всегда мечтало об автоматизированных машинах.

Слово «робот» было придумано чешским драматургом для одного из его произведений. А автор, имя которого было Айзек Азимов сделал эту идею еще популярнее, благодаря научной фантастике. С развитием компьютеров в 1950-х годах роботы стали сложнее. Unimate, первый промышленный робот, был создан в 1962 году для выполнения повторяющихся задач. Стэндфордский институт представил миру робота Шеки, первого автоматического мобильного робота, способного рассуждать над своими действиями. Игрушки роботы появились в 1980-х годах. После этого инновации сделали роботов более комплексными, что привело к созданию AIBO, Lego Mindstorms и Furby.

Что представляет себе человек, когда слышит слово «робот»? Катится ли он как R2D2 (из фильма «Звездные войны») или ходит на двух ногах как C3P0? Имеет ли он человеческое лицо или механическое? Работает ли он по принципу вакуума или подбирает объекты клешней? Так как существует большое количество областей применения робототехники, то разумно предположить, что существует много вариаций роботов. Чтобы узнать, как же эти сложные интеллектуальные машины устроены нужно внимательно рассмотреть их с инженерной и физической точки зрения.

Помимо фантастических фильмов, роботы существуют и в повседневной жизни: в автомобилях, в магазинах, на фабриках и т.д. Роботы применяются в промышленности уже долгое время, благодаря их возможности продолжать работать в окружении, в котором человек не может находиться без опасности для жизни.

В последнее время исследователи пытаются создать все более разумных и самостоятельных роботов для различных целей. ASIMO компании Honda является ярким примером такого типа роботов. Человек является самым разумным существом в мире благодаря его способности получать информацию с помощью органов чувств: зрение, обоняние, осязание, вкус, слух. Исследователи пытаются имитировать человеческие возможности, создавая человекоподобных роботов с органами чувств.

Основная структура роботов достаточно схожа со строением человека. Как люди чувствуют? Например, человек видит что-то, то есть нервный импульс от глаз передается в мозг, который обрабатывает эту информацию. Искусственное воспроизведение этих чувств стало возможным благодаря сенсорам. Сенсоры – это преобразователи, которые фиксируют физические изменения окружающей среды и конвертируют их в электрические импульсы. Эти аналоговые сигналы преобразуются в цифровые с помощью аналогово-цифровых преобразователей. Компьютер робота работает по тому же принципу, что и человеческий мозг.

Пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор — это популярный метод управления роботом. Смысл его состоит в том, чтобы заставить приводы робота работать в соответствии с программой. Датчик на приводе, обычно это сенсор, определяет изменения. Программой определяется финальный результат, которого необходимо достичь, и привод осуществляет движение до достижения результата. Другие сенсоры сканируют среду, обеспечивая более корректную работу робота.

Среди различных компонентов приводы наиболее важны для автоматизации робота. Они конвертируют энергию в движение. Обычно это электрические моторы, но могут применяться и гидравлические или пневматические системы. Шаговые двигатели вращаются с высокой точностью и управляются контроллерами. Ультразвуковые моторы используют часто вибрирующий пьезокерамический элемент для создания движения. С помощью сжатого воздуха воздушные мышцы работают точно так же, как и мышцы человека, сокращаясь и расслабляясь.

Роботы могут быть созданы из различных материалов и управляться разными способами. Они могут быть сделаны из тяжелого и прочного метала или из облегченного пластика. Хирургические роботы и роботизированные манипуляторы имеют несложные вращающиеся суставы. Они управляются гидравлическими и электрическими моторами наряду с продольными соединениями, приводимыми в движение вращающимися винтами. Некоторые мобильные роботы имеют колеса, которые могут вращаться в различных плоскостях, в то время как другие роботы ходят по разным типам покрытий на нескольких ногах. Можно встретить роботов с сенсорными механизмами, такими как камеры, играющими роль глаз и датчиками прикосновения для определения препятствий.

От популярных дроидов в фильмах «Звездные войны» до роботов, созданных для фильмов «Терминатор», «Робокоп», «Матрица», «Я – робот», люди всегда были очарованы роботами. И если раньше люди были просто очарованы образом, то сейчас роботы существуют на самом деле. Разные типы роботов получили свое реальное воплощение.

Промышленные роботы становятся все популярнее с каждым днем из-за их повышенной продуктивности по сравнению с людьми. Эти роботы используются для решения различных промышленных задач. Работа, которая требует скорости, надежности, повторяемости и точности, может быть легко решена роботом. За последние 30 лет роботы выполняли работу на автоматических линиях производства в автомобильной индустрии. Каркас автомобиля продвигается по конвейеру и с помощью роботов происходит его дальнейшая сборка, покраска, монтаж деталей. Также промышленные роботы занимаются упаковкой и сортировкой вещей, дозированием жидкостей или сыпучих материалов, применяются в лабораториях и других отраслях.

Мобильные роботы используются для транспортировки материалов в местах таких, как контейнерные порты, больницы, складские помещения. Эти роботы могут выполнять неповторяющиеся и непоследовательные задания в сложной обстановке. Следовательно, они также могут называться умными роботами.

Идея о роботах, выполняющих сельскохозяйственные работы может показаться вышедшей из фантастических книг, но много роботов сейчас находятся на этапе экспериментирования и используется для вспахивания полей, сбора урожая и уборки. Также существуют управляемые роботы, использующиеся в местах, опасных или недоступных для людей. Например, они применяются для работы с радиоактивными материалами, в исследовании космоса и управляются человеком с расстояния. Некоторые из таких роботов также используются в хирургии. Роботы для личного использования также набирают популярность из-за развития искусственного интеллекта.

Робототехника постоянно развивается, роботы начинают использоваться все в более широких сферах, благодаря постоянному улучшению технологий: как увеличение срока жизни аккумуляторов, износостойкости деталей, облегчение конструкции робота, развитие искусственного интеллекта, расширение функционала. В будущем роботы будут еще более развитыми, и, возможно, это позволит полностью автоматизировать некоторые сферы жизни человека.

Для перехода к новым технологиям необходима система подготовки кадров для инновационной экономики (школьник – рабочий – дипломированный специалист) на современных подходах и мотивации.

В настоящее время происходит масштабная роботизация различных сфер человеческой жизни: машиностроения, медицины, космической промышленности и т.д. Промышленные роботы стали неотъемлемой частью многих сфер производства.

Образовательная робототехника сегодня набирает популярность в школах и кружках дополнительного образования. Ученики вовлечены в образовательный процесс благодаря созданию моделей – роботов, проектированию и программированию робототехнических устройств и участвуют в робототехнических соревнованиях, конкурсах, олимпиадах, конференциях.

Образовательная робототехника — часть инженерно-технического образования. Сейчас необходимо активно начинать популяризацию профессии инженера уже начиная со школы. Детям нужны образцы для подражания в области инженерной деятельности. Робототехника развивает учеников в режиме опережающего развития, опираясь на информатику, математику, технологию, физику, химию. Робототехника предполагает развитие учебно-познавательной компетентности обучающихся.

Образовательная робототехника — это учебная среда, основанная на использовании роботов для преподавательских целей. В ней учащиеся вовлечены и мотивированы самостоятельным моделированием и конструированием моделей (объектов, имеющих схожие или полностью идентичные реальным объектам характеристики). Эти модели создаются с использованием различных материалов и контролируются компьютерной программной системой, именуемой прототипом или симуляцией.

В опросе, проведенном среди 11-13-летних, было выяснено, что дети скорее предпочтут убраться в комнате, съесть суп, сходить к стоматологу, вынести мусор, чем сделать математику. Как это видимое отсутствие мотивации к изучению математики влияет на успеваемость? К сожалению, отсутствие мотивации негативно влияет на производительность в математических, научных, технологических и инженерных (STEM) областях; областях, жизненно важных для национальной глобальной конкурентоспособности, инноваций, экономического роста и продуктивности.

С этой целью увеличивается спрос на STEM-связанное образование и курсы для работников от технического до докторского уровня образования. STEM образование и курсы могут на выходе увеличить средний потенциал работников на 26%. К 2019 приблизительно 92% традиционных STEM профессий будут требовать некоторые формы дополнительного образования включая определенные уровни специфических промышленных сертификаций. Далее, некоторые отчеты предполагают, что даже работники не STEM профессий будут нуждаться в получении некоторых основных STEM компетенций чтобы соответствовать глобальным требованиям и выжить в современном технологичном обществе.

Обучение при помощи образовательной робототехники позволяет учащимся задуматься о технологиях. В процессе моделирования, конструирования, программирования и документирования автономных роботов, ученики не только учатся тому, как работают технологии, но и значимым и увлекательным способом применяют знания и умения, полученные в школе. Образовательная робототехника богата возможностями в интеграции не только в областях науки, технологии, инженерии и математики (STEM), но и во многих других областях, в том числе и грамотности, общественных науках, танцах, музыке и искусстве, позволяя ученикам находить способы работать совместно, чтобы развить их навыки сотрудничества и самовыражения, навыки решения проблем, критического и инновационного мышления.

Образовательная робототехника — это инструмент обучения, улучшающий ученический опыт через практическое изучение. И самое важное, образовательная робототехника предоставляет веселую и интересную среду обучения из-за ее практического характера и интеграции технологий. Привлекательная среда обучения мотивирует обучаться независимо от навыков и знаний, необходимых для выполнения поставленных целей для завершения заинтересовавшего их проекта.

Как преподаватель может заинтересовать учеников в изучении предметов, которые требуют наличие навыков в области науки, технологии, инженерии и математики (STEM)? Образовательная робототехника предлагает уникальную альтернативу традиционным методам обучения.

Интерес к использованию роботов для обучения учеников младших классов появился в первой половине 80-х гг. с началом использования программ, разработанных с помощью технологий, доступных на тот момент. Но он оставался невостребованным какое-то время из-за ограниченного доступа к связанным с ним технологиям, дороговизны, отсутствия исследований и необходимости проведения большого числа тестирований, что мешало обширному использованию роботов для преподавательских целей. Но времена поменялись. За прошедшее десятилетие с приходом технологических инноваций, школьники сейчас полностью аккультурированы к использованию технологий благодаря аудиоплеерам, смартфонам, планшетам, интернету и виртуальным мирам, созданным играми, в которые они играют. У учеников есть мотивация к использованию этих устройств, которые в свою очередь могут добавить новое измерение повседневному преподаванию.

Маленькие дети – настоящие инженеры. Они создают крепости, башни из кубиков, замки из песка, и разбирают свои игрушки, чтобы узнать, что внутри. И также в этом возрасте, дети в какой-то мере знакомы с конструкторами. Еще до достижения детсадовского возраста каждый ребенок уже играл с конструктором, или по крайней мере знает, что это такое. Используя эту ассоциацию можно вовлечь детей в процесс обучения.

Выбор важной и интересной для детей темы для проектирования является большой мотивацией к обучению. Например, дети на уроке узнали о цветах. Они создали небольшой сад и их задача – защитить его от вредителей. Учителем предлагается решить эту проблему, используя робототехнические наборы.

Каждому ребенку назначается его роль в проекте на основе его знаний и стиля обучения: разработчик, проектировщик, программист, фотограф, и т.д. Дети исследуют процесс проектирования при помощи следующих шагов, для решения проблемы: постановка проблемы, мозговой штурм для решения проблемы, выбор рабочей идеи, проектирование решения, создание решения, используя робототехнические наборы, программирование модели, документация процесса, и демонстрация получившегося проекта.

В процессе работы над проектом ученики узнают о физике, разработке и технологиях, развивают навыки работы в команде и коммуникативные способности посредством совместной работы над проблемой и экспериментирования с различными идеями.

Дети учатся работать совместно, и начинают быстро понимать важность каждого члена команды. Например, разработчик ничего не может создать без проектировщика, так как он не знает особенностей проектирования, а программист не может работать без разработчика, так как без готовой модели ему будет нечего программировать.

Дети не знакомые с конструкторами тоже должны создать проект на основе простых механизмов. Им предоставляется простор действий для того, чтобы помочь им учиться, играя с деталями конструктора. Также можно принести им недоработанные или сделанные некорректно модели и дать им возможность исправить их. Цель состоит в том, чтобы не давать детям пример для копирования, но предоставить им некоторое руководство о том, как сделать модель, что позволит им включиться в работу с остальной группой. Это действительно хорошо работает, и дети начинали методом проб и ошибок исправляют модель и учатся программировать ее. Они могут использовать различные стратегии для достижения конечного результата.

Конспектирование проекта также важно для детей. Оно помогает им систематизировать полученную информацию и лучше ее запомнить. Также оно помогает отслеживать их успехи в работе.

Учащиеся развивают технологическую беглость при использовании компьютеров, цифровых фотоаппаратов и прочих устройств, которые они могут использовать при разработке. Они учатся программировать и узнают базовые технические понятия, которые требуются для корректного моделирования. Развивая технологическую беглость, они самовыражаются различными способами посредством моделирования, записи, фотографировании и обсуждения их проекта. И самое главное они развивают самооценку и уверенность в себе как ученики.

Вышеописанное демонстрирует, что образовательная робототехника — это мощный инструмент, который может быть использован для обучения.

1. Дети формируют свои знания благодаря процессу моделирования значимых для них проектов и воплощению их собственных идей, используя самостоятельно разработанные алгоритмы;
2. Дети учатся благодаря одновременной работе в виртуальном (программирование) и реальном мире (создание модели);
3. Дети сталкиваются с когнитивными конфликтами через сравнение условий и результатов в процессе программирования и тестирования модели;
4. Дети учатся благодаря отражению и воспроизведению их собственных знаний, обсуждению их наблюдений;
5. Дети учатся благодаря беседам, основанным на совместной работе, обсуждениям, аргументациям

Робототехника – универсальный инструмент для образования. Она хорошо подходит как для дополнительного образования, так и для внеурочной деятельности. Также она является неплохим вариантом для преподавания ее как предмета школьной программы, так как она полностью соответствует требованиям ФГОС. Обучаться робототехнике можно начиная с любого возраста.

Причем использование робототехнического оборудования – это обучение, игра и творчество одновременно, что гарантирует увлеченность и заинтересованность, а также развитие ребенка в процессе обучения.

Образовательная робототехника дает возможность на ранних шагах выявить технические наклонности учащихся и развивать их в этом направлении. В настоящее время существует большое количество различных робототехнических наборов, удовлетворяющих любым требованиям. Каждый из наборов имеет свои особенности. Это и количество, и тип деталей в наборе, и различные среды программирования, имитирующие или поддерживающие известные языки.