Однако для того, чтобы ученик научился применять компьютер как инструмент для получения знаний и мог связать теоретические и практические основы информатики в учебной и внеучебной деятельности, необходимо начинать с организации пропедевтической работы по информатике.

Методические основы обучения информатике на пропедевтическом уровне отражены в работах А.В. Горячева, Н.В. Макаровой, Н.В. Матвеевой, Л.Л. Босовой и др.

Одной из возможных форм организации пропедевтической работы по информатике может являться кружковая работа по робототехнике. Методические разработки по робототехнике и Lego-конструированию отражены в работах [6-11]. Программы предлагаемых курсов можно разделить на два типа:

1)                 Программы для начальной школы с использованием конструкторов Lego Education WE DO.

В ходе таких занятий предполагается решать следующие задачи:

-          Ознакомление с основными принципами механики и Lego-конструированием;

-          Ознакомление с основами программирования в компьютерной среде моделирования LEGO Robolab 2.5.4;

-          Развитие умения работать по предложенным инструкциям;

-          Развитие умения самостоятельно решать поставленные задачи;

-          Развитие умения довести решение задачи до работающей модели;

-          Развитие умения излагать мысли в четкой логической последовательности, отстаивать свою точку зрения, анализировать ситуацию и самостоятельно находить ответы на вопросы путем логических рассуждений.

-          Развитие умения работать над проектом в команде, эффективно распределять обязанности.

-          Подготовка к соревнованиям по Лего-конструированию.

Курс считается вводным в программирование и Lego-конструирование. Возможности конструкторов Lego Education WE DO ограниченны, поэтому продолжительность курса составляет 1 год и подразумевает занятия по 1 часу в неделю.

2)                 Программы для средней и старшей школы с использованием конструкторов LEGO MINDSTORMS NXT и EV3.

Д.Г.Копосов является автором курса и соответствующего учебно-методического комплекса «Первый шаг в робототехнику» [1]. В состав УМК входят практикум и рабочая тетрадь.

Практикум является частью учебно-методического комплекта для средней школы, в который также входит рабочая тетрадь для 5-6 классов. Цель практикума – дать школьникам современное представление о прикладной науке, занимающейся разработкой автоматизированных технических систем, – робототехнике. Его можно использовать как для занятий в классе, так и для самостоятельной подготовки.

Учебные занятия с использованием данного практикума способствуют развитию конструкторских, инженерных и общенаучных навыков, помогают по-другому посмотреть на вопросы, связанные с изучением естественных наук, информационных технологий и математики, обеспечивают вовлечение учащихся в научно-техническое творчество.

Практикум содержит описание актуальных социальных, научных и технических задач и проблем, решение которых еще предстоит найти будущим поколениям, и позволяет учащимся почувствовать себя исследователями, конструкторами и изобретателями технических устройств. Данная программа рассчитана на применение конструкторов LEGO MINDSTORMS NXT.

Существует также авторская рабочая программа учебного курса LEGO MINDSTORMS Education EV3 И.В. Котеговой [2]. Данная программа предполагает обучение решению задач конструкторского характера, а также обучение программированию, моделированию при использовании на уроках конструктора LEGO MINDSTORMS Education EV3 и программного обеспечения LEGO MINDSTORMS EV3 EDU. В данный момент курс проходит апробацию.

На сегодняшний день в сети интернет и методической литературе много различных разработок по робототехнике. Но найти качественную программу кружка по робототехнике с использованием модели конструктора LEGO MINDSTORMS EV3 не удалось.

Поэтому мы разработали авторскую рабочую программу по робототехнике с использованием конструкторов LEGO MINDSTORMS EV3.

Пояснительная записка

Актуальность кружковой работы заключается в том, что она направлена на формирование творческой личности, умеющей креативно, нестандартно мыслить. Технологические наборы LEGO MINDSTORMS EV3 ориентированы на изучение основных физических принципов и базовых технических решений, лежащих в основе всех современных конструкций и устройств.

Данная программа предполагает решение инженерных и конструкторских задач, а также обучение объектно-ориентированному программированию и моделированию с использование конструкторов LEGO MINDSTORMS EV3 и программного обеспечения LEGO MINDSTORMS EV3 EDU. Использование конструкторов LEGO MINDSTORMS EV3 позволяют решать не только типовые задачи, но и нестандартные ситуации, исследовать датчики и поведение роботов, вести собственные наблюдения. Кроме того, работа в команде способствует формированию умения взаимодействовать с соучениками, формулировать, анализировать, критически оценивать, отстаивать свои идеи. При дальнейшем освоении LEGO EV3 становится возможным выполнение серьезных проектов, развитие самостоятельного технического творчества, участие в соревнованиях по робототехнике.

Цель курса – научить использовать средства информационных технологий для решения конструкторских и межпредметных задач, способствовать успешной адаптации при переходе от пропедевтического курса информатики к базовому.

Задачи:

-     Знакомство со средой программирования LEGO MINDSTORMS EV3, базовым и ресурсными наборами;

-     Усвоение основ объектно-ориентированного программирования;

-     Составление простых и сложных алгоритмов;

-     Использование и программирование датчиков для исследования окружающей среды и выполнения поставленных задач;

-     Проектирование и разработка собственных программ для решения стандартных и нестандартных задач;

-     Создание собственных проектов, которые могут быть полезными в реальной жизни;

-     Формирование умения работать в группе.

Планируемые результаты освоения программы по робототехнике

Личностные результаты:

-     Формирование способностей обучающихся к саморазвитию, самообразованию и самоконтролю на основе мотивации к робототехнической и учебной деятельности;

-     Формирование современного мировоззрения соответствующего современному развитию общества и науки;

-     Формирование коммуникативной и ИКТ-компетентности для успешной социализации и самореализации в обществе.

Метапредметные результаты:

-     Умение ставить и реализовывать поставленные цели;

-     Умение самостоятельно планировать свою деятельность;

-     Умение выполнять и правильно оценивать результаты собственной деятельности;

-     Умение создавать, разрабатывать и реализовывать схемы, планы и модели для решения поставленных задач;

-     Умение устанавливать причинно-следственные связи и логически мыслить.

Предметные результаты:

-     Овладение простыми методами и формами обработки и анализа данных;

-     Формирование ИКТ- компетентности и информационной культуры;

-     Формирование умения автоматизировать и решать поставленные задачи, используя компьютер и технические устройства как инструмент.

Также программа обладает профориентационной направленностью. В ходе обучения по данной программе обучающийся сможет определить свои склонности к инженерно-техническому конструированию и моделированию, которые помогут в дальнейшем самоопределении.

Учебно-тематический план курса

Материально-техническое обеспечение

1. Компьютер (процессор 2 ГГц или более мощный, оперативная память Гб и более, 2 ГБ свободного места на жестком диске, 1 свободный USB порт)

2. Операционная система (Windows XP (32 бит), Vista (32/64 бит), за исключением StartedEdition, все с последними пакетами обновлений, MacOS X 10.6, 10.7 и 10.8 (только Intel) – с последними пакетами обновлений);

3. Базовый набор LEGO MINDSTORMS EV3 45544;

4. Программное обеспечение LEGO MINDSTORMS EV3 EDU;

5. Проектор;

6. Боксы для хранения собранных и разобранных конструкций;

Групповое управление может быть централизованным и децентрализованным [1]. И тот и другой подход имеют как преимущества, так и недостатки. Преимуществами централизованного управления являются простота и экономия ресурсов. Мощными вычислительными ресурсами может обладать только одно центральное устройство, которое принимает решения за все остальные устройства группы. Это позволяет остальные устройства сделать более простыми, менее энергозатратными для процессов обработки информации, следовательно, больше энергии потратить она операции по перемещению устройства (сделать их более мобильными).

Одной из задач группового управления является задача сбора мобильных устройств в «одной точке». Понятно, что на практике несколько устройств не могут находиться в одной точке плоскости, поэтому задача формулируется для сбора устройств внутри некоторого круга заданного радиуса, достаточного для размещения всех устройств без соприкосновений. Рассматривается проблема, когда группа устройств находится в следующих условиях:

–            есть одно выделенное центральное устройство;

–            каждое устройство имеет идентификатор;

–            не задана ни какая система координат, отсутствует карта территории;

–            устройства могут измерять расстояния до других устройств, например, с помощью технологии Wi-Fi [2];

–            результаты измерений представляют собой только величину расстояния, и не содержат информацию о направлении, в котором находится одно устройство относительно другого;

–            устройства могут передавать результаты измерений другим устройствам и центральному устройству, например, с использованием технологии Wi-Fi;

–            центральное устройство передает каждому устройству команду движения.

Для решения задачи была разработана стратегия управления устройствами. Ключевым элементом этой стратегии является выбор «точки» сбора. Так как система координат не задана, и каждое устройство действует в своей собственной системе координат, то сообщить устройству его координаты и координаты места сбора не представляется возможным. Поэтому координаты точки сбора для каждого устройства должны быть определены в рамках собственной системы координат каждого устройства. В качестве «точки» сбора выбирается круг вокруг одно из устройств, которое находится ближе ко всем устройствам. Это устройство делается неподвижным, т.е. центральное устройство передает ему команду «остановиться». Назовем это устройство «зафиксированным». Одно неподвижное устройство позволяет остальным устройствам сформировать свою собственную систему координат, рассчитать координаты неподвижного устройства в этой системе координат и сформировать траекторию движения в направлении неподвижного устройства. Для этого необходимо сделать три измерения расстояния до неподвижного устройства из трех различных точек. В простейшем случае эти точки должны образовывать равнобедренный прямоугольный треугольник. Тогда катеты треугольника будут определять направления осей системы координат устройства. Таким образом, центральное устройство на первом этапе направляет каждому устройству кроме «зафиксированного» команды выполнить измерение расстояния до «зафиксированного» устройства; переместиться в любом направлении на некоторое заданное расстояние и сделать второе измерение; повернуть налево на 90 градусов, переместиться на равное расстояние и сделать третье измерение. После этих действий центральное устройство получает от каждого устройства три измерения и рассчитывает координаты «зафиксированного» устройства в системе координат каждого устройства, определяемой направлениями перемещений устройств для проведения трех измерений (метод трилатерации). Предполагается, что в момент первого измерения каждое устройство находилось в точке с координатами (1, 0), в момент второго измерения – (0, 0), в момент третьего измерения – (0, 1) и направлено сейчас в сторону возрастания значений оси ординат в своей собственной системе координат. На основании этих данных центральное устройство рассчитывает координаты вектора перемещения для каждого устройства и формирует команды поворота на необходимый угол и движения вперед до достижения «зафиксированного» устройства.

Этот алгоритм дает решение и позволяет достичь «зафиксированного» устройства за минимально короткое время по прямолинейной траектории только в идеальных условиях при высокой точности измерений. На практике при использовании технологии Wi-Fi для определения расстояния до устройства точность измерений не будет хорошей. В результате координаты «зафиксированного» устройства будут определены приблизительно, направления движения так же будет определено приблизительно. Поэтому прямолинейное движение по рассчитанному направлению может не привести  устройство к заданной цели. Следовательно, стратегия движения устройств должна включать постоянные поправки в случае ухудшения ситуации. Под ухудшением ситуации будем понимать увеличение расстояния до «зафиксированного» устройства или слабое уменьшение расстояния до «зафиксированного» устройства, где под «слабым» подразумевается меньшее по сравнению с расчетным. В такой ситуации устройство должно изменить вектор своего перемещения. Изменение вектора перемещения может быть как под положительным, так и под отрицательным углом. К сожалению, знак не может быть определен по расстоянию, поэтому единственным способом определить направление изменения вектора перемещения является опытный путь. Устройство изменяет вектор перемещения в одном из направлений, и если это не приводит к положительному результату, то направление изменения вектора перемещения меняется на противоположное.

Предложенная стратегия централизованного управления группой мобильных устройств, рассредоточенных на плоскости, для решения задачи сбора устройств в «одной точке» была апробирована с использованием имитационного моделирования.

Работа выполнена при поддержке Программы стратегического развития ПетрГУ на 2012–2016 гг.

Для того чтобы роботы могли выполнять свою работу они должны получать команды. Существует несколько основных способов управления робототехникой — это проводное управление, беспроводное управление и автономная работа.

Одной из простых систем управления является проводное управление [1]. Управление происходит как с помощью платформы с тумблерами, так и с помощью кнопки, джойстика, пульта которые соединяются с устройством при помощи кабеля. Как известно на устройствах с подобным управлением не ставят искусственный интеллект или сложно-программируемые системы.

Рис.1. Управление роботом проводным способом

Также к такому виду управления можно отнести компьютерное проводное управление или же управление посредством Ethernet.

Помимо проводных систем управления существуют и системы беспроводного управления. Такие системы имеют большую разновидность,  и они имеют больше различных возможностей, чем при использовании предыдущего типа управления.

К таким системам относят: инфракрасный сигнал, управление по радиоканалу, Bluetooth и Wi-Fi. Из данных систем самой простой является управление с помощью инфракрасного сигнала, так же она считается устаревшей. Для управления роботом используется пульт с инфракрасным излучателем, а на робота устанавливается ИК-датчик, который подключается к микроконтроллеру для передачи сигналов [2].

Рис.2. Дистанционное управление роботом

Наиболее часто встречается система управления при помощи радиоканала. Для гарантированной передачи данных между устройствами применяются различные протоколы передачи информации. Одним из таких является протокол ZigBee.

ZigBee — высокоуровневый протокол беспроводной связи, который применяется массово при автоматизации промышленного оборудования, в системах автоматизации зданий и жилых помещений, в медицинском и телекоммуникационном оборудовании.

Самым популярным способом управления является управление с помощью Bluetooth. Несмотря на ограниченный радиус действия, Bluetooth пользуется большим спросом у людей, увлекающихся робототехникой.

Более сложной системой является управление по Wi-Fi. Радиус действия значительно больше все остальных беспроводных систем. Да и управлять роботом можно находясь на достаточно приличном расстоянии.

Высшим уровнем в управлении робототехникой является автономное управление – это когда устройство способно самостоятельно без вмешательства человека продумывать и передвигаться по запланированному маршруту. Такой способ возможен благодаря запрограммированному микроконтроллеру. Данный вариант управления широко применяется как в астрономии, так и для домашнего применения (роботы-пылесосы [3], роботы для мойки окон, роботы для бассейна, роботы-газонокосилки и т.д.).

Рис.3. Робот-пылесос

Стремление людей упросить себе жизнь толкает на создание  новых роботов и роботизированной техники. Это, в свою очередь, заставляет усовершенствовать комплексы систем управления. Все больше используется беспроводное и автономное управление. Эти системы упрощают обращение с роботизированной техникой.

Было проведено моделирование маршрутизации тележки, на которой установлены два датчика смещения. Один датчик был размещен по центру переднего борта тележки, второй – по центру заднего борта (рис. 1).

Рисунок 1 – Схема тележки с установленными впереди и сзади датчиками смещения

Датчик смещения позволяет определить, на какое расстояние по двум осям произошло смещение за единичный промежуток времени. Для установленных на тележку  датчиков смещения известны их координаты в системе координат, связанной с тележкой. Начало координат в этой системе совпадает с центром тележки (рис. 1). Зная начальные координаты тележки в неподвижной системе координат, датчик смещения позволяет построить траекторию движения объекта в неподвижной системе координат и тем самым определить текущие координаты объекта в неподвижной системе координат. Это возможно только при отсутствии вращения связанной системы координат относительно неподвижной, т. е. в случае, если тележка не делает ни каких поворотов, что в общем случае не так. Для учета поворотов связанной системы координат относительно неподвижной на тележке установлены два датчика смещения. Смещение датчиков относительно друг друга позволяет определить, на какой угол повернулась связанная система координат относительно неподвижной.

Для моделирования движения и управления тележкой была использована игра Garry’s mod, движок которой позволяет моделировать неподвижные и двигающиеся объекты c учетом физики реального мира (рис. 2).

Рисунок 2 – Снимок модели тележки в Garry’s mod

 Для моделирования внешней среды была использована карта территории GM_BigCity с заданной системой координат. В этой системе координат был сформирован маршрут, по которому должна пройти тележка. Маршрут представлял собой ломаную линию, вершины которой (повороты) были заданы объектами WayPoint из библиотеки WireMod, размещенными на карте, т.е. имели известные координаты.

Также в среде моделирования была построена модель тележки с двумя датчиками смещения. В качестве датчиков смещения были использованы объекты GPS и Chip-Expression2 (программируемый чип), работа которых была реализована с помощью программного кода на языке Expression2. Для движения тележки были использованы 6 объектов, называемых Thruster. Два объекта использовались для движения тележки вперед, четыре – для поворота тележки. Для управления двигателями в соответствии с результатами измерений датчиков смещения на тележке был размещен еще один объект Chip-Expression2, в котором был реализован алгоритм следования тележки по маршруту.

Для моделирования работы реального процессора был написан генератор прерываний, с периодом, равным 0,15 секунды.

Идея алгоритма маршрутизации заключается в следующем. На основе координат цели движения – очередной вершины ломаной маршрута и координат центра тележки строится вектор прямолинейного движения к цели. Если вектор направления тележки достаточно сильно отклоняется от вектора направления движения, то тележка выполняет поворот в соответствующем направлении. Если отклонение вектора небольшое, то тележка продолжает прямолинейное движение. Поворот тележки осуществляется по показаниям датчиков смещения. Блок-схема алгоритма перемещения тележки по маршруту представлена на рис. 4. На рис. 3 представлены обозначения, используемые в алгоритме. Одна итерация цикла алгоритма соответствует одному периоду генератора прерываний.

Рисунок 3 – Движение тележки к вершине 2: вектор А – вектор направления тележки, вектор В – вектор направления движения

 Код был реализован на специальном языке программирования Expression2 для Garry’s mod. В алгоритме для проверки первого условия было использовано значение α=5,7°, а для второго условия – значение w=10.

При выборе значения α следует руководствоваться следующими рассуждениями. Значение α должно быть небольшим, но больше чем угол поворота тележки за один период генератора прерываний. Это необходимо, чтобы избежать колебаний платформы на одном месте. Значение α должно быть таким, что хорда дуги, образованной двумя единичными векторами, угол между которыми равен α, меньше w. Это позволит избежать движения платформы вокруг вершины маршрута.

Значение w не должно быть меньше шага h.

Рисунок 4 – Алгоритм следования по маршруту

В результате моделирования были визуализированы траектории движения датчиков смещения (рис. 5).

Рисунок 5 – Снимок траектории перемещения датчиков тележки в Garry’s mod (синяя линия – задний датчик, красная линия – передний датчик)

Результаты моделирования показали возможность использования игровых движков для моделирования поведения датчиков и процессов управления физическими устройствами, что позволяет разнообразить процесс обучения, включая в него элементы развлекательного характера.

В дальнейшем планируется реализация физического устройства с датчиками смещения для апробации разработанных алгоритмов в реальном мире.

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.

Шина EtherCAT в свою очередь обладает уникальным функциональным принципом аппаратной обработки пакета Ethernet без промежуточной буферизации, позволяя использовать полосу пропускания 100Мбит/с. Что позволяет получить время цикла шины в диапазоне микросекунд, а не миллисекунд – характерных для большинства промышленных шин.

EtherCAT — это довольно молодой стандарт промышленной сети, относимый к семейству Industrial Ethernet и технологиям, используемым для распределенного управления в режиме реального времени. Шина EtherCAT была разработана компанией Beckhoff, целью которой было использование технологии Ethernet для автоматизации приложений, которые требуют частого обновления времени с низким дрожанием связи и низкими затратами на аппаратное обеспечение.

В сети EtherCAT один един­ственный Ethernet-кадр включает как входные и, так и выходные данные многих устройств. Фактическое использование полосы пропускания достигает от 90% и более. Возможности дуплексной связи 100BaseTX используются полном объеме, обеспечивая скорость передачи данных более 100 Мбит/с. Система EtherCAT значительно быстрее не только всех традиционных промышленных шин, но и является самой быстрой среди промышленных решений, базирующихся на Ethernet.

Так как внутренняя топология EtherCAT является кольцевой за счёт использования полнодуплексного Ethernet в качестве нижнего уровня — каждая посланная дейтаграмма будет проходить через все подключённые устройства в определённом порядке. Контроллеры ведомых устройств EtherCAT закрывают открытый порт автоматически и возвращают Ethernet фрейм, если клиентские (downstream) устройства не обнаружены. В связи с этой особенностью EtherCAT поддерживает почти любые физические топологии, такие как линия, дерево или звезда.

Ведущие EtherCAT-устройства могут быть как физическим контроллером, так и могут быть эмулированы программно с использованием стандартного оборудования Ethernet. В ведомых EtherCAT-устройствах не нужны мощные микроконтроллеры так как в них встроены контроллеры на основе БИС, которые обеспечивают обработку пакета и все ключевые временные параметры.

Функции диагностики позволяют точно локализовать ошибки и снизить затраты времени на поиск и устранение неисправностей, а отсутствие необходимости в настройке сети позволяет снизить трудозатраты на инженерно-конструкторские работы

Разработка системы управления робототехническими комплексами на базе шины EtherCAT позволяет существенно повысить скорость обработки и передачи данных между функциональными узлами робота, а также позволит использовать операционные системы реального времени. Возможность применения любой топологии сети позволяет повысить надежность и работоспособность системы управления, так, например, при использовании топологии – кольцо, можно получить доступ к любому ведомому EtherCAT-устройству даже при обрыве линии между двумя соседними устройствами EtherCAT или при выходе из строя одного из узлов.

В связи с очевидными преимуществами шины EtherCAT, ее применение в робототехнических комплексах позволит существенно повысить надежность работы системы управления, увеличить скорость передачи и обработки данных, а также снизить финансовые затраты на обслуживание и настройку систем.