Подготовка специалистов для преподавания робототехники в разных странах

В XXI веке во многих странах мира происходит внедрение робототехники в общеобразовательную программу. Для того чтобы этот процесс был результативней, необходима подготовка высо- коквалифицированных специалистов в области преподавания робототехники.

Предмет робототехники - это создание и применение роботов и других робототехнических механизмов

различного назначения. Возникнув на основе кибернетики и механики, робототехника способствовала появлению новых направлений развития и самих этих наук. Так, в кибернетике появилось интеллектуальное управление, которое требуется для роботов, а в механике – многозвенные механизмы типа манипуляторов [1].

Робототехника охватывает достаточно большой круг систем, которые берут свое начало от полностью автоматизированных производств (производственные конвейерные линии, беспилотные космические корабли, автоматические подводные аппараты и т.д.) до бытовых помощников и детских игрушек. Такое обширное использование роботизированных помощников в производственной и личной сферах жизни требует обладания определённым уровнем специализированных знаний как у взрослых, так и у детей.

Робототехника является одним из важнейших направлений научно-технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий непосредственно связаны с проблемами искусственного интеллекта [2]. В современных условиях происходит активное внедрение робототехники в учебный процесс, проводятся соревнования, конкурсы; осуществляется обмен новыми идеями, знаниями, технической информацией. Эта организационно-педагогическая деятельность поддерживается государственной образовательной политикой, что отмечено в «Концепции развития регулирования отношений в сфере технологий искусственного интеллекта и робототехники до 2024 года» [3]. Современное общество всё больше старается внедрить роботов в повседневную жизнь путём их применения в различных сферах, а так же заменить, усовершенствовать и модернизировать различные процессы жизнедеятельности. Поэтому профессионалы, обладающие знаниями робототехники и программирования, оста- ются востребованными на рынке труда в течение длительного времени.

Сегодня при изучении робототехники используются различные специализированные комплексы: 1) специальный конструктор нового поколения Lego Mindstorms; 2) развивающий конструктор Fischertechnik, предназначенный как для детей, так и для подростков и студентов; 3) Scratch Board, Arduino, конструкторы УМКИ, оснащённые микропроцессором и наборами датчиков.

М.В. Кузьмина [4] рассматривает робототехнику как прикладную науку, занимающуюся разработкой автоматизированных технических систем и взаимодействующую с такими дисциплинами как электроника, механика, программирование. Образовательная робототехника – это система воспитания и обучения личности, которая за счёт автоматизированных технических систем способствует формированию инженерного мышления, что, в свою очередь, помогает личности быть конкурентоспособной.

Образовательная робототехника в современном мире занимает достаточно важное место. Во-первых, её прогресс направлен на потребности современного общества, во-вторых, она определяет глобальные изменения, связанные с привлечением внимания молодого поколения к инженерным специальностям. Во время перехода страны от индустриального к постиндустриальному информационному обществу возникают новые задачи в системе образования и социализации человека. Актуальными становятся изменения, способствующие формированию конкурентоспособных навыков человека, позволяющих включаться в общественно важные процессы.

Актуализация робототехники в России поддерживается «Стратегией развития отрасли информационных технологий в РФ на 2014–2020 гг. и на перспективу до 2025 г.» [5], в которой в качестве приоритетов зафиксированы робототехника; машинное обучение; человеко-машинное взаимодействие; новые алгоритмы взаимодействия робототехнических комплексов и человека; новые человеко-машинные интерфейсы, включая новые методы использование жестов, зрения, голосовых интерфейсов для управления компьютерными и робототехническими системами; новые нейрокогнитивные технологии, методы, инфраструктурные решения и программное обеспечение для дополненной реальности; новые программные средства и устройства, повышающие социальную адаптацию людей с ограниченными возможностями; методы роботизации и автоматизации производств, программные технологии поддержки принятия решений в реальном времени с элементами искусственного интеллекта и др.

Робототехника является эффективным инструментом обучения, потому что помогает создать увлекательную среду, способствующую поддержанию интереса у обучающихся к инженерным специальностям. Она даёт практический опыт и выступает в качестве отличного инструмента для реализации проектного обучения. На основе проектов учащиеся работают в группах, чтобы «исследовать реальный мир». Образовательная робототехника помогает создать прекрасную среду для учащихся, где они могут найти решения интересных проблем и продемонстрировать их не только в теоретическом, но и в практическом аспектах [6].

На сегодняшний день во многих странах мира наблюдается значительный интерес к данному научно-техническому направлению. В некоторых странах технические университеты самостоятельно или совместно с производственными компаниями (FANUC, RoboticsAmericaInc, MobileRobotsInc, и др.) развивают образовательные направления для привлечения школьников и студентов к робототехнике, например, ILERT. Страны Азиатско-Тихоокеанского региона, США, страны

Евросоюза включили робототехнику в список общеобразовательных предметов для 9–12 классов [7].

Российская общеобразовательная программа не предусматривает изучение робототехники в качестве обязательного компонента, хотя и осуществляется попытка её внедрения во внеурочную деятельность и систему дополнительного образования. Анализ программ и учебников родственных предметов (физика, технология, математика, информатика), рекомендованных Министерством просвещения, показывает, что ни один из них не затрагивает вопросов, связанных с изучением данного направления. Несмотря на то, что в обязательной школьной программе пока ещё нет робототехники, обучающиеся из России весьма успешно выступают на соответствующих соревнованиях мирового уровня.

Актуальность образовательной робототехники предопределила неизбежность проблемы подготовки педагогических кадров для её преподавания в школе. На сегодняшний день в нашей стране нет специальности «Педагог по робототехнике» и, к сожалению, нет такой программы подготовки в бакалавриате. В тоже время в различных вузах страны идёт активная разработка и реализация магистерских программ, связанных с робототехникой, например, «Робототехника, мехатроника и электроника в образовании», «Робототехника и прикладные исследования в области информационных технологий» и др.

Всё более значимыми становятся курсы повышения квалификации и профессиональной переподготовки. Среди наиболее востребованных можно выделить те, которые пользуются большой популярностью среди педагогических работников и предлагаются на различных образовательных сайтах:

– «Преподавание основ робототехники в начальной школе с использованием Lego Education WeD», «Преподавание основ образователь- ной робототехники с помощью Lego Mindstorms EV3» – Институт новых технологий;

– «Основы работы с Lego Mindstorms EV3 и его применение в урочной и внеурочной деятельности средней школы», «Методика работы с WeDo/WeDo 2.0», «Программируем с Ардуино: основы работы со скетчами», «Основы образовательной робототехники» – фгос-игра.рф;

– «Робототехника. Основы программирования в LabView», «Базовый курс робототехники на языке Robolab», «Основы робототехники», «Методика преподавания робототехники на базе конструктора ТРИК» – Центр педагогического мастерства;

– «Легоконструирование и робототехника как средство разностороннего развития ребенка дошкольного возраста в условиях реализации ФГОС ДО» – проект «Инфоурок».

Актуальность проблемы подготовки кадров осознаётся не только в России, но и в других странах, где набирает популярность робототехника. Так, в частности, в 2000 году в США финансируемый NASA Национальный инженерный центр робототехники (NREC), который был частью Института робототехники Карнеги-Меллона, создал проект лагеря для детей, где ведущим направлением обучения и социализации было изучение робототехники. Проект стал востребован и на его основе была создана Академия робототехники Института Карнеги-Меллона (CMRA).

лет, который включал вводные учебные программы по программированию роботов среднего уровня для аппаратных платформ LEGO, VEX и Arduino, учебные материалы по программированию на языках LEGO ROBOLAB™, LEGO NXT-Graphical, LEGO EV3-Graphical, ROBOTC, ROBOTC Graphical и LabVIEW [8].

Учебный план состоит из уроков по вводным программам на основе промежуточного уровня, «математике роботов», науке о роботах и регистрации данных, а также «вводной инженерии среднего уровня». Помимо этого CMRA разработала материалы и рекомендации для организации лагеря по робототехнике, проводит многочисленные конференции по робототехнике для повышения квалификации педагогов в данной области.

Другим примером является Япония, в которой очень хорошо развивается индустрия робототехники. В 2020 году правительство выделило средства на реализацию концепции STEAM-образования. Программирование и робототехника на сегодняшний день являются обязательными предметами в школах Японии. При этом 70% расходов на организацию инженерного класса покрывают выделенные государственные субсидии, а 30% компаниия – участник программы. Так, например, компания ROBBO Japan планировала оборудовать 200 японских школ за один год. Инженерный класс от ROBBO состоит из специализированных наборов и программного обеспечения для обучения робототехнике, программированию, 3D-моделированию и 3D-печати, схемотехнике, технологиям интернета вещей и «умного дома». Кроме этого, специалисты компании проводят обучение педагогов, предоставляют методические материалы и поурочные планы для реализации данного направления в общеобразовательной организации.

Также активно в области робототехники развивается Южная Корея, в которой на её развитие в ближайшие 5 лет будет выделено 500 млрд. вон (около 445 млн. долларов). Эти средства планируется использовать на поиск новых перспективных проектов, которые помогут стране перейти на следующее поколение робототехнических изделий. От робототехники в Корее ожидают дополнительного ускорения развития промышленного сектора, ориентированного на экспорт. Правительство старается поддерживать инвестирование бизнеса в это перспективное направление. Не забывают и о профориентации подрастающего поколения. В стране строится посвящённый робототехнике развлекательно-образовательный парк RobotLand стоимостью 625 млн. долларов, с пропускной способностью 2,8 млн. человек в год.

Развитие образовательной робототехники в Китае также осуществляется высокими темпами. Китайская робототехническая отрасль, несомненно, обширна и имеет большие перспективы для дальнейшего совершенствования. Китайское правительство обозначило это в своей стратегии промышленного развития «Сделано в Китае-2025», которая определяет робототехническую отрасль в качестве стратегически важного сектора. Это признание порождает как новые возможности, так и вызовы для иностранных инвесторов. Правительство Китая сосредоточено на развитии робототехнической отрасли. Стратегия акцентирует внимание на искусственный интеллект и автоматизацию. Приоритетным сектором развития в данной стратегии является трансформация и модернизация промышленности. Благодаря данной стратегии производство роботов Китая на мировом рынке должно увеличится с 31% в 2016 г. до более 50% к 2025 г.

В тоже время, как и в других странах, в Китае ощущается нехватка специалистов робототехнической сферы и недостаток образовательных возможностей для их подготовки. В качестве хорошего примера развития образовательной робототехники рассматривается система образования США. Начиная с 2013 года число желающих обучаться в США по специальности «Робототехника» непрерывно увеличивается. В связи с этим, к 2030 году ожидается увеличение китайских студентов, аспирантов и докторов наук практически в 2 раза. Одной из главных проблем Китая является слабая возможность системы образования гибко реагировать на запросы рынка в области искусственного интеллекта и робототехники. Несмотря на значительные достижения в промышленной робототехнике, наблюдается отставание в технологиях: высокоточные редукторы, сервоприводы электрических машин, контроллеры, панели управления [9].

Что касается Германии, то на сегодняшний день в этой стране существует множество технических университетов и учреждений среднего профессионального образования, в которых успешно реализуются образовательные программы по робототехнике. Эти образовательные ресурсы являются доступными и используются для изобретения новых технологий (например, 3D-печать металлом). Кроме того, создаются специальные институты для обучения робототехнике, которые дают возможность молодым студентам пройти обучение STEM.

STEAM-концепция зародилась в США в версии STEM18 и получила развитие в виде STEAM, STREAM19, STEMAC20 (S – Science (наука), T – Technology (технология), R – Reading (чтение), E – Engineering (инженерия), A – Arts (искусство), M – Math (математика), C – Culture (культура)). Сегодня STEM играет существенную роль в опи-писании объединения науки, техники и математики в учебных планах. Авторы концепции определили STEM как образовательный запрос, где обучение поставлено в реальный контекст, а учащиеся решают задачи, приближенные к реальным проблемам [10].

Сходство STEM (во всех его вариациях) и образовательной робототехники проявляется в междисциплинарности, предполагающей интеграцию учебных дисциплин в метапредметном аспекте и способствующей эффективному преподаванию отдельных курсов. Также связь робототехники и концепции STEM позволяет развить интерес к тому или иному предмету в рамках реализации различных проектов. Не только школьники, но и студенты при переходе к STEAM могут расширить свои знания в области технологий и программирования за счёт интереса к творчеству. В связи с этим ряд исследователей и практиков считают, что в STEM и STEAM необходимо включение культурной составляющей (искусства, культуры, гуманитарных наук), что в свою очередь позволяет более эффективно реализовывать междисциплинарные связи между естественными и гуманитарными науками. Поэтому необходимо использованную STEAM концепцию расширить до области STEMAC [11].

Одним из примеров такого подхода является программа Тобольской государственной социально-педагогической академии им. Д.И. Менделеева. Для студентов физико-математического факультета разработан курс «Теория и методика обучения основам робототехники».

Цель курса: знакомство студентов с возможностями образовательной робототехники для повышения качества обучения в условиях реализации федеральных государственных образовательных стандартов нового поколения и развития научно-исследовательской деятельности обучающихся, а также формирование готовности студентов к творческой инновационной деятельности со школьниками.

Основными задачами курса являются: 1) знакомство студентов с основами современной робототехники; 2) формирование общенаучных и технологических навыков проектирования 24

и конструирования самоуправляемых робототехнических систем; 3) развитие алгоритмической культуры, формирование навыков программирования робототехнических систем; 4) изучение и развитие методики внедрения элементов образовательной робототехники в изучение различных школьных предметов; 5) изучение методических особенностей подготовки школьников к участию в различных робототехнических мероприятиях; 6) освоение возможности использования робототехнического конструктора в научно-исследовательской деятельности школьников; 7) выработка у студентов профессиональных навыков работы со школьниками в рамках данного направления.

Программа рассчитана на 100 часов и состоит из двух образовательных модулей по 36 часов: «Основы робототехники», «Методика обучения основам робототехники» и модуля учебной практики продолжительностью 28 часов.

В 2012–2013 гг. более тридцати выпускников академии получили сертификаты и удостоверения, подтверждающие их научную и методическую готовность обеспечить инновационную работу со школьниками по направлению «Образовательная робототехника» [7].

Внедрение образовательной робототехники в педагогических университетах XXI века позволило развить интерес студентов в области технологического образования. Для повышения конкурентоспособности будущих специалистов образовательные организации расширяют требования к результатам их подготовки. Современный учитель технологии, физики или информатики должен: 1) обладать знаниями в области образовательной робототехники; 2) уметь наставлять, мотивировать и поддерживать школьников при подготовке к участию в профилях НТИ олимпиады, быть экспертом в компетенциях WSR; 3) быть готовым в рамках внеурочной деятельности вести кружок по робототехнике [11].

В результате проанализированных данных можно прийти к пониманию того, что несмотря на актуальность и бурное развитие робототехники во всем мире в системах образования различных стран наблюдаются проблемы в сфере подготовки профессиональных кадров. Часть из них связана с техническим обеспечением, нехваткой ресурсов, другая – со сложностями переобучения и повышения квалификации педагогов в направлении образовательной робо- тотехники, третья – с неэффективным применением специализированных методик обучения. Популяризация и развитие робототехники у школьников осуществляется благодаря концепции STEM, но, к сожалению, в подготовке кадров она играет незначительную роль. В целом проблема нехватки компетентных преподавателей робототехники остаётся сегодня актуальной и значимой на всех уровнях реализации современного образования.