Возможности применения платформы Аrduino в учебном процессе педагогического вуза и общеобразовательных школ

Введение. Цифровые технологии уже не только активно применяются в научных исследованиях, но и входят в нашу жизнь: «умный дом», автоматическое и дистанционное управление электрическими системами, робототехника. Появление микропроцессорных систем с открытым исходным кодом, основанных на простом в использовании аппаратном и программном обеспечении, привело к их активному использованию в образовании [6]. Особенность таких систем, рассматриваемых в контексте образовательной робототехники, состоит в возможности объединить конструирование и программирование в одном курсе, что способствует интегрированию преподава- ния естественных наук с развитием инженерного мышления через техническое творчество. Однако они могут рассматриваться и как средство поддержки учебного процесса, и более широко – как эффективное средство цифровизации образовательной среды.

Микропроцессорная платформа Arduino. Под брендом Arduino [17] производится целая линейка аппаратно-программных комплексов, используемых для автоматизации при построении и прототипировании различных технических систем, так или иначе связанных с электроникой. Основой аппаратной части Arduino является печатная плата с микроконтроллером и минимальной электронной обвязкой к нему. Функционал основной платы может дополняться картами расширения (шилдами), обеспечивающими существенное увеличение возможностей по связи с различными видами компьютерных сетей и управлению устройствами. В итоге Arduino может принимать цифровые и аналоговые сигналы широкого класса устройств и имеет возможность управления различными исполнительными модулями.

Программная часть платформы базируется на бесплатной среде разработки Arduino IDE, работающей под всеми популярными операционными системами. Открытость платформы Arduino позволила также включить ее инструментарий разработки в состав таких популярных профессиональных средств, как Microsoft Visual Studio и Eclipse. Разработанная программа помещается в микроконтроллер с помощью специального загрузчика и позволяет управлять подключенными к плате Arduino устройствами по заданному алгоритму.

Важнейшей особенностью данной платформы является полностью открытая архитектура (как программная, так и аппаратная), позволяющая свободно копировать и дополнять продукцию официального разработчика. В результате множество сторонних производителей выпускает широкий круг оборудования (датчиков, исполнительных устройств и др.), совместимого с Arduino, что приводит к дополнительному росту ее популярности и поддержке большим сообществом пользователей. Таким образом, Arduino может выступать в роли основы для конструктора электроники как удобная платформа быстрой разработки электронных устройств с хорошей масштабируемостью. Немаловажно, что эта платформа также отличается простотой и не предъявляет высоких требований к разработчику, что позволяет использовать ее даже в школьном обучении. И наконец, весьма важным для применения в образовании достоинством Arduino является значительная дешевизна систем на ее основе. Как недостаток отмечается более слабая надежность платформы по сравнению с промышленными микроконтроллерами, однако данный недостаток малозначим, если речь идет об использовании Arduino в системах, типичных для сферы образования, таких как объекты малой автоматизации или объекты сбора данных. На данный момент существует много учебной литературы [1; 8; 12], научных и методических статей, в которых обсуждаются достоинства и недостатки этой платформы, а также ее использование в образовательном процессе [9; 15].

Создание цифровых физических лабораторий. Уже несколько лет в Волгоградском государственном социально-педагогическом университете (ВГСПУ) ведется работа по проектированию и созданию роботизированных установок для демонстрационных и лабораторных экспериментов по физике. В эту деятельность вовлекаются студенты факультета математики, информатики и физики. В наших лабораториях общей физики и электрорадиотехники созданы измерительные приборы с возможностью накопления и передачи данных для последующей обработки на компьютере. Данные приборы оказались весьма эффективны для измерения температуры, влажности, тока, напряжения, индукции магнитного поля и других физических величин. Например, в лабораторной работе «Левитация проводящего кольца в переменном магнитном поле» [16] для изучения зависимости радиальной составляющей вектора индукции магнитного поля от высоты сердечника используется оригинальный измерительный прибор. Данные с датчиков могут быть переданы на компьютер для последующей обработки как непосредственно через USB-порт, так и дистанционно: Bluetooth или Wi-Fi. Обмен данными между мобильными устройствами и Arduino, управление робототехническими устройствами с мобильного телефона расширяют возможности данной платформы. Простой и удобной средой разработки мобильных программ является облачная среда визуальной разработки Android-приложений Mit App Inventor, работа в которой не требует знания языка программирования Java и Android SDK, а построение программ осуществляется в визуальном режиме с использованием блоков программного кода. На занятиях электротехники и радиотехники студенты помимо готовых лабораторных заданий получают индивидуальные задания на разработку конечных микропроцессорных устройств прикладного характера. Бу- дущие педагоги, осваивая эти технологии, готовятся к работе в школе в новых условиях активизации научно-исследовательской и проектной деятельности учащихся.

Интернет вещей. В последнее время значительное развитие получила технология Интернета вещей (Internet of Things, IoT) (см., например: [14]). С точки зрения технической стандартизации, согласно Рекомендации Международного союза электросвязи МСЭ-T Y.2060, Интернет вещей – это «глобальная инфраструктура для информационного общества, которая обеспечивает возможность предоставления более сложных услуг путем соединения друг с другом (физических и виртуальных) вещей на основе существующих и развивающихся функционально совместимых информационно-коммуникационных технологий» [13]. Термин вещи в данном случае означает объекты физического либо виртуального мира, которые могут связываться и взаимодействовать посредством сетей (компьютерных или, шире, коммуникационных). При этом взаимодействие вещей через сеть не означает полной автоматизации, т. е. исключения из этого процесса человека.

Помимо технологий собственно Интернета, концепция IoT использует технологии беспроводных сенсорных сетей WSN (Wireless Sensor Network), коммуникаций малого радиуса действия NFC (Near Field Communication), межмашинных коммуникаций М2М (Machine-to-Machine) и методов радиочастотной идентификации RFID (Radio Frequency IDentification). Для достаточно крупных проектов востребованными являются также облачные вычисления и технологии больших данных.

На данный момент существует ряд глобальных направлений практического использования технологий Интернета вещей: «умный транспорт», «умная медицина» и др. Однако наиболее популярным примером реализации данного подхода является решение, известное как «умный дом». Развитием этой идеи в применении к образованию являются концепции «умной аудитории», «умного класса» [3–5]. Эти концепции предполагают создание на основе технологий Интернета вещей интеллектуальной системы, обеспечивающей управление различными компонентами электронной информационно-образовательной среды образовательной организации [3]. С помощью данной технологии возможно в значительной степени упростить решение организационных вопросов занятия (урока), т. к. автоматизированный комплекс сможет фиксировать преподавателя, студенческую группу, предмет и тему за- нятия, управлять мультимедийным оборудованием, предлагать необходимые электронные ресурсы, по окончании занятия рассылать домашние и дополнительные задания и др. Идея концепции «умного класса», «умной учебной аудитории», «умной школы» как интеллектуальной информационно-образовательной среды представляется нам перспективной. В этом направлении немало готовых технических решений, однако для нас наиболее интересными являются открытые системы на платформе Arduino [8; 11]. Отметим, что тематика научных публикаций по использованию Arduino в вузовском образовании в основном связана с инженерными направлениями подготовки, в то время как работ по этой теме, касающихся педагогического образования, пока немного.

Подготовка педагогических кадров для организации научно-технического творчества учащихся. С 2019 г. стартовал национальный проект «Образование», в рамках которого обновляется материально-техническая база в средних школах, открываются центры «Точка роста», технопарки «Квантори-ум», центры цифрового образования «IT-куб», ключевые центры дополнительного образования детей, центры выявления и поддержки одаренных детей, образовательные организации внедряют цифровую образовательную среду. Одной из первостепенных задач являются создание и эффективная работа единой федеральной системы научно-методического сопровождения педагогических работников и управленческих кадров. Ключевую роль в подготовке педагогических кадров традиционно играют педагогические вузы, поэтому на их базе в рамках национального проекта «Образование», федерального проекта «Современная школа» открываются технопарки «Кван-ториум». В рамках программы комплексной модернизации материально-технической базы при поддержке Министерства просвещения Российской Федерации в педагогических университетах также создаются технопарки универсальных педагогических компетенций. В ВГСПУ такие технопарки появятся в конце 2021 г. Помимо другого высокотехнологичного оборудования, технопарки будут оснащены робототехническими конструкторами и, в частности, наборами для моделирования с микропроцессорной платформой Arduino.

С педагогической точки зрения использование готовых робототехнических наборов имеет ряд важных достоинств: стимулирование мотивации учащихся к получению знаний; развитие интереса учащихся к технике, программированию и конструированию; фор- мирование навыков программирования, развитие логического и алгоритмического мышления [2]. Все это в полной мере относится к проектам на основе платформы Arduino.

Использование платформы Arduino в педагогической деятельности открывает новые возможности для студента и школьника. Проекты, реализуемые в учебном процессе в образовательных учреждениях, могут выполняться и развиваться дома. Помимо раскрытия творческих способностей создается благодатная основа для реализации индивидуализации учебного процесса.

В последние годы во многих школах активно организуется основная и дополнительная образовательная деятельность учащихся, связанная с освоением элементов робототехники. Поэтому очень важным направлением педагогических вузов является подготовка компетентных специалистов, способных реализовать исследовательскую и проектную деятельность в этой области. В ВГСПУ сложился опыт реализации на практике совместной учебно-исследовательской деятельности учащихся разного уровня (школьников и студентов) в условиях открытого информационного пространства [10]. У авторов статьи есть навык совместной работы вуза и школ города по реализации научно-исследовательских проектов. Например, в рамках стратегической инициативы «Кадры будущего для регионов» в 2019–2020 гг. мы курировали работу проекта МОУ СОШ № 6 г. Волгограда по направлению «Коммуникационные и цифровые технологии, микроэлектроника» «Мой город». Преподаватели нашего вуза также активно руководят научно-исследовательскими работами школьников и студентов, которые занимают призовые места на различных конкурсах научных работ. Роль преподавателя-наставника очень важна, он должен обладать не только знаниями предмета (в данном случае нескольких областей знаний), но и пониманием возрастных особенностей развития детей, умением использовать адекватные педагогические технологии.

Учитывая относительную дешевизну плат Arduino, датчиков и необходимых для разработки элементов, а также заинтересованность обучающихся в обладании собственным комплектом Arduino, возможна дистанционная форма обучения работе с данной микропроцессорной системой. Для успешной фронтальной работы в режиме видеоконференции необходим одинаковый, заранее оговоренный комплект элементов и пошаговый набор инструкций – методическое пособие. Преподаватель, таким образом, не только демонстрирует сборку, подключение и работу своего устройства, но и может помочь в разрешении проблемной ситуации у своих учеников [7].

Онлайн-клубы научно-технического творчества учащихся. В рамках технопарков на базе педагогических вузов будет организована работа высокотехнологичных лабораторий по самым современным направлениям. Работать в них смогут не только студенты, преподаватели, но и учащиеся и учителя школ. Одним из перспективных направлений образовательной деятельности педагогических вузов является создание на их базе онлайн-клубов научно-технического творчества учащихся.

Работа кружков научно-технической направленности заключается в создании условий для решения ребенком задач с помощью автоматов, которые он сам может спроектировать и воплотить в реальной модели, т. е. непосредственно сконструировать и запрограммировать. В настоящее время в основном используются традиционные формы работы кружков научно-технического творчества. Однако недостаток педагогических кадров, особенно в школах сельской местности и малых городов, не позволяет охватить всех интересующихся. В социальных сетях существует большое количество групп научно-технического творчества учащихся, представляющих информацию о своей деятельности, фото- и видеоотчеты о выполненных проектах. Дальнейшее развитие в этой деятельности видится в создании онлайн-кружков, которые могут быть организованы на базе ведущих технических и педагогических университетов. Поддержка профессорско-преподавательского состава и активного студенчества, совместная работа над проектами повысят уровень и качество научноисследовательских работ. Связь между участниками образовательного процесса может осуществляться через цифровую образовательную среду. Особенностью таких онлайн-кружков является общение групп в онлайн-режиме с помощью видеоконференций по динамически формируемому плану. Здесь возможно как объединение в малые коллективы для выполнения проекта, так и собрание части/все-го кружка для представления результатов работы, внутренних конкурсов, обсуждения направлений дальнейшей работы. Работа с проектами Arduino, как было отмечено выше, позволяет каждому участнику проекта работать со своей версией технического устройства.

Очень большой толчок в развитии ребенка дают летние и зимние школы, материальная база университетов может позволить реализо- вать такие мероприятия в каникулярное время. Общение с преподавателями и единомышленниками, обмен идеями формируют программу работы ученика до следующей такой встречи.

Заключение. Применение современных технологий в образовательной среде позволяет готовить специалистов, не только обладающих запасом глубоких научных знаний и профессиональных компетенций, но и владеющих определенными навыками в области техники и IT-технологий. Использование платформы Arduino в педагогической деятельности позволяет открыть новые возможности для студента и школьника, способствует раскрытию творческих способностей и индивидуализации учебного процесса, созданию специальных условий для обучающихся с ограниченными возможностями здоровья.