Дружба с роботами

Информатика появилась в школьной программе 1 сентября 1985 года, и назывался этот предмет «Основы информатики и вычислительной техники». До этого в 60–70-е годы XX столетия программирование преподавалось как факультатив, порой и без какого-либо технического оснащения классов. В 70-е годы в некоторых школах Москвы, Новосибирска и Ленинграда стали появляться учебно-производственные комбинаты, в которых старшеклассников готовили по специальностям, связанным с ЭВМ — электронно-вычислительными машинами.

Сегодня предмет «информатика» знаком каждому школьнику с раннего возраста: помимо школьного курса, дети посещают робототехнические кружки и мастер-классы, где их знакомят с разными платформами, пробуют программировать самостоятельно по книгам и пособиям.

Учителя признают, что сейчас одного лишь компьютера недостаточно, чтобы провести увлекательный и результативный урок. Педагоги все чаще используют различные робототехнические комплекты для классов и кружков, например наборы из серии MINDSTORMS, 20-летие которой компания LEGO Education отмечает в нынешнем году. За два десятилетия LEGO несколько раз представляла миру усовершенствованные модели полюбившегося конструктора: в 2006-м компания выпустила MINDSTORMS NXT, а в 2013 году появилось третье поколение — MINDSTORMS EV3. На основе этого набора сегодня проходят многие робототехнические соревнования для детей, такие как Всемирная олимпиада роботов (World Robotics Olympiad, WRO) или FLL (First LEGO Leaque Junior). Например, только в WRO на сегодняшний день борются за победу дети из 60 стран мира.

Дело не только в соревновательности и зрелищности робототехники, в основе которой лежит глубокое изучение информатики и программирования. По мнению педагогов, знание информатики помогает освоить и другие дисциплины школьной программы. Благодаря STEM-подходу дети могут развиваться сразу в нескольких предметных областях — информатике, физике, технологии, инженерии и математике, понимая, что у изучаемой и порой скучной теории есть и прикладной характер. LEGO Education как раз нацелена на развитие STEM-компетенций и навыков: научно-исследовательских, инженерно-технических, математических и проектных. По данным LEGO Foundation, 80 % будущих специальностей к 2020 году будут требовать наличия у сотрудников развитых STEM-компетенций. Но, самое главное, программирование является тем навыком, который гарантированно будет востребован на рынке труда в ближайшие десятилетия. И школа не может остаться в стороне от тенденций, которые диктует развитие новых технологий.

Но до того момента, как ребенок научится программировать сложные механизмы, ему нужно показать, что такое визуальное программирование. Благодаря поэтапному знакомству с робототехникой проще пройдет изучение сложных понятий и программ в будущем.

В LEGO Education уверены, что начинать знакомить детей с азами программирования можно с детского сада. Во-первых, в среднем 98 % трехлетних детей могут считаться гениями в творческом мышлении, однако менее 2 % из них сохраняют эти навыки к 25 годам. Во-вторых, дошкольники обладают гигантским потенциалом обучения и восприятия новой информации. Однако в этом возрасте есть определенные сложности с абстрактным мышлением, но ведь даже программирование можно преподавать практически. Для этого в LEGO Education разработан комплект для самых маленьких учеников, которые только начинают познавать мир вокруг, — образовательное решение «Экспресс «Юный программист».

Набор будет представлен на Московском международном форуме «Город образования» — 2018. В его основе всем известные кубики LEGO® DUPLO, из которых детям предстоит собрать поезд, а потом «оживить» его и управлять им при помощи пяти цветных «активных» кубиков, которые надо разместить прямо на полотне железной дороги. Поезд будет следовать физическим указаниям, как будто он запрограммирован. Если затем изменить последовательность «активных» кубиков, то изменится и алгоритм поведения поезда. Просто и легко! А классическая железнодорожная тематика добавляет так необходимую в изучении подобных абстрактных понятий увлекательную ролевую игру.

Набор «Экспресс «Юный программист» увлекательно и просто знакомит малышей с такими аспектами программирования, как последовательности, циклы и логические условия.

Для начальной школы LEGO Education разработала набор WeDo 2.0 — полноценное образовательное решение, помимо аппаратной части включающее более 40 часов занятий с учениками 1–4 классов. Такие решения, как WeDo, пробуждают в детях естественную тягу к исследованиям и открытиям. В базовый комплект входят СмартХаб WeDo 2.0, электромотор, датчики движения и наклона, детали LEGO, лотки и наклейки для сортировки деталей, учебные материалы и программное обеспечение.

С помощью WeDo 2.0 детям можно доступно объяснить самые сложные явления. Например, педагог вместе с учениками может исследовать жизненные циклы, среды обитания, характерные особенности живых организмов, изменения окружающей среды на примере проектных заданий, в ходе которых ученики создают модель метаморфозы лягушки и определяют характерные особенности ее организма на каждом этапе развития, исследуют результат действия уравновешенных и неуравновешенных сил на движение объекта, определяют характеристики здания, которые повышают его устойчивость к землетрясению, используя симулятор землетрясений, и проводят множество других интереснейших научных экспериментов.

Вот что говорит о WeDo 2.0 Джеффри Марлоу, геобиолог из Гарвардского университета и основатель учебно-развивающей программы для школьников «Марсианская академия»: «Уроки, посвященные научному познанию, не просто знакомят рябят с фактами, которые требуется запомнить, — ученики на практике погружаются в изучаемые явления, что гарантирует более глубокое понимание и усвоение материала. Кроме того, они развивают навыки и умения, являющиеся краеугольными для наиболее современных и прогрессивных областей деятельности человека, навыки и умения, которые учащиеся будут использовать всю свою жизнь».

В этом году легендарной серии MINDSTORMS, которая позволяет создавать роботов, исполняется 20 лет, она пережила несколько преобразований, и сегодня почти каждый ученик основной школы знает, что такое LEGO MINDSTORMS Education EV3.

Максим Васильев, президент Международной ассоциации соревновательной и образовательной робототехники, тренер российской сборной на Всемирной олимпиаде роботов, вспоминает, как в 1998 году вышла первая серия роботов LEGO MINDSTORMS. Тогда она называлась RoboLab на основе блока RCX. «По сути, это был первый серьезный задел, первый шаг к массовому использованию роботов в образовании», — считает Васильев. Сегодня, по мнению эксперта, 70-80 % молодежи занимаются робототехникой с конструкторами LEGO MINDSTORMS.

Почему же серия MINDSTORMS так популярна среди молодых людей на протяжении вот уже 20 лет? Образовательная робототехническая платформа LEGO MINDSTORMS позволяет совершенствовать свои знания в области информатики, физики, технологии и математики, участвовать в робототехнических соревнованиях, создавать разнообразные робототехнические модели, от космической станции и 3D-принтера до печатного станка на языке Брайля и протеза руки.

Современная версия EV3 в буквальном смысле «напичкана» электроникой: в ее основе лежит «умный кирпич» (intelligent brick), это микрокомпьютер с экраном и портами ввода-вывода, к которому подключаются все остальные компоненты, сенсоры и эффекторы. Микрокомпьютер EV3 обеспечивает связь микрокомпьютера EV3 и персонального компьютера или планшета по радиоканалам Bluetooth и Wi-Fi, он также способен регистрировать экспериментальные данные.

«Из моего личного многолетнего опыта и опыта моих коллег примерно 60 % детей, которые до 12 лет применяли LEGO MINDSTORMS, и 90 % детей, использовавших LEGO MINDSTORMS в возрасте 16–17 лет, выбирают вузы и специальности технической направленности, — рассказывает Максим Васильев. — Многие из моих выпускников стали студентами вузов по специальности электротехника, машиностроение, робототехника».

Понять механику, динамику или оптику гораздо проще, увидев их в действии. На уроке можно дать определения и записать на доске формулы для кинетической и потенциальной энергии — и считать тему пройденной. А можно собрать экспериментальную установку и показать, как генерировать энергию с помощью приводного рычага, ветряка или солнечных батарей. Затем использовать мультиметр, который зафиксирует уровень накопленной энергии, и попросить сравнить эффективность каждого способа с помощью микрокомпьютера. Звучит сложно, но только потому, что эта установка не стоит перед вами. Физика реально работает и не кажется скучной, когда состоит не только из формул и схем в тетради.

Лидия Белиовская, учитель информатики, руководитель Межшкольной лаборатории по робототехнике на базе ГОУ «Лицей 1557», одной из первых познакомилась с решениями LEGO Education в России и начала применять их в школе. «В НТТМ начала XXI века кто-то из школьников умел программировать, кто-то конструировать модели. Это два довольно трудоемких и временнозатратных рода деятельности. Но лишь счастливчики, знакомые с LEGO, могли создавать «живых роботов», осуществлять почти все свои идеи. С LEGO многое было несложно и быстро. Для начинающих работать с LEGO: если вы хотите проверять алгоритмы работы систем, исследовать механику, знакомиться с теорией автоматического управления, наглядно тестировать созданные вами программы, работать в команде, это оборудование для вас. Не надо изучать постоянно меняющиеся и быстро модернизирующиеся элементы оборудования, не волнует, по какой шине и как идет сигнал, как согласовать электронику, как правильно создать и изготовить электрическую схему», — рассказывает педагог.

С оборудованием LEGO дети не просто находятся в процессе работы над проектом, а создают и получают сначала прототип, а потом готовый продукт. Такой род деятельности необычен для современных школьников. В большинстве случаев они привыкли работать по аналогии, а положительного опыта создания нового на основе имеющихся знаний у учеников нет. «С помощью LEGO MINDSTORMS ученики могут понять, для чего нужна математика, физика, — рассказывает Белиовская. — Чтобы робот двигался по линии, надо найти среднее арифметическое значение. А для победы на соревнованиях еще надо научиться определять величину отраженного света, знать о системе координат, управлять сцеплением колес, понимать, от чего зависит сила трения и как она поможет».

Почти все бывшие ученики Лидии Белиовской закончили технические вузы и работают в областях, связанных с техникой и программированием. Они делают манипуляторы для микрохирургии, занимаются подводными роботами, развивают технологии распознавания лиц, с помощью машинного обучения расшифровывают речь дельфинов, разрабатывают интерфейсы айтрекинга. Но многие из них одновременно со своей интересной и непростой научной деятельностью занимаются преподаванием в школе и выездных летних лагерях робототехники.

У сегодняшних выпускников задача не из простых — им предстоит работать в абсолютно новых научных сферах и приобретать профессии, которые только появятся через 10–15 лет. По данным LEGO Foundation, 65 % нынешних учеников начальных классов будут работать по специальностям, которых пока еще не существует. Но уже сейчас можно предположить, что в любой из этих областей, будь то медицина, инженерное дело, ракетостроение или управление большими данными, необходимо знание программирования.