Комплектация кабинетов робототехники для профессиональной подготовки и участия в соревнованиях

Современная образовательная система всё больше ориентируется на внедрение инновационных технологий и методов обучения, которые помогают развивать у учеников не только теоретические знания, но и практические навыки. Одной из таких ключевых технологий стала робототехника. Сегодня она занимает важное место в учебных планах и способствует развитию инженерного мышления, технической грамотности и творческого подхода к решению задач.

Внедрение робототехники в образовательный процесс требует не только методической подготовки преподавателей, но и наличия специализированного оборудования, которое позволяет ученикам на практике осваивать современные технологии. 

В этой связи приказ Министерства просвещения № 804 устанавливает чёткие требования по комплектации учебных кабинетов для обучения робототехнике на разных уровнях сложности. Оснащение кабинетов по этим стандартам помогает организовать процесс обучения таким образом, чтобы каждый ученик мог последовательно, от простого к сложному, изучить основы робототехники и достичь высокого уровня мастерства, вплоть до участия в профессиональных соревнованиях и международных конкурсах.

Комплектация кабинета по уровням сложности

Комплектация кабинета робототехники должна учитывать разные уровни подготовки учащихся. Это необходимо для того, чтобы каждый обучающийся мог пройти путь от базовых понятий до профессиональных навыков, соответствующих мировым стандартам. Важно понимать, что каждый уровень требует определённого набора оборудования, который соответствует целям и задачам учебного процесса.

Начальный уровень: базовые комплекты для изучения основ

На начальном уровне обучения ученики осваивают базовые концепции робототехники: как работают механизмы, что такое алгоритмы и как они применяются на практике, как взаимодействуют различные компоненты робота. Для этого уровня достаточно использования базовых комплектов робототехники, которые включают простые программируемые модели и инструменты для визуального программирования. Такие комплекты позволяют ученикам собрать простейших роботов, запрограммировать их на выполнение простых действий (например, передвижение по линии, обход препятствий), что помогает им лучше понять принципы работы механизмов и контроллеров.

Типичными примерами оборудования на начальном уровне являются популярные образовательные наборы, такие как LEGO Education или аналогичные комплекты. Они легко осваиваются детьми младшего и среднего школьного возраста, предоставляя базу для дальнейшего углубления в предмет.

Средний уровень: оборудование для углубленного изучения и практических навыков

Средний уровень предполагает более глубокое погружение в теорию и практику робототехники. Здесь уже появляются задачи, требующие от учащихся знания основ программирования, умения разрабатывать более сложные алгоритмы и работать с расширенными наборами датчиков и исполнительных механизмов. Оборудование на этом уровне должно быть более функциональным и многообразным, позволяя учащимся проектировать роботов, которые могут выполнять сложные операции: сортировка объектов, взаимодействие с внешней средой на основе данных датчиков и выполнение более точных манипуляций.

Для среднего уровня используют конструкторы с более сложными контроллерами, такими как Arduino или Raspberry Pi, которые позволяют ученикам разрабатывать собственные проекты и программировать их с использованием текстовых языков программирования (например, Python или C++). Такие комплекты часто включают в себя моторы, сенсоры, камеры и другие устройства, которые расширяют возможности робота и позволяют ученикам экспериментировать с различными задачами и сценариями.

Профессиональный уровень: специализированные комплекты для творческого проектирования и соревнований

На профессиональном уровне акцент делается на развитие творческого подхода и проектирования уникальных роботов для участия в соревнованиях и решении реальных задач. Это самый сложный и ответственный этап, требующий использования высокотехнологичного оборудования и глубоких знаний в области программирования, электроники и механики.

Оборудование для профессионального уровня должно включать специализированные комплекты для создания сложных робототехнических систем, таких как роботизированные манипуляторы, мобильные роботы с автономной навигацией, промышленные роботы и дроны. Кроме того, в комплектацию входят высокоточные датчики, мощные контроллеры, разнообразные периферийные устройства, которые позволяют разрабатывать инновационные проекты. Ученики на этом уровне осваивают сложные алгоритмы машинного обучения, компьютерного зрения, взаимодействие роботов с реальной средой и другими системами.

Кроме того, на профессиональном уровне учащиеся могут готовиться к участию в международных соревнованиях по робототехнике, таких как World Robot Olympiad (WRO) или RoboCup. Комплектация кабинета на этом уровне должна отвечать стандартам, необходимым для подготовки к соревнованиям, включая симуляционные программы и тренажёры для тестирования и отладки робототехнических решений.

Оборудование для творческого проектирования и участия в соревнованиях

Для профессионального уровня робототехники, особенно в контексте творческого проектирования и соревновательной деятельности, ключевую роль играет специализированное оборудование, которое позволяет ученикам не только осваивать передовые технологии, но и создавать уникальные решения. Это оборудование должно соответствовать стандартам и требованиям, установленным в образовательных нормативных актах, таких как Приказ № 838, и включать различные компоненты для работы с роботами, их программирования и интеграции с окружающей средой. Ниже подробно рассмотрены основные категории оборудования для профессионального уровня, а также его ключевые компоненты на примере конкретных образовательных наборов и комплексов.

Основные категории оборудования для профессионального уровня

Программируемые роботы

Программируемые роботы — это основа творческого проектирования. Они предоставляют возможность создавать как простые, так и сложные модели, которые могут выполнять различные действия в зависимости от заложенных программ. На профессиональном уровне используются роботы, которые поддерживают сложные алгоритмы и могут взаимодействовать с окружающей средой с помощью сенсоров, камер и других датчиков.

Примером такого оборудования является VEX V5 Набор Супер Кит для соревнований (Competition Super Kit), который предназначен для создания соревновательных роботов. Этот комплект позволяет ученикам собирать роботов с высокой степенью точности, программировать их для выполнения задач, связанных с передвижением, захватом предметов и взаимодействием с другими роботами в рамках соревнований. В наборе предусмотрены различные компоненты, такие как моторы, приводы и контроллеры, которые могут быть запрограммированы для выполнения различных функций.

Другим примером является Образовательный комплекс бионический робот Unitree Go1 версии Edu. Этот робот, вдохновлённый бионическими системами, позволяет изучать автономную навигацию и взаимодействие с окружающей средой. Его можно программировать для сложных задач, таких как обход препятствий, распознавание объектов и работа в условиях реального мира, что делает его идеальным для соревновательной и проектной деятельности.

Контроллеры, датчики и приводы

Контроллеры, датчики и приводы играют важнейшую роль в функциональности любого робота. Контроллеры обрабатывают данные от датчиков и управляют приводами, которые обеспечивают движение и выполнение действий роботом. На профессиональном уровне используются сложные контроллеры и широкий набор сенсоров для более точного управления и сбора данных.

Например, Комплект линейных перемещений Dobot Magician и Конвейерная лента Dobot Magician обеспечивают высокоточную механику для создания проектов, связанных с автоматизацией производственных процессов. Эти устройства могут использоваться для моделирования конвейерных линий, а также задач сборки и сортировки объектов, что даёт возможность ученикам глубже изучить процессы роботизации и промышленной автоматизации.

Модуль технического зрения Dobot Magician добавляет роботу способность «видеть» с помощью камеры и алгоритмов компьютерного зрения. Это расширяет возможности проектов, позволяя реализовать сложные задачи, такие как распознавание объектов, сортировка и навигация в реальном времени.

Периферийные устройства для расширения функционала

Периферийные устройства предоставляют дополнительные возможности для роботов, расширяя их функциональность. Это может быть связано с улучшением возможностей по взаимодействию с внешним миром или выполнением более сложных действий.

Ресурсный набор Dobot Arduino AI — это пример оборудования, которое включает в себя дополнительные модули для интеграции с платформой Arduino, что позволяет разрабатывать проекты на основе искусственного интеллекта (AI). Этот набор даёт возможность программировать роботов для выполнения задач на основе машинного обучения, что открывает перед учениками перспективы создания интеллектуальных систем.

Также можно отметить Промышленную роботизированную ячейку ВС РОБО ПР7, которая предназначена для моделирования промышленных условий. Она включает в себя манипуляторы и другие устройства, позволяющие имитировать реальные промышленные процессы. Это оборудование идеально подходит для подготовки к участию в профессиональных соревнованиях и разработке инновационных решений для производства.

Программное обеспечение для работы с роботами

Для эффективной работы с роботами необходимо программное обеспечение, которое поддерживает сложные алгоритмы и позволяет моделировать поведение роботов в реальном времени. На профессиональном уровне используются специализированные платформы, которые обеспечивают интеграцию с различными роботами и периферийными устройствами.

DJI RoboMaster EP STEAM — это комплекс, который предоставляет мощное программное обеспечение для работы с роботами, включая возможности программирования на разных языках (Python, Scratch) и интеграцию с платформами для обучения робототехнике. Этот комплекс идеально подходит для подготовки к соревнованиям и проектной деятельности, так как включает в себя симуляционные программы, помогающие тестировать и отлаживать роботов в виртуальной среде.

Конструкторы и наборы для создания уникальных проектов

На профессиональном уровне важна возможность создания уникальных проектов, которые требуют гибкости и разнообразия комплектующих. Конструкторы и наборы должны предоставлять учащимся максимальную свободу для экспериментов и творчества.

Примером является Соревновательный комплект Dobot 2020 Magician Lite, который предназначен для создания проектов на базе манипуляторов и других робототехнических устройств. Он позволяет разрабатывать сложные системы управления роботами, а также участвовать в соревнованиях, где требуется выполнение сложных манипуляций и действий в реальном времени.

Каждый из перечисленных комплектов и образовательных комплексов соответствует требованиям Приказа № 336, обеспечивая учащихся необходимыми инструментами для реализации творческих проектов, а также подготовки к участию в соревнованиях по робототехнике. Такое оборудование позволяет не только освоить передовые технологии, но и глубже погрузиться в мир инноваций, открывая перед учениками широкие перспективы для профессионального роста и развития.

Организация соревновательной деятельности на базе кабинетов

Соревнования по робототехнике — это важная часть образовательного процесса, направленная на развитие у учащихся навыков работы в команде, критического мышления, творческого подхода и применения технических знаний на практике. 

Организация соревновательной деятельности на базе учебных кабинетов требует тщательной подготовки, как со стороны преподавателей, так и со стороны технического оснащения. Кабинеты, оборудованные в соответствии с Приказом № 336, должны предоставить все необходимые ресурсы для успешной подготовки учеников к участию в национальных и международных соревнованиях.

Популярные направления соревнований по робототехнике

Соревнования по робототехнике охватывают широкий спектр направлений, начиная от простых задач по сборке и программированию роботов и заканчивая сложными проектами, связанными с автономной навигацией, манипуляцией объектами и даже применением искусственного интеллекта. Вот несколько популярных направлений:

• World Robot Olympiad (WRO) — одно из крупнейших международных соревнований по робототехнике, где участники решают задачи по сборке и программированию роботов в различных категориях (например, младшая, средняя и старшая лиги).
• RoboCup — международные соревнования по разработке роботов для различных задач, таких как футбол роботов, спасательные миссии и работа в условиях производственной среды.
• FIRST Robotics Competition — соревнование, в котором команды создают и программируют роботов для выполнения конкретных задач в ограниченное время. Основное внимание уделяется командной работе и инновационным решениям.
• RoboMaster — соревнования, организованные компанией DJI, где команды студентов проектируют и программируют боевых роботов для участия в захватывающих сражениях.

Каждое из этих направлений предъявляет свои уникальные требования к оборудованию, однако общим является акцент на инженерных решениях, программировании и умениях работать в команде.

Требования к оборудованию для участия в соревнованиях

Оборудование для подготовки к соревнованиям по робототехнике должно соответствовать ряду требований, обеспечивая учащихся возможностями для создания инновационных и сложных решений. Важно, чтобы наборы и комплекты, используемые в учебных кабинетах, были не только современными, но и достаточно гибкими для решения широкого спектра задач, возникающих на соревнованиях. Ниже приведены основные требования к оборудованию:

1. Гибкость и модульность оборудования: Роботы должны быть адаптируемыми, чтобы их можно было модифицировать под различные задачи. Например, VEX V5 Competition Super Kit предоставляет набор модулей, которые легко заменяются или настраиваются для решения разных задач, будь то манипуляции с объектами, автономное передвижение или участие в сложных командных миссиях.

2. Возможности программирования: Роботы должны поддерживать программирование на разных уровнях сложности. Ученики должны иметь возможность писать как простые алгоритмы (например, в Scratch), так и сложные программы на языках, таких как Python или C++. Оборудование, такое как DJI RoboMaster EP, предоставляет обширные возможности программирования, поддерживая интеграцию с различными платформами и библиотеками для создания продвинутых проектов.

3. Датчики и сенсоры: Для участия в соревнованиях по автономной навигации и выполнению сложных задач важно наличие большого набора датчиков и сенсоров (ультразвуковые, инфракрасные, камеры и т.д.). Например, Dobot Magician с его модулем технического зрения позволяет участникам создавать роботов, способных анализировать окружающую среду и принимать решения в реальном времени.

4. Механика и манипуляторы: Для соревнований, связанных с задачами по сборке и манипуляции объектами, роботы должны быть оснащены высокоточными манипуляторами и приводами. Комплект линейных перемещений Dobot Magician и конвейерная лента Dobot позволяют моделировать промышленные процессы, такие как сортировка или сборка, что важно для ряда соревновательных задач.

5. Интеграция с ИИ: Некоторые соревнования требуют применения технологий искусственного интеллекта для анализа данных и принятия решений. Наборы, такие как Dobot Arduino AI, дают возможность интегрировать алгоритмы машинного обучения в проекты, что особенно актуально для соревнований высокого уровня, где требуется создание интеллектуальных роботов.

Подготовка учащихся к конкурсам: роль оборудования в тренировочном процессе

Правильная подготовка к соревнованиям требует тщательной и последовательной работы с оборудованием. Это включает как теоретическое обучение, так и интенсивные практические занятия, направленные на развитие ключевых навыков:

1. Изучение базовых принципов робототехники: На первом этапе учащиеся осваивают базовые навыки работы с роботами — сборку, программирование и управление робототехническими системами. Это важно для создания фундамента знаний, на которых будет строиться дальнейшая подготовка. Здесь особенно полезны образовательные наборы, такие как Dobot Magician Lite, которые позволяют наглядно изучать основные принципы механики и программирования.

2. Практическое применение навыков: На следующем этапе учащиеся начинают решать более сложные задачи. Они программируют роботов для выполнения конкретных миссий, участвуют в командных заданиях, симулируют ситуации, близкие к условиям реальных соревнований. В этом процессе важную роль играют тренажёры и программные симуляторы, такие как те, что используются в комплексе RoboMaster EP, которые позволяют тестировать роботов в виртуальной среде до реальных испытаний.

3. Инженерное творчество и проектирование: Учащиеся, достигшие высокого уровня подготовки, начинают разрабатывать собственные проекты и решения для соревновательных задач. Это может включать создание уникальных конструкций, разработку алгоритмов для решения сложных задач, связанных с автономной навигацией, взаимодействием с объектами или роботами соперников. Важно, чтобы оборудование предоставляло широкие возможности для инженерного творчества. Примером может служить Промышленная роботизированная ячейка ВС РОБО ПР7, которая предоставляет учащимся реальные условия для разработки промышленных решений.

4. Подготовка к реальным условиям соревнований: Финальный этап подготовки — это участие в локальных и пробных соревнованиях, которые максимально имитируют условия предстоящих конкурсов. Это позволяет не только проверить готовность роботов, но и обучить учеников работать в условиях стресса, ограниченного времени и непредсказуемых ситуаций. Здесь крайне важна гибкость оборудования, его надёжность и возможность быстрой модификации в случае возникновения технических проблем.

Таким образом, оборудование играет ключевую роль на всех этапах подготовки к соревнованиям по робототехнике. Оно должно обеспечивать как освоение базовых навыков, так и поддержку сложных инженерных решений, позволяя ученикам достигать высоких результатов в творческом проектировании и соревновательной деятельности.

Заключение

Правильная комплектация кабинетов робототехники играет ключевую роль в развитии инженерных навыков у учащихся, помогая им осваивать современные технологии и применять их на практике. Оборудование, соответствующее требованиям, не только способствует глубокому изучению робототехники, но и открывает возможности для творческого проектирования и участия в соревнованиях. Это закладывает прочную основу для будущих поколений, которые смогут развивать инновационные решения и адаптироваться к стремительно меняющемуся миру технологий.