Зарубежный опыт обучения школьников технологии разработки «Умных вещей»
Читать «Умные вещи». Способы создания
Мир вокруг нас становится наиболее «умным»: «Умный дом», в котором двери и окошки раскрываются по хлопку или же с вашего телефона, «умный город», в котором датчики собирают информацию о передвижении машин и пешеходов, компьютеры анализируют эту информацию и регулируют светофоры в зависимости от загруженности дорог. Очень важно научиться понимать логику работы «умных вещей», среди которых мы все будем жить в ближайшем будущем, и научиться их создавать.
Например, в Японии уже сегодня действует система сбора информации о сейсмологической активности — она анализирует данные и с высокой точностью предсказывает приближение землетрясений. В США действуют электронные палаты интенсивной терапии. Они помогают решить проблему нехватки кадров. Реаниматологи дистанционно следят за тяжёлыми больными — иногда сразу за десятками пациентов в сотнях километров друг от друга. При возникновении критических ситуаций монитор у постели больного автоматически посылает сигналы врачу, и тот дает указания местным медработникам, наблюдая за процессом в реальном времени через видеокамеру.
Таким образом, можно сделать вывод, что во многих странах «умные» технологии используются повсеместно. Поэтому требования к выпускникам школ возрастают. Выпускники должны быть мобильными, современными, готовыми к разработке и внедрению инноваций в жизнь. Однако до недавнего времени, реальное состояние выпускников не позволяло соответствовать этим требованиям. Именно поэтому во многих странах понимают важность обучения «умным» технологиям еще в школе.
В Японии, 27-29 июля 2017 года, в г. Нагоя прошла 13-я Международная выставка юных изобретателей — International Exhibition for Young Inventors (IEYI), в которой впервые приняли участие молодые инноваторы из разных городов России.
Международная выставка была основана в ноябре 2004 года в Токио при инициативе Японского института изобретений и инноваций. Молодые изобретатели со всего мира, как из развивающихся, так и из развитых стран, встречаются на выставке и наблюдают за другими изобретениями в области науки и техники, от базового до продвинутого, с целью конкуренции, передачи знаний и укрепления сотрудничества между странами. Главной целью IEYI было поощрение творчества и изобретения от подростков.
Основные цели IEYI заключаются в следующем:
- Способствовать инновациям и изобретательству и укрепить концепцию оригинальности для развития изобретения, инноваций и полезности оригинальной идеи.
- Усилить обмен культурами для поощрения аккультурализации молодежи.
- Поощрять воображение и творчество молодежи.
Цель преподавателей состоит в том, чтобы предоставить участникам проектные знания и навыки, необходимые для их будущей карьеры. IEYI открыт для участников начальной, средней и старшей средней школы на международном уровне; он призван вызвать научное мышление и способствовать изучению основных понятий в науке, чтобы подпитывать их понимание окружающего мира.
Кроме того, IEYI стремится развивать применимые навыки, такие как решение проблем, критическое мышление и общение с участниками. Широко признано, что необходимо оснастить молодое поколение способностью решать проблемы, а также создавать творческие и практические решения для препятствий реального мира, поскольку часто возникает разрыв между обучением в классе и знаниями в области применения.
Участники также должны чувствовать себя комфортно при совершении ошибок и учиться на своих ошибках, ставить под сомнение информацию, поставленную перед ними, а также спрашивать об альтернативных способах решения проблемы, инновативности и изобретательности, следовательно, исходящих из класса. Эта атмосфера может быть создана только в том случае, если учащиеся могут учиться на практике изобретений.
На протяжении уже 13 лет IEYI проводится в разных государствах Азии и Африки, с целью содействия реализации творческих и инновационных проектов молодых людей в разных странах мира. В выставке приняли участие более 200 студентов и школьников в возрасте от 6 до 19 лет из 20 стран мира.
Приведем некоторые примеры роботов, которые участвовали в разделе робототехника:
- Робот, который может выполнять опасную для жизни человека работу. Его задача — помогать в работе на заводах по переработке радиоактивных веществ. Радиация оказывает сильное действие на организм человека, постепенно убивая его. Робот не может это предотвратить, но может сделать самую опасную часть работы и тем самым обезопасить человека (рис.2)
- Робот-паук. При изобретении возникала трудность, как сделать так, чтобы все 120 сервоприводов работали плавно (рис.3)
- Роботы с адаптивным взаимодействием для программы исследования Луны и Марса. Один из роботов должен определить местоположение второго робота, обменяться с ним информацией, подъехать и подзарядить свой аккумулятор. Это одна из задач «адаптивного взаимодействия» роботов. Вторая задача – сканирование местности и определение оптимальной траектории для движения второго робота. «Адаптивное взаимодействие» необходимо, прежде всего, при исследовании Луны или Марса, когда роботам «неоткуда ждать помощи», особенно при форс-мажорных обстоятельствах. (рис.4)
- «Умный» светофор: исходя из скорости автомобиля и расстояния до стоп-линии, он может определить, успеет ли автомобиль остановиться и, в случае чего, предупредить пешеходов (рис.5).
Рисунок 2 — Робот, выполняющий опасную для человека работу
Рисунок 3 — Робот паук
Рисунок 4 — Роботы с адаптивным взаимодействием
Рисунок 5 — «Умный» сфетофор
Рассмотрим примеры обучения созданию «Умных» вещей в странах Германии и Италии. Нужно подчеркнуть, что нижеперечисленные примеры преподносятся в школе как метод проектов, в помощь к основной программе по информатике в школе.
В школах Германии, в 2010 году один из многочисленных проектов, объединил искусство, дизайн и информатику, в общем образовании, включая начальную школу. Проект включал в себя определение направлений цифровых технологий, которые должны быть сформированы и запрограммированы самими учениками, уходя от индивидуального обучения перед отдельными рабочими местами в компьютерных классах. Обучение происходило за границей школьного курса информатики. Проект заключался в том, что учащиеся должны были создать самостоятельно ряд проектов. Один из таких проектов — «Мой интерактивный сад». Он основан на технологии Arduino и состоит из интерактивных объектов (такие как "волшебные цветы"), которые ученики развивают и складывают в рамках интерактивного сада. Сегодня информатика присутствует в обществе больше, чем когда-либо, благодаря интерактивным и встроенным вычислительным системам. Тем не менее, многие учащиеся воспринимают информатику как школьный предмет с абстрактным и нереалистичным содержанием. Чтобы противодействовать этому и сделать компьютерную науку доступной для более широкого круга учащихся, была разработана концепция обучения «Мой интерактивный сад», которая включает в себя среду проектирования, программирования и обучения. Создатели «интерактивного сада» стремятся поддерживать сценарии творческого образования в рамках конструкционных методов, чтобы предоставить менее продвинутым ученикам хороший доступ к информатике.
Это не единственный проект в Германии. Также существует проект «Умный текстиль». «Умный текстиль» представляет собой современное поколение одежды и аксессуаров со встроенными микрокомпьютерами. Они предлагают различные возможности творчески общаться с внешним миром посредством запрограммированных микро-датчиков. Используя, например, проводящую пряжа (как кабель), датчики, моторы, света, можно сшить одежду для взаимодействия с телефонами или планшетами. Технология Arduino LilyPad может расшифровывать информацию об окружающей среде, используя входы, такие как датчики света и температуры, и может воздействовать на окружающую среду с выходами, такими как светодиодные фонари, вибрационные двигатели.
Этот Smart-текстиль, был разработан Лией Бухли в исследовательской группе по образованию в Бременском университете в 2008 году. Дети и взрослые всех возрастов, заинтересованные в интерактивных игрушках, умных аксессуарах или новых моделях, могут разработать свой собственный проект в соответствии с их воображением. Учащиеся играют с компонентами и учатся шить, программировать и проектировать схемы с помощью этого проекта Лии Бухли. Это технология для всех возрастов и новый способ познакомить учеников с технологиями, основанными на искусстве обучения, в том числе чтобы заинтересовать тех детей, которые менее заинтересованы в разработке, например, группы девушек или учеников, мало интересующихся технологиями.
В средней школе Италии также есть курсы по выбору, связанные с разработкой «умных вещей». Например есть такие курсы, как “Smart Lamp” (умная лампа) и «Ecological Wake up»(Экологическое пробуждение). Это два взаимосвязанных проекта.
Сначала на этапе проекта «Умная лампа» проектируем лампу, которая загорается, только если интенсивность света достаточно мала, что бы окружающая среда считалась темной. Для реализации этого объекта достаточно простого светодиода и фоторезистора. Цель данной работы заключается в представлении концепции аналогового ввода и необходимости понимания, как перевести электрический сигнал во что-то понятное для людей. Здесь учащиеся впервые встречаются с некоторыми типичными структурами языка программирования, то есть создание и использование переменных, команда if/else, и т.д. Также учащимся предлагается установить порог, который позволяет им различать темноту от света. Разработчики курса хотят четко указать, что поведение любого робота сильно зависит от инструкций. Во второй части деятельности нужно, чтобы заиграл музыкальный «инструмент» с использованием вариаций светового датчика, установленного на роботе и используя немного математики (рис.6).
Рисунок 6 — Игра с подсветкой
В этой работе используется стандартная схема для «умной лампы» и учащиеся могут сосредоточиться только на программирующей части. Реакция на результат не заставит себя ждать: ученики вознаграждены тем, что они могут видеть возможности робота. В частности, введение звуковых элементов очень привлекательны для студентов, которые обычно представляют серьезное проблему для обучения, давая им возможность активно участвовать (например, выбирать музыкальные инструменты или предлагать мелодии).
После введения в программирование через «умную лампу», предлагается деятельность «Экологического пробуждения». На данном этапе, учащиеся должны использовать фоторезистор и зуммер для создания будильника, который начинает играть, когда есть достаточное количество света. Учащиеся должны обработать код программы самостоятельно. Типичные трудности, заключаются в том, что большинству учащихся достаточно трудно отличить фазу установки и фазу цикла (рис. 7)
Рисунок 7 — Пример общей ошибки при программировании
После этого успешного завершения курса «Экологического пробуждения», предлагается проводить курс по созданию «Солнечного робота», который будет следовать за источником света. Этот проект тесно связан с вопросом эко-сохранения и может быть использован для создания панели солнечных батарей, что в течение дня будут двигаться вслед за солнцем. Для реализации проекта рекомендуется использовать два фоторезистора, ориентированного так, чтобы они составляли угол 90°. Когда источник света ближе к одному из двух датчиков, робот поворачивается, чтобы оставаться в соответствии с источником.
Обобщая вышеизложенное, можно сделать вывод о том, что в зарубежных странах, методика преподавания созданию «умных» вещей в школе основывается на методе проектов.
В результате успешного завершенного курса (например, описанного выше «Экологическое пробуждение»), должен получиться робот. Это значит, что вводить обучение созданию «умных» вещей в российской школе нужно в рамках курса робототехники.