Подготовка специалистов для преподавания робототехники в разных странах

С.Ю. Орлов
Новосибирский государственный педагогический университет, Новосибирск, Россия, serega27945@mail.ru

Аннотация

В статье рассматривается актуальное состояние робототехники в современных образовательных организациях. Описывается актуальность обучения робототехнике, возможности и средства её изучения. Автор даёт характеристику некоторых программ обучения преподавателей робототехнике, а также соответствующих курсов повышения квалификации. Приводятся примеры различных стратегий и концепций в области развития информационных технологий, реализуемых государством. В статье представлены формы обучения робототехнике в современных образовательных системах, в том числе, традиционные очные курсы с ежедневными занятиями и дистанционные курсы с самостоятельным обучением. Анализируется опыт Германии, Китая, Кореи, США, Японии в сфере образовательной робототехники как лидирующих в данной области стран. Раскрываются возможности реализуемой новой концепции STEAM и рассматриваются перспективы развития робототехнической индустрии.

Ключевые слова

робототехника, образовательная робототехника, изучение робототехники, STEAM-обучение

Для цитирования

Орлов С.Ю. Подготовка специалистов для преподавания робототехники в разных странах // Педагогическая перспектива. 2021. № 3. С. 19–26.
https://doi.org/10.55523/27822559_2021_3_19

Информация об авторах

Сергей Юрьевич Орлов – аспирант Новосибирского государственного педагогического университета

Текст статьи

В XXI веке во многих странах мира происходит внедрение робототехники в общеобразовательную программу. Для того чтобы этот процесс был результативней, необходима подготовка высококвалифицированных 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, остаются 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 образовательной робототехники с помощью LegoMindstorms 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», «Базовыйкурс робототехники на языке Robolab»,«Основы робототехники», «Методикапреподавания робототехники на базе конструктора ТРИК» – Центр педагогического мастерства;
  • «Легоконструирование и робототехника как средство разностороннегоразвития 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).

Первоначально финансирование CMRA осуществляли AT&T, фонды ALCOA, Heinz и Grable. Активизация школьников для привлечения их внимания к STEM-образованию за счёт использования робототехники стала миссией CMRA. Одновременно Академия совместно с преподавателями Института Карнеги-Меллона разрабатывала программы подготовки педагогов по робототехнике. В течение следующих лет CMRA составила комплекс учебных программ для обучающихся от 10 до 17 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 опиписании 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 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 робототехники, 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.

Список литературы

1. Юревич Е.И. Основы робототехники. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 416 с.
2. Гайсина И.Р. Развитие робототехники в школе // Педагогическое мастерство: материалы II Междунар. науч. конф. М.: КТ «Буки-Веди», 2012. С. 105–107.
3. Концепция развития регулирования отношений в сфере технологий искусственного интеллекта и робототехники до 2024 года: распоряжение Правительства Российской Федерации от 19.08.2020 № 2129-р. URL: https://www.economy.gov.ru/material/file/57ff642339b16c479b12030fb5f1b6e3/19082020_2129-p.pdf (дата обращения: 26.06.2021).
4. Кузьмина М.В. др. Робототехника в школе как ресурс подготовки инженерных кадров будущей России: сборник методических материалов для работников образования в условиях реализации Федеральных государственных образовательных стандартов (по итогам областных семинаров и курсов повышения квалификации по образовательной робототехнике). Киров: Институт  развития образования Кировской области, 2017. 179 с.
5. Об утверждении Стратегии развития отрасли информационных технологий в Российской Федерации на 2014–2020 годы и на перспективу до 2025 года: распоряжение Правительства Российской Федерации от 01.11.2013 № 2036-р. URL: // http://government.ru/docs/8024/ (дата обращения: 26.06.2021).
6. A. Eguchi. Educational robotics for promoting 21st century skills. Journal of Automation Mobile Robotics and Intelligent Systems. 2014; 8(1). doi: 10.14313/JAMRIS_1-2014/1.
7. Ечмаева Г.А. Подготовка педагогических кадров в области образовательной робототехники // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 2. URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=9099 (дата обращения: 26.06.2021).
8. Ионкина Н.А. Особенности отечественного и зарубежного опыта подготовки педагогов к обучению робототехнике // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Информатизация образования. 2018. Т. 15. № 1. С. 114–121. doi: 10.22363/2312-8631-2018-15-1-114-121.
9. Комиссина И.Н. Современное состояние и перспективы развития робототехники в Китае // Проблемы национальной стратегии. 2020. № 1(58). С. 123–145.
10. Гагарина Д.А., Гагарин А.С. Робототехника в России: образовательный ландшафт. Ч. 1. // Современная аналитика образования. 2019. № 6(27). С. 5–101.
11. Пустыльник П.Н. Развитие методологии обучения студентов педагогического университета в области технологического образования: влияние робототехники // Вестник Сургутского государственного педагогического университета. 2020. № 1(64). С. 110–118. doi: 10.26105/SSPU.2020.64.1.005.