USING OF ROBOTICS FOR LEARNING MOTIVATION.pdf Вызов у студентов интереса к обучению является основной проблемой в современном высшем образовании. Мотивация является источником активности, она выполняет познавательные функции и вкладывает смысл в образовательный процесс. Мотивация относится к внутренней психологической характеристике личности и показывает отношение человека к миру и различным видам деятельности [2-5]. Деятельность, слабо подкрепленная мотивацией либо не имеющая таковой, не отличается стабильностью или не выполняется вовсе. Количество усилий, которые студент прилагает в учебе, зависит от того, как он ощущает себя в конкретной ситуации. Таким образом, в процессе обучения важно развивать у студентов внутреннее стремление к знаниям для получения научного опыта и практических навыков. Соревновательный и игровой элементы являются одними из важнейших аспектов мотивации. Смысл описываемого метода заключается в создании такой методики образовательного процесса, которая обеспечит конкурентную борьбу между группами студентов в условиях равного участия для каждого из них. Эффективные соревнования основаны на следующих принципах: - правила должны быть доступны, неизменны и одинаковы для всех участников; - результаты конкурсов должны быть доступны и регулярно обновляться; - обязательное соблюдение равных конкурентных условий между участниками. В настоящее время развитие аппаратных средств и программного обеспечения позволяет реализовывать на практике алгоритмы управления, полученные теоретически и проверенные с помощью компьютерного моделирования [2, 3]. Выбор элементной базы для экспериментальной проверки может быть очень широким. Например, можно использовать робототехнические наборы-конструкторы Bioloid, разработанные корейской компанией Robotis [1]. В данной статье описываются влияние соревнований по робототехнике на мотивацию студентов для более глубокого изучения физики, теории управления и информатики, реализации приобретенных навыков непосредственно в практических задачах робототехники, а также проблемы мотивации в области образования, особенности и преимущества образовательных робототехнических наборов, применение робототехнических наборов в области образования и результаты их внедрения. Необходимость использования реальных роботов вызвана тем, что одной из основных проблем апробации алгоритмов управления, полученных теоретически и проверенных на работоспособность с помощью компьютерного моделирования, является реализация результатов на практике [2-3]. Актуальность синтеза алгоритмов управления определяется необходимостью создания интеллектуальных систем управления сложными техническими объектами: космическими, надвод-ными и подводными устройствами и аппаратами, прецизионными электромеханическими системами, инжекторными двигателями внутреннего сгорания, химическими реакторами, транспортными системами, многозвенными и мобильными манипуляторами, вибрационными стендами, колесными и шагающими механизмами. Процесс проектирования или модернизации устройств систем управления осложняется несколькими факторами: уникальность отдельного объекта самого по себе, очень высокая стоимость и риск поломки, а также отсутствие возможности провести эксперимент по взаимодействию с другими подсистемами в условиях, близких к реальности [11-12]. Создание робототехнических исследовательских комплексов, которые являются прототипами реальных технических объектов, формирует основу для развития и модернизации данных объектов, включая получение новых методов интеллектуального управления и возможность их тестирования на основе простых аналогий. В настоящее время развитие аппаратных средств и программного обеспечения позволяет проводить экспериментальную проверку алгоритмов при различных вариантах выбора элементной базы, таких как, например, робототехнические наборы Bioloid, представленные на мировом рынке робототехники корейской компанией Robotis. Эволюция робототехники приводит к расширению области ее применения и повышению технологической сложности устройств. Это способствует появлению творческих, талантливых профессионалов, которые могут генерировать новые идеи, реализовывать их, улучшать методы управления и качество функционирования. Поэтому для совершенствования учебного процесса и модернизации существующих учебных программ необходимо создать условия для научного творчества студентов. Профессионально подготовленные специалисты, имеющие современные теоретические и прикладные знания, способны обеспечить повторную индустриализацию экономики в период быстрого роста за счет углубленной профориентации труда и создания высокотехнологичных инноваций. Фундаментальные ориентиры современной экономики базируются на передовых исследованиях, развитии высокотехнологичных производств, научных открытиях, а также на их коммерческой реализации и обосновании использования. Эти тенденции создают высокие требования к уровню подготовки специалистов, которые должны быть способны реализовать самые последние достижения науки и техники в промышленности. Таким образом, становится необходимой массовая заинтересованность молодого поколения в инженерных и конструкторских специальностях. Необходимость решить проблему мотивации подтверждается следующими фактами [7-10]: нехватка квалифицированных молодых специалистов на промышленных предприятиях; практически отсутствуют центры довузовского научно-технического обучения и творчества, существует лишь несколько секций и групп, которые не имеют общих принципов обучения, преподавания и технической базы; отсутствует понимание современных проблем и вызовов в области промышленности, решаемых специалистами на производственных предприятиях. Такая ситуация порождает трудности при выборе специальности при поступлении в высшие технические учебные заведения и в результате приводит к отсутствию интереса в трудоустройстве по изучаемому направлению; большинство производственных проблем на предприятиях решаются с помощью устаревших инструментов и методов, так как менеджеры и профессионалы, которые имеют значительный опыт, не располагают знаниями о современных достижениях. Для обеспечения комплексного подхода к решению обозначенной выше задачи должна проводиться модернизация образовательного процесса с учетом возраста и различного состава обучающихся. При этом необходимо: предоставить информацию и доступ для детей и молодежи к новейшим достижениям в области науки и техники, предоставить средства для развития современных знаний и технологий, открыть возможности и перспективы карьерного роста в высокотехнологичных отраслях или реализации собственных инновационных проектов в области коммерческой деятельности; обеспечить учебные заведения современными программами обучения для получения практических навыков и теоретических знаний, что требует обновления материально-технической базы, переподготовки преподавателей, создания связей между различными исследовательскими группами; осуществить программы, направленные на повышение популярности конструкторских и инженерных специальностей и ориентированные на создание научно-технической элиты в стране и ее регионах. В настоящее время существует множество робототехнических комплектов, на основе которых могут быть созданы образовательные курсы: Mechatronics Control Kit, Festo Didactic, Lego Mindstorms, Bioloid, Parallax и др. (рис. 1). Достижение реальных практических результатов значительно способствует проявлению у учащихся самостоятельности, развитию их лидерских качеств, положительно влияет на учебный процесс. Робототехника также способствует росту интереса в областях конструирования и проектирования систем, популярность которых заметно снизилась в последнее время. Таким образом, использование робототехники в образовании создаст мощный импульс, который будет способствовать решению широкого спектра задач: рост интереса к конструкторским и инженерным направлениям и специальностям; развитие у молодого поколения аналитического типа мышления, способностей к техническому творчеству, стремления к достижению целей, повышению профессиональной конкурентоспособности; утверждение мнения о престижности инженерных и конструкторских специальностей среди общественности. Одним из лучших научно-технических инновационных конкурсов для развития образовательных программ в России является ежегодный фестиваль «RoboFest». До фестиваля «RoboFest» (до 2009 г.) не было никаких программ поддержки робототехники. Основная цель фестиваля заключается в восстановлении престижа профессии инженера в России. В 2013 г. фестиваль посетило около 500 команд из 40 регионов, которые приняли участие в 19 видах состязаний (рис. 2). Сегодня «RoboFest» является одним из крупнейших фестивалей в мире, и, как следствие, пропуском на престижные международные робототехнические соревнования. Победители «RoboFest 2014» примут участие в международных конкурсах робототехники в США (FTC, FLL), Европе (ElRob) и Азии (ABU ROBOCON). Основные международные соревнования: FIRST (cевероамериканские мировые робототехнические соревнования). ABU ROBOCON (cоревнования Азиатско-Тихоокеанского региона по робототехнике). Mobile Systems (конкурс роботов, сделанных в соответствии с правилами фестиваля). Android (соревнования андроидных роботов). Freestyle (демонстрация проектов в категориях «спортивная категория», «креативный класс», «роботизированные помощники»). Hello, robot! (конкурс для начинающих заниматься робототехникой). Конкурс проходит в категориях: «Траектория», «Биатлон», «Кегельринг», «Шагающие роботы». Преимуществами участия в данной программе являются: создание многоуровневых образовательных курсов для инженеров, на основе конкурентной модели в области робототехники для разных возрастных групп; объединение основных преимуществ массовых спортивных и международных технических мероприятий в единую образовательную программу и ее интеграция в систему международных соревнований; создание филиалов в аккредитованных колледжах и университетах; подготовка квалифицированных специалистов. В ходе модернизации процесса обучения в Университете ИТМО ряду студентов была поставлена ​​задача реализовать проект «Танцующие роботы» для исследования задач движения и планирования траектории сложных мехатронных объектов. Сегодня планирование и стабилизация движения шагающих роботов является очень актуальной задачей. Она включают в себя стабилизацию неподвижного робота в положении стоя, устойчивый процесс ходьбы, движение вниз и вверх по лестнице, по наклонным и скользким поверхностям и т.п. Таким образом, цель данного проекта заключается в возникновении интереса и мотивации у студентов и аспирантов к изучению и развитию собственных систем управления для антропоморфных роботов. Было анонсировано проведение университетских состязаний роботов, победители которых отправятся представлять университет на международных соревнованиях в Китае. Студенты были разделены на команды, состоящие из четырех человек. Капитаны команд были выбраны среди магистрантов, остальная часть команды - студенты бакалавриата. Победители были выбраны по следующим критериям: оригинальность, уровень взаимодействия между роботами, сложность движений, синхронность исполнения движений группой роботов. Этот конкурс позволил привлечь большое количество студентов и научить их основам схемотехники, электроники, машиностроения, механики и программирования роботов. После турнира команда-победитель начала подготовку к международным соревнованиям. Международные соревнования проходили в следующих номинациях: легкая атлетика: спринт, марафон, бег с препятствиями, бег по лестнице, тяжелая атлетика; игры с мячом: пенальти, баскетбол, гольф, футбол 3 на 3; бои: бокс, фехтование; гимнастика: перекладина, балансирование; танцы: одиночные, парные и коллективные; работа: сбор мусора, доставка груза; творческий номер. Критерии оценки участников для каждой дисциплины были разные (скорость, точность, зрелищность и т.д.). Для участия в турнире команда изучила некоторые дополнительные дисциплины: техническое зрение, взаимодействие с различными видами сенсорных систем (акселерометры, гироскопы, дальномеры и т.д.). Также был разработан ряд дополнительных электронных устройств, расширяющий возможности комплекта, и написаны библиотеки функций, которые позволяют управлять новыми устройствами с помощью стандартного протокола контроллера и синхронизировать их с другим оборудованием. В результате участия в соревнованиях роботов-гуманоидов в Китае, в котором принимало участие более семидесяти университетов со всего мира, роботы студенческой команды Университета ИТМО выиграли золото в категории «Парный танец», серебро в категории «Коллективный танец» и бронзовую медаль в боксе. Члены команды помогают младшим студентам в разработке и программировании роботов, делятся приобретенным опытом, помогают им решать сложные задачи (рис. 3). Такая «связь между поколениями» позволяет получить глубокий уровень практических навыков и знаний. Часто помощь студентов старших курсов является для студентов младших курсов более эффективной, чем консультации с преподавателями. Это связано с отсутствием психологических барьеров между студентами, что способствует более открытому общению и глубокому уровню взаимодействия в процессе передачи знаний. Опыт распределения обязанностей и организации взаимодействия в ходе проекта также помогает создавать команды, способные решать более сложные задачи и проводить более глубокие исследования. Магистранты, которые были капитанами команд, приобрели опыт в области управления проектами, формирования технических заданий, распределения обязанностей и объединения результатов работы всех членов команды. Следует отметить, что опыт технологической модернизации готовых роботизированных платформ позволяет студентам реализовывать свои идеи, развивает навыки технического творчества и способствует разработке продуктов и систем, которые не ограничиваются базовой конфигурацией элементов. Такой опыт может быть особенно полезным в профессиональной деятельности в различных отраслях промышленности. В будущем планируется ввести некоторые ограничения для участников университетского конкурса. Только студенты, успешно прошедшие все необходимые предметы базовой программы, будут допущены к участию в университетском конкурсе. Таким образом, они будут получать дополнительный стимул для успешного завершения образовательных программ бакалавриата и магистратуры. В результате соревнования будут способствовать повышению мотивации и интереса не только к предметам, необходимым для создания и управления роботами, но и к другим дисциплинам курса, даже если они не являются необходимыми для конкурентной борьбы в рамках состязаний. В результате будет улучшаться качество образования в университете. Как уже упоминалось выше, мотивация является одним из ключевых факторов успешной подготовки высококвалифицированных специалистов, обладающих обширными знаниями как в классических, так и в самых передовых областях науки и техники. Для создания рычагов и механизмов мотивации к обучению необходимо разработать систему конкурсов, рейтингов и соревнований в области робототехники, которая будет соответствовать самым высоким уровням международных соревнований. Система, обеспечивая конкуренцию между участниками, создаст фундамент для развития лидерских качеств и профессиональных навыков, а также позволит контролировать качество преподавания в целом.

Скачать электронную версию публикации