Четвертая промышленная революция в России ориентирована на развитие тех отраслей науки, производства и технологий, которые обеспечат конкурентоспособность страны в мировой экономике по приоритетным направлениям. С целью подготовки будущих инженеров, ученых, IT-специалистов к работе в передовых наукоемких отраслях и перспективных направлениях по всей стране создается сеть образовательных учреждений дополнительного образования (региональные школьные технопарки, «Кванториумы», «Точки роста», Центры технологической поддержки образования); программы технической направленности реализуются в общеобразовательных школах, колледжах, вузах. На прошедшем в феврале 2023 года Совете ректоров вузов актуализирована проблема создания научно-технических бюро, направленных на подготовку молодежи к созданию новых киберфизических объектов и систем. На территории данных площадок подрастающее поколение приобретает опыт в области робототехники, компьютерного программирования, 3D-моделирования, познает основы инженерной деятельности, учится разрабатывать стратегию решения производственных задач и проектных технических заданий.
Региональная особенность технологических программ и проектов обусловлена экономическими потребностями того или иного региона. Так, например, Каспийский регион является важным звеном транспортно-логистического канала Север-Юг, здесь осуществляются добыча полезных ископаемых и освоение биоресурсов. Поэтому при обучении школьников и студентов актуальными являются изучение физических основ работы и конструирование роботов-погрузчиков, роботов-перевозчиков, беспилотных транспортных средств, складских систем учета и распределения грузов, систем управления движением транспортных потоков, систем слежения за объектами, роботизированных буровых установок, нефтяных вышек, танкеров и т.п. [1].
Помимо значимости самих конечных продуктов, получаемых в процессе создания роботов, важным является образовательный процесс, направленный на их разработку, как способствующий формированию у личности креативного мышления. Понятие «креативное мышление» трактуется как «способность продуктивно участвовать в процессе выработки, оценки и совершенствовании идей, направленных на получение инновационных и эффективных решений» [2]. На основании мнений ученых по определению терминов «креативное мышление», «техническое творчество», «изобретательская деятельность» сформулировано следующее понимание понятия «формирование креативного технического мышления» как целенаправленная, контролируемая и диагностируемая педагогическая деятельность, формирующая практическую подготовленность и личностные качества к рационализаторской и изобретательской деятельности в ходе создания материальных объектов с признаками субъективной новизны и полезности.
Цель исследования состоит в разработке и реализации методов формирования креативного мышления личности в процессе реализации образовательного процесса по программе образовательной робототехники.
Материалы и методы исследования
В качестве методологической основы внедрения модели формирования креативного мышления реализован деятельностный подход в обучении, предполагающий, что все знания, умения и навыки человек приобретает в процессе собственной деятельности [3]. Это требует коренного изменения, перестройки всего учебного процесса по обучению продуктивной деятельности, отказа от традиционных форм организации образовательного процесса в виде классно-урочной системы и перехода к внедрению инновационных образовательных стратегий и технологий. К ним, прежде всего, относятся проектное обучение, STEM-технология и метод управляемых открытий. Данные стратегии определили новые виды и формы организации занятий, такие как проектные коворкинги, инженерные практикумы и публичная защита созданного технико-технологического продукта.
Результаты исследования и их обсуждение
Проектное обучение является эффективным инструментом решения актуальных проблем естественно-научного и технического образования, позволяющим сформировать у обучающихся умения применять научные знания для создания новых практически значимых продуктов. В образовательных системах европейских стран, а также Китая, США и Австралии имеется положительный опыт внедрения данного метода в обучение как школьников, так и студентов [4].
Проектная деятельность внедрена через использование методик, направленных на побуждение обучающихся к самостоятельному выявлению этапов деятельности, таких как целеполагание, планирование, установление правил, алгоритмов, закономерностей и осуществление деятельности по выполнению проектного задания [5]. Функция педагога-ментора заключается в том, чтобы в нужный момент вербально и в знаках оформить сделанное будущим ученым «открытие». Роль современного педагога как наставника должна быть «в большей мере сосредоточена на наиболее сложных моментах организации, осуществления и рефлексии образовательного процесса» [6, с. 39].
Для достижения цели проекта в заданное время целесообразно использовать метод управляемых открытий, который позволяет сделать процесс работы над проектом активным и саморегулируемым. В процессе обучения человек не только самостоятельно создает конечный продукт, но и усваивает метод его создания [7]. В процессе создания технического объекта ученики осваивают способы выполнения следующих видов деятельности:
1) формулирование цели проектного задания;
2) выделение идеи достижения цели;
3) проектирование, создание прототипа, прообраза предполагаемого объекта;
4) разработка программы преобразования прототипа в реальный объект;
5) реализация программы преобразования прототипа в реальный объект;
6) установление соответствия свойств полученного объекта заданным в цели.
Образовательная среда, в которую погружаются проектанты, максимально схожа с обстановкой высокотехнологичных компаний, научных центров и конструкторских бюро. Процесс работы обучающихся над проектом уподобляется работе реальных специалистов. Перед ними ставится цель по созданию практически значимого продукта, достичь которую необходимо в определенные сроки, в соответствии с критериями оценки создаваемого продукта. Организованная таким способом проектная работа позволяет развить у обучающихся когнитивные способности, ориентирует на самообучение, позволяет им оценить свои слабые и сильные стороны, знания и способности, что в конечном итоге формирует креативное техническое мышление. Итоговое оценивание воплощенного в жизнь проекта происходит на публичной защите, где презентующий доказывает «жизнеспособность» собственных проектов. Это способствует формированию у соискателя умений отстаивать свою точку зрения, оппонировать, давать оценку разработке других участников, рефлексировать собственную деятельность.
Образовательная робототехника – это эффективный инструмент развития инженерного творчества, закладывающий основы системного мышления посредством интеграции математики, физики, технологии, черчения, информатики. При этом в сознании учащихся возникает четкая связь между вышеуказанными предметами, появляется понимание необходимости и смысла обучения и важности инновационных решений и идей. Образовательные технологии, применяемые при преподавании робототехники, способствуют овладению учащимися универсальными учебными действиями, а сам предмет является мотивирующим аспектом, будучи достаточно интересной, современной интегративной наукой. Наиболее узнаваемой образовательной технологией, в ходе реализации которой активно используются робототехнические образовательные решения, представляется STEM-технология. STEM-технология подразумевает получение учащимися интегрированных знаний в области естественных наук с развитием способностей применять знания на практике. Освоение обучающимися программ обучения робототехники создает предпосылки для формирования инженерных кадров, которые затем составят научный и технический потенциал страны.
На данный момент существует множество робототехнических конструкторов, выпущенных разными производителями из разных стран мира. Образовательные решения Lego являются самыми развитыми и проработанными на данный момент. Помимо самих конструкторов, образовательные решения Lego включают комплексы инструкций и справочники, которые находятся в свободном доступе в Интернете [8]. Однако при подробном описании пошаговой сборки той или иной модели робота в данных материалах отсутствуют описания образовательной программы для конкретной возрастной группы обучающихся и педагогических технологий, направленных на формирование креативного технического мышления в процессе занятий робототехникой.
В итоге на сегодняшний день существует достаточное количество дидактического материала, который в полной мере отвечает на вопрос «чему учить». При этом без ответа остается вопрос «как учить». Поэтому можно найти достаточное количество подтверждений тому, что робототехника активно внедряется в образовательный процесс, но лишь единичные авторы говорят об эффективности такого внедрения и конкретных образовательных результатах, которые оно дает [9].
Большинство публикаций, демонстрирующих успешное применение программ обучения робототехнике, дают понять, что сам курс может очень сильно варьироваться, а степень успешности напрямую зависит от роли учителя, грамотной организации принципов деятельностного обучения. Взаимодействие преподавателя и учащегося должно носить характер сотрудничества, учащиеся должны проявлять собственный интерес в выдвижении идей по постройке собственных конструкций, только в таком случае будет достигнута максимальная эффективность образовательного процесса. Взаимодействие учащегося и преподавателя будет эффективным в случае максимального участия педагога в процессе работы над проектом. Взрослый должен проявлять такой же интерес к конструктору и работе с ним, как и дети, традиционный «инструкционный» подход неприменим, иначе учащиеся начинают работать с конструктором отдельно от преподавателя, лишь со сверстниками или вовсе теряют интерес к работе.
Разработанная и внедренная в образовательный процесс дополнительная программа «Основы робототехники» ориентирована на создание ситуаций поиска решения конструкторских задач, а также на обучение объектно-ориентированному программированию. Программа формирует базовые конструкторские навыки, умение выстраивать логическую структуру управляющей механизмом программы, способствует формированию умения работать в команде, формулировать, оценивать и отстаивать собственные идеи. Дальнейшее освоение конструктора вкупе с расширенным набором делает возможными создание серьезных проектов, развитие самостоятельного технического творчества и участие в робототехнических соревнованиях. Актуальность программы продиктована высокими темпами развития и внедрения робототехнических технологий во все сферы деятельности человека. Педагогическая целесообразность настоящей программы заключается в развитии созидательных способностей, научного мировоззрения и креативного технического мышления. Методическое сопровождение программы соблюдает современные требования к формам и методам образования, построенным на принципах взаимообучения, постановки проблемных задач и проектного обучения, что является ее отличительной особенностью.
В ходе реализации программы обучающиеся выполняют самостоятельные работы по программированию роботов на заданные цели и усовершенствованию их конструкции. Содержание программы направлено на поэтапное формирование знаний и умений, способствующих освоению способов управления роботами с применением специальных модулей и датчиков («звуки модуля», «индикатор состояния», «экран модуля», «кнопки управления модулем», «большой мотор», «средний мотор», «датчик касания», «датчик цвета», «датчик гироскопа», «датчик расстояния»). Далее учащиеся осваивают способы программирования платформы на движение по заданной траектории с выполнением определенных команд («перемещение по прямой», «разворот в заданном направлении», «независимое управление», «движение по кривой», «остановиться у линии», «остановиться у объекта», «многозадачность», «остановиться под углом»). На занятиях по теме «Инженерная лаборатория» учащиеся осваивают деятельность по сборке и испытанию моделей и прототипов роботов (робот с конической передачей, платформа, поднимающаяся по наклонной плоскости, и др.). После освоения базовых навыков учащиеся переходят к самостоятельному проектированию и сборке различных технических объектов (устройство, создающие звуковые эффекты, система сигнализации, аниматронная рука, поднимающая и перемещающая груз, и др.). В процессе испытания осуществляется устранение недостатков конструкции и управляющей программы.
По окончании программы необходимо выполнить проектную работу и защитить ее с демонстрацией законченного устройства с определенными технологическими и качественными характеристиками. На рисунках 1 и 2 приведены созданные обучающимися модели роботов. Первый робот способен двигаться по заданной траектории; второй – выполняет функции влажной уборки поверхности пола.
Рис. 1. Испытание робота, движущегося по заданной траектории
Рис. 2. Испытание робота-уборщика
В ходе выполнения простейших робототехнических проектов обучающиеся осваивают виды деятельности, которые являются ключевыми для любого ученого-исследователя, изобретателя или инженера. При переходе на уровень профессионального образования увеличивается сложность проектных заданий. Качество освоения проектно-исследовательских, конструкторских и технологических компетенций обеспечивается внедрением кейс-технологий. Этот метод обучения погружает проектантов в реальные ситуации, которые необходимо исследовать и предложить возможные решения для решения реальных производственных проблем. Например, для обеспечения навигации мобильных роботов в условиях склада студентами было предложено применить особую конструкцию несущей платформы на базе всенаправленных колес и систему навигации, использующую компьютерное зрение [10].
Заключение
Образовательная робототехника – эффективный инструмент повышения мотивации, развития интеллектуальных способностей и расширения кругозора молодежи. Важным аспектом обучения робототехнике является то, что обучающиеся приобретают важнейшие в современном мире навыки творческой работы и исследовательской деятельности. Они приобретают умения пошагового решения задач, выработки гипотез и анализа результатов, применения знаний физики, информатики и математики для создания практически значимых продуктов. Для обучения данным умениям была разработана и внедрена дополнительная программа «Основы робототехники». Программа состоит из небольших блоков, помимо основного блока «Приводная платформа», включает модули «Инженерная лаборатория», «Мозговой штурм», методическое сопровождение которых тщательно проработано и систематизировано. Освоение программы носит практический характер, ключевыми развиваемыми навыками являются способность самостоятельного конструирования с использованием конструктора, способность к построению логических цепочек управляющей программы, решению технический задач и получение навыков технического творчества. Главными задачами реализации программы представляются развитие креативного технического мышления подрастающего поколения и формирование будущего кадрового потенциала региона и страны.