ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.12.2023
Просмотров: 188
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
научных основ и современных
направлений развития роботостроения;
4) ключевыми принципами отбора материала для программы являются
его полипредметная направленность и обеспечение формирования у уча
щихся за счет реализации межпредметных связей целостности представле
ний о робототехнике как мультидисциплинарном объекте техносреды, дос
тупность освоения;
5) в структуре программы должна быть определена обобщенная (метатех-
ническая) составляющая;
6) в рамках политехнической составляющей содержания отдельных учеб
ных дисциплин необходимо сформировать предметные модули по образова
тельной робототехнике и обеспечить их реализацию соответствующими сред
ствами обучения, дидактическими и методическими материалами; следует
обеспечить преемственность обучения на разных уровнях образования (в на
чальной, основной и старшей школе).
7) важной является реализация связи учебной и внеурочной работы в об
ласти робототехники, а также обеспечение участия школьников конкурсном и
соревновательном движениях по РТ.
Разрабатываемая образовательная программа относится к динамично изменяющемуся типу программ, что обусловлено высокими темпами развития робототехники как мультидисциплинарной области знания.
Содержательным ядром данной программы является понятие «робот». Анализ различных толкований данного понятия [69; 107; 112 и др.] позволил нам принять в качестве рабочего в настоящем исследовании его следующее определение.
Р о б о т – это автоматическое устройство, предназначенное для выполнения физических и интеллектуальных функций, наделенное способностью к адаптации и обучению в процессе активного взаимодействия с окружающей средой. Его дополнительными свойствами в зависимости от цели применения могут быть автономность, универсальность, биморфизм, в том числе антропоморфизм.
В составе указанных признаков робота следует выделить необходимые и достаточные. К необходимым признакам робота как объекта техники относятся, на наш взгляд, автоматичность и адаптивность. Остальные признаки (автономность, универсальность, биморфизм, в том числе антропоморфизм) связываются с назначением робота и могут быть реализованными (или не реализованными, а так же реализованными частично) в зависимости от цели его
применения и сложности поставленной задачи. Степень же адаптивности (обучаемости) робота, определяемая уровнем совершенства его «сенсорики» (числа и качества датчиков), а также управляющей программы (ее близости к реализации функций искусственного интеллекта), тоже попадает в группу достаточных признаков, хотя сам признак адаптивности относится к числу необходимых.
Важно признать, что эволюция понятия «робот», связанная с развитием науки и техники, внедрением инновационных технологий производства, может привести к необходимости дальнейшего уточнения его содержания.
Проектирование и создание роботов различных видов и назначения связано с работой специалистов в самых различных областях науки и техники, поэтому полноценное изучение робототехники возможно только на основе междисциплинарного подхода. Рассмотрим направления разработки междисциплинарной программы обучения и определим их образовательное назначение.
1. Этапы становления робототехники как области научного знания, сферы производства и потребления. Сведения из истории роботостроения. Источники робототехники: мифы, марионетки (куклы-андроиды), машины-автоматы, управляемые манипуляторы. Основные части робототехниче-ских конструкций. Факторы, определившие экономическую целесообразность и успехи становления роботостроения как отрасли производства. Три поколения промышленных роботов, их характеристика.
О б р а з о в а т е л ь н о е н а з н а ч е н и е . Принцип историзма в изучении робототехники и фактические знания истории ее становления – важная методологическая и информационная основа понимания учащимися основ современного роботостроения и перспектив его развития.
2. Эволюция понятия «робот». История возникновения терминов «ро
бот» и «робототехника» (К.Чапек, А.Азимов). Современные трактовки понятия
«робот». Основные признаки робота как технического объекта (автоматич
ность, адаптивность, автономность, универсальность, антропоморфизм). Необ
ходимые и достаточные признаки понятия «робот».
О б р а з о в а т е ль н о е н а зн а ч е н и е . Знание эволюции понятия «робот» и его современных толкований позволяют учащимся верно оценить функциональное назначение робототехники, осмыслить ключевые направления совершенствования роботов и роботизированных систем как активно разви
вающихся составляющих современной техносреды.
4. Видовое разнообразие роботов. Проблема классификации роботов. Основания классификации роботов: по областям применения; среде обитания (эксплуатации); функциональному назначению; уровню универсальности; степени подвижности; типу движителя; типу приводов; системе координат рабочей зоны (линейная, угловая); конструктивным особенностям технологического оборудования (например, по числу манипуляторов); типу источников первичных управляющих сигналов; типу системы управления; способу управления; типу базовых элементов систем управления; грузоподъемности; размеру; возможности реконфигурации и репликации и др. Биоморфные и антропоморфные роботы. Характеристика роботов различных видов.
О б р а з о в а т е л ь н о е н а з н а ч е н и е . Знакомство учащихся с видовым разнообразием роботов позволяет им во всей полноте осознать назначение робототехники как объекта современной техносреды, открывает перед ними широкие перспективы самостоятельного изучения научных основ и технологий создания роботов различных видов, помогает сориентироваться в выборе направлений индивидуальной учебной и проектно-исследовательской деятельности в сфере образовательной робототехники.
3. Место и роль роботов в производственной и социальной сферах.
Мировые тенденции в развитии роботостроения. Промышленные, сервисные и потребительские роботы. Сферы применения роботов: несовместимая с жизнью и опасная для здоровья природная и техногенная среда, в том числе технологически сложные, вредные и опасные для человека производства; военное дело: легкая промышленность; сельское хозяйство; транспорт; медицина; наука и система образования; торговля; охрана правопорядка; сфера обслуживания и социальные обеспечения; сфера досуга.
Преимущества робота как элемента техносреды. Недостатки робототехни-ческих систем. Законы робототехники (А. Азимов, Ш.Я. Ноф [108]). Проблемы нормирования отношений «человек ↔ робот»: философский, социальный (в том числе, футурологический) и психологический аспекты.
О б р а з о в а т е л ь н о е н а з н а ч е н и е . Формирование у учащихся понимания перспектив развития рынка труда в условиях масштабного технического перевооружения различных отраслей производства и социальной сферы на основе внедрения робототехнических систем является основой их сознательной ориентации в мире профессий ближайшего будущего.
Обсуждение с учащимися философских, социальных, этических и психологических аспектов развития робототехники позволяет им осознать базовые регулятивы роботостроения и поведения человека в роботизированной тех-носреде. Это необходимо и будущим гуманитариям, и специалистам в области естественных наук и инженерии.
5. Научные основы и направления развития робототехники. Кибернетическая модель робота: система исполнения (манипулятор и/или ходовая часть); 2) система сбора данных (датчики); система управления (компьютер, среда программирования, управляющая программа). Элементная база робототехники и научные основы ее функционирования.
Достижения различных областей науки и техники, способствующие разработке современных роботов: производство изделий точной механики, электротехники, электроники, оптики; создание новых композитных материалов; развитие технологий 3D и 4D-печати, в том числе на основе биоматериалов; разработка нейрокомпьютерных интерфейсов и сознание на их основе бионических систем; производство датчиков различных типов, в том числе биосенсоров; развитие технологий машинного зрения, обновление средств связи и развитие систем навигации; производство и совершенствование автономных источников энергии; развитие технологий программирования и обмена информацией, технологий виртуальной реальности для визуализации «восприятия и понимания мира» роботом; миниатюризация компьютерной техники и рост вычислительных мощностей ЭВМ; продвижение по пути создания искусственного интеллекта и т.д. Экономические, эргономические, социально-политические и психологические аспекты создания роботов и их систем.
О б р а з о в а т е л ь н о е н а з н а ч е н и е . Обсуждение с учащимся научных основ роботостроения и перспектив его развития на основе современных достижений науки и техники способствует формированию у учащихся познавательных интересов в различных областях знания, а также интереса к открытиям, возникающим на «стыке» этих областей. Обращение к технологии проектирования и создания роботов может и должно быть тесно связано с освоением содержания школьных предметов и реализацией межпредметных связей.
Итак, анализ вопросов истории роботостроения, понимание специфики роботов как объектов техники, знакомство с их видовым разнообразием, изучение кибернетических моделей роботов и научных основ функционирования их элементной базы, оценка перспектив развития и применения в социуме по
зволяют разработать междисциплинарную образовательную программу освоения основ робототехники в средней школе (подробнее о направлениях разработки приведенных выше составляющих программы см. приложение 2). Ее базовыми структурными компонентами должны стать:
1) сведения из истории развития роботостроения и его перспективы, место
и роль робототехнических систем в современной техносреде;
4) современные решения и технологии в области конструирования и программирования роботов: обеспечение манипуляций и таких свойств, как «осязание», «обоняние», «зрение», «слух», «речь», «память», «нервная система», искусственный интеллект; проектирование групповых роботов (распределенных робототехнических систем) и применение с целью организации их взаимодействия различных средств связи; моделирование и программное обеспечение поведения гуманоидных роботов (М.Г. Ершов [195]).
Вклад в освоение данной программы может «внести» практически каждый учебный предмет. При освоении основ робототехники необходимы знания: технологии (прочность деталей и материалов, жёсткость конструкций, виды соединений и др.), физике (физические основы работы элементной базы технических систем робота), информатике (моделирование виртуального робота, программирование его функционала), математике (расчёты параметров движения, использование различных систем координат, работа с математическими функциями при программировании автоматизированных вычислений, анализ численных данных и графиков функций и др.), черчению (работа с инструкциями по сборке роботов, плоскими и объемными изображениями различных деталей конструкций роботов; 3D-конструирование и др.). На занятиях по робототехнике возможна подготовка межпредметных проектов, включающих в числе прочего знания по химии, биологии, географии. На сегодня известны примеры интеграции робототехники с
направлений развития роботостроения;
4) ключевыми принципами отбора материала для программы являются
его полипредметная направленность и обеспечение формирования у уча
щихся за счет реализации межпредметных связей целостности представле
ний о робототехнике как мультидисциплинарном объекте техносреды, дос
тупность освоения;
5) в структуре программы должна быть определена обобщенная (метатех-
ническая) составляющая;
6) в рамках политехнической составляющей содержания отдельных учеб
ных дисциплин необходимо сформировать предметные модули по образова
тельной робототехнике и обеспечить их реализацию соответствующими сред
ствами обучения, дидактическими и методическими материалами; следует
обеспечить преемственность обучения на разных уровнях образования (в на
чальной, основной и старшей школе).
7) важной является реализация связи учебной и внеурочной работы в об
ласти робототехники, а также обеспечение участия школьников конкурсном и
соревновательном движениях по РТ.
Разрабатываемая образовательная программа относится к динамично изменяющемуся типу программ, что обусловлено высокими темпами развития робототехники как мультидисциплинарной области знания.
Содержательным ядром данной программы является понятие «робот». Анализ различных толкований данного понятия [69; 107; 112 и др.] позволил нам принять в качестве рабочего в настоящем исследовании его следующее определение.
Р о б о т – это автоматическое устройство, предназначенное для выполнения физических и интеллектуальных функций, наделенное способностью к адаптации и обучению в процессе активного взаимодействия с окружающей средой. Его дополнительными свойствами в зависимости от цели применения могут быть автономность, универсальность, биморфизм, в том числе антропоморфизм.
В составе указанных признаков робота следует выделить необходимые и достаточные. К необходимым признакам робота как объекта техники относятся, на наш взгляд, автоматичность и адаптивность. Остальные признаки (автономность, универсальность, биморфизм, в том числе антропоморфизм) связываются с назначением робота и могут быть реализованными (или не реализованными, а так же реализованными частично) в зависимости от цели его
применения и сложности поставленной задачи. Степень же адаптивности (обучаемости) робота, определяемая уровнем совершенства его «сенсорики» (числа и качества датчиков), а также управляющей программы (ее близости к реализации функций искусственного интеллекта), тоже попадает в группу достаточных признаков, хотя сам признак адаптивности относится к числу необходимых.
Важно признать, что эволюция понятия «робот», связанная с развитием науки и техники, внедрением инновационных технологий производства, может привести к необходимости дальнейшего уточнения его содержания.
Проектирование и создание роботов различных видов и назначения связано с работой специалистов в самых различных областях науки и техники, поэтому полноценное изучение робототехники возможно только на основе междисциплинарного подхода. Рассмотрим направления разработки междисциплинарной программы обучения и определим их образовательное назначение.
1. Этапы становления робототехники как области научного знания, сферы производства и потребления. Сведения из истории роботостроения. Источники робототехники: мифы, марионетки (куклы-андроиды), машины-автоматы, управляемые манипуляторы. Основные части робототехниче-ских конструкций. Факторы, определившие экономическую целесообразность и успехи становления роботостроения как отрасли производства. Три поколения промышленных роботов, их характеристика.
О б р а з о в а т е л ь н о е н а з н а ч е н и е . Принцип историзма в изучении робототехники и фактические знания истории ее становления – важная методологическая и информационная основа понимания учащимися основ современного роботостроения и перспектив его развития.
2. Эволюция понятия «робот». История возникновения терминов «ро
бот» и «робототехника» (К.Чапек, А.Азимов). Современные трактовки понятия
«робот». Основные признаки робота как технического объекта (автоматич
ность, адаптивность, автономность, универсальность, антропоморфизм). Необ
ходимые и достаточные признаки понятия «робот».
О б р а з о в а т е ль н о е н а зн а ч е н и е . Знание эволюции понятия «робот» и его современных толкований позволяют учащимся верно оценить функциональное назначение робототехники, осмыслить ключевые направления совершенствования роботов и роботизированных систем как активно разви
вающихся составляющих современной техносреды.
4. Видовое разнообразие роботов. Проблема классификации роботов. Основания классификации роботов: по областям применения; среде обитания (эксплуатации); функциональному назначению; уровню универсальности; степени подвижности; типу движителя; типу приводов; системе координат рабочей зоны (линейная, угловая); конструктивным особенностям технологического оборудования (например, по числу манипуляторов); типу источников первичных управляющих сигналов; типу системы управления; способу управления; типу базовых элементов систем управления; грузоподъемности; размеру; возможности реконфигурации и репликации и др. Биоморфные и антропоморфные роботы. Характеристика роботов различных видов.
О б р а з о в а т е л ь н о е н а з н а ч е н и е . Знакомство учащихся с видовым разнообразием роботов позволяет им во всей полноте осознать назначение робототехники как объекта современной техносреды, открывает перед ними широкие перспективы самостоятельного изучения научных основ и технологий создания роботов различных видов, помогает сориентироваться в выборе направлений индивидуальной учебной и проектно-исследовательской деятельности в сфере образовательной робототехники.
3. Место и роль роботов в производственной и социальной сферах.
Мировые тенденции в развитии роботостроения. Промышленные, сервисные и потребительские роботы. Сферы применения роботов: несовместимая с жизнью и опасная для здоровья природная и техногенная среда, в том числе технологически сложные, вредные и опасные для человека производства; военное дело: легкая промышленность; сельское хозяйство; транспорт; медицина; наука и система образования; торговля; охрана правопорядка; сфера обслуживания и социальные обеспечения; сфера досуга.
Преимущества робота как элемента техносреды. Недостатки робототехни-ческих систем. Законы робототехники (А. Азимов, Ш.Я. Ноф [108]). Проблемы нормирования отношений «человек ↔ робот»: философский, социальный (в том числе, футурологический) и психологический аспекты.
О б р а з о в а т е л ь н о е н а з н а ч е н и е . Формирование у учащихся понимания перспектив развития рынка труда в условиях масштабного технического перевооружения различных отраслей производства и социальной сферы на основе внедрения робототехнических систем является основой их сознательной ориентации в мире профессий ближайшего будущего.
Обсуждение с учащимися философских, социальных, этических и психологических аспектов развития робототехники позволяет им осознать базовые регулятивы роботостроения и поведения человека в роботизированной тех-носреде. Это необходимо и будущим гуманитариям, и специалистам в области естественных наук и инженерии.
5. Научные основы и направления развития робототехники. Кибернетическая модель робота: система исполнения (манипулятор и/или ходовая часть); 2) система сбора данных (датчики); система управления (компьютер, среда программирования, управляющая программа). Элементная база робототехники и научные основы ее функционирования.
Достижения различных областей науки и техники, способствующие разработке современных роботов: производство изделий точной механики, электротехники, электроники, оптики; создание новых композитных материалов; развитие технологий 3D и 4D-печати, в том числе на основе биоматериалов; разработка нейрокомпьютерных интерфейсов и сознание на их основе бионических систем; производство датчиков различных типов, в том числе биосенсоров; развитие технологий машинного зрения, обновление средств связи и развитие систем навигации; производство и совершенствование автономных источников энергии; развитие технологий программирования и обмена информацией, технологий виртуальной реальности для визуализации «восприятия и понимания мира» роботом; миниатюризация компьютерной техники и рост вычислительных мощностей ЭВМ; продвижение по пути создания искусственного интеллекта и т.д. Экономические, эргономические, социально-политические и психологические аспекты создания роботов и их систем.
О б р а з о в а т е л ь н о е н а з н а ч е н и е . Обсуждение с учащимся научных основ роботостроения и перспектив его развития на основе современных достижений науки и техники способствует формированию у учащихся познавательных интересов в различных областях знания, а также интереса к открытиям, возникающим на «стыке» этих областей. Обращение к технологии проектирования и создания роботов может и должно быть тесно связано с освоением содержания школьных предметов и реализацией межпредметных связей.
Итак, анализ вопросов истории роботостроения, понимание специфики роботов как объектов техники, знакомство с их видовым разнообразием, изучение кибернетических моделей роботов и научных основ функционирования их элементной базы, оценка перспектив развития и применения в социуме по
зволяют разработать междисциплинарную образовательную программу освоения основ робототехники в средней школе (подробнее о направлениях разработки приведенных выше составляющих программы см. приложение 2). Ее базовыми структурными компонентами должны стать:
1) сведения из истории развития роботостроения и его перспективы, место
и роль робототехнических систем в современной техносреде;
-
основы философии и методологии робототехники (общей, специальной): понятие «робот», отличительные признаки робота как объекта техники; виды роботов; законы робототехники; -
основные подходы к проектированию робототехнических систем: кибернетическая модель робота, элементная база робота и научные основы её функционирования, компьютерное и натурное моделирование роботов;
4) современные решения и технологии в области конструирования и программирования роботов: обеспечение манипуляций и таких свойств, как «осязание», «обоняние», «зрение», «слух», «речь», «память», «нервная система», искусственный интеллект; проектирование групповых роботов (распределенных робототехнических систем) и применение с целью организации их взаимодействия различных средств связи; моделирование и программное обеспечение поведения гуманоидных роботов (М.Г. Ершов [195]).
Вклад в освоение данной программы может «внести» практически каждый учебный предмет. При освоении основ робототехники необходимы знания: технологии (прочность деталей и материалов, жёсткость конструкций, виды соединений и др.), физике (физические основы работы элементной базы технических систем робота), информатике (моделирование виртуального робота, программирование его функционала), математике (расчёты параметров движения, использование различных систем координат, работа с математическими функциями при программировании автоматизированных вычислений, анализ численных данных и графиков функций и др.), черчению (работа с инструкциями по сборке роботов, плоскими и объемными изображениями различных деталей конструкций роботов; 3D-конструирование и др.). На занятиях по робототехнике возможна подготовка межпредметных проектов, включающих в числе прочего знания по химии, биологии, географии. На сегодня известны примеры интеграции робототехники с