Финалист конкурса результатов инновационной деятельности государственных образовательных организаций Санкт-Петербурга 2022 года "Сильные решения".
Номинация: Инновации в области обучения
Форма продукта: Программно-аппаратный комплекс
Авторы: Винницкий Ю.А., Григорьев А.Т., Калашникова М.А., Пикалов Д.А.
Папка с материалами (заявка, аннотация, приложения, инновационный продукт /аппаратное описание, схемы, ПО, фрагменты пособия, 3D модели, электронный архив проектов, макеты полей, рекомендации)
Зеркало папки с материалами конкурса на Яндекс-диске
Программно-аппаратный комплекс предназначен для преподавателей и юных робототехников с 3 до 11 класса.
Сайт поддержки коплекса (Лаборатория проектов 169) Раздел: Наши книги и наборы/Робототехника в школе и дома. Книга проектов
Краткое описание:
Инновационный продукт представляет собой программно-аппаратный комплекс в составе: робот-конструктор, программное обеспечение, сборник креативных проектов, набор 3D моделей, набор полей, электронный архив проектов, сайт поддержки, дополнительные материалы для пользователей.
Комплекс обеспечивает реализацию основной общеобразовательной программы в рамках внеурочной деятельности в 3-11 классах по изучению робототехники, конструирования, проектирования, а также может быть использован при реализации программ дополнительного образования. Организация деятельности в рамках использования комплекса соответствует ФГОС и ФГОС (обновленный).
Авторское программное обеспечение дополняет возможности классического визуального программирования, обеспечивая реализацию проектов профессионального уровня и возможность поэтапного перехода от блочного к текстовому программированию.
При компоновке набора был реализован перспективный стандарт функционала образовательного робота и результаты исследования в рамках текущей ОЭР о принципах разработки цифровых продуктов, положительно влияющих на социальные установки обучающихся.
Три базовых компонента комплекса являются инновацией в области обучения. Робот – по аппаратной функциональности, как перспективная образовательная платформа. Программное обеспечение – по возможностям реализации проектов профессионального уровня при использовании доступных и понятных обучающимся средств визуального программирования. Пособие – по особенностям подходов к обучению в ходе реализации проектов, предусматривающих использование игрофикации, визуализации данных, виртуализацию и моделирование в сочетании с предметной ориентацией проектов, воплощенных в "железе и кремнии".
На основе многолетних исследований был разработан комплект, полностью готовый для использования в школах и содержащий необходимые дополнительные элементы (поля для проектов, блоки питания, зарядные устройства).
Состав комплекса:
1. Робот-конструктор SPBot в конфигурации, разработанной авторами проекта. Может быть реализован на базе нескольких видов готовых плат (mCore, Lafvin и др.), или собран из отдельных электронных компонентов (аппаратная конфигурация прилагается).
2. Программное обеспечение. Авторские расширения
- simpleBot. Расширение для среды программирования mBlock создано для поддержки различных робоплатформ эквивалентной аппаратной конфигурации. Набор высокоуровневых блоков управления позволяет сосредоточиться на выполнении креативных проектов и собственно алгоритмах их выполнения. Включает в себя продвинутые блоки управления сервоприводом, оптимизирующие процесс калибровки и точной настройки углов поворота сенсора), блоки управления моторами и всеми основными датчиками робота SPBot (и аналогов), блоки управления процессами передачи и чтения данных по последовательному соединению, команды работы с ИК портами.
- AdvancedArduino. Расширение для среды программирования mBlock, которое может применяться вместо стандартного расширения "Arduino" и предоставляет следующие дополнительные возможности при работе в режиме "Arduino mode":
- использование графических блоков для ряда наиболее востребованных библиотечных функций Arduino IDE (min(), max(), constrain(), map(), pow()), предназначенных для преобразования значений;
- использование дополнительных графических блоков для работы с последовательной шиной Serial, а также Serial2;
- использование в именах графических блоков преимущественно стандартных названий библиотечных функций;
- использование графических блоков (блоки "def" и "code"), позволяющих вставлять произвольные фрагменты текстового кода на языке программирования "Wire" в скетч Arduino IDE, генерируемый средой mBlock;
- использование в текстовом коде любых библиотечных функций Arduino IDE;
- определение в текстовом коде пользовательских функций, возвращающих значения произвольного типа;
- определение в текстовом коде глобальных и локальных переменных и параметров функций произвольного типа, включая массивы.
Расширения являются уникальными по возможностям, реализуемым в средах блочно-визуального программирования микроконтроллеров и в настоящее время ни одна подобная программа не дает такого спектра профессиональных возможностей в scratch-подобных средах.
3. Книга «Робототехника в школе и дома. Книга проектов» (авторы Григорьев А., Винницкий Ю.). В книге приведено описание более 30 креативных проектов по программированию робота в визуальных средах на базе языка Scratch (mBlock, MindPlus и Snap4arduino). Сложность проектов нарастает от ознакомительных, для учеников младших классов, до соревновательных. Рассмотрены задачи ориентирования и навигации робота с помощью датчиков линии, гироскопа и поворотной головы с УЗ- и ИК-дальномерами и другие проекты. Для работы в автономном режиме, а также управлением роботом по каналу Bluetooth, или с помощью пульта ИК, в комплект входят аккумуляторы и зарядное устройство. Посмотреть содержание и читать фрагмент...
4. Пошаговая инструкция по сборке, видеоинструкции.
5. Учебные поля для выполнения экспериментов.
6. Электронный архив проектов.
7. 3D модели для печати конструктивных элементов в случае самостоятельного изготовления.
8. Сайт поддержки ( на сайте поддержки проекта выкладываются альтернативные конструкции робота, электронный архив и дополнительные проекты, рекомендации и много другой актуальной информации).
По сути, в данный продукт вошли все наши наработки в области создания учебно-ориентированного робота, ЦОР, исследования в области креативного проектирования, использования элементов ИИ в проектах, а также материалы исследования по формированию социальных установок обучающихся в ходе взаимодействия с цифровыми ресурсами.
Мы постарались показать пример того, каким видим инновационный образовательный продукт в мире цифры.
В чем инновационность продукта?
1) Инновационность подхода к разработке.
Мы давно боремся с логикой производителей (российских в том числе): работать в первую очередь на свое благо, во вред конкурентам, затрудняя стандартизацию и унификкацию решений и подходов. И отсюда следует то, что часто мы видим на рынке: закрытые аппаратные решения, проприетарное ПО, а даже если оно и создано на основе свободного кода, то сделано все, чтобы привязать ПО к конкретному аппарату, и сделать невозможным использование с другими платформами.
Мы же предлагаем производителям работать на благо потребителей и конкурентов (пусть создают аналоги, расширения, дополнения), и лишь через их благо - на свое собственное.
Наш продукт построен таким образом, чтобы плодами трудов было максимально легко пользоваться другим разработчикам. Пример: скрипты из книги без каких либо изменений годятся для занятий с использованием не только нашего робота, но и любого другого робота, который является его функциональным аналогом. Подобных аналогов уже существует множество, а кроме того, любой производитель или даже любитель может создать свой собственный аналог. Достаточно откорректировать соответствующим образом наше расширение (на свободном коде) среды mBlock, и робот на альтернативной элементной базе с альтернативной аппаратной конфигурацией окажется способен исполнять скрипты, приведённые в нашей книге. В этих скриптах не указаны конкретные номера портов, к которым подключен тот или иной датчик, вместо этого используется значение "по умолчанию" (хотя расширение позволяет поменять порт на нестандартный, если такая необходимость возникнет). В результате не возникает необходимости объяснять детям: "Используйте для создания программы скрипт на этой странице, но вместо порта три укажите порт четыре, а вместо 10-го 9-ый, поскольку наш робот отличается".
Сами авторские расширения AdvancedArduino и simpleBot действительно являются уникальными по возможностям, реализуемым в средах блочно-визуального программирования микроконтроллеров и в настоящее время ни одна подобная программа не дает такого спектра профессиональных возможностей в scratch-подобных средах.
2) При абсолютной вариабельности элементной базы и аппаратной конфигурации образовательного робота мы ориентируемся на проверенный временем и мировым опытом, ставший де-факто стандартом, функционал робота mBot компании Makeblock. Мы достаточно долго участвовали в апробации и доведении данного функционала с партнером - MakeBlock, чтобы говорить об этом. Подтверждают утверждение и международные золотые медали лучшего образовательного робота.
Мы предлагаем производителям ориентироваться на этот же стандарт, благо его легко повторить. Вышеуказанный робот в базовой конфигурации, без доработки, годится для выполнения первой половины проектов из нашей книги. Для выполнения проектов из второй половины, более сложных, мы разработали и вводим новый стандарт функционала образовательного робота. Этот стандарт продвинутого образовательного робота подразумевает дополнительно: наличие поворотной головы с двумя дальномерами разного типа (ультразвуковым и инфракрасным), гироскопа-акселерометра, трехсенсорного цифрового датчика линии, согласованных модулей беспроводной связи. В результате проектные возможности робота возрастают во много раз и позволяют решать действительно интересные для детей робототехнические задачи, востребованные как для игры, так и в соревновательном движении, в проектной деятельности. Можно на практике познакомиться не только с элементарными основами робототехники, но и перейти к освоению систем искусственного интеллекта. Очень надеемся, что этот, уже новый стандарт, полученный в результате нескольких лет исследований и апробаций, определения оптимального по вложениям и практическому выходу функционала, будет принят и оценен разработчиками отечественных образовательных роботов. На текущий момент в мире готовой образовательной платформы в такой аппаратно-функциональной реализации пока нет.
3) Мы стараемся реализовать в проектах принцип "делать легкими и понятными сложные вещи" и показываем пример того, каким именно образом можно использовать для обучения игрофикацию, визуализацию данных, виртуализацию и моделирование в сочетании с предметной ориентацией проектов, воплощенных в "железе и кремнии". Мы раскрываем огромный потенциал средств визуального программирования, работающих в "живом" режиме, когда действия реального робота оказываются взаимосвязанными с действиями виртуальных исполнителей - спрайтов. В своих проектах мы затрагиваем темы, которые изучают студенты специализированных высших учебных заведений, и делаем это так, что материал оказывается доступным для учеников средней школы. Пример тому - тема пропорционально-дифференциального-интегрального регулирования, освоение которой позволило нашим ученикам занимать призовые места на робототехнических соревнованиях.
Резюме: инновационность нашего продукта состоит в создании нового стандарта функционала образовательного робота, расширении возможностей визуально-блочного программирования микроконтроллеров до профессионального уровня за счет авторского ПО, предложении новых подходов изучения сложных тем на основе проектной деятельности. И все это в режиме сохранения актуальности на долгое время, поскольку наш подход позволяет перенести все наработки в другие программные среды и использовать с новыми роботами, как зарубежных, так и отечественных производителей.
В 2022 году наш партнер, издательство БХВ, выпустило набор SPBot в "коробочном виде". В настоящее время идет работа над созданием отечественного контроллера для данного робота и, параллельно мы разрабатываем схему сбори полнофункционального робота на основе простых и доступных компонентов (Arduino Nano v3, платы прототипирования, совместимые электронные компоненты)
Особенности SPBot в комплектации БХВ:
- Визуальная среда программирования, авторское ПО (возможность создавать проекты профессионального уровня)
- Надёжное беспроводное соединение с ПК по каналу Bluetooth (заранее согласованные модули по технологии master-slave)
- Управление с помощью ИК-пульта и клавиатуры ПК (возможность реализации ряда проектов с использованием передачи и интерпретирования сигналов)
- Проекты с осуществлением взаимодействия нескольких контроллеров (пульт управления на Arduino)
- Ориентация в пространстве по гироскопу и акселерометру (просто необходимый функционал)
- Движение по линии с помощью трехсенсорного датчика (используем продвинутые алгоритмы следования)
- Поворотная голова и точное определение расстояния и границ предметов с помощью ИК - и УЗ-датчиков (продвинутые возможности локации, алгоритмы прохождения лабиринта, исследование графиков расстояния и множество других проектов)
- Интерактивные игровые проекты
- Автономное питание и зарядное устройство
- Книга “Робототехника в школе и дома. Книга проектов“
- Руководство по сборке
- Учебно-игровые поля
Дипломы:
