Перспективы развития инженерного мышления путем включения робототехнических программ и курсов в образовательный процесс (на примере опыта работы технопарка «Кванториум» МАОУ Политехническая гимназия г. Нижний Тагил)

В статье авторы анализируют опыт преподавания программы «Образовательная робототехника» в технопарке «Кванториум» МАОУ Политехническая гимназия г. Н. Тагил. Выделяя основные принципы инженерного мышления, авторы приходят к выводу, что курс «Образовательная робототехника» способствует раннему формированию у учеников принципов инженерного мышления, актуального в современном мире. Ориентация на решение практических задач, создание востребованных в современной действительности роботов, изучение всех этапов процесса создания и программирования роботов способствует формированию принципов инженерного мышления в рамках школьного дополнительного образования.

Ключевые слова: робототехника, инженерное мышление, «Кванториум», образовательная робототехника.

Проблема формирования и развития инженерного мышления становится все более актуальной в современном мире. Рассмотрение возможности формирования и развития инженерного мышления у детей школьного возраста проходит в рамках программы дополнительного образования «Образовательная робототехника» детского технопарка «Кванториум». Знания, навыки и умения учеников, получаемые в рамках основного и дополнительного школьного образования, изменяются со временем и должны соответствовать современным реалиям. Традиционных компетенций оказывается недостаточно и возникает необходимость в формировании инженерного мышления у школьников.

Проблема развития инженерного мышления актуальна последние десятилетия в разных сферах [1, с. 30–31], однако в рамках школьного образования нет комплексных исследований и большого количества источников информации. Исследователи предпочитают анализировать возможности инженерного мышления студентов и взрослых, избегая изучать школьников [2, с. 652–653]. Формирование и развитие инженерного мышления у школьников предполагает умение анализировать проблему, разработку вариантов ее практического решения и применение в условиях современного производства. Программа «Образовательная робототехника» детского технопарка «Кванториум» позволяет школьникам непосредственно знакомиться с технологическими процессами промышленных предприятий, познакомится с профессиональной деятельностью специалистов предприятия и узнать возможные проблемы, возникающие в ходе работы. Все это возможно благодаря экскурсиям на предприятия, в ходе которых школьники получают непосредственно от специалистов в определенных областях знания, которые на занятиях в технопарке анализируют совместно с педагогами дополнительного образования [3, 4].

Современные исследователи считают, что инженерное мышление — это синтез технического, экономического, конструктивного и исследовательского мышлений [5, с. 224–226]. Формирование инженерного мышление связано с развитием у школьников следующих навыков:

— критическое мышление;

— креативность;

— умение формулировать цели и задачи, гипотезы и доказательства;

— преобразовательная направленность;

— конструктивность;

— научно-теоретическая база и практическая реализация.

Применение названных принципов [6, 7] осуществляется в рамках программы «Образовательная робототехника» детского технопарка «Кванториум» на базе Политехнической гимназии г. Н. Тагил. Группа учеников, посетив Верхотурскую гидроэлектростанцию в рамках профориентационных мероприятий, смогла увидеть работу единственной в Свердловской области ГЭС. Школьники изучили структуру и архитектуру ГЭС, узнали о преобразовании кинетической энергии воды в электрическую с использованием турбин и генераторов.

Учеников интересовали проблемы и сложности, с которыми сталкиваются работники ГЭС. Одной из них является обслуживание в зимний период лестниц, ведущих к основным узлам и помещениям ГЭС. Школьники заметили, что угол наклона лестниц и повышенная влажность в зимний период приводят к увеличению риска передвижения по ним (из-за снега, льда и плохой видимости), а также к трате времени на их очистку, что отвлекает сотрудников ГЭС от выполнения их непосредственных функциональных обязанностей. Обсудив проблему с преподавателями «Кванториума», школьники решили создать робота для очистки лестниц от снега и льда. Проект получил название «Перилыч», так как целью было создание робота, способного безопасно перемещаться по перилам лестниц и очищать ступени от снега и льда. Для создании прототипа использовали LEGO-конструктор. Основной сложностью, с которой столкнулись школьники, стало передвижение робота по перилам. Для ее преодоления ученики сконструировали для робота сдвоенные колеса, которые обеспечивают стабильность фиксации за счет охвата перил с двух сторон, что предотвращает падение робота и обеспечивает его безопасное передвижение. Щетка робота движется с помощью ленточного механизма, что обеспечивает эффективную очистку поверхности ступени. Она закреплена на рычаге, включаемом с помощью червячной передачи, что обеспечивает точность передвижения и вариативность в регулировке высоты щетки.

Рис.1. Механизм манипулятора

Собрав прототип робота, ученики начали практические испытания и тестирования, в ходе которых были выявлены и положительные стороны (надежное крепление прототипа к перилам), и проблемы, которые требовали доработки (произведена корректировка центра тяжести). Получив положительный отзыв о работе прототипа от сотрудников Верхотурской ГЭС, школьники представили проект «Перилыч» на робототехнических мероприятиях для возможности его дальнейшего совершенствования.

Робототехнические программы и курсы технопарка «Кванториум» формируют основные принципы инженерного мышления у школьников: анализируя проблемы конкретных предприятий, создавая идеи и проекты, которые решают практические задачи предприятия. Проект «Перилыч» показал, что ученики могут решать реальные практические задачи, развивая свои навыки и компетенции под руководством специалистов дополнительного образования технопарка «Кванториум». Преподаватели «Кванториума» своим опытом и значительными теоретическими навыками помогают ученикам формировать актуальные в современном мире компетенции, которые лежат в основе инженерного мышления и инженерного образования.

Формирование и развитие инженерного мышления у школьников способствует большей вариативности в принятии практических решений (и стандартных, и нестандартных) [8], а также способствует развитию возможности организации команды для наиболее эффективной деятельности, приносящей и теоретический, и практический результаты [9, с.90–92]. Технопарк «Кванториум» в рамках программы «Образовательная робототехника» не только развивает теоретические и практические навыки и компетенции учащихся в области современных технологий и инженерного дела, но и позволяет школьникам определиться с выбором будущей профессии, осуществляя таким образом не только гносеологическую, коммуникативную, но и профориентационную функции.

Литература:

1. Putilova, E. A., Shutaleva A. V. Engineering thinking and its role in modern industry // AIP Conference Proceedings: 16, Nizhny Tagil, 17–19.06. 2021 — Nizhny Tagil, 2022. — P. 030–033. — DOI 10.1063/5.0074665.
2. Krupkin A. and Sinyakova M. Identification of Relevant Interactive Teaching Methods for the Development of Universal Competencies of Future Engineers. Lecture Notes in Networks and Systems (Lecture Notes in Networks and Systems; Vol. 131). Springer Verlag. 652–658 (2020). doi.org/10.1007/978–3–030–47415–7_69
3. Dym C. L., Agogino A. M., Eris O., Frey D. D., and Leifer L. J. Engineering design thinking, teaching, and learning. Journal of Engineering Education, 94 (1), 103–120 (2005) doi.org/10.1002/j.2168–9830.2005.tb00832.x
4. Kerimov A. A., Tomyuk O. N., Dyachkova M. A. and Dudchik A. Y., Perspektivy Nauki i Obrazovania 45 (3), 459–474 (2020). DOI:10.32744/pse.2020.3.33
5. Круглова, Л. А. Формирование инженерного мышления на уроках физики / Л. А. Круглова // Электронное обучение в непрерывном образовании 2019: VI Международная научно-практическая конференция, посвященная памяти Александра Николаевича Афанасьева. Сборник научных трудов, Ульяновск, 20–21.05.2019. — Ульяновск: Ульяновский государственный технический университет, 2019. — С. 224–226.
6. Krupkin A. and Sinyakov A.. Identification of Relevant Interactive Teaching Methods for the Development of Universal Competencies of Future Engineers. Lecture Notes in Networks and Systems (Lecture Notes in Networks and Systems; Vol. 131). Springer Verlag. 652–658 (2020). doi.org/10.1007/978–3–030–47415–7_69
7. Nalim M. R., Rajagopal M. K. and Helfenbein R. J.. Faculty and student perceptions of project-enhanced learning in early engineering education: Barriers, benefits, and breakthroughs. ASEE Annual Conference and Exposition, Conference Proceedings. 7 (2013)
8. Putilova E., Tsiplakova Y., Shutaleva A. Project-Based Learning in Personal-Oriented Educational Paradigm. 2020 [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/343535724_Project-Based_Learning_in_Personal-Oriented_Educational_Paradigm, свободный (Дата обращения 05.12.2024).
9. Riemer M. J. Communication skills for the 21st century engineer. Global J. of Engineering Education. Vol. 11, № 1. 89–100 (2007)