Роботы в системе образования

Если перейти от роботов для развлечения к обучающим роботам, то можно заметить, что учебные заведения (от школ до университетов) приобретают роботы всех типов - стационарные и движущиеся, большие и маленькие. Известно, что знания лучше усваивать на основании практического опыта, особенно если учащийся имеет возможность "потрогать" изучаемый предмет.. Самостоятельное программирование движений робота заставляет учащихся мыслить творчески, и это способствует процессу обучения. Детей, да и взрослых, привлекает то, что робот подобен зеркалу, в котором мы можем видеть себя.

Чтобы заставить робот выполнять определенные функции, необходимо сначала мысленно представить последовательность его действий, а затем составить их описание; далее нужно перевести составленное описание в законченную программу. Может случиться, что робот станет выполнять непредусмотренные действия; тогда придется заново проверить составленные описание и программу. Все это способствует развитию любознательности, приучает более точно выражать свои мысли и, конечно, повышает качество программирования и способствует лучшему пониманию математики. Сказать ребенку "согни руку так-то" довольно просто, однако для робота данное указание необходимо перевести в команду "изгиб на 45°". Здесь требуется наглядное объяснение понятия угла, что помогает лучшему усвоению простых тригонометрических понятий.

Многое из того, чему обучают детей, особенно в области математики, имеет абстрактный характер. Основная причина неудач при обучении элементарным основам математики и даже простому счету заключается в том, что дети плохо воспринимают понятия, которые не могут соотнести со своим личным опытом. Компьютер предоставляет им возможность получить реальные представления о вычислениях, а также о формульных и числовых абстракциях различного рода. Такие эффективные способы обучения продолжают традицию преподавания, сложившуюся, в частности, в Великобритании: в соответствии с ней для демонстрации абстрактных принципов используются конкретные объекты.

Эта система, установленная в Государственной химической лаборатории в Лондоне, оснащена видеокамерой, распознающей буквы, нанесенные на пробки флаконов с химическими пробами; таким путем осуществляется классификация проб и их транспортировка

Поскольку управление роботами и их программирование начинают широко внедряться в преподавание, возникает потребность в создании простого и недорогого робота для школ. Таким роботом является "черепаха". Она представляет собой подвижное устройство, подключенное к компьютеру с помощью гибкого провода; его можно программировать непосредственно с клавиатуры компьютера. Поскольку механические и электронные узлы "черепахи" просты, она зачастую продается в виде набора деталей, к которому прилагаются руководства и инструкции по сборке, составленные фирмами-изготовителями. Процесс изготовления "черепахи" из конструкторского набора деталей уже сам по себе весьма полезен, так как расширяет представление учащихся о возможностях робота-черепахи, его системах управления и передвижения.

Другой важной характеристикой "черепахи" является программное обеспечение, используемое для управления ею. "Черепаху" часто используют на занятиях с учащимися начальных школ, и поэтому взаимодействие с ней должно быть достаточно простым. Для этого она должна обладать двумя особенностями. Во-первых, "хозяин" должен иметь возможность следить за ее перемещением. Это легко реализуется - в черепахе имеется встроенное перо (или карандаш), которым она вычерчивает свой путь. По команде оператора черепаха опускает перо и начинает вычерчивать на бумаге или поверхности стола линию, показывающую ее маршрут; иногда у нее имеется несколько цветных перьев. Во-вторых, для управления движениями и вычерчиванием маршрута черепахи необходим простой язык программирования. Таким языком является ЛОГО, разработанный преподавателем Массачусетского технологического института Сеймуром Пейпертом. Он начал с нескольких слов и правил грамматики, гораздо более простых, чем те, что приняты в других языках программирования, например в Бейсике. Затем к этим словам и их грамматике он добавил "встроенное" в язык ядро из простых команд (называемых примитивами). Примитивы реализуют такие действия, как сложение, вычитание, умножение и деление, а также позволяют манипулировать со словами и списками слов. Язык ЛОГО рассчитан на сообразительных и легко усваивающих материал учащихся; с его помощью они могут написать простые программы, из которых затем можно составить более сложные. В общем этот язык рассчитан на учащихся начальных и средних школ.

В высшей школе микроробот используется для обучения студентов математической логике, алгебре, геометрии, дифференциальному и интегральному исчислению на значительно более высоком уровне. Программы обучения по курсу "Управление с помощью ЭВМ", разрабатываемые в настоящее время в Великобритании для студентов уровня "А", в частности созданные в университете графства Эссекс, в значительной мере ориентированы на использование микророботов для демонстрации гибкости математических методов. Такой подход с энтузиазмом поддержал британский Открытый университет. Для него был специально разработан робот, рассчитанный на два новых курса робототехники. В первом курсе рассматриваются алгебраические и геометрические вопросы, связанные с движением и позиционированием (точным заданием текущего положения). Программа второго курса, одобренная министерством промышленности, имеет более практическую направленность и ориентирована на инженеров-производственников, работающих на предприятиях. Курс направлен на решение проблем, возникающих при использовании роботов для выполнения повседневных производственных задач. В число пособий для этих курсов входят не только лекции, печатная документация и инструкции, записанные на звуковых и видеокассетах, но и настоящий робот. Он имеет шесть степеней свободы и оснащенный серводвигателем постоянного тока схват, который вытягивается на 50 см. Робот может поднимать груз массой 1 кг при точности позиционирования ±2 мм; он укомплектован экспериментальным набором инструментов, позволяющим моделировать различные производственные операции. Микроробот с такими техническими характеристиками может стать полезным помощником для своего большого промышленного собрата. Впервые в мире создан сложный обучающий микроробот, обладающий физической силой, достаточной для выполнения настоящей производственной операции.

В США к числу наиболее распространенных обучающих роботов относится "Райно XR". Он выпускается в открытом корпусе (благодаря чему студенты имеют возможность видеть его внутренние механизмы в действии) в комплекте с контроллером и выносным пультом. Благодаря своей гибкой конструкции робот удобен для обучения целому ряду предметов, включая проектирование роботов, управление ими, компоновку и организацию рабочих мест, промышленную электронику и программирование ЭВМ. На этой системе остановили свой выбор многие учебные заведения, а в промышленности робот XR используется для подготовки персонала к обслуживанию роботов, а также для переподготовки работников, сменивших профессию. В медицинской школе Тафтса в Новой Англии робот XR, дополнительно оснащенный ручкой управления, помогает инвалидам переворачивать страницы книг. Поистине обучающий робот достиг совершеннолетия.