Пиотровская К.Р.

РГПУ им. А. И. Герцена,

г. Санкт-Петербург, Россия

Сазонова Н.В.

РГПУ им. А. И. Герцена,

г. Санкт-Петербург, Россия

Жданов Н.В.

СПбПУ Петра Великого,

г. Санкт-Петербург, Россия

От виртуальной лаборатории к первому STEAM- проекту

В статье обсуждается преподавания STEАM-дисциплин в педагогических вузах. Предложен проект курса «Введение в конструирование и программирование микроконтроллерных устройств на базе платы Arduino». Рассматривается опыт организации проектной и научно-исследовательской деятельности студентов факультета математики на базе Центра детского и молодежного инженерного творчества.

Piotrowska X.R.

HSPU

St. Petersburg, Russia

Sazonova N.V.

HSPU

St. Petersburg, Russia

Zhdanov N.V.

SPbPU Peter the Great

St. Petersburg, Russia

From virtual lab to the first STEAM project

The paper discusses the teaching of STEAM-disciplines in pedagogical universities. A pilot project of the course Introduction to the design and programming of microcontroller devices based on the Arduino board has been proposed. The experience of organizing design and research activities of Math-students on the basis of the Center for Children’s and Youth Engineering Creativity is considered.

В послании Федеральному Собранию в 2014 году президентом Российской Федерации В.В. Путиным была сформулирована задача вывести инженерное образование на мировой уровень. Это связано, прежде всего, с кризисом инженерных кадров, а также со снижением качества подготовки по дисциплинам, которые необходимы в эпоху цифровых технологий. В этом же документе робототехнические комплексы были внесены в число приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в России. Для привлечения обучающихся к инженерному делу появляются новые направления, такие как робототехника, 3D-моделирование, прототипирование.

Одним из успешных видов учебной деятельности, пропагандирующих идеи робототехники: конструирование, техническое творчество, программирование, проектную деятельность с применением цифрового производства и решением как учебных, так и прикладных задач, выступает образовательное направление STEM (ScienceTechnologyEngineeringMath) - подход, под которым понимается объединение «академических и профессиональных дисциплин в естественных, технологических, инженерных науках и математике, направленных на подготовку специалистов с новым типом мышления» [7]. В педагогической науке термин «STEM-образование» получил распространение в США в 1990-х гг. [4] Сегодня все больше среди педагогов используется аббревиатура STEAM (ScienceTechnologyEngineeringArtMath), тем самым подчёркивая интеграцию выше названных дисциплин в искусство и через искусство, причем направление Art понимают в западной традиции достаточно широко: музыка, дизайн, история, искусство и т.д. [5]

Интегральной STEАM - дисциплиной остаётся робототехника, поскольку «объединяет в себе конструирование, техническое творчество, программирование, проектную деятельность с применением цифрового производства и решением как учебных, так и прикладных задач» [2] и, тем самым, носит выраженный междисциплинарный характер и опирается на такие области знания, как информатика, электроника, электротехника [1, 3].

Во всем мире активно проводится обучение преподавателей высших учебных заведений и средних школ по использованию в их деятельности междисциплинарных стратегий [6]. Полученные результаты показывают, что методики STEAM-образования приводят к повышению у учащихся успеваемости и самооценки, а также развивают творческие способности [9, 10].

В Российском государственном педагогическом университете им. А.И. Герцена в 2019 году произошло открытие Центра Детского и Молодежного Инженерного Творчества (ЦДМИТ), где изучаются принципы выполнения инженерных разработок, разрабатываются и изготавливаются технические устройства [11]. ЦДМИТ, организованный при поддержке Фонда Бортника, продолжает идею Fab-Lab, открытых по всему миру, оснащённых стандартным оборудованием для выполнения инженерных проектов, помещения для проведения работ и, что очень важно, удалось создать небольшую инженерную команду, способную придумывать и проводить учебные технические проекты разной сложности для школьников и студентов. C 2001 года в мире было открыто более 1500 официально зарегистрированных центров молодежного инновационного творчества. Особенно активно это движение развивается в Беларуси и Казахстане. В России российских фаблабов, к которым примыкают также центры молодёжного инновационного творчества, более 150.

Сотрудники ЦДМИТ в течение более 6 лет проводили практические занятия со школьниками г. Санкт-Петербург по вовлечению их в инженерную деятельность в рамках программы Комитета по труду и занятости населения Санкт-Петербурга. За это время более 150 школ города привели на занятия в Центр ежегодно до 300 школьников. Однако, этот опыт до 2021 года не был подкреплен интеграцией работ Центра в рутинный учебный процесс нашего университета. Центр имеет оборудование для выполнения инженерных работ: станок для лазерной резки Versalaser VLS4.60, 3d принтеры: Makerbot replicator и Makerbot Replicator 2, небольшой парк компьютеров, что позволяет реализовывать проекты 3D моделирования, используя такие материалы как: фанера/пластик/оргстекло, провода, светодиодная лента, алюминиевая пластина, матовая пленка.

В этой связи мы демонстрируем первый опыт организации проектно-технологической практики, нового для университета опыта коллаборационной работы в виртуальных лабораториях на факультете математики РГПУ им. А.И. Герцена и в приближенной к реальной инженерной практике в ЦДМИТ в рамках STEAM-образования. Студенты бакалавриата направления подготовки «Прикладная математика и информатика» осваивают программу 3D моделирования в виртуальном конструкторе, а индивидуальный проект от цифровой модели до изделия реализуют в Центре в рамках производственной практики, используя имеющееся там оборудование и материалы, затем готовят отчётную документацию по мини проекту и статью для ежегодной конференции Всероссийской конференции: «Формирование престижа профессии инженера у современных школьников», которая проводится в рамках Петербургского образовательного форума на площадке Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого при содействии и участии Российского государственного педагогического университета имени А.И. Герцена, Санкт-Петербургского Союза предпринимателей, Союза промышленников и предпринимателей Санкт-Петербурга и общеобразовательных школ города (https://npkengineer.blogspot.com/ ).

Рисунок 1 – Схема трехзвенной системы подготовки STEM-проектов

Опыт работы с Центром позволил кафедре методики обучения математике и информатике наметить систему в организации работ от лабораторных работ в виртуальных конструкторах (рис.1).

Одной из новых в цепочке обсуждаемых дисциплин является дисциплина «Введение в конструирование и программирование микроконтроллерных устройств на базе платы Arduino». Эта факультативная дисциплина продолжает цикл дисциплин, посвящённых компьютерному моделированию от твердотельного 3d моделирования в САПР «Компас» к имитационному моделированию: Arena Rockwell Simulation и программированию микроконтроллеров для платы ArduinoUNO (рис. 2).

Arduino широко применяется в детском и молодёжном творчестве и служит удобной простой средой для первого знакомства с программированием микроконтроллеров [13, 14, 15]. Микроконтроллер представляет собой программируемую интегральную схему (ИС), которая позволяет управлять работой сложных механических, электрических и программных систем с помощью сравнительно простых команд. Устройства, созданные на основе Arduino, могут взаимодействовать с окружающей средой посредством различных датчиков, которые регистрируют состояние окружающей среды и передают данные в микроконтроллер. Микроконтроллер обрабатывает входящие данные, а программа выдаёт новые данные в виде аналоговых или цифровых значений. В результате открываются широкие горизонты для творчества.

Рисунок 2 – Композиция систем имитационного моделирования инженерного практикума

Новый практикум даёт возможность студентам освоить основы электроники, мехатроники и практического программирования микроконтроллеров на диалекте языка С++, используя приёмы разработки аппаратной и программной части автономных роботов на платформе Arduino. А также позволяет получить общие представления о преимуществах STEM-подхода при изучении языков программирования.

Его можно использовать для развития у студентов прикладных инженерных компетенций в области электроники, программирования, роботостроения, что позволит им почувствовать себя исследователями и конструкторами сложных технических устройств.

Общий объем изучаемой дисциплины 36 часа. Из них 18 аудиторных часов и 18 часов - самостоятельных занятий.

Темы лабораторного практикума можно разбить на несколько блоков.

Первый блок (Тема 1: Введение в электрические элементы и схемы. Тема 2: Общие сведения о платформе Arduino. Тема 3: Среда разработки и язык программирования контроллеров Arduino) - это вводная часть практикума. Ее задача - познакомить с основами электроники и электротехники, т.к. для создания собственных проектов очень важно иметь полное понимание основ электротехники.

Здесь происходит знакомство с компонентами электронных схем: резисторами, светодиодами, транзисторами, выпрямительными диодами и реле, с макетными платами для навесного монтажа электронных схем. Проводится краткий обзор семейства микроконтроллеров Arduino, происходит знакомство с платой Arduino UNO R3 - описание, характеристики. Рассматривается среда разработки Arduino IDE, которая будет использоваться для создания скетчей. Студенты знакомятся с базовой структурой скетча и с основными функциями, которые можно использовать в скетчах.

Рисунок 3 – Скрин-шот экрана TinkerCAD: эмулятор платы Arduino и скетч

Второй блок (Тема 1: Работа в среде имитационного моделирования Tinkercad Circuits Arduino. Тема 2: Практическое применение Arduino) переводит от теории к практической части посредством проведения лабораторных работ. Для проведения лабораторного практикума мы используем онлайн-среду разработки Tinkercad, которая позволяет реализовать практически все базовые функции Arduino IDE (рис. 3).

Лабораторные работы включают в себя программирование исполнительных устройств и датчиков, показанные на рисунке 4.

Рисунок 4 – Перечень исполнительных устройств и датчиков, обсуждаемых в лабораторном практикуме

Каждая лабораторная работа включает в себя теоретическую часть, задачи (в Arduino - проекты) и технологию их выполнения и варианты заданий для самостоятельной работы. Каждый проект содержит код, необходимый для программирования платы Arduino. Первые проекты содержат простые объяснения происходящего в коде, чтобы помочь понять процесс программирования и разобраться, как вносить собственные изменения, если на то возникнут причины.

Базовые сведения и навыки, полученные на лабораторном практикуме, получат дальнейшее развитие при создании более сложных проектов в ходе производственной (проектно-технологической практики) на 4 курсе, которую планируется проводить в ЦДМИТ, непосредственно на плате Arduino.

Работа над проектами практики даст возможность сформировать и развить в каждом студенте soft skills цифровой эпохи такие как [12, 8]:

• способность осуществлять поиск, критический анализ и синтез информации, применять системный подход для решения поставленных задач;
• способность к разработке и применению алгоритмических и программных решений в области системного и прикладного программного обеспечения;
• способность осуществлять целенаправленный поиск информации о новейших научных и технологических достижениях в информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" и в других источниках;
• способность к разработке проектных решений в области профессиональной деятельности, подготовке предложений и мероприятий по реализации разработанных проектов и программ;
• способность работать в составе научно-исследовательского и производственного коллектива и решать задачи профессиональной деятельности, осуществляя самоменеджмент, коммуникацию и кооперация.

Литература:

1. Савинова С. Ю., Шубнякова Н. Г. Проектная деятельность в профессиональной подготовке бакалавров-менеджеров. // Инновационные проекты и программы в образовании. 2015.№5.
2.  Ступина Е.Е., Ступин А.А., Чупин Д.Ю., Каменев Р.В. Основы робототехники: учебное пособие. — Новосибирск: Агентство «Сибпринт», 2019. — 160 с.
3. Жамбалов Б.Д., Дараев Д.Б. Инновационные практики внедрения робототехники и 3D-моделирования в образовательный процесс. Методическое пособие. — Чита: Издат-во ПАО «Республиканская типография», 2019. — 44 с.
4. STEM-подход в образовании идеи / методы / практика / перспективы. Минск, 2018 [Электронный ресурс] http://edu4future.by/storage/app/media/camp/stem-podkhod-v-obrazovanii (Дата обращения 20.02.2022)
5. Анисимова Т. И. Формирование образовательной среды нового качества в рамках подготовки педагогов дополнительного образования для реализации STEAM / Т. И. Анисимова, Ф. М. Сабирова, О. В. Шатунова // Экономические и гуманитарные исследования регионов. – 2021. – № 4. – С. 14-19. https://cyberleninka.ru/article/n/podgotovka-pedagogov-dlya-steam-obrazovaniya
6. Чемеков, В. Н. STEM - новый подход к инженерному образованию / В. Н. Чемеков, Д. А. Крылов // Вестник Марийского государственного университета. – 2015. – № 5(20). – С. 59-64.  https://cyberleninka.ru/article/n/stem-novyy-podhod-k-inzhenernomu-obrazovaniyu
7.  Единые образовательные решения STEM\STEAM [Электронный ресурс] https://www.surwiki.admsurgut.ru/wiki/images/6/60/STEAM.pdf (Дата обращения 20.02.2022).
8. Приказ Минобрнауки России от 12.03.2015 N 228 (ред. от 09.09.2015) "Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по направлению подготовки 01.03.02 Прикладная математика и информатика (уровень бакалавриата)" (Зарегистрировано в Минюсте России 14.04.2015 N 36844).
9. Segura, W. A. (2017). The use of STEAM in higher education for high school teachers. In: Journal 21 World Multi-Conference on Systemics, Cybernetics and Informatics, Proceedings (WMSCI 2017). Orlando, Florida, USA. 1: 308—312.
10. Chanthala, Ch., Santiboon, T., Ponkham, K. (2018). Instructional designing the STEM education model for fostering creative thinking abilities in physics laboratory environment classes. In: Journal 5th International conference for science educators and teachers (ISET 2017).
11. Пучков, М. Ю. Эмерджентность против авторитета - жизнь в стремительном будущем / М. Ю. Пучков, В. А. Попова, И. П. Ефимов // Инженерное образование как ответ на вызовы общества – Формирование престижа профессии инженера у современных школьников: Сборник статей IX Всероссийской очно-заочной научно-практической конференции с международным участием в рамках Петербургского международного образовательного форума, Санкт-Петербург, 23 марта 2021 года / Под редакцией А.Г. Козловой [и др.]. – Санкт-Петербург: Изд. "Академия Востоковедения", 2021. – С. 16-22.
12. Программа производственной (проектно-технологической) практики основной профессиональной образовательной программы подготовки академического бакалавриата по направлению «Прикладная математика и информатика». [Электронный ресурс] https://www.rea.ru/sveden/education/Documents/Bakalavriat/iceit/Programmi_praktik/Pract_P_Tech_01.03.02_PMI_PMI_2019.pdf (Дата обращения 20.02.2022)
13.  Ушанов К. П. Лабораторный практикум «Основы программирования на платформе Arduino»: Выпускная квалификационная работа / К. П. Ушанов; Рос. гос. проф.-пед. ун-т, Ин-т инж.-пед. образования, Каф. Информационных систем и технологий. — Екатеринбург, 2017. —61 с.
14.  Бачинин Ф., Панкратов В., Накоряков В., под ред. Косаченко С. Основы программирования микроконтроллеров: Учебно-методическое пособие к образовательному набору по микроэлектронике «Амперка»: образовательный робототехнический модуль (базовый уровень) – М.: Изд. «Экзамен», 2017. - 184 с.
15.  Мамичев Д. Программирование на Ардуино. От простого к сложному. — М.: СОЛОН-Пресс, 2018. — 244 с.: ил.

Оставить комментарий: