Abstract
Based on the principles of selecting the content of training for teachers of general technical disciplines, an invariant content of training at all levels of education in the field of robotics and simulation modeling is proposed, corresponding to the priority areas of technical development in the Russian Federation.

Key words: content of education, general technical disciplines, directions of technical development.

----------------

Значение преподавателя, ведущего общетехнические дисциплины (ОТД) на всех уровнях образования, в современных условиях приобретает новую актуальность. Такой преподаватель осуществляет знакомство обучающихся с основными перспективными технологиями, которые, как по отдельности, так и в тесной интеграции между собой, обеспечивают содержательное пространство современного многовекторного технического развития. Обучающийся, имеющий представление о современных тенденциях технического развития в мире и потребностях отечественной сферы производства и потребления, в будущем может стать высококлассным специалистом как в узких технических областях, так и в проектах, связанных с интеграцией разных сфер. Это, в свою очередь, повысит количество и качество технических специалистов, без которых невозможно технологическое развитие страны.

Но подготовка такого специалиста невозможна без выделения содержательного инварианта, необходимого для успешной работы в любом из технических направлений. В настоящей статье рассматривается одна из таких инвариантных линий, которая связана с изучением робототехники. Очевидно, что робототехника является сквозным вектором для всех без исключения направлений: «Новое индустриальное и общесистемное программное обеспечение», «Технологии виртуальной и дополненной реальностей», «Новые производственные технологии», «Интернет-вещей», «Робототехнические комплексы (системы) военного, специального и двойного назначения» «Транспортные и космические системы», активно развивающиеся технологии беспилотных летательных аппаратов и пр. А изучение робототехники базируется на знании основ мехатроники и микроэлектроники.

В рамках проводимого научным коллективом (в который входят и авторы этой статьи) исследования по Государственному заданию Министерства просвещения РФ были сформулированы принципы отбора материала в рамках разрабатываемой методологии формирования содержания подготовки преподавателя общетехнических дисциплин. Укажем эти принципы: ориентация на перечень актуальных технологий; принцип дополнения; дифференциации по уровню технического образования; дифференциации по уровню освоения ОТД; выделение инварианта содержания; цифровой характер и открытость учебного информационного ресурса. Рассмотрим, каким образом эти принципы могут быть учтены при обеспечении подготовки будущего преподавателя, связанной с робототехникой.

Сам выбор в качестве инварианта робототехники является выполнением первого принципа «Ориентация на перечень актуальных технологий», так как выше было уже показано, что робототехника является необходимым «симбиотом» для любой из актуальных современных направлений технического развития.

В ходе выполняемого государственного задания был проведен анализ образовательных программ 154 образовательных организаций высшего и среднего профессионального образования Российской Федерации на предмет наличия общетехнических дисциплин по приоритетным техническим направлениям. Среди этих дисциплин были выделены имеющие тесную связь с робототехническим направлением и компьютерным моделированием: основы электрорадиотехники и электроники; физические основы электроники и наноэлектроники; компьютерное моделирование и проектирования по областям; мехатроника и робототехника; наноэлектроника полупроводниковых приборов и устройств; квантовая и оптическая электроника; микросхемотехника; физические основы наукоемких технологий электроники. Очевидно, что выполнение принципа дополнительности при проектировании образовательных программ должно осуществляться следующим образом: в общетехнический модуль и в курсы по выбору из вышеуказанного перечня должны попадать те дисциплины, которые не попали в модули профессиональной подготовки. В итоге, так или иначе, студент должен освоить все эти учебные дисциплины. Это требование для будущего преподавателя ОТД имеет ещё большую значимость.

Дифференциация деятельности в рамках общетехнических дисциплин (роботизированные механизмы, мехатроника и др.) отражает связи, отношения и взаимодействия таких важных систем, как наука, техника и технология, структурные элементы которых становятся подсистемами в системе содержания образования [1]. Очевидно, что уровень усвоения каждой дисциплины будет дифференцироваться в зависимости от специфики профессиональных функций, к выполнению которых готовится будущий специалист, что и накладывает соответствующие требования к преподавателю ОТД в каждом конкретном вузе.

Ознакомительный (первоначальный) уровень – освоение основ электроники, микроэлектроники, мехатроники, систем автоматизированного проектирования (САПР), микропроцессорной техники на уровне лекционного обзора назначения и особенностей практического использования.

Деятельностный теоретический (работа с моделями) уровень – робототехника и компьютерное моделирование осваиваются без использования материальной базы, но с выполнением практико-ориентированных заданий: моделирование и конструирование в симуляторах, с использованием программных средств профессионального назначения.

Деятельностный практический уровень – обучающиеся осваивают как теоретическую составляющую изучаемых дисциплин, так и элементы практической деятельности, например, сопоставление результатов моделирования с работой реальных объектов, компиляция программного кода, экспорт модели робота в формат URDF (универсальный формат описания роботов), импорт модели робота URDF в симулятор, импорт модели полигона в САПР, программирование и отладка работы микроконтроллера в информационной среде и экспортирование программы в робототехническое устройство и др.

С 1 сентября 2022 года вступили в силу новые федеральные образовательные стандарты для основной школы (ФГОС ООО). Теперь учащиеся с 5 по 9 классы будут изучать робототехнику — это обязательный модуль дисциплины «Технология». До этого занятия по робототехнике были только в кружках и инженерных лицеях. Изучение начинается с программирования на образовательном робототехническом конструкторе, происходит знакомство с моделями роботов и автоматизированных устройств, далее программирование микроконтроллера и завершается изучение управлением беспилотными летательными аппаратами.

В процессе обучения необходимо предлагать учащимся задачи, при решении которых ими будет использован материал: механические передачи, задачи на определение типа передачи по ее элементам; расчет передаточного отношения (зубчатая передача, ременная передача, винтовая, фрикционная); задачи на чтение и расчет кинематических схем; равномерное движение (движение одного или нескольких объектов, средняя скорость); равнопеременное движение (движение одного или нескольких объектов); последовательное и параллельное соединение проводников в электрической цепи, смешанное соединение проводников; логические основы компьютера; алгебра логики; логические операции; работа с микросхемами; понятие цифрового и аналогового сигнала; базовые понятие о микроэлектронике.

На уровне специального профессионального образования освоение робототехнических устройств реализуется в большей степени на деятельностно практическом уровне, включает практико-ориентированные задачи по выбранному направлению, например: выбор исходных данных и определение выходных параметров математической модели мобильного робототехнического средства; осуществление сравнительной оценки и выбор модели робототехнического средства для решения конкретных задач, произведение расчетов параметров основных элементов робототехнического средства и др.

В ВУЗе реализуются все уровни освоения, бакалавры на практических и лабораторных занятиях должны выполнять работы в профессиональных информационных средах, в эмуляторах для моделирования и тестирования электрических схем, например, при изучении основ микроэлектроники, электрорадиотехники, некоторые разделы мехатроники, программирование микроконтроллеров - в системах схемотехники или автоматизированного проектирования (Proteus, MicroCap, Multisim, линейка систем Cadence OrCAD и др.); при изучении моделирования и конструирования роботов – в симуляторе CoppeliaSim; при изучении компьютерного моделирования – среды имитационного моделирования AnyLogic и AnyDynamics [2].

Выделим инвариант содержания обучения на дисциплинах общетехнического цикла, который должен присутствовать в содержании образовательных программ всех уровней. Мы считаем, что инвариант может быть следующим: полупроводниковые приборы, основы цифровой и аналоговой схемотехники, системы управления, микропроцессорная техника, теория механизмов и машин, направления развития микроэлектроники. Освоение такого содержания позволит реализовать принцип преемственности образовательных программ.

Принцип открытости учебного информационного ресурса требует освоения обучающимися основных программных средств, необходимых при интеграции общетехнических дисциплин: симуляторов робототехники (типа «CoppeliaSim»), необходимых при разработке алгоритмов, моделирования и автоматизации производства, быстрого прототипирования и оценки модели; инструментальных программных комплексов (класса SCADA для проектирования систем диспетчерского управления и сбора данных Trace Mode, MasterSCADA, SimpleSCADA); среды многоподходного имитационного моделирования (типа AnyLogic и AnyDynamics).

В итоге подготовка преподавателя ОТД к ведению выделенных нами инвариантных дисциплин в области робототехники и компьютерного моделирования позволит ему в будущем вести эти дисциплины в образовательных учреждениях всех уровней, обеспечивая при этом целостность и системность необходимой профессиональной подготовки своих учеников.

Литература

1. Бабина, С. Н. Общетехнические дисциплины как образовательная модель интеграции технологического и естественно-научного содержания образования / С. Н. Бабина // Вестник ЮУрГУ. Серия «Образование. Педагогические науки», выпуск 15. – 2012. – № 4. – С. 74-77.

2. Зуев, П. В. Проблемы преемственности в изучении робототехники в школе и вузе / П. В. Зуев, Е. С. Кощеева // Педагогическое образование в России. – 2014. – №8. – С. 54-61.

Рекомендовано к публикации:
А.А.Ахаян, доктор педагогических наук, член Редакционной Коллегии

Literature

1. Babina, S. N. Obshchetekhnicheskie discipliny kak obrazovatel'naya model' integracii tekhnologicheskogo i estestvenno-nauchnogo soderzhaniya obrazovaniya / S. N. Babina // Vestnik YUUrGU. Seriya «Obrazovanie. Pedagogicheskie nauki», vypusk 15. – 2012. – № 4. – S. 74-77.

2. Zuev, P. V. Problemy preemstvennosti v izuchenii robototekhniki v shkole i vuze / P. V. Zuev, E. S. Koshcheeva // Pedagogicheskoe obrazovanie v Rossii. – 2014. – №8. – S. 54-61.