расширяются. Это необходимо учитывать и изучать преимущества и недостатки перехода от традиционной организации к планированию и реализации совместных проектов.
Совместное обучение значительно отличается от теории и практики традиционного обучения в классе и требует другого подхода к работе с детьми. Совместное обучение не включает исключительно задачи, направленные на "производство", где элементы являются конкретными и предсказуемыми результатами, и где достижение "продукта" определяет деятельность. В совместном обучении, хотя навыки могут быть конкретными, не всегда возможно указать их результаты.
3.2 Инженерное проектирование в образовательной робототехнике
При разработке проектов в области образовательной робототехники можно говорить о формировании у обучающихся основ инженерного проектирования, под которым понимается научно обоснованный вид деятельности человека по решению технических задач, учитывающих потребности общества при реализации результата.
В данном определении инженерного проектирования существенным является несколько факторов. Первый – техническая направленность действия, т.е. результатами проектирования являются новые устройства, системы или процессы. Второй – решение должно быть научно обоснованным, т.е. требует применения специальных знаний. Третий фактор заключается в том, что создается не любое новое, а только то, что приносит обществу определенную пользу, удовлетворяет какие-либо потребности или нужды.
При этом инженерное проектирование – это вид деятельности именно человека. Следовательно, по характеру проектная деятельность должна быть в определенной степени творческой. Таким образом, инженеры используют инженерное проектирование, чтобы найти творческое решение сложных технических проблем.
96
Процесс инженерного проектирования обычно начинается с постановки проблемы, в результате чего генерируется идея. На занятиях по робототехнике также реализуется процесс обдумывания обучающимися будущего проекта, но в большинстве случаев отсутствует разработка конструкторской документации. По мнению некоторых преподавателей, это замедляет процесс инженерного проектирования и делает занятия менее привлекательными для обучающихся.
Однако обязательная разработка конструкторской документации на занятиях по робототехнике будет способствовать повышению уровня инженерных проектов, так как удастся избежать многих ошибок. На наш взгляд, в робототехнике целесообразно составлять документацию по конструкции робота и программному обеспечению.
Для образовательной робототехники нами выработан определенный подход к инженерному проектированию, рассмотрим его.
1. Определить проблему
Без полного понимания проблемы она не может быть успешно решена. Этот шаг часто делается методически неграмотно или неполно, что приводит в дальнейшем к техническим сбоям или полному отказу в работе созданной конструкции. Важно определить истинную проблему, а не просто симптомы предполагаемой проблемы.
2. Составление технических требований
Каковы технические характеристики будущей конструкции? В технических требованиях определяется набор характеристик, которым должна удовлетворять будущая конструкция. Технические требования, как правило, появляются из проектных ограничений и функциональных требований.
Например, ограничения могут касаться физических параметров робота (габариты, масса и пр.) или области его применения. Функциональные требования описывают, как готовая конструкция должна выполнять возлагаемые на нее функции.
Технические требования определяют в общих чертах: для чего предназначен проект, насколько качественно он будет реализовывать то, что на него возложено. Но в то же время в технических требованиях не определяется, как процесс будет реализован. Так, в образовательной робототехнике в технических требованиях описывается то,
97
что робот делает, а не то, как он это делает, потому что, уделяя много времени в инженерном проектировании на то, как реализуется проект, ограничивается креативность участников. В то же время проектировщику необходимо обдумывать, как реализуется проект, чтобы понимать, что это вообще возможно.
На соревнованиях по робототехнике проектировщикам ставится некоторая задача, в которой их робот будет конкурировать с роботами соперников. Эта задача описывается в регламенте, там же даются ограничения и требования, которым должен удовлетворять каждый робот, – проектные ограничения, относящиеся к первому типу технических требований, с которыми сталкиваются проектировщики. Вот некоторые примеры таких ограничений:
максимальный вес робота; максимальный размер робота; разрешенные система управления; разрешенные двигатели; требуемая батарея;
разрешенные строительные материалы или робототехнические наборы;
ресурсы, используемые для проекта.
Ко второму типу технических требований относятся ограничения, которые могут быть наложены проектировщиком самостоятельно при составлении технических требований. Например:
не должно быть сложных узлов; необходимо уложиться в бюджет проекта;
необходимо использовать части уже имеющегося проекта. Третий тип технических требований базируется на функциональ-
ных особенностях робота, они связаны с задачами, которые стоят перед проектировщиками.
Например:
робот должен работать в течение 15 минут непрерывно без подзарядки;
робот должен провести 10 игровых раундов; робот должен управляться оператором с расстояния 50 метров; робот должен передвигать груз в 20 кг;
98
робот должен разогнаться до максимальной скорости менее чем за 1 секунду.
С выполнением третьего типа технических требований сложно определиться на ранней стадии проектирования, так как многое зависит от характеристик готовой конструкции. Как эффективно выполнить эти требования, решается в процессе доработки конструкции и вносятся изменения.
3. Ранжирование технических требований
Все определенные в предыдущем шаге технические требования не равнозначны между собой, одни из них более важны для проекта, чем другие.
Проектировщик должен определить, какие из них самые главные и почему. Технические характеристики необходимо распределить по степени их важности. Рекомендуется использовать такую градацию:
–Личные предпочтения (не так важно, но было бы неплохо, если возможно).
–Предпочтительные (важно, но проект можно выполнить и без этого).
–Обязательные (имеют решающее значение для проекта, должны быть включены в задание).
Пример ранжирования технических характеристик:
–Робот может отслеживать 5 целей одновременно.
–Робот может отслеживать 10 целей одновременно.
–Робот может отслеживать 15 целей одновременно.
Вприведенном примере ранжирование дает понять, что робот должен отслеживать 5 целей одновременно, если возможно, он должен отслеживать 10 целей, а проектировщик был бы очень рад, если бы он отслеживал 15 целей. Благодаря составлению технических требований и их ранжированию можно выделить именно те требования, которые проектная группа должна реализовать, и к какому идеалу она должна стремиться.
4. Создание концепции и альтернативы
Каждый раз, решая какую-либо проблему, люди думают о различных альтернативных способах ее решения, даже если они делают это подсознательно. Формальное документирование этого интуитив-
99
ного действия может помочь при решении сложных инженерных задач. Этот шаг в процессе инженерного проектирования включает в себя выяснение того, «как» выполнить «что-то» из технических характеристик. На данном этапе конструкция не должна быть полностью проработана, она должна представлять собой эскиз (набросок), по которому понятно, как это будет реализовано. Это шаг, который требует творческого, креативного подхода к решению проблемы. Проектировщик должен провести мозговой штурм, чтобы придумать несколько способов, как реализовать указанные требования. Важно помнить, что решение поставленной задачи нужно искать в любом доступном месте: книги, журналы, Интернет, выставки и т.п. Здесь применим принцип: использовать лучшее и изобрести остальное, т.е. решение часто берется из открытых источников в окружающем мире и адаптируется для данной задачи. Часто рассматривая идеи двух или более альтернативных проектов решения задачи, можно найти лучшее решение на основе объединения проектов. Важно не останавливаться на первом решении, а стремиться найти лучшее.
Вробототехнике необходимо разработать концепцию для общей системы и для отдельных подсистем и механизмов. Какие-то из этих систем будут завесить от других и влиять друг на друга. Так, общая конструкция системы влияет на входящие в нее подсистемы, а каждая из подсистем будет влиять на общую систему. Разработка этих концепций, как правило, происходит в процессе мозгового штурма с участием всей команды разработчиков. Результаты записываются в виде диаграмм, схем, эскизов и описаний.
Входе мозгового штурма участники высказывают свои идеи, направленные на решение поставленной задачи, причем как логичные, так и абсурдные. В процессе мозгового штурма, как правило, вначале решения не отличаются высокой оригинальностью, но по истечении некоторого времени типовые, шаблонные решения исчерпываются, и
уучастников начинают возникать необычные идеи. Все идеи, возникшие в ходе мозгового штурма, записываются или как-то иначе регистрируются. Затем, когда все идеи высказаны, производится их анализ, развитие и отбор. В итоге находится максимально эффективное и часто нетривиальное решение задачи.
100