Научно-образовательная программа по механике, мехатронике и робототехнике и СУНЦ МГУ Довбыш С.А. , Локшин Б.Я., Салмина М.А.

Институт механики МГУ, СУНЦ МГУ

Институт механики МГУ school@imcc.msu.ru

Механика является древнейшей естественной наукой, основополагающей научно-технического прогресса на всём протяжении человеческой истории, а современная робототехника — одно из важнейших направлений научно-технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта. В последнее время в ряде средних школ получили широкое распространение лего-конструкторы, позволяющие уже учащимся младших классов познакомиться, пусть даже в весьма упрощённом и адаптированном виде, с основами робототехники и конструирования робототехнических устройств. Наряду с «взрослыми» соревнованиями роботов, в которых участвуют команды студентов, аспирантов и молодых учёных и которые пока весьма малочисленны, проводятся школьные соревнования лего-роботов.

В последние несколько лет в нашей стране наблюдается интенсивное развитие лего-соревнований в частности, и лего-движения вообще. Так, с 2002 г. в Москве стали ежегодно проводится самые представительные из российских лего-соревнований так называемые «Международные состязания роботов». Впрочем, на первых четырёх соревнованиях были представлены только команды Москвы, С.-Петербурга и подмосковного Зеленограда, но с 2007 г. соревнования стали проводиться в два этапа: первый этап — отборочные соревнования в административных округах Москвы, в С.-Петербурге и в (пока ещё только некоторых) регионах России, а второй, заключительный этап — соревнования в Москве. Эти соревнования являются фактически национальным этапом Мировой олимпиады роботов, проводящейся ежегодно с 2004 г. в странах Юго-Восточной Азии, и их победители командируются для участия в заключительном этапе. Обстоятельную информацию можно найти в статье «О развитии школьных соревнований лего-роботов в России в последние годы», размещённой на нашем сайте, указанном ниже.

Научной целью «взрослых» соревнований роботов является разработка и апробация новых технологий в области мехатроники — недавно возникшей дисциплины, стоящей на стыке механики, электроники, информатики и робототехники. Поэтому в этих соревнованиях прослеживается образовательная линия как новой образовательной технологии. Развиваемый метод обучения состоит в привлечении студентов и аспирантов к активной разработке теории и практическому созданию новых роботов — мехатронных систем и средств управления ими, происходит обсуждение новых идей и подходов к решению всего круга задач робототехники: вопросов динамики, управления и стабилизации мобильных колесных, шагающих, змееподобных роботов, биомехатронных систем. Интеллектуальные соревнования роботов придают этому методу новое качество. Каждый, кто видел соревнования роботов, может подтвердить, что они очень зрелищны, поскольку возможности роботов, участвующих во «взрослых» соревнованиях, гораздо шире, чем возможности лего-роботов, а задания, выполняемые роботами, весьма разнообразны. Поэтому эти соревнования вызывают всеобщий интерес и привлекают новых сторонников не только из студенческой среды, но и среди школьников. Однако, существенным препятствием для участия школьников является незнание ими основ общей механики и других наук в объёме, нужном для разработок робототехнических систем. Частичным решением проблемы участия школьников во «взрослых» соревнованиях может быть предусматривание в их программе соответствующего «школьного» формата, как это было сделано на Всероссийском научно-техническом фестивале молодежи «Мобильные роботы» им. проф. Е.А. Девянина, старейшем в нашей стране робототехническом соревновании, в течение многих лет ежегодно проводившемся в Институте механики МГУ. Весной 2004 г. на Фестивале впервые были представлены роботы, созданные командами школьников, а в 2005 и 2006 гг. в программу Фестиваля была добавлена школьная сессия, на проведение которой специально отводился один день. Такая «уменьшенная копия» Фестиваля была организована для развития интереса школьников и демонстрации их уже имеющихся достижений в научно-исследовательской деятельности (без ограничения возраста). Она включала в себя торжественное открытие, соревнования созданных школьниками роботов по нескольким видам (творческий проект, прохождение трассы, борьба сумо или «реслинг» и т.п.) и специальную школьную секцию научной Школы-конференичи с докладами школьников и презентацией их конструкций, а также с выступлениями ведущих специалистов и учителей-руководителей школьных кружков. Заметим, что среди школьных разработок присутствовали не только лего-конструкции. Следует особо отметить, что включение подобной конференции в программу школьных соревнований, по-видимому, не имеет аналогов. В данном случае оно логично продолжало линию Фестиваля, поскольку его программа традиционно включает научную школу-конференцию.

Указанное выше недостаточное знание основ обшей механики связано с тем, что в обычном школьном курсе (и даже в физико- математических школах) они представлены только в самых простейших аспектах и в любом случае полностью ограничиваются статикой, кинематикой и динамикой прямолинейного и кругового движения материальной точки и плоскопараллельного движения твёрдого тела, обычно закреплённого в точке. С последним обстоятельством связан и другой немаловажный момент — малая информированность школьников о тематике научных работ и исследований в области механики и, как следствие, меньшие конкурсы абитуриентов при поступлении на отделения механики университетов по сравнению с отделениями математики, физики и информатики, т.е. родственных наук, о которых школьная программа даёт несколько лучшее представление (эта тенденция наблюдается в течение уже десятилетий, несмотря на то, что набор на отделения механики меньше, чем на другие указанные отделения!).

В связи с изложенными причинами Институт механики МГУ имени М.В. Ломоносова начал в 2004 году при активном содействии СУНН МГУ реализацию научно-образовательной программы (НОП) S4 для школьников и учителей, желающих узнать о последних достижениях механики, мехатроники и робототехники. Идея проведения НОП и все последующие мероприятия Программы получили поддержку директора Института механики МГУ Ю.М. Окунева и директора СУНЦ МГУ А.А. Часовских. Одной из главных задач НОП является помощь школьникам в выборе будущей специальности, привлечение их к получению образования по дисциплинам механико-математического и робототехнического цикла. Эта программа предусматривает чтение спецкурса, проведение серии лекций, индивидуальную работу со школьниками, консультации и научное руководство, включая подготовку выступлений на школьных конференциях, конференциях молодых ученых, а также организацию конкурса и другие формы. Посещение лекций и работа учащегося с научным руководителем позволяют узнать, чем занимается современная наука механика. Школьникам предоставляется возможность при содействии выбранного, руководителя начать самостоятельную научно-исследовательскую работу, попробовать свои силы в решении и исследовании конкретных задач и конструировании робототехнических и мехатронных систем. Лучшие работы школьников рекомендуются к опубликованию в ведущих научных журналах и представлению на научных семинарах, проходящих в Институте механики МГУ, на механико-математическом факультете МГУ, в Институте прикладной математики РАН.

Предлагаемые Программой курсы лекций рассчитаны на учащихся 9-11 классов, читаются на доступном для школьников уровне, но охватывают широкий круг вопросов: от классических результатов в механике и робототехнике и смежных областях до новейших научных исследований. Заметим, что тематика основного курса лекций Научно-Образовательной Программы включает не только механику, но и смежные области науки и техники (например, в лекциях были представлены такие темы, как управление механическими системами через Интернет, нейронные сети, использование современной микроэлектроники и микропроцессоров, свойства зрения живых существ и их использование при создании систем технического зрения, технические и медицинские аспекты создания тренажёров, небесная механика, астероидная опасность, возобновляемые источники энергии). Проводятся также лекции лектория «Встречи с интересными учеными-механиками», тематика которых носит популярный характер и рассчитана на весьма широкий круг слушателей. Лекции лектория часто носят междисциплинарный характер и посвящены вопросам, далёким от традиционных областей общей механики и робототехники (например, в лекциях были представлены такие темы, как явление кавитации, математические модели и программные средства систем управления объектами национальной значимости, математическое моделирование вулканических извержений или различные аспекты биомеханики: тренажеры для космонавтов, композитные материалы и их использование при протезировании костной ткани, а также разработанная только недавно теория, удовлетворительно объясняющая измерение артериального давления крови с помощью простого прибора, состоящего из резиновой надувной манжеты, груши и манометра). Лекции основного цикла читаются в Институте механики МГУ (адрес: Мичуринский проспект, д.1), а лекции лектория — в СУНЦ МГУ. С целью расширения кругозора школьников и учителей и их ознакомления с различными разделами механики организуются экскурсии на уникальные экспериментальные установки Института механики МГУ цикла механики сплошных сред (гидродинамическая труба, аэродинамическая труба, гидроканал).

Школьники, участвовавшие в мероприятиях Программы, получают соответствующие удостоверения от Института механики МГУ (о прослушивании курса лекций, об участии в конференции молодых ученых, в соревнованиях мобильных роботов, по виртуальному футболу и т.д.).

Вопрос ознакомления с современной механикой и робототехникой оказывается актуальным не только для школьников, но и для учителей средней школы. Поэтому в рамках Научно — Образовательной Программы с согласия Московского института открытого образования (МИОО) проводились также курсы повышения квалификации учителей. Преподаватели различных школ, посещающие наши лекции и участвующие в других мероприятиях Научно- Образовательной Программы, по окончании занятий получают свидетельства государственного образца от МИОО о прохождении курса повышения квалификации на базе Института механики МГУ.

Важным направлением Программы является формирование банка тем научных работ, конкурсов и задач, предлагаемых школьникам. Создан и продолжает пополняться список научно-исследовательских задач. В настоящее время он включает около 30-ти заданий. Среди этих задач имеется небольшое число достаточно стандартных упражнений по общей механике, цель которых состоит в том, чтобы помощь школьнику войти в рассматриваемый круг вопросов. Ежегодно объявляется конкурс на постановку и проведение эксперимента по исследованию свойств сухого трения. Со списком задач и объявлением о конкурсе можно познакомиться на указанном ниже сайте.

Другим важным направлением работы является видеозапись лекций. Для подготовки видеокурса лекций создается видеотека — исходный материал для дальнейшей обработки. На его основе планируется подготовка элементов дистанционного обучения (включая работу со школами для детей с ограниченными возможностями).

Следует особо отметить, что с момента начала осуществления Программы основным участником среди школ является СУНЦ МГУ. Эта школа является также одной из главных площадок Программы: как уже отмечалось, в ей помещении происходит чтение лекций Лектория. В СУНЦ МГУ был создан и работал кружок по робототехнике, в рамках которого школьники привлекались к разработке систем управления мобильным роботом, предназначенным для участия в международных соревнованиях Евробот в 2005 и 2006 гг. Кроме того, в Программе участвуют школьники и преподаватели нескольких школ г. Москвы и г. Зеленограда.

Хотелось бы также подчеркнуть, что СУНЦ МГУ осуществляет определённую материальную поддержку Программы, а именно оплату чтения лекций, а также командирование для участия в конференциях по проблемам образования. Кроме того, в 2008 г. разработка новых образовательных концепций и подходов в рамках Программы была отмечена грантом Клуба ФМШ. Наработанные в СУНЦ МГУ каналы передачи информации в регионы были использованы для распространения информации о Программе.

Перечислим основные аспекты Программы. Цели Программы:

• Выявление и поддержка творческой молодежи, мотивированной на профессиональную деятельность и получение высококачественного высшего образования в современных и перспективных областях знаний механико-математического профиля.
• Активизация научно-исследовательской деятельности учащихся.
• Повышение квалификации учителей, знакомство их с современными достижениями науки.
• Развитие и внедрение новых образовательных технологий в школьный учебный процесс.

Создание «привлекательного имиджа» механики у школьников. Направления Программы

А. Работа со школьниками

• Чтение основных курсов лекций.
• Лекторий «Встречи с интересными учеными-механиками».
• Школьная сессия Фестиваля «Мобильные роботы» им. проф. Е.А. Девянина.
• Организация научной работы школьников, с привлечением преподавателей школы, включая конкурсы на постановку и исполнение эксперимента.
• Проведение спецсеминаров с докладами школьников (задачи по тематике спецкурсов и другие).
• Индивидуальная работа со школьниками, консультации и руководство, подготовка выступлений школьников на школьных конференциях, конференциях молодых ученых и Ломоносовских чтениях.
• Организация и руководство работой тематических кружков (виртуальный футбол, механика снейк- и скейтборда, механика сложных колесных экипажей, лего-роботы), подготовка командных выступлений школьников.
• Подготовка элементов дистанционного обучения (включая работу со школами для детей с ограниченными возможностями).
• Организация и проведение практикумов по общей механике, робототехнике и мехатронике, в том числе на базе сети Интернет.

Б. Работа с учителями школ

• Привлечение преподавателей к руководству исследовательской работой школьников.
• Участие в проведении школьных научных конференций.
• Консультации для преподавателей по вовлечению школьников
• в проводимые Институтом мероприятия.
• Участие преподавателей в подготовке и проведении школьной сессии Фестиваля «Мобильные роботы».
• Совместно с МИОО проведение курсов повышения квалификации преподавателей.

 

Соисполнители Программы

К выполнению Программы привлекаются преподаватели и научные сотрудники МГ У (прежде всего, механико-математического факультета), Института прикладной математики РАН им. М.В. Келдыша, МЭИ (ТУ), используются площадки СУНЦ МГУ, Московского Политехнического музея, Московского музея образования. Методическую и организационную поддержку Программы обеспечивают Московский Центр непрерывного математического образования (МЦНМО), Московский институт открытого образования (МИОО), Центр информационных технологий и учебного оборудования (ЦИТУО) и другие организации. Подписаны договоры о сотрудничестве в осуществлении Программы между Институтом механики МГУ и МИОО и между тремя подразделениями МГУ — Институтом механики, механико-математическим факультетом и СУНЦ.

Идейную поддержку Программы оказывают Научно-методический

Совет Минобрнауки по теоретической механике и Российский национальный комитет по теоретической и прикладной механике.

ЧТО СДЕЛАНО конкретно (кроме основного цикла лекций, лектория

и школьной сессии фестиваля «Мобильные роботы»)

• Формирование банка тем научных работ, конкурсов и задач, предлагаемых школьникам (см. выше).
• Участие в школьных конференциях. Сотрудники Института механики МГУ приняли участие с докладами в работе школьной конференции в Лицее «Вторая школа» (осень 2004 г.), на Колмогоровских чтениях в СУНЦ МГУ (май 2005, 2006 и 2007 г.г.), в Дне науки в СУНЦ МГУ (октябрь 2008 г.), в заседании клуба «Технология» в ЦИТУО, специально посвященном новым образовательным технологиям Института механики, с участием учителей и всех заинтересованных. Кстати, всё-это обсуждение достаточно подробно представлено в Интернете на сайте http.y/lcarning.9151394.ru/mod/resource/view.php?id=327

• Участие в школьных соревнованиях. Среди участников ежегодных Международных состязаний роботов (Москва) в 2005-2007 г.г. были и школьники-слушатели курсов, а руководители наши лекторы. По их итогам в Международной олимпиаде роботов (Таиланд-2005, Китай-2006) также приняли участие двое школьников-слушателей курсов, один из них стал призёром.
• Организация тематических кружков по робототехнике — были созданы и работали кружки в СУНЦ МГУ, в школе № 1326 и в Институте механики МГУ.
• Привлечение школьников к разработке систем управления мобильным роботом, предназначенным для участия во «взрослых» соревнованиях — Фестивале «Мобильные роботы», международных соревнованиях Евробот (Швейцар и я-2005, Италия-2006). Как уже отмечалось, подготовка к соревнованиям Евробот осуществлялась в рамках кружка, работавшего в СУНЦ МГУ. Кроме того, в соревнованиях Евробот участвовали несколько учащихся других школ, являющиеся слушателями лекций или участниками других мероприятий Программы.
• Повышение квалификации учителей (см. выше).
• Видеозаписи лекций (см. выше).
• Участие в научно-методических конференциях:III Международная научно-методическая конференция (Волгоград, май 2006 г.), IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, август 2006 г.), Международная научная конференция по образовательной робототехнике соревнований ЕВ РОБОТ (Франция, май 2007 г.), Международная конференция V Колмогоровские чтения (Ярославль, май 2007 г.).
• Участие в выставках: Промышленная выставка в Ганновере (Германия, 2005 г.), Международные выставки «Интеллектуальные и адаптивные роботы-2005» и «Архимед-2006» на ВВЦ, Московский музей образования, Московский Политехнический музей, включая школьную выставку «Каникулы роботов в Политехническом» (январь 2006 г. и март 2007 г.), Исторический музей, презентация на выставке-конкурсе «Роботы будущего» (программа «Шаг в будущее, Москва», МГТУ имени Н.Э. Баумана, март 2007 г.), на российском этапе международных соревнований «ЕВРОБОТ» (апрель 2007 г.).
• Удостоверения для школьников (см. выше).
• Информация в Интернете. Регулярно обновляемая информация обо всех мероприятиях Программы представлена на сайте Института механики МГУ http://www.imec.msu.ru/
• .

Заключение

Научно-Образовательная Программа, стартовавшая осенью 2004 года, может быть охарактеризована как новая уникальная, не имеющая аналогов, образовательная технология, с весьма широким кругом задач и целей, с разными составляющими и с большими перспективами дальнейшего развития и углубления. Следует особо подчеркнуть, что она представляет собой стык университетского и школьного образования, способствует повышению квалификации учителей средней школы и привлечению школьников к научной работе, прежде всего в новых перспективных областях, определяющих современный научно-технический прогресс. Важной чертой является сочетание как теоретических (прослушивание лекций, решение задач) так и практических (конструирование и создание робототехнических систем) аспектов.

Все перечисленные выше мероприятия Программы для школьников и преподавателей, осуществляемые на традиционных площадках Института механики МГУ, СУНЦ МГУ и некоторых других организаций, проводятся на бесплатной основе. Однако, по согласованию, возможно также проведение выездных лекций и семинаров, кружков, осуществление других форм сотрудничества.

Обращаем также внимание, что возможно дистанционное участие в некоторых мероприятиях Программы (конкурсы, научно- исследовательская работа и т.п.) — см. информацию на сайте Программы http://www.imec.msu.ru/school.

Приглашаем всех заинтересованных лиц и организации принять участие в работе Научно-Образовательной Программы по механике, мехатронике и робототехнике!