Метапредметность результатов обучения, в конечном счете, сводится к освоению различного рода межпредметных понятий и формированию универсальных учебных действий: регулятивных, познавательных и коммуникативных. Данные действия позволят учащимся реализоваться в быстро меняющемся современном мире. Ведь способность получать новые знания, самостоятельно их обрабатывать и, самое важное, применять их на практике, неоспоримо полезна.

Одним из таких универсальных учебных действий являются навыки технического и компьютерного моделирования. Концепция моделирования как педагогического инструмента рассматривалась в работах А.П. Аношкина, С.И. Архангельского, В.Г. Афанасьева, A.M. Дахина, В.М. Монахова и др. Бесспорно навыки моделирования применимы практически во всех областях деятельности человека: механике, приборостроении, авиации, прогнозировании, анализе, финансах и т.п.

Развитие навыков моделирования у учащихся является на сегодняшний день одной из приоритетных задач современной школы. В рамках решения этой задачи необходимо применять средства и методы обучения, позволяющие заинтересовать детей в учебном материале предмета и развитии творческих навыков школьников. Эффективным средством в таком случае являются конструкторы LEGO образовательной серии.

Деятельность компании LEGO Group связана с развитием творческого мышления у детей в процессе игры и обучения. Взяв за основу кубики LEGO, известные во всем мире, сегодня компания предлагает игрушки, игры и обучающие материалы для детей более чем в 130 странах мира. Конструкторы LEGO MINDSTORMS, конструкторы образовательной серии, включают в себя программируемый блок, сервомоторы, датчики и разнообразные детали: балки, оси, шестеренки, штифты, втулки, колеса и т.д. Кроме этого, базовые наборы дополняются ресурсными наборами (без программируемого блока и моторов). Вместе данные наборы позволяют создавать самых разнообразных роботов и самые разнообразные приспособления и конструкции. Ученики охотно строят модели по технологически картам, дорабатывая их своими модификациями. Еще охотнее ребята собирают самостоятельно смоделированные конструкции.

При лего-конструировании важное значение является саморегуляция: способность ребенка находить требуемые для его конструкции детали и соединения, способность доводить начатое дело до конца, воплощая свой замысел посредством конструктора LEGO. Так как данные все детали конструктора LEGO образовательной серии являются сопрягаемыми, учащиеся могут строить самые разнообразные конструкции, андроидов, приспособления. Возможности для творчества с такими конструкторами безграничны, а значит, при лего-конструировании активизируемся познавательная деятельность. Преимущественным методом работы с конструкторами образовательной серии является метод проектов [1], в рамках которого формируются коммуникативные навыки у учащихся, работающих в команде.

Таким образом, работа с конструкторами LEGO образовательной серии позволяет достигнуть поставленных в ФГОС  метапредметных результатов обучения: формировать регулятивные, познавательные и коммуникативные универсальные учебные действия.

Следует отметить, что при организации лего-конструирования в школе возникает ряд проблем. Среди основных проблем организации и развития лего-конструирования в школе можно выделить следующие:

• нехватка технического оборудования из-за их высокой стоимости: самих наборов LEGO, технологических карт для сборки моделей и полей для работы с роботами;
• малое количество учащихся в группах, занимающихся робототехникой;
• недостаточный уровень знаний и навыков учащихся в области моделирования и программирования;
• разрозненность или  отсутствие полноценных методических разработок по лего-конструированию.

Существенной проблемой применения лего-технологий в учебном процессе является недостаточное количество комплектов конструкторов. Несколько лет назад в Челябинской области всем школам было выделено определенное количество конструкторов. Однако, редким школам выделяли больше трех наборов. Один набор рассчитан на работу максимум четырех человек. Если в учебном учреждении предусмотрено деление на подгруппы для занятий информатикой, то именно в таких группах минимальное число учеников 10-15 человек. Но даже при работе в таких малых группах возникают проблемы: каждая группа может собирать и модифицировать робота не одно занятие, а это значит, что не полностью собранную одной группой модель другой группе нужно разобрать, чтобы построить собственную конструкцию. Решением этой проблемы является изначальное моделирование конструкции с целью нахождения слабых сторон модели и ее доработки. По созданной технологической карте ученики быстрее построят лего-робота, а значит, успеют его запрограммировать до конца занятия.

Тем не менее, для большого количества желающих научиться лего-конструированию выделенных наборов на одну школу недостаточно. Один из вариантов решения данной проблемы – покупка дополнительных наборов Лего. При цене одного комплекта от 10 тысяч рублей и выше, обычная школа не сможет осуществить покупку достаточного количества наборов. На данный момент эта проблема решается только с помощью спонсоров и добровольных пожертвований родителей учеников школы.

Другой существенной проблемой является недостаток методических материалов по лего-конструированию в средней школе. Все имеющиеся материалы списка методической литературы требуют адаптации. Конечно, можно пренебречь какими-то этапами в разработке модели. Но тогда некоторые из положительных навыков, способностей и связей, развиваемых работой с конструктором, теряются. В отдельных субъектах РФ проводятся специализированные конкурсы по выявлению наиболее удачных методических разработок по данной теме. Что, несомненно, ведет к появлению новых качественных материалов. К решению данной проблемы приведет и достаточное поощрение специалистов, занимающихся разработкой таких материалов.

На уроках физики одно из применений – это учебные демонстрация физических законов и явлений. Детали Лего достаточно малы. Это может затруднить наблюдение и понимание работы конструкции учениками, сидящими на последних партах и страдающими заболеваниями, связными со зрением. Для решения данной проблемы может использоваться увеличенная демонстрация работы конструкции с помощью видео камеры или заранее записанного видео.

Не смотря на то, что детали, используемые в конструкторе ЛЕГО очень прочные, и рассчитаны на различные условия эксплуатации, достаточно часто различные устройства приходят в негодность. Чаще всего ломаются электромоторы и датчики освещенности. Немало случаев, когда детали просто теряются. Отремонтировать сломанные детали в большинстве случаев не представляется возможным. Чтобы пополнить недостающие запчасти приходиться покупать новый набор. Решение данной проблемы, скорее всего, состоит в рассмотрении возможности создания региональных центров ремонта и в пополнении элементов конструктора.

Огромным преимуществом реализации школьных кружков по робототехнике является возможность сформировать и развивать навыки моделирования у учащихся. Так как азы моделирования, как технического, так и компьютерного, по стандартам второго поколения формируются на уроках информатики, физики, химии, географии и т.п. в средней школе целесообразно проводить кружок по робототехнике в среднем звене. У учащихся средней школы имеются базовые навыки использования персональных компьютеров, что существенно облегчает задачу развития навыков компьютерного моделирования.

Решить ряд проблем организации и развития лего-конструирования в средней школе позволит использование в рамках кружка по робототехнике специализированных сред разработки лего—моделей. На сегодняшний день существует большое количество программ компьютерного моделирования лего-конструкций, среди которых LEGO Digital Designer (далее LDD), SR 3D Builder, LeoCad, LDraw и другие. Все эти программы позволяют моделировать лего-конструкции различной сложности, просматривать собранную модель с разных сторон, выбирать различные цвета кубиков LEGO. Каждая среда разработки лего-моделей имеет ряд преимуществ и свои особенности.

Отличительной особенностью SR 3D Builder является возможность выбора из огромного количества деталей, возможность точно определять место соединение деталей, дружественный интерфейс [2]. При разработке моделей в этой среде не учитывается ряд физических явлений: эластичность, сила тяжести, вес и т.д. Кроме этого, данная программа постоянно дорабатывается, а следовательно, небольшое количество методических разработок по ее использованию быстро становятся неактуальными.

Преимуществом LeoCad является возможность просмотра проекта с 7 различных видов, включая изометрический [3]. А в LDraw можно создавать не только конструкции различной сложности, но и целые миры лего [4]. Несмотря на ряд достоинств этих программ, их использование в рамках кружка по робототехнике в средней школе является проблемным. Имеют место такие проблемы как сложность моделирования, требуемый высокий уровень программирования при создании моделей, затраты на использование лицензионных версий продуктов и т.д.

Для использования в образовательных учреждениях целесообразно использовать программу 3D-моделирования лего-конструкций LDD, так как данное приложение распространяется бесплатно и является продуктом компании Lego. Кроме этого, в LDD наборы деталей разбиты по группам для каждого вида конструктора, в том числе и конструкторов образовательной серии, имеющихся в школах. Преимуществом построения трехмерного изображения является возможность просмотра робота со всех сторон для выявления сильных и слабых сторон в конструкции. Кроме этого, построенную виртуальную модель можно использовать в качестве технологической карты для сборки модели из конструктора LEGO образовательной серии

Интерфейс LDD, Виртуального конструктора LEGO, для учащихся средней школы интуитивно понятен. Конечно, существует ряд специфических функций в приложении, расширяющих возможности строительства в LDD. Для изучения данной программы на данный момент разработано некоторое количество инструкций и практических работ, как преподавателями по робототехнике, так и конструкторами-любителями [6].  К примеру, в работе Д.Г. Копосова [7, 80-85] предлагается только вводное занятие по изучению данной программы.

Для формирования и развития навыков моделирования у учащихся среднего звена в рамках кружка по робототехнике перспективным направлением является использование среды разработки лего-моделей LEGO Digital Designer как для создания технологических карт для последующей сборки роботов из реальных конструкторов, так и для 3D-моделирования лего-конструкций. Курс практических работ с использованием Виртуального конструктора LEGO, встраиваемый в программу дополнительного образования детей в средней школе, позволит сформировать и развить навыки компьютерного и технического моделирования у учащихся среднего звена. Разработка и апробация данной методической разработки на сегодняшний день является актуальной задачей робототехники в школе.

В рамках основной школьной программы обучения, предусматривающей разностороннее развитие ребенка, сложно сформировать конкретные навыки в различных областях. Эта задача в большей степени решается благодаря дополнительному образованию детей. Эффективным средством развития различных умений и навыков, в том числе навыков моделирования в средней школе является лего-конструирование. Для создания физических и виртуальных лего-конструкций на данный момент разработано большое количество конструкторов и сред моделирования, предоставляющее большие возможности для обучения и формирования различного рода навыков. Использование этих средств в рамках основного и дополнительного образования детей в средней школе подразумевает создание методических разработок по их изучению и применению.

Одним из способов развития технического творчества является робототехника – область науки и техники, которая предполагает создание автоматизированных технических систем с компьютерным управлением и базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики, программирования.

Образовательная робототехника является одним из направлений, которое способно объединить в себе все школьные предметы (естественно-математический цикл – математика, физика, информатика, биология, химия); реализовать и укрепить межпредметные связи в соответствии с ФГОС; сформировать у обучающихся интерес к инженерно-техническим специальностям и развить познавательную активность [1].

Прикладной характер робототехники позволяет успешно ввести этот раздел в учебный процесс средней школы, а также в систему внеурочной деятельности.

У учащихся 5-7 классов зачастую существует интерес к техническому творчеству и занятиям робототехникой.

В мае 2016 года был проведен педагогический эксперимент, целью которого было выявление степени интереса к техническому творчеству и занятиям робототехникой у младших подростков. В эксперименте приняли участие учащиеся 5, 6 и 7 классов муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения «Средняя школа № 35» города Смоленска.

В опросе приняли участие 127 учеников: 54 из 5 классов, 31 из 6 классов, 42 из 7 классов. Мальчиков и девочек оказалось примерно поровну – 51,2 и 48,8% соответственно.

Распределение ответов на вопрос о степени увлечения наукой и техникой (от 1 – “не интересно” до 5 – “очень интересно”) оказалось следующим (см. рис.1). В целом число интересующихся наукой и техникой составило порядка 80% опрошенных.

Рис.1. Распределение ответов на вопрос об интересе к науке и технике.

 Образовательная робототехника позволяет не только программировать роботов, но и конструировать собственных, а современные школьники часто имеют опыт использования игровых конструкторов (например, Лего). В опросе 76,4% респондентов отметили, что им нравится конструировать (рис.2).

Рис.2. Ответы на вопрос «Любишь ли ты конструкторы?»

 Почти ¾ учащихся слышали о робототехнике, а количество тех, кто занимался робототехникой или ничего о ней не знают, приблизительно одинаково (см. рис. 3).

Рис.3. Ответы на вопрос о знакомстве с робототехникой.

 Несмотря на то, что приоритеты в выборе профессии у учащихся 5-7 классов часто меняются, было выявлено, что примерно треть учащихся настроены получить техническую профессию.

Рис. 3. Доля желающих получить техническую профессию.

 Несмотря на то, что школьная программа предполагает занятие программированием только в 8-9 классе, 42,5% учащихся уже пробовали заниматься программированием (рис.4).

Рис.4. Доля школьников, самостоятельно занимавшихся программированием.

 Таким образом, на основании результатов опроса можно сделать следующие выводы:

1. учащиеся достаточно информированы о робототехнике;

2. большая часть учащихся 5-7 классов любит заниматься конструированием и имеет интерес к техническому творчеству;

3. значительная часть подростков проявляет склонность к получению профессии, связанной с техникой и программированием.

Можно предположить, что занятия по робототехнике вызовут интерес у подростков и будут весьма востребованы. Следовательно, существует необходимость разработки образовательной программы по курсу образовательной робототехники.

Такой курс мог бы способствовать

• пропедевтике курса информатики и программирования [2];

• развитию навыков проектной и конструкторской деятельности [3], [4];

• формированию метапредметных навыков и универсальных учебных действий в соответствии с новыми ФГОС [5].

Кроме того, важно для организации занятий подобрать техническое обеспечение – конструктор роботизированных устройств.

Существует большое количество робототехнических конструкторов, позволяющих организовать обучение основам технического творчества в школе. Среди них Lego WeDo,  Lego Mindstorms NXT и EV3, Arduino, Fischertechnic, Roborobo. Появляются и новые, в том числе отечественные разработки – Scratchduino, TRIK. Для каждого из них разрабатываются собственные методики и методические материалы, которые требуют сравнительного анализа и обобщения.

Основу робототехники составляет компьютерное зрение, так как функционирование робота чаще всего напрямую зависит от обработки информации с датчиков. Информация с камер робота обрабатывается контроллером и работающей на нем специальной программой.

В процессе обучения робототехнике для демонстрации возможностей компьютерного зрения можно не писать код, а воспользоваться готовыми библиотеками. Тем более, что алгоритмы машинного зрения математически сложны и массивны с точки зрения формализации и алгоритмической реализации.

Наиболее используемой в робототехнике является библиотека OpenCV. Данная библиотека совместима с Си-ориентированными языками, поддерживает интерфейсы C, C++, Python, Java, содержит реализацию около 2500 алгоритмов компьютерного зрения и, что важно, распространяется по свободной лицензии и является бесплатной для использования как в учебных, так и в коммерческих целях.

Знакомство с возможностями данной библиотеки, подбор наиболее оптимального метода для решения задач робототехнического комплекса, следует начинать с реализации алгоритма на компьютере в выбранной программной среде. В качестве такой среды рассмотрим Visual Studio, обладающую свойствами доступности, функциональности, производительности и универсальности.

Прежде чем демонстрировать ученикам возможности компьютерного зрения на базе Visual Studio и OpenCV, необходимо выполнить установку и настройку данных программных продуктов. В сети Интернет существует много ресурсов, описывающих данный процесс, но все они обладают одним недостатком – установка и настройка библиотеки OpenCV под проект среды Visual Studio рассматривается для конкретной версии как библиотеки, так и среды программирования и не подходит для другого сочетания версий программных продуктов. Также при появлении новой версии библиотеки OpenCV все предыдущие описания ее настроек для работы в среде Visual Studio становятся неактуальными.

Столкнувшись с вышеописанными сложностями, особенно на фоне необходимости объяснения ученикам процесса настройки OpenCV на их домашнем компьютере, автор попытался разработать методические указания в виде универсального алгоритма установки и настройки данной библиотеки под среду Visual Studio и операционную систему семейства Windows.

Универсальный алгоритм состоит из трех базовых шагов – установка библиотеки OpenCV, настройка проекта среды Visual Studio, проверка выполненных действий путем запуска простейшей программы компьютерного зрения.

Установка OpenCV

1. На первом шаге необходимо скачать архив библиотеки OpenCV с последней работоспособной версией для операционной системы компьютера пользователя.
2. Далее нужно распаковать архив библиотеки в заранее подготовленную папку, например, в папку C:/OpenCV.
3. Для подключения dll файлов библиотеки необходимо настроить переменную окружения PATH.

[Для 64-х разрядной системы] C:/OpenCV/build/x64/vc10/bin;C:/OpenCV/build/common/tbb/intel64/vc10;

[Для 32-х разрядной системы] C:/OpenCV/build/x86/vc10/bin;C:/OpenCV/build/common/tbb/ia32/vc10;

Обратите внимание, что папка vc10 соответствует Visual Studio 2012. Источник [1] предлагает следующее соотношение версий среды программирования и целевой папки:

…/x86/vc12 – Visual Studio 2013, для x86 платформы,

…/x86/vc11 – Visual Studio 2012, для x86 платформы,

…/x86/vc12 – Visual Studio 2010, для x86 платформы,

…/x64/vc12 – Visual Studio 2013, для x64 платформы,

…/x64/vc11 – Visual Studio 2012, для x64 платформы,

…/x64/vc12 – Visual Studio 2010, для x64 платформы.

На самом деле, в случае реализации простейших или стандартных программ, жесткой привязки версии Visual Studio к местонахождению папок с dll или lib файлами нет. Чаще всего, выбирают папку с нумерацией на единицу меньше, чем версия среды программирования.

Настройка OpenCV

Настройка OpenCV зависит от трех факторов – версии среды Visual Studio, версии библиотеки OpenCV, разрядности операционной системы Windows.

1. На первом шаге нужно запустить среду Visual Studio и создать пустой проект C++. В случае 64 разрядной системы дополнительно необходимо выбрать нужную платформу командой Build menu -> Configuration Manager.
2. На втором шаге необходимо вызвать свойства созданного проекта и настроить доступ к библиотекам при помощи команды Linker -> General -> Additional Library Directories

[Для 64-х разрядной системы]   C:/OpenCV/build/x64/vc10/lib;

[Для 32-х разрядной системы]   C:/OpenCV/build/x86/vc10/lib;

Обратите внимание, что вместо C:/OpenCV нужно использовать собственный адрес установки программной библиотеки, вместо x64/vc10 – путь, соответствующий разрядности операционной системы и версии среды Visual Studio, выбираемый по аналогии с настройками переменной окружения.

3. На третьем шаге нужно добавить ссылки на библиотечные файлы при помощи команды Linker -> Input -> Additional Dependencies. Для версии OpenCV 2.4.2 список дополнительных библиотечных файлов приведен ниже. При этом цифры 242 в конце наименований показывают на версию библиотеки. В случае версии OpenCV 2.4.9 следует вместо opencv_core242.lib написать opencv_core249.lib и далее по аналогии.

opencv_core242.lib

opencv_imgproc242.lib

opencv_highgui242.lib

opencv_ml242.lib

opencv_video242.lib

opencv_features2d242.lib

opencv_calib3d242.lib

opencv_objdetect242.lib

opencv_contrib242.lib

opencv_legacy242.lib

opencv_flann242.lib

Также, выше приведенный список следует писать для режима Release. Для режима Debug данный список будет выглядеть немного иначе, с добавленной в конце буквой d. Хорошим стилем будет выполнить две настройки – и для режима Release и для режима Debug.

opencv_core242d.lib

opencv_imgproc242d.lib

opencv_highgui242d.lib

…

4. На четвертом шаге нужно настроить директории Include при помощи команды General -> Additional Include Directories.

[Для 64-х и 32-х разрядных систем]

C:/OpenCV/build/include/opencv; C:/OpenCV/build/include;

Проверка установки и настройки

Для проверки правильности действий по установке и настройке нужно запустить любой код из любого учебника по OpenCV, например, классический «Hello, World» из источника [2].

Типичные ошибки

Часто встречаемыми ошибками установки и настройки библиотеки OpenCV под среду Visual Studio являются ошибки, связанные с невозможностью системы найти dll или lib файлы.

Если системе не удается найти dll файл, то следует еще раз проверить настройки переменной PATH, перезагрузить Visual Studio, так как настройки, связанные с переменными окружения, Visual Studio определяет на этапе загрузки и возможно была нарушена последовательность установки и настройки. В крайнем случае, требуемой системой dll файл можно просто скопировать в файл проекта.

Если системе не удается найти библиотечный файл, то следует еще раз проверить настройки свойств проекта. В крайнем случае, можно прописать явное указание библиотечных файлов в заголовочном файле проекта, например:

#  pragma comment (lib, “opencv_core231d.lib”)

#  pragma comment (lib, “opencv_highgui231d.lib”)

#  pragma comment (lib, “opencv_imgproc231d.lib”)

Если появилась ошибка 0x00007b, то необходимо проверить, не перепутаны ли настройки, связанные с разрядностью системы.

Вывод

Графическая библиотека OpenCV является универсальным средством как для поддержки профессиональных алгоритмов распознавания образов, так и для пропедевтики основ компьютерного зрения. Результатом написания данной статьи стал универсальный алгоритм установки и настройки графической библиотеки OpenCV под операционную систему семейства Windows и среду Visual Studio. Данные методические указания можно использовать при планировании практических занятий в рамках дополнительного образования школьников и в рамках преподавания дисциплин средне специальной и высшей школы, в качестве раздаточного материала при организации самостоятельной работы.