Повышение ИКТ компетентности одаренных учащихся через проектную деятельность по робототехнике
статья на тему

Повышение ИКТ компетентности одаренных учащихся через проектную деятельность по робототехнике.

На текущий момент в средней и высшей школе при обучении программированию наблюдается большой отрыв получаемых учащимися знаний, умений и навыков от реально необходимых им по окончанию обучения и при устройстве на работу. В результате этого для банального прохождения собеседования на должность программиста новоиспеченному специалисту, бакалавру, магистру приходиться тратить значительное время на самостоятельное изучение большого пласта информации, посвященного современному состоянию дел во вроде бы знакомой области знаний. Если говорить про изучение C++, то на школьном и даже вузовском уровне учащиеся зачастую изучают его вариант конца 90-х годов, что безусловно полезно, так как основные алгоритмические конструкции остались с тех пор неизменными. Однако досадно, что учащиеся не получают представления о том, насколько изменился язык за свою более чем 20-ти летнюю историю развития. Данная проблема проистекает из малого количества учебных задач, для решения которых применение современных стандартов языка сулило бы прирост скорости и качества исполнения. Связано это, в первую очередь, с простотой решаемых учебных задач и отсутствием практической значимости их решения для учащихся. Преодолеть проблему можно практически значимые задачи повышенного уровня сложности.

В современном мире нас окружает большое количество сложных высокопроизводительных технических устройств, обрабатывающих большое количество информации. Смартфоны определяют мимику пользователей, их возраст, пол и прочие параметры буквально по фотографии. Использование возможностей компьютерного зрения стало обыденным, и мы не отдаем себе отчета в том, что происходит, когда при наведении камеры на товар, дополненный наклейкой с QR-кодом смартфон показывает ссылку на видеоролики, характеристики товара и сайт производителя. Или, когда придя домой, система умного дома нас узнает по изображению с камеры видеонаблюдения и, приветствуя, заботливо включает свет, музыку и подогрев полов. Эти и многие другие возможности стали реальностью за счет тех технологий и алгоритмов, которые сейчас доступны каждому знающему современные языки программирования на базовом уровне. Последние версии языков программирования C++, Python и пр. в совокупности с открытыми библиотеками компьютерного зрения, позволяют самостоятельно программировать наше окружение, внедряя элементы дополненной реальности в нашу жизнь. Так почему бы не дать учащимся возможность изучить что-то, что они потом смогут применить на практике? Все что для этого нужно – это современная практически-значимая проектная деятельность.

Целью является создание условий повышения ИКТ компетентности одаренных учащихся путем реализации проектной деятельности через разработку программного обеспечения реализующего возможности компьютерного зрения.

Курс обучения компьютерному зрению ставит перед учащимися задачи создания развлекательных приложений (игр), распознавания объектов, создания объектов дополненной реальности, управления робототехническими конструкциями, системами умного дома и беспилотными летательными аппаратами, что позволяет:

• сформировать представление о классе задач обработки видеопотока, пригодных для реализации на базе широко распространенных компонентах, таких как веб камера и контрастные предметы;
• обеспечить возможность создания устойчивого понимания взаимосвязи реального мира и виртуального;
• выявить ключевые особенности восприятия окружающего мира биологическими объектами и компьютерными имитациями, преимущества и недостатки восприятия;
• создать условия для реализации идей в области проектной деятельности самомотивированных учащихся.

Содержание курса предусматривает выполнение учащимися в рамках дополнительного образования и на дому проектов, связанных с анализом поступающего видеопотока, его дополнения и автоматизации принятия решений на основе проводимого анализа.

Примеры проектов, выполняемых учащимися:

• Создание системы интерактивной доски (белая доска, проектор, камера) и реализация функций рисования на ней любыми контрастными объектами.
• Автономное позиционированием мобильного робота (футбол роботов, арканоид, движение к цели, БПЛА, RoboCup Rescue Line, Линия Профи).
• Создание системы умного дома с поддержкой системы «свой-чужой»
• Создание игр на перемещение виртуальных объектов реальными объектами
• Создание объектов дополненной реальности (вывод информации об объекте, считываемом с помощью камеры)

Занятия проводятся в компьютерном классе в рамках работы отделения дополнительного образования. Содержание занятия включает в себя обязательные теоретическую и практическую части. Во время практической части учащиеся выполняют задания на ноутбуках используя веб камеры для фиксации поступающего видеопотока и дальнейшей обработки его с использованием самостоятельно разрабатываемых алгоритмов, а также Bluetooth связь для передачи управляющих команд от программного обеспечения к исполнительным устройствам. В теоретической части учащиеся знакомятся с проблематикой взаимодействия биологических и кибернетических систем с окружающим миром, осваивают математическую составляющую будущих алгоритмов распознавания объектов, совместно анализируют возникшие на предыдущих занятиях проблемы обработки сигнала. При подготовке к соревнованиям и для работы над проектами используются как готовые модули технического зрения RaspberryPi, Pixy, Trik, FischerTechnik, Intel RealSense, Microsoft Kinect, Microsoft Windows Mixed Reality, так и обычные веб-камеры и камеры мобильных телефонов. При разработке программного обеспечения используется Open Source Computer Vision Library (OpenCV), Microsoft VisualStudio 2017 Community, CodeBlocks, Processing.

Наглядным результатом деятельности можно считать победы на соревнованиях международных фестивалей по робототехнике и проекты, разрабатываемые учащимися и успешно применяемые на практике, а также возросший интерес к изучению предметной области и, как следствие, результативность выполнения образовательной программы.

В рамках межпредметного взаимодействия осуществляется трансляция опыта при реализации проектов естественно-научного цикла.

Использованные источники:

• Адриан Келер, Гэри Брэдски «Изучаем OpenCV 3», 2017, ДМК Пресс, ISBN 978-5-97060-471-7