Кибернетика и роботехника
Курсовая
работа
Кибернетика
и роботехника
Оглавление
кибернетика робототехника информация
Введение
Глава 1. Кибернетика
1.1 Исторический аспект появления
кибернетики
.2 Информация как основа кибернетики
.3 Черный ящик
Глава 2. Робототехника
.1. Робототехника как раздел
кибернетики
.2 Использование робототехники в
наши дни
.3 Образовательная робототехника
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Поиск ответов на многие нерешенные проблемы
информации и управления, продолжающие оставаться предметом дискуссий,
актуализирует задачу более глубокого изучения творческого наследия Норберта
Винера. Основоположнику кибернетики принадлежит целый ряд работ, посвященных
вопросам философии и методологии науки, роли научного познания в обществе,
проблеме мироздания, анализу возможных последствий научно-технической
революции, а также этике ученого.
Интерес Винера к философской проблематике не
случаен: известно, что вначале он собирался посвятить себя философии, учился в
Гарвардском университете под руководством Дж. Ройса и Дж. Сантаяны, получил в
18 лет докторскую степень и лишь, затем, продолжая совершенствовать свое
образование в Европе, под влиянием Рассела отдал предпочтение математике. Тем
не менее, Винер в своем научном творчестве неоднократно обращался к философским
темам как в “докибернетический” период, так и при выработке проекта новой науки
“об управлении и связи в животном и машине”. Кибернетика
- наука об общих законах управления в природе, обществе, живых организмах и
машинах или же наука об управлении, связи и переработке информации. Объектом
изучения являются динамические системы. Предметом - информационные процессы,
связанные с управлением ими. Оригинальность
этой науки заключается в том, что она изучает не вещественный состав систем и
не их структуру, а результат работы данного класса систем. В кибернетике
впервые было сформулировано понятие «черного ящика» как устройства, которое
выполняет определенную операцию над настоящим и прошлым входного потенциала, но
для которого мы не обязательно располагаем информацией о структуре,
обеспечивающей выполнение этой операции.
Системы изучаются в кибернетике по их реакциям
на внешние воздействия, другими словами, по тем функциям, которые они
выполняют. Наряду с вещественным и структурным подходом, кибернетика ввела в
научный обиход функциональный подход как еще один вариант системного подхода в
широком смысле слова.
Кибернетический подход - исследование системы на
основе кибернетических принципов, в частности, с помощью выявления прямых и
обратных связей рассмотрение элементов системы как некоторых «черных ящиков».
Цель кибернетического подхода заключается в
применение принципов, методов и технических средств для достижения наиболее
эффективных в том или ином смысле результатов оптимизирующего управления.
Коренными понятиями кибернетики являются: система, обратная связь, информация.
Цель данной курсовой работы в том, чтобы понять
и раскрыть суть термина кибернетика и связь с нынешней школой. Кибернетика как
наука появилась на стыке нескольких дисциплин: математика, логика, семиотика,
физиология, биология и социология. Развиваясь, кибернетика ушла далеко вперед и
в свою очередь предложила другие интересные идеи, которые в совокупности с
другими дали новые плоды. Вкупе с кибернетикой механика дала нам
кибернетические механизмы, или роботы.
Задачи, которые мы будем преследовать:
− изучить наследие Норберта Винера;
− рассмотреть области, где на
сегодняшний день используется кибернетика;
− выяснить связь между роботами,
кибернетикой и образованием.
Глава 1.
Кибернетика
1.1 Исторический
аспект появления кибернетики
С развитием автоматизации производственных и
некоторых мыслительных процессов возникла потребность в теории, которая могла
бы обобщить и научно обосновать приемы и средства создания автоматических
управляющих устройств. Такая теория, оформившаяся за последние пятнадцать лет в
самостоятельное научное направление, получила название кибернетики.
Слово «кибернетика» древнегреческого
происхождения. В переводе на русский язык «кибернетес» означает рулевой,
кормчий, управляющий движением. Впервые это слово ввел в употребление в науке
более ста лет назад известный французский физик Андре Ампер. Пытаясь дать в
одной из своих работ общую классификацию наук, он назвал так не существовавшую
в то время науку об управлении человеческим обществом, развитие которой
предсказывал в будущем. Впоследствии название это было надолго забыто и снова
появилось только недавно, введенное одним из основоположников новой науки,
известным американским ученым-математиком Норбертом Винером.
Разрабатывая во время второй мировой войны
вопросы теории зенитных стрельб и управления реактивными снарядами, этот ученый
обратил внимание на большое сходство между процессами управления и передачи
сигналов в различных технических устройствах и живых организмах. Для более
детального исследования этого сходства Винер в течение нескольких лет изучал
физиологию высшей нервной деятельности. В результате синтеза некоторых проблем
математики, радиоэлектроники и физиологии ему удалось установить ряд общих
закономерностей передачи сигналов, контроля и регулирования в машинах и живых
организмах.
Разумеется, успешная разработка Винером этих
закономерностей была подготовлена предшествующим развитием науки и техники,
многолетней работой ученых разных стран, в частности таких всемирно известных
русских и советских ученых, как И.П. Павлов, А.И. Вышнеградский, А.М. Ляпунов,
В.А. Котельников, А.Н. Колмогоров, и зарубежных специалистов Гиббса, Гилберта,
Кантора, Шеннона. Это подчеркивает и сам Винер. «Некоторые из моих
соображений,- пишет он, - подкрепляются подобными же соображениями,
содержащимися в более ранней работе Колмогорова в России, хотя значительная
часть моего труда была выполнена прежде, чем мое внимание было привлечено к
исследованиям русской школы». Винер указывает, что он изучал также работы
Крылова, Боголюбова, Гуревича и труды ученых Японии.
Свои идеи Винер изложил в двух работах:
«Кибернетика, или управление, и связь в животном и машине» (1948 г.) и
«Кибернетика и общество» (1951 г.). Книги Винера вызвали живой интерес у ученых
различных специальностей - математиков, физиков, физиологов, философов, которые
стали развивать его идеи в самых различных направлениях.
Так возникла кибернетика - наука об общих
закономерностях процессов управления и связи в организованных системах -
машинах, живых организмах и их объединениях.
1.2 Информация
как основа кибернетики
При всяком процессе управления определяющую,
главную роль всегда играет передача информации (в виде сигналов, команд,
сообщений и т. п.). Поэтому информация является основным понятием в
кибернетике. Именно с информационной стороны и изучает кибернетика процессы
управления и связи. В связи с этим ее часто определяют также как науку о
способах восприятия, передачи, хранения, переработки и использования информации
в машинах, живых организмах и их объединениях.
Сопоставление технических автоматических
устройств с живыми организмами, совместное изучение столь отличающихся на
первый взгляд объектов идея не надуманная. Действие машин-автоматов очень
напоминает поведение живых существ. Много общих черт часто обнаруживается и в
строении и тех и других. Но для кибернетики особый интерес представляет
сравнение процессов управления и связи в животном и в машине. Как механизм
машины, так и организм животного имеет управляющие и исполнительные органы.
Связь между этими органами в том и в другом случае осуществляется по
специальным каналам и обеспечивает работу машины или жизнедеятельность
организма.
Управляющее устройство соединено с
исполнительным механизмом каналом связи. По этому каналу передаются сигналы
управления, вырабатываемые в управляющем устройстве в соответствии с
программой. Подчиняясь этим сигналам, исполнительный механизм совершает свою
работу. В свою очередь, исполнительный механизм соединен с управляющим
устройством каналом обратной связи, по которому в устройство поступают сигналы
о том, насколько правильно выполняются команды управления. В управляющем
устройстве поступившая информация перерабатывается так, что в соответствии с
этой информацией и заданной программой вырабатываются новые сигналы управления,
направляемые снова к исполнительному механизму.
Так осуществляется саморегулирование
машины-автомата. Программа управления может вводиться в машину извне, как мы
это видели на примерах вычислительных машин, а также может и определяться самой
конструкцией управляющего устройства. Пример такого автомата - хорошо известный
центробежный регулятор паровой машины, в котором эффект регулировки создается
вращением грузов, связанных с валом машины (исполнительный механизм) и
заслонкой, управляющей подачей пара в машину (управляющее устройство). В более
сложных современных автоматических системах каналами связи могут быть различные
электрические цепи, а роль управляющих устройств играют разнообразные релейные
схемы (например, на электромагнитных реле) или электронные вычислительные
машины.
Управляющий орган в живом организме -
центральная нервная система. С другими органами она связана с помощью
специфических каналов связи - чувствительных и двигательных нервов. Связь эта в
физиологии носит название рефлекторной дуги. В управляемых органах расположены
окончания чувствительных нервов - так называемые рецепторы. Под действием
различных раздражителей (тепла, света, звука и т. п.) в рецепторах возникают импульсы
возбуждения, которые по чувствительным нервам (канал обратной связи) передаются
в центральную нервную систему, информируя ее о воздействии раздражителя.
Центральная нервная система перерабатывает полученную информацию и вырабатывает
необходимую команду, которая по другому каналу связи - двигательным нервам -
передается в виде импульсов возбуждения соответствующим органам - железам,
мышцам - и вызывает их реакцию на действие раздражителя.
Простейшим примером этого вида управления и
связи является отдергивание руки при неожиданном прикосновении к горячему
предмету. Здесь легко проследить все элементы рефлекторной дуги.
Сравнивая рассмотренные схемы управления в
автоматическом устройстве и живом организме, мы легко обнаруживаем существенное
их сходство. В самом деле, и в том и в другом случае управление характеризуется
замкнутой цепью, состоящей из управляющего и управляемого устройств и каналов
прямой и обратной связи. В обоих случаях по каналам связи передается
информация: от управляющего органа к исполнительному - по каналу управления и к
управляющему от исполнительного - по каналу обратной связи. Поэтому кибернетика
приходит к выводу, что такие проблемы, как передача и переработка информации,
обратная связь и автоматическое регулирование, являются в значительной мере
общими для схемы управления животного и машины, и, следовательно, если изучать
их с единой точки зрения, то это поможет не только совершенствованию
технических устройств, но и углублению наших знаний в области биологии и
физиологии нервной системы.
Таким изучением живых организмов и машин с
единой (информационной) точки зрения и занимается кибернетика.
Для проверки некоторых теоретических положений
кибернетики, а также с целью исследования возможностей машины и ее аналога -
нервной системы в последние годы совершаются многочисленные попытки
моделировать при помощи технических средств некоторые нервные и психические
функции живых организмов. Создаются различные устройства, метко
охарактеризованные Винером как «научные игрушки», которые способны в какой-то
мере имитировать поведение животных.
Еще тридцать шесть лет назад, на Парижской
радиовыставке 1929 года, демонстрировалась сконструированная Анри Пиро
электронная «собака», которая могла двигаться по направлению к свету, но лаяла
и отворачивалась, если источник света подносили к ней слишком близко. Десять
лет спустя к демонстрации на Нью-йоркской выставке была подготовлена другая
«научная игрушка» с более совершенным механизмом, но накануне открытия выставки
она, привлеченная светом фар, попала под колеса автомобиля и была раздавлена.
Эти и подобные им устройства, создававшиеся
позднее, в сущности, еще мало отличались от механических автоматов XVIII века:
заводных пляшущих кукол, музыкальных табакерок и т. п. Каждый из таких
автоматов мог отвечать раз и навсегда определенной реакцией на вполне
определенное воздействие извне: кукла выполняла одни и те же движения всякий
раз, когда заводили ее пружинный механизм, электронная «собака» лаяла, если
яркий пучок лучей освещал вмонтированный в нее фотоэлемент. В принципе к этой
же группе автоматов можно отнести такие устройства, как, например,
телефон-автомат, соединяющий абонентов, когда в него опускают монету и набирают
необходимый номер, или автомат, «продающий» папиросы, спички или другие штучные
товары. Такие автоматы можно назвать фиксированными в своем развитии в отличие
от машин, способных развиваться. Последние представляют для кибернетики гораздо
больший интерес.
Мы уже упоминали о таких машинах, описывая
играющие автоматы, способные «обучаться» и совершенствовать свое умение
«играть». Другим примером «научной игрушки» этого типа является «мышь в
лабиринте», созданная американским ученым Клодом Шенноном. «Мышь» -
намагниченный кусочек стали на колесиках и с усиками-контактами - пускают в
лабиринт, образуемый при помощи съемных перегородок на алюминиевой доске. При
помощи подвижного магнита, расположенного под доской и управляемого
счетно-решающим устройством, «мышь» движется по коридорам лабиринта, натыкаясь
усиками на перегородки. Она долго блуждает и, наконец, достигает «сала» -
специального электрического контакта, находящегося на другом конце лабиринта.
Если после этого, не изменяя положения перегородок лабиринта, повторить опыт,
пустив «мышь» в лабиринт снова, она пройдет к «салу» кратчайшим путем за
несколько секунд. Создаются различные устройства, метко охарактеризованные
Винером как «научные игрушки», которые способны в какой-то мере имитировать
поведение животных. Создается впечатление, что она «запомнила» этот путь,
«научилась» ориентироваться в лабиринте.
Счетно-решающее устройство, управляющее работой
прибора-игрушки, имеет всего сто десять электромагнитных реле. Путь «мыши»
фиксируется этим устройством, и если она в какой-либо коридор лабиринта входила
и выходила (что означает, что «сала» там нет), то вход в этот коридор при
повторных опытах перекрывается.
Не менее интересны и другие кибернетические
игрушки, созданные в различных вариантах как у нас, так и за рубежом. Это
«черепахи», «лисицы» и другие электронные «животные», с помощью которых ученые
изучают возможности моделирования техническими средствами условных рефлексов. В
последнее время благодаря настойчивым поискам наиболее целесообразного решения
задачи разработаны инструкции автоматических «животных», изготовление которых
оказывается под силу радиолюбителю. О таких устройствах мы расскажем дальше.
Создание машин-автоматов, способных обучаться,
накапливать опыт и приспосабливаться к изменяющимся внешним условиям, является
важнейшим достижением кибернетики. Оно имеет огромное значение для развития
народного хозяйства страны, так как позволяет освободить человека от многих
актов управления машиной, требующих участия его умственной деятельности.
В настоящее время исследование самообучающихся
систем только начинается. Поэтому не удивительно, что существующие устройства
этого типа, выполненные чаще всего в виде «научных игрушек», способны
моделировать лишь простейшие элементы процесса обучения живых существ. Бурное
развитие кибернетики показывает, что моделирование этого процесса с каждым годом
будет становиться все более глубоким. Несомненно, в ближайшем будущем
самообучающиеся машины-автоматы будут широко применяться в самых различных
областях народного хозяйства.
1.3 Черный ящик
Чёрный ящик - объект, внутренняя структура
которого неизвестна или неважна в рамках решаемой задачи, но о функциях,
которого можно судить по его реакциям на внешнее воздействие.
Полное описание функций «черного ящика»
называется его каноническим представлением. «Чёрные ящики», характеризуемые
одинаковыми каноническими представлениями, считаются эквивалентными.
В отличие от «черного ящика» «белый ящик» - это
объект, внутренняя структура которого нам полностью известна, например,
какое-либо созданное нами техническое устройство или компьютерная программа.
Понятие «чёрный ящик» широко используется во
многих научных дисциплинах, в первую очередь технических, при изучении и/или
описании любых объектов, обладающих относительно устойчивым характером (без
учёта развития или изменения самого объекта). Это обусловлено тем, что «чёрный
ящик» является наглядной формой представления результата основного процесса
человеческого мышления - абстрагирования, и использование «чёрного ящика» при
описании объекта значительно облегчает понимание смысла.
Кибернетика, как уже отмечалось выше,
занимается, главным образом, исследованием механизмов управления и передачи
информации в сложных стохастических системах. Для изучения процесса управления
кибернетики используют понятия обратной связи и гомеостаза; для анализа
вероятностных характеристик систем они применяют статистическую теорию
информации; наконец, исследование комплексности систем они осуществляют с
помощью понятия черного ящика. Представляя систему в качестве черного ящика,
кибернетики по умолчанию соглашаются с когнитивными ограничениями своего
понимания огромного числа возможных состояний, доступных сложной системе в
любой момент времени. Однако при этом они признают возможности манипулирования
некоторыми входными сигналами и наблюдения некоторых результатов работы системы
на выходе. Если выходные сигналы непрерывно сравниваются с конкретными
желаемыми величинами, то некоторые реакции системы могут быть определены с
точки зрения их влияния на входные сигналы черного ящика с тем, чтобы сохранить
систему «в управляемом состоянии».
При моделировании системы в виде черного ящика
идентифицируются четыре набора переменных: набор возможных состояний системы
(S); набор возмущений, способных повлиять на текущее ее состояние (Р); набор
реакций на эти возмущения (R); набор целей, определяющих приемлемые состояния в
соответствии с установленными критериями (Т). Считается, что система находится
в “управляемом состоянии” если в любой момент времени ее состояние
соответствует состоянию из набора Т. С помощью этой модели устанавливается
чрезвычайно важный кибернетический принцип: если система находится в
управляемом состоянии, то необходимо, чтобы для любого возмущения, стремящегося
вывести систему из допустимых состояний, существовала такая ее реакция, которая
после своего осуществления приводила бы систему в одно из состояний из
совокупности Т. Данный принцип был разработан английским кибернетиком Россом
Эшби и получил название «закона необходимого многообразия», обычно
формулируемого следующим образом: «только многообразие способно поглотить многообразие».
Глава 2.
Робототехника
.1 Робототехника
как раздел кибернетики
Предмет робототехники - это создание и
применение роботов, других средств робототехники и основанных на них
технических систем и комплексов различного назначения. Возникнув на основе
кибернетики и механики, робототехника в свою очередь породила новые направления
развития и самих этих наук. В кибернетике это связано, прежде всего, с
интеллектуальным управлением и бионикой как источником новых, заимствованных у
живой природы идей, а в механике - с многостепенными механизмами типа
манипуляторов.
Робот можно определить как универсальный автомат
для осуществления механических действий, подобных тем, которые производит
человек, выполняющий физическую работу. При создании первых роботов и вплоть до
наших дней образцом для них служат возможности человека. Именно стремление
заменить человека на тяжелых и опасных работах породило идею робота, затем
первые попытки ее реализации (в средние века) и, наконец, обусловило
возникновение и развитие современной робототехники и роботостроения.
На рис. В.1 показана функциональная схема
робота. В общем виде она включает исполнительные системы- манипуляционную (один
или несколько манипуляторов) и передвижения (транспортную),
информационно-управляющую, сенсорную, дающую информацию о внешней среде и
систему связи с оператором, а также с другими взаимодействующими с роботом
машинами. Исполнительные системы в свою очередь состоят из механической системы
и системы приводов. Механическая система манипулятора - это обычно
кинематическая цепь, состоящая из подвижных звеньев с угловым или
поступательным перемещением, которая заканчивается каким-нибудь рабочим
инструментом или захватным устройством.
Со временем понятие робот расширилось и под ним
часто стали понимать любую автоматическую машину, заменяющую человека и чем-то
напоминающую его разумное поведение.
Исполнительные системы
Рис. В.1. Функциональная схема робота
В этой работе термин «робот» будет
использоваться в приведенном ранее стандартизованном смысле.
Из данного определения робота следует, что - это
машина автоматического действия, которая объединяет свойства машин рабочих и
информационных, являясь, таким образом, принципиально новым видом машин. В
достаточно развитом виде роботы аналогично человеку осуществляют активное
силовое и информационное взаимодействие с окружающей средой и благодаря этому
могут не только обладать искусственным интеллектом, но и совершенствовать его.
Правда, пока роботы еще очень далеки по своим интеллектуальным возможностям от
человека. При этом от ранее известных видов машин роботы также принципиально
отличаются своей универсальностью (многофункциональностью) и гибкостью (быстрым
переходом к выполнению новых операций).
В основе универсальности роботов лежит
универсальность его рабочих органов, хотя сегодня до универсальности руки
человека им еще далеко (правда, это компенсируется возможностью быстрой смены
рабочих органов робота в процессе выполнения операций).
Универсальность роботов позволяет
автоматизировать принципиально любые операции, выполняемые человеком, а
быстрота перестройки на выполнение новых операций при освоении новой продукции
или иных изменениях в производстве сохраняет у автоматизируемого с помощью
роботов производства ту же гибкость, какую сегодня имеют только производства,
обслуживаемые человеком. Роботы потому и появились лишь во второй половине XX
столетия, что именно сейчас назрела необходимость в таких универсальных и
гибких средствах, без которых невозможно осуществить комплексную автоматизацию
современного производства с его большой номенклатурой и частой сменяемостью
выпускаемой продукции, включая создание гибких автоматизированных производств.
2.2 Использование
робототехники в наши дни
Дальнейшее развитие робототехники привело к
расширению сферы ее применения, включая создание с ее помощью новых технических
систем, принципиально невозможных при участии или даже присутствии человека.
Термин «робот», как известно, славянского
происхождения. Его ввел известный писатель К. Чапек в 1920 г. в своей
фантастической пьесе "R.U.R."
("Россумовские универсальные роботы"), в которой так названы механические
рабочие, предназначенные для замены людей на тяжелых физических работах.
Название «робот» образовано от чешского слова robota,
что означает тяжелый подневольный труд.
Помимо роботов для тех же целей широкое
применение получили манипуляторы с ручным управлением (копирующие манипуляторы,
телеоператоры и т. п.) и с различными вариантами полуавтоматического и
автоматизированного управления, а также однопрограммные (не
перепрограммируемые) автоматические манипуляторы (автооператоры и механические
руки). Эти устройства явились в значительной степени предшественниками роботов.
Появились они главным образом для манипулирования объектами, непосредственный
контакт с которыми для человека вреден или опасен (радиоактивные вещества,
раскаленные болванки и т. п.). Однако, хотя появление роботов существенно
сузило сферу их применения, эти простые средства механизации и автоматизации не
потеряли своего значения. Все они сегодня вместе с роботами входят в общее
понятие средств робототехники.
Как уже было отмечено, объективной причиной
возникновения и развития современной робототехники явилась историческая
потребность производства в гибкой автоматизации с устранением человека из
непосредственного участия в машинном производстве и недостаточность для этой
цели традиционных средств автоматизации. Поэтому задачей робототехники наряду с
созданием собственно средств робототехники является разработка основанных на
них систем и комплексов различного назначения. Системы и комплексы,
автоматизированные с помощью роботов, принято называть роботизированными.
Роботизированные системы, в которых роботы выполняют основные технологические
операции, называются робототехническими.
Как уже отмечалось, наряду с внедрением в
действующие производства роботы открывают широкие перспективы для создания
принципиально новых технологических процессов, не связанных с весьма
обременительными ограничениями, налагаемыми непосредственным участием в них
человека. При этом имеются в виду как действительно очень ограниченные
физические возможности человека (по грузоподъемности, быстродействию, точности,
повторяемости и т. п.), так и требуемая для него комфортность условий труда
(качество атмосферы, отсутствие вредных внешних воздействий и т. д.). Сегодня
непосредственное участие человека в технологическом процессе зачастую является
серьезным препятствием для дальнейшей интенсификации производства и создания
соответствующих новых технологий.
Роботы получили наибольшее распространение в
промышленности и, прежде всего, в машиностроении. Предназначенные для этой цели
роботы называют промышленными роботами. Не менее широкие перспективы имеют
роботы в горнодобывающей промышленности, металлургии и нефтяной промышленности
(обслуживание бурильных установок, монтажные и ремонтные работы), в
строительстве (монтажные, отделочные, транспортные работы), в легкой, пищевой,
рыбной промышленности.
Наряду с использованием в промышленности роботы
применяются и в других областях народного хозяйства и вообще человеческой
деятельности: на транспорте (включая создание шагающих транспортных машин), в
сельском хозяйстве, медицине (протезирование, хирургия - стерильная,
дистанционная, обслуживание больных и инвалидов), в сфере обслуживания, для
исследования и освоения океана и космоса и выполнения работ в других
экстремальных условиях (стихийные бедствия, аварии, военные действия), в
научных исследованиях.
Применение роботов не только приносит конкретный
технико-экономический эффект, связанный с повышением производительности труда,
сменности работы оборудования и качества продукции, но и является важным
средством решения социальных проблем, позволяя освобождать людей от тяжелого,
опасного и монотонного труда.
Длительное применение роботов в различных сферах
привело к внедрению его в различные области. Шаг за шагом благодаря инновационной
политике школ, регионов и правительства РФ робототехника проникла в сферу
образования.
2.3 Образовательная
робототехника
Термин «образовательная робототехника» означает
различное межпредметное использование роботов и прочих подобных систем в
обучении детей, как на урочной, так и во внеурочной деятельности.
Использование роботов при обучении в школе
всегда было дело непростым. В первую очередь из-за отсутствия должных кадров.
Образовательные учреждения, в которых возникали движения в этом направлении, в
основном были профилированными, либо в этом учреждении работал
инженер-радиолюбитель с высшим образованием.
С недавних времен, в основном благодаря развитию
прогресса, упрощению подходов в образовании и «увеличению» мобильности
технологий, школы обрели возможность без привлечения дополнительных кадров
ввести в сетку курс «Образовательная робототехника».
Речь идет об инструментальных наборах, которые
дают возможность конструировать механизмы различного вида, причем предел
возможностей ограничен только фантазией и воображением конструктора.
Использование набора будет способствовать
развитию у учащихся критического мышления и умения решать практические задачи,
кроме того это очевидно привлекательная образовательная среда, вдохновляющая
молодых людей к новаторству через науку, технологию, математику, поощряющая
думать творчески, анализировать ситуацию, критически мыслить, применять свои
навыки для решения проблем реального мира.
На сегодняшний день в образовании используют два
набора, позволяющие конструировать роботов: Lego
NXT Mindstorms
и Arduino.
LEGO
Mindstorms - это конструктор (набор сопрягаемых деталей и электронных блоков)
для создания программируемого робота. Впервые представлен компанией LEGO в 1998
году.
Все школьные наборы на основе
LEGO конструктора ПервоРобот RCX, NXT предназначены, чтобы ученики в основном
работали группами. Поэтому, учащиеся одновременно приобретают навыки
сотрудничества, и умение справляться с индивидуальными заданиями, составляющими
часть общей задачи. В процессе конструирования добиваться того, чтобы созданные
модели работали, и отвечали тем задачам, которые перед ними ставятся. Учащиеся
получают возможность учиться на собственном опыте, проявлять творческий подход
при решении поставленной задачи. Задания разной трудности учащиеся осваивают
поэтапно. Основной принцип обучения «шаг за шагом», являющийся ключевым для
LEGO, обеспечивает учащемуся возможность работать в собственном темпе.
Данные конструкторы показывают
учащимся взаимосвязь между различными областями знаний. На уроках информатики
решать задачи физики, математики и т.д. Модели Конструктора NXT дают
представление о работе механических конструкций, о силе, движении и скорости,
производить математические вычисления. Данные наборы помогают изучить разделы
информатики - это моделирование и программирование.- аппаратная вычислительная
платформа, основными компонентами которой являются простая плата ввода/вывода и
среда разработки на языке Processing/Wiring. Arduino может использоваться как
для создания автономных интерактивных объектов, так и подключаться к
программному обеспечению, выполняемому на компьютере (например, Adobe Flash,
Processing, Max/MSP, Pure Data, SuperCollider).
Основное отличие Arduino
от Lego в комплектации
набора. В комплекте с Arduino
поставляется плата с микроконтроллерами, которая позволяет дополнять и
создавать роботов независимо от дополнительных деталей, т.е. спектр
возможностей велик, но при этом компетенция конструктора должна быть гораздо
выше в данном случае.
Lego
же предоставляет шанс детям научиться собирать роботов с самого первого дня
обучения. Все основные детали поставляются в комплекте: датчики, стандартные
детали конструктора, колеса и серво-моторы.
Заключение
Поиск ответов на многие нерешенные проблемы
информации и управления, продолжающие оставаться предметом дискуссий,
актуализирует задачу более глубокого изучения творческого наследия Норберта
Винера. Основоположнику кибернетики принадлежит целый ряд работ, посвященных
вопросам философии и методологии науки, роли научного познания в обществе,
проблеме мироздания, анализу возможных последствий научно-технической
революции, а также этике ученого.
Изучив идеи Норберта Винера, можно заключить,
что он рассматривает три узловые проблемы кибернетики, тесно связанные с
перспективами развития человеческого общества. Это проблема обучающихся машин,
проблема самовоспроизведения машин и проблема взаимоотношения человека и
машины.
Что несет человечеству “магия автоматизации”,
какое место принадлежит человеку в бурно развивающемся комплексе “человек -
машина”, моральная ответственность ученых и правительств, направляющих
стремительный бег автоматизации, - вот вопросы, которые волнуют Винера.
Нужно сказать и о большом значении работ
Норберта Винера для построения научной картины мира. Собственно, книга Винера
«Кибернетика», давшая имя соответствующей науке, обратила внимание читателей на
то, что в общем смысле целесообразно рассматривать следующие кирпичи мироздания
- элементы, устройства, системы, связи, управление и информацию.
Рассматривая проблему взаимоотношения человека и
машины, Винер считает наиболее перспективным путем развития их разумный
симбиоз, в котором направляющей силой служат человеческие цели. “Человеку -
человеческое, вычислительной машине - машинное”, - предупреждает Винер. Идеи
такого симбиоза иллюстрируются на примере биоэлектронных устройств, машинного
перевода при участии человека-редактора и диагностических машин.
Вместе с тем Винер подчеркивает, что
догматическое разграничение возможностей живого и неживого, чрезмерное
противопоставление человеческого начала машинному столь же неправомерно, как и
религиозное возвышение бога над человеком.
Как и в предыдущих своих научно-публицистических
работах, Винер решительно выступает против всякого античеловеческого применения
кибернетики: против ее применения для “развязывания ядерной войны с ее
апокалипсическими ужасами”, против ее применения в целях сверхобогащения
немногих и еще большего угнетения человека.
Вместе с тем идеи Винера представляют интерес и
для специалистов, занятых приложениями кибернетических методов в технике,
биологии, медицине, лингвистике и экономике.
До сих пор остаются актуальными мысли Винера о
проблемах и возможных социальных последствиях научно-технической революции.
Впечатление, полученное
человеком от изучения самого себя, т.е. физиологии и в частности работа мозга и
нервной системы, натолкнуло на мысль о создании подобной схемы, используя
подручные средства.
Развиваясь, наука пришла к
определенным выводам и уже сегодня мы имеем возможность видеть применение на практике
того, что в свое время было на страницах фантастов и романтиков.
Роботы, как послушные слуги
сегодня есть везде. Начиная от производства автомобилей, еды, различных деталей
в производстве, заканчивая финансовыми рынками, где роботы используются как маклеры
на бирже.
Подрастающее поколение всегда
находится на шаг впереди старшего. В основном благодаря стараниям второго.
Мысль молодых людей позволяет взрастить самые смелые идеи и дать жизнь самым
дерзким проектам. Применить творчество и креативность, внедрить инновацию и
применить новый подход.
Сегодня для того, чтобы дети
чувствовали себя уютно в завтрашнем дне необходимо использовать идеи, которые
просты, но надежны. Уверенность в завтрашнем дне им может дать только надежная
база и крепкий ум, вкупе со спокойным сердцем.
Использование робототехники в
образовании это международный тренд. Практически весь мир находится на шаг
впереди по части использования инноваций в образовании. Достаточное
благоразумие подскажет, что дети могут научиться чему-то новому в такой среде,
где они сами находят себе дорогу.
Использование Lego
Mindstorm может помочь детям
научиться алгоритмическому мышлению и понять инженерное дело на практике, не
пачкая руки мазутом. Это дается им очень легко и с интересом. Не обязательно быть
отличником или «ботаником» для вникания в работу. Участие в конкурсах разного
масштаба развивает детей и создает прочную основу для будущих изысканий в этой
области. Все мы знаем, что именно в детстве создается любовь к ремеслу.
Применение Arduino
может применяться при достаточном опыте работы с конструкторами Lego
Mindstorm. В некоторых
школах именно так и поступают. Работа с детьми в кружке поделена на два этапа: Lego
и Arduino. Первый для
начинающих, а второй этап для «продвинутых» учеников уже прошедшие и освоившие
создание моделей.
В школах дистанционного
обучения для инвалидов Mindstorm
дал возможность детям с ограниченными возможностями попробовать себя в роли
инженера и получить свободу действий. По мнению специалистов, такие уроки не
только помогают развивать детскую фантазию, но и воспитывают настойчивость,
упорство и инженерные способности учащихся.
Таким образом, мы можем
отметить, что принципы Винера поддерживаются и более того им дали возможность
воплотиться в образовательной робототехнике:
− идет на пользу
при обучении детей;
− используется в
мирных целях;
− дети при обучении
стараются выполнить задачи, которые применимы в реальном мире (например,
перевести блок красного цвета из одного конца поля в другой, что впоследствии
может дать идеи при создании роботов, которые будут помогать людям);
− роботы в
последнее время становятся все доступнее;
− обучаясь, детям
помогают опытные педагоги, которые кроме целей обучения, как правило несут и
цели воспитательные, что исключает использование робототехники в целях,
противоречащим мирным.
Список
использованной литературы
1. Винер Н. «Кибернетика и
общество»; перевод - М.:ИЛ,1958.
2. Уильям Росс Эшби, Введение в
кибернетику, «Иностранная литература», Москва, 1959.
3. Бирюков Б.В.,
Спиркин А.Г. Философские проблемы кибернетики. // Вопросы философии. - 1964
4. Простая
кибернетика. Сборник, М., «Молодая гвардия», 1965.
5. Баженов Л.Б. Кибернетика, ее
предмет, методы и место в системе наук // Философия естествознания. - М., 1966.
6. Винер Н. Кибернетика, или
управление и связь в животном и машине.- 2-е изд.- М., 1968.
. Словарь по кибернетике /
Под редакцией академика В. С. Михалевича. - 2-е. - Киев: Главная редакция
Украинской Советской Энциклопедии имени М. П. Бажана, 1989
. Поваров Г.Н. Hорберт Винер
и его Кибернетика. - М., 1990.
. Панкратова Н.Д. Общие
тенденции и системные проблемы развития информационных технологий. // Проблемы
управления и информатики, 1999, №1. - С.13-16.
. Информатика: Учеб. пособие
/ А.В. Могилев, Н.Н. Пак, Е.К. Хеннер; Под ред. Е.К. Хеннера. - М., 1999.
. Информатика: Учебник / Под
ред. проф. Н.В. Макаровой. - М.: Финансы и статистика, 2000.
. Ратнер В., профессор,
д.б.н., зав. лабораторией молекулярно-генетических систем управления Института
цитологии и генетики СО РАН, академик РАЕН. Статья в журнале «НВС» за май 2000
года «молекулярная кибернетика в океане науки»
. Винер Н. Кибернетика и
общество. Творец и робот. - Тайдекс Ко, 2003.
. Теслер Г. С. Новая
кибернетика. - Киев: Логос, 2004. - 401 с.
15. Алесинская
T.В., «Основы логистики. Общие вопросы логистического управления: Учебное
пособие», Таганрог, Изд-во ТРТУ, 2005
16. Основы
робототехники. - 2-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 416
с.: ил.
17. Кибернетика и информатика //
Сборник научных трудов к 50-летию Секции кибернетики Дома ученых им. М.
Горького РАН. - Санкт-Петербург, 2006. - 410 с.
18. Гусейханов М.К., Раджабов
О.Р. Концепции современного естествознания: Учебник. - 6-е изд., перераб. и
доп. - М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2007. - 540 с.
. Игнатьев М.Б.
Информационные технологии в микро-, нано- и оптоэлектронике. - изд. ГУАП,
Санкт-Петербург, 2008. - 200 с.