Профориентация в инженерном образовании: опыт работы технопарка «Кванториум» МАОУ Политехническая гимназия

В Нижнем Тагиле реализуется уникальный образовательный проект для школьников — детский технопарк «Кванториум», расположенный на базе Политехнической гимназии. Технопарк - это место, где дети могут развивать инженерное мышление, погружаться в мир современных технологий и решать реальные задачи. Одним из ключевых направлений деятельности технопарка является программа дополнительного образования «Образовательная робототехника».

Эта программа учит анализировать проблемы, разрабатывать решения, которые могут помочь решить практические задачи. Идеями для таких проектов являются реальные проблемы, существующие на предприятиях и в организациях. О существовании этих проблем учащиеся узнают во время профориентационных экскурсий на предприятия.

Такие поездки позволяют познакомиться с технологическими процессами на предприятии, получают представление о профессиональной деятельности специалистов предприятия и трудностями, возникающими в процессе работы.

Одним из примеров выездных мероприятий является экскурсия к Верхотурской ГЭС — единственной гидроэлектростанции в Свердловской области. Эта экскурсия предоставила учащимся уникальную возможность увидеть в действии технологические решения, применяемые в энергетике, и понять значимость гидроэлектростанций для обеспечения энергетической безопасности региона.

Гидроэлектростанция работает круглосуточно, обеспечивая стабильную работу энергообеспечения в городе и железной дороги Екатеринбург-Серов. Сооружения гидроэлектростанции включают в себя глухие бетонные левобережную и правобережную плотины, водосливную плотину, станционную плотину и здание ГЭС, разделительный устой, отводящий канал. В процессе работы ГЭС происходит преобразование кинетической энергии воды в электрическую с использованием турбин и генераторов. Однако есть и ряд организационных сложностей, которые касаются повседневного обслуживания объектов станции [1].

Одной из таких проблем является обслуживание лестниц, ведущих к основным узлам и помещениям станции. Лестницы, которые соединяют различные уровни станции, имеют крутой угол наклона. Зимой они становятся особенно опасными, поскольку над водоёмом всегда стоит туман, и видимость низкая. Снег, лед и наледь быстро скапливаются на ступеньках, и сотрудникам приходится тратить много времени на их очистку. Это не только опасно для работников, но и мешает им выполнять другие, более важные задачи, такие как обслуживание технического оборудования и проверка состояния систем.

Узнав о проблемах сотрудников, школьники начали обсуждать, как можно помочь сотрудникам ГЭС, используя свои знания по робототехнике. Совместно с преподавателями Кванториума они тщательно обдумывали технологические процессы работы станции, определяя, где именно можно внедрить инновационные решения. Подобные дискуссии — это всегда процесс коллективного анализа, когда каждый ребенок может предложить свои идеи, и вместе они находят оптимальные пути решения. После многочисленных обсуждений дети решили создать робота, который сделает очистку лестницы от снега и льда.

Проект назвали «Перилыч», и его концепция заключалась в том, чтобы создать робота, способного безопасно перемещаться по перилам лестницы и выполнять задачу по очистке ступенек. Для этого они использовали LEGO-конструктор, который идеально подходил для прототипирования: с его помощью можно было быстро собирать и тестировать различные механизмы, а также адаптировать робота под нужды конкретной задачи.

Основной сложностью в работе стало его передвижение по перилам. Для этого «Перилыч» использует сдвоенные колеса, которые охватывают перила с двух сторон, обеспечивая стабильность и предотвращая падение робота. Эта конструкция обеспечивает надежное сцепление с перилами и безопасное движение вверх и вниз по лестнице.

Щетка робота движется по ступенькам с помощью ленточного механизма, что позволяет эффективно очищать поверхность от снега и льда. Щетка закреплена на рычаге, который поднимается и включается с помощью червячной передачи. Эта система обеспечивает точность движения и возможность регулировки высоты щеток в зависимости от состояния ступеней, эффективно очищая их даже в условиях низкой температуры (см. рис.1).

Рис.1. Механизм манипулятора

Ребята тщательно прорабатывали каждый элемент конструкции робота: от его способности перемещаться по перилам до механизмов очистки, с учётом специфических условий эксплуатации на ГЭС. В процессе разработки они принимали во внимание не только технические требования, но и климатические условия, в которых робот будет функционировать.

После того, как проект робота «Перилыч» был разработан, наступил этап его реализации и тестирования. Используя LEGO-конструктор, ребята собрали прототип робота, который затем подвергся множеству испытаний. Один из самых важных этапов — это проверка работы системы передвижения по перилам, а также работоспособности щетки.

Для начала была проведена серия испытаний на моделях лестниц, имитирующих реальные условия на ГЭС. Ребята проверяли, как робот движется под разными углами наклона и насколько устойчиво он держится на перилах. Тесты показали, что двусторонние колеса, охватывающие перила с двух сторон, обеспечивают хорошую устойчивость, и робот легко перемещается вверх и вниз, даже если лестница наклонена под углом. Кроме того, конструкцию робота пришлось скорректировать с учетом центра тяжести робота - первые конструкции робота падали с перил (см. рис.2).

Рис.2 Захват перил с помощью двух колес

После проведения испытаний проект был представлен на различных мероприятиях, где судейская комиссия смогла оценить его потенциал для реальной эксплуатации. По завершении работы над роботом «Перилыч» и его компонентами настал момент подвести итоги проекта, обсудить результаты, оценить значимость ключевых частей и внести необходимые улучшения для дальнейшего развития.

Одним из основных результатов стало успешное выполнение задачи, ради которой был создан робот — очистка лестницы от снега и льда. Кроме того, модель робота была продемонстрирована инженерам ГЭС для получения обратной связи, с целью возможной дальнейшей доработки проекта.

Однако в процессе тестирования также были выявлены некоторые моменты, которые могут быть улучшены в последующих версиях робота. Например, несмотря на успешное тестирование моделей лестниц, реальная ситуация на ГЭС может потребовать дополнительных настроек робота для работы в сложных, неожиданных условиях. Например, снег и лед могут скапливаться в разных количествах, что приводит к увеличению скорости щетки или повышению проходимости робота при повороте с большим изгибом. В таких случаях использование более сложных датчиков для определения типа загрязнения и регулирования работы щетки может значительно улучшить эффективность работы.

В целом, проект «Перилыч» стал одним из проектов, в котором школьники могли решать реальную инженерную задачу, используя свои знания в области робототехники. Этот опыт показал необходимость разработки технологических решений для нужд предприятий и был хорошим примером для детей, как инженерное мышление может быть использовано для решения практических задач (см. рис.3).

Рис.3. Проект «Перилыч»

Таким образом, образовательный технопарк «Кванториум» не только развивает навыки и знания учащихся в области инженерии и технологий, но и играет важную роль в профориентации, позволяя школьникам осознанно подходить к выбору своей будущей профессии. Этот опыт вдохновляет молодежь на активное участие в решении задач, связанных с инженерными дисциплинами, и содействует формированию нового поколения специалистов, готовых к вызовам профессионального мира.

1. Верхотурская ГЭС. Wikipedia, https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B5%D1%80%D1%85%D0%BE%D1%82%D1%83%D1%80%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%93%D0%AD%D0%A1. Дата обращения: [10.12.2024].
2. Министерство образования и молодежной политики Свердловской области. Приказ от 15 июня 2021 г. № 475 "Об утверждении плана мероприятий по развитию инженерного образования в образовательных учреждениях Свердловской области на 2021–2024 годы".
3. Иванов П.А. Инженерное образование в Свердловской области: история и современность. — Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2020. — 256 с.
4. Ильин М.С., Горшков Д.П. Перспективы и вызовы инженерного образования в Свердловской области в условиях цифровой трансформации. — Екатеринбург: Научно-исследовательский центр "Образование и технологии", 2022. — 312 с.
5. Кузнецов И.М., Лазарева О.П. Робототехника как средство формирования инженерного мышления у школьников. — Екатеринбург: Центр инновационных образовательных программ, 2021. — 220 с.
6. Министерство образования и молодежной политики Свердловской области. Приказ от 15 июня 2021 г. № 475 "Об утверждении плана мероприятий по развитию инженерного образования в образовательных учреждениях Свердловской области на 2021–2024 годы".
7. Петрова Е.В. Дополнительное образование школьников в сфере инженерии: современные подходы. — Санкт-Петербург: Издательство «Педагогика и инновации», 2020. — 178 с.
8. Савельев Н.А. Экспериментальная деятельность школьников в инженерных кружках. — Казань: Университетская типография, 2018. — 210 с.
9. Смирнов А.В. Инженерные клубы для школьников: опыт и перспективы. — Москва: Издательство «Образование XXI века», 2019. — 192 с.