Mihail KitaigorodskiiВведение
В настоящее время цифровые технологии проникают во все сферы деятельности человека. Глобальная цифровизация промышленности определила новую индустриальную революцию Индустрия 4.0. Важнейшими сквозными технологиями Индустрии 4.0 являются интеллектуальная робототехника и искусственный интеллект, аддитивные технологии, технологии виртуальной и дополненной реальности, технологии больших данных, промышленный интернет вещей [1]. Современные технологии необходимо включать в содержание технологического образования в школе и при подготовке учителей технологии. Эта необходимость определяется национальными программами, которые реализуются в настоящее время. В Послании Президента Федеральному собранию в 2019 году президент отметил: «Должно меняться и содержание образования. В государственных стандартах и программах важно отразить приоритеты научно-технологического развития страны» [2]. В национальном проекте «Образование», реализация которого предусмотрена в 2019–2024 годах, указано, что особое внимание будет уделено совершенствованию методов обучения предметной области «Технология». Должна быть обеспечена возможность изучать технологию на базе высокооснащенных организаций, а для учителей технологии должны быть реализованы инновационные программы повышения квалификации [3].
Исследование, которое отражено в данной статье, посвящено проблеме интеграции в технологическое образование будущих учителей технологии одного из передовых и перспективных направлений Индустрии 4.0 – технологий интернета вещей.
Обзор отечественной и зарубежной литературы
Интернет вещей (англ. Internet of Things, IoT) – это объединение цифровых датчиков и устройств (интернет-вещей), которые взаимодействуют между собой и с внешней средой с помощью встроенных технологий связи и Интернета. Одно из первых определений интернета вещей было дано Нилом Гершенфельдом, Раффи Крикорианом и Дэнни Коэном в работе [4], посвященной концепции IoT и её возможностям.
В настоящее время число датчиков, устройств, подключенных к Интернету, неуклонно растет. Данные, собранные компанией Cisco и опубликованные Дэйвом Эвансом в отчете [5], говорят о том, что количество таких устройств превысило численность населения Земли примерно в 2005 году. Сейчас интернет-вещей около 50 миллиардов, а к 2025 году, как предполагает К. Шваб [6], ожидается триллион устройств, подключенных к Интернету. На рис. 1 показана динамика развития интернета вещей.
Рис. 1. Динамика развития интернета вещей
Рынок интернета вещей постоянно расширяется. Данные технологии применяются в промышленности, транспорте, образовании, медицине, ЖКХ, быту. На рис. 2 приведены результаты исследования аналитиков компании Ovum Т. Стаммерса, Э. Томаса и П. Холли, показывающие число подключенных к Интернету устройств в разных отраслях [7].
Рис. 2. Число IoT устройств (млн шт.) в основных отраслях
Технологии интернета вещей позволяют повысить эффективность современного производства, оптимизировать его, улучшить условия и безопасность труда. В. П. Куприяновский, Д. Е. Намиот, В. И. Дрожжинов и другие [8] показали, что интеграция датчиков и устройств управления промышленных станков с системами автоматизированного проектирования и управления позволяет вывести производство товаров на совершенно иной уровень качества, экономичности и эффективности. Промышленные приложения интернета вещей уже сейчас позволяют внедрять рассматриваемые технологии в автоматический мониторинг, контроль, управление, техническое обслуживание. Обзор ключевых технологий и трендов интернета вещей в промышленности достаточно подробно провели Ли Да Сюй, Ву Хе, Сянчан Ли [9].
В энергетике и ЖКХ интернет вещей в первую очередь связан с дистанционным мониторингом удаленных энергетических систем и различных счетчиков. Сбор и анализ информации о состоянии оборудования, его функционировании позволяет мгновенно реагировать на внештатные ситуации, оперативно исправлять проблемы, возникающие в системах. А удаленный контроль счетчиков позволяет бороться с потерями, вызванными неисправностями приборов, несанкционированным использованием энергии и т. п.
Одним из перспективных направлений интернета вещей является его развитие в автомобильной индустрии. Д. З. Евсеев, М. М. Зайцева, В. В. Косенко и другие выделяют в этой области три направления: создание беспилотного автомобиля, создание «автомобильного интернета» и разработку технологии беспилотных автоколонн [10]. Уже сейчас во многих автомобилях передовых производителей сотни и тысячи датчиков и устройств управления взаимодействуют между собой по беспроводным сетям, что позволяет управлять автомобилем удаленно. Введение интернета вещей позволяет оптимизировать логистику в транспортной отрасли, что приводит к сокращению себестоимости продукции, а также позволяет осуществлять контроль за перемещением продукции. Анализ таких возможностей интернета вещей был проведен А. А. Вахрушевой [11].
Интернет вещей дал толчок развитию такой отрасли, как телемедицина, с помощью которой возможен дистанционный мониторинг различных параметров здоровья человека, что позволяет удаленно расшифровывать медицинскую информацию, выставлять диагнозы и принимать решения о способе лечения. В обзоре Г. С. Лебедева, И. А. Шадеркина, И. В. Фоминой и других [12] определены наиболее перспективные направления интернет-технологий, среди которых выделяются клиническая и пациент-центрированная телемедицина, медицинский интернет вещей, медицинские информационные системы и др.
Интернет вещей вошел и в образование. Можно рассматривать два направления, в которых уместно говорить об интернете вещей. Первое – это использование интернета вещей как одной из составляющих информационно-образовательной среды. Второе – рассмотрение интернета вещей как феномена изучения, содержательного контента образования.
Интернет вещей как составляющая информационно-образовательной среды. В этом контексте интернет вещей представляет собой устройства и датчики, встроенные в различные учебные приборы, технические средства обучения. Использование в образовательном процессе мобильных устройств и облачных сервисов также можно интерпретировать как технологии интернета вещей. Такие возможности рассмотрены О. Ю. Заславской и А. И. Кирилловым [13]. Уже есть опыт использования технологий интернета вещей на уроках общеобразовательной школы, в частности на уроках информатики. А. А. Гальчук и А. Н. Сергеев [14] в своей работе раскрывают возможности использования методики распределенного обучения информатики с помощью технологий интернета вещей и условия реализации методики обучения информатики в системе «Умный класс».
Объединение учебного оборудования в единые сети позволяет организовать электронное обучение с совершенно новыми дистанционными технологиями – технологиями дистанционного управления учебными и научными экспериментами. В исследованиях В. Г. Зубкова, И. И. Колтунова, А. В. Акимова [15] представлена одна из возможных технологий проектирования лабораторных работ для дистанционного обучения студентов технических специальностей.
В Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А. Н. Туполева в Центре дистанционных автоматизированных учебных лабораторий (региональный центр технологий National Instruments) Ю. К. Евдокимовым, А. Ю. Кирсановым, А. Ш. Салаховой разработан цикл дистанционных лабораторных работ по основам электроники и радиотехники [16]. Студенты выполняют эксперименты в этих лабораториях с применением сетевых технологий Интернета и локальной сети вуза. Для доступа к лабораторным работам было создано специальное программное обеспечение, которое позволяет выполнять монтаж экспериментальной установки, включающей измерительные приборы, изучаемые элементы, формировать исследуемые сигналы и выполнять обработку результатов эксперимента.
В МГТУ им. Н. Э. Баумана создан портал «Автоматизированный лабораторный практикум с удаленным доступом» (АЛП УД), на котором размещены ресурсы нескольких интернет-лабораторий: «Испытания материалов», «Спектрометрия плазмы и плазменные нанотехнологии», «Радиотелескоп МГТУ им. Н. Э. Баумана», интернет-лаборатории по робототехнике. В университете для управления удаленными объектами через сеть Интернет А. М. Зиминым разработана «Интерактивная диалоговая удаленная система» (ИНДУС) [17] для сопряжения экспериментальных установок с компьютерами, позволяющая полностью контролировать выполнение лабораторных заданий.
В Московском энергетическом институте Л. Г. Гениным, Я. И. Листратовым, В Г. Свиридовым и другими учеными [18] автоматизированы лаборатории теплотехники и гидравлики. Дистанционные лабораторные стенды позволяют удалённо проводить исследования конвекции в системах труб, теплообмена в воде и газах при различных режимах её течения, различных режимов турбулентности и т. п.
В зарубежных университетах удаленные лаборатории также являются эффективным средством организации дистанционного обучения техническим дисциплинам.
В Национальном университете Сингапура функционирует дистанционная лаборатория, которая позволяет изучать как простые электротехнические цепи из пассивных RLC-элементов, так и сложные активные схемы с универсальными измерительными приборами. Наблюдение за дистанционным экспериментом осуществляется с помощью веб-камеры. Все составляющие дистанционной лаборатории объединены сервером, осуществляющим сбор, обработку и передачу информации по сети. С. Чен, С. Рамакришнан, Ю. Чжуан и другие в своей работе [19] подробно описали технологические установки для реализации таких лабораторных работ.
Лаборатория автоматического управления (Automatic Control Engineering Laboratory) разработана в Национальном институте Сербии (г. Ниш). Лаборатория позволяет исследовать магнитные свойства различных материалов и изучать характеристики сервоприводов. М. Наумович и Д. Живанович [20] на основе этой лаборатории спроектировали дистанционные эксперименты, которые студенты могут выполнять удаленно.
Дистанционные лабораторные работы проводятся не только в рамках дисциплин радиоэлектроники. В инженерном колледже г. Майсур (Индия) Джагадиш Чандра и Судхакер Самуэль разработали архитектуру удаленного обучения студентов на основе веб-технологий для дистанционного эксперимента по управлению средой биореактора [21]. В работе изучаются процессы, происходящие в биореакторе, в частности, осуществляется контроль температуры, кислотности и скорости реакций. Программная часть установки выполнена в приложении LabVIEW, виртуальные инструменты которого позволяют дистанционно управлять процессами и снимать показания с измерительных приборов.
В Сыктывкарском государственном университете имени Питирима Сорокина на кафедре общетехнических дисциплин и методики обучения технологии М. Д. Китайгородским и И. Н. Смольяниновым был разработан лабораторный стенд для дистанционного изучения микроконтроллеров [22]. Стенд объединяет в себе электронную плату, позволяющую изучать работу микроконтроллеров посредством дистанционного программирования устройств ввода-вывода цифровой и аналоговой информации с помощью контроллеров Arduino UNO и дистанционного наблюдения работы устройств ввода-вывода с помощью веб-камеры. В результате его использования в лабораторном практикуме повышается эффективность обучающего процесса, значительно снижается время освоения основ программирования микроконтроллеров.
Интернет вещей как содержательный контент образования. В настоящее время научных и методических работ, связанных с вопросами обучения технологиям интернета вещей, крайне мало. Но надо отметить, что учебные курсы по интернету вещей начинают проектироваться и реализовываться в отдельных образовательных программах бакалавриата и магистратуры.
На факультете вычислительной математики и кибернетики МГУ имени М. В Ломоносова Д. Е. Намиотом предлагался курс по интернету вещей для магистерских программ «Открытые информационные системы» и «Программное обеспечение вычислительных систем», состоящий из нескольких разделов: «Архитектура приложений», «Сетевые стандарты взаимодействия», «Системы хранения данных», «Принципы анализа и обработки данных» [23, 24]. В данных работах приводятся также обзоры магистерских программ, предметом изучения которых является интернет вещей. Но, так как эти обзоры пятилетней давности, мы актуализировали существующие на данный момент образовательные программы.
В Московском институте электроники и математики им. А. Н. Тихонова Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» начинает реализовываться магистерская программа «Интернет вещей и киберфизические системы». Научным руководителем программы является профессор-исследователь Л. С. Восков [25]. Программа предназначена для комплексной подготовки специалистов, способных использовать потенциал новых технологий интернета вещей, и имеет три блока: инженерия в области IoT и киберфизических систем; анализ данных и прикладное ПО в киберфизических системах и интернете вещей; кибербезопасность в IoT. Обучение реализуется в партнёрстве с российскими и международными компаниями, внедряющими эти технологии: Samsung, IBM, National Instruments, Rightech, InfoWatch, PTC и другими, что позволяет студентам получать доступ к современным лабораториям, профессиональному оборудованию и к знаниям напрямую от специалистов индустрии.
В Сколковском институте науки и технологий (Сколтех), новом международном исследовательском университете, профессором Н. Бриллиантовым разработана магистерская программа «Информационные науки и технологии (Интернет вещей (IoT), Высокопроизводительные вычисления (HPC))» [26]. Программа готовит специалистов для Индустрии 4.0 – дает мощную теоретическую подготовку и развивает прикладные навыки в сферах высокопроизводительных вычислений, big data и интернета вещей.
В Институте микроприборов и систем управления имени Л. Н. Преснухина Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники» осуществляется прием абитуриентов на обучение по нескольким программам магистратуры по направлению «Информатика и вычислительная техника». Одна из программ этого направления – «Встраиваемые системы: от IoT до робототехнических комплексов». По программе осуществляется подготовка студентов в области проектирования и внедрения вычислительных комплексов различного назначения: от миниатюрных устройств до сложных высокопроизводительных вычислительных систем. Высокое качество образовательной программы обеспечивается функционирующей в институте научной школой члена-корреспондента РАРАН, профессора В. А. Бархоткина [27].
Еще одна магистерская программа с наименованием «Интернет вещей» реализуется в Московском авиационном институте (национальный исследовательский университет). Ключевыми компетенциями выпускников данной магистратуры являются: умение проектировать киберфизические системы, ориентированные на применение технологий «Интернета вещей»; знание и понимание принципов построения архитектуры smart-систем («Умный дом», «Умный город»); знание и понимание перспективных направлений применения интернета вещей в процессе цифровой трансформации бизнеса. Разработчики программы Д. Волошин, И. Быконя и С. Ляпина организовали обучение таким образом, что студенты совмещают учебные занятия с работой в профессиональной области [28]. В учебном плане в основном преобладают лабораторные и практические занятия, а теоретические вопросы рассматриваются в форме консультаций и обсуждений со специалистами в области интернета вещей.
Конечно, образовательные программы IoT реализуются и в зарубежных вузах.
В глобальном технологическом институте Zigurat (г. Барселона, Испания) реализуется магистерский курс “Global Smart City Manager” («Управление умным городом»). Эта программа, руководителями которой являются исследователи Рамон Грас Алома и Джереми Берк [29], применяет к участникам междисциплинарный подход, при этом учитываются новые технологические инструменты в городских условиях. Выпускники программы становятся менеджерами «Умного города», которые будут обеспечивать согласованность всех инициатив и проектов города на основе устойчивого подхода.
В Университете Брэдфорда (г. Брэдфорд, Западный Йоркшир, Англия) представлена уникальная очная магистерская программа “Internet of Things (IoT)”, которая разработана экспертами в этой области, имеющими богатый опыт исследований и разработок в IoT, для решения проблемы нехватки квалифицированных специалистов. В дополнение к стандартным подходам в обучение внедряется интерактивная среда, состоящая из симуляторов, облачных тестовых площадок для поддержки практического обучения, которая расширяет возможности разработки продуктов интернета вещей. Практические занятия студенты проводят в специализированном «Центре вычислительных предприятий», который предоставляет возможности реализации проектов, являющихся актуальными для современной индустрии. Руководители центра Дэн Неагу и Мариан Георге считают, что студенты получают важные отраслевые знания и опыт, чтобы улучшить свои профессиональные навыки и иметь перспективы трудоустройства, а промышленные партнеры в конечном итоге получают программные продукты, которые используются их организациями, и академический опыт [30, 31].
Учебные модули “Internet of Things” включены в программы бакалавриата Тяньцзиньского университета (г. Тяньцзинь, КНР). После базового модуля «Информационная и телекоммуникационная инженерия» студенты осваивают специализированные модули: «Введение в Интернет вещей»; «Беспроводные сенсорные сети и RFID»; «Компьютерные коммуникации и сети»; «Аналитика больших данных»; «IoT технологии и приложения». Разработчики программы Жан-Филипп Вассер и Адам Дункелс [32] являются и авторами учебника [33], в котором подробно показывается, как подключение интеллектуальных объектов влияет на нашу жизнь, с примерами практической реализации и примерами из практики. Это обеспечивает глубокое понимание технологических и архитектурных аспектов, лежащих в основе технологии смарт-объектов.
Рассматривая образовательные программы по интернету вещей, надо отметить и долгосрочный социальный проект компании Samsung Electronics «IoT Академия Samsung». Цель проекта – создание центров компетенций по работе с технологиями интернета вещей на базе российских вузов. Для реализации проекта экспертами Исследовательского центра Samsung создан авторский учебный курс и методические материалы, рассчитанные на два учебных семестра. На базе вузов-партнеров оборудованы специализированные IoT-лаборатории, где установлены мобильные и носимые устройства Samsung, наборы для быстрого прототипирования и микрокомпьютеры Artik. В первом семестре студенты изучают пять учебных кейсов-задач: «Электронный замок»; «Мониторинг температуры и влажности на фармацевтическом складе»; «Адаптивное освещение офиса»; «Умный мусорный контейнер»; «Автоматическая теплица». Во втором семестре студенты приступают к разработке собственных проектов, цель которых – решение практических задач с применением IoT-технологий. По итогам аттестации студенты получают сертификаты об успешном окончании программы «IoT Академия Samsung». Менеджером программы является один из авторов курса Т. Волкова [34].
Представленный обзор образовательных программ по интернету вещей показывает, что в технических вузах данные программы проектируются, реализуются и являются актуальными. Мы провели отдельное исследование образовательных программ подготовки учителей технологии в области цифровых технологий и выяснили, что нет таких магистерских программ, в которых рассматривались бы технологии интернета вещей. И это является проблемой, так как школьное технологическое образование должно раскрывать современные цифровые технологии, в том числе и технологии интернета вещей, а для этого необходима соответствующая технологическая и методическая подготовка учителей технологии.
Далее мы приведем результаты реализации подготовки учителей технологии в области современных цифровых технологий в Сыктывкарском государственном университете (СГУ) им. Питирима Сорокина.
Методологическая база исследования
Для реализации цели исследования и решения поставленных задач использовался комплекс методов: изучение и анализ нормативных и программно-методических документов в сфере образования, обобщение педагогического опыта, анкетирование, наблюдение, педагогический эксперимент, количественная и качественная обработка экспериментальных данных, графическое представление полученных результатов.
Опросы учителей технологии и студентов, результаты которых выявили проблему данного исследования, проводились на основе опросников, размещенных в Google Формах. Было опрошено более 50 учителей из 38 общеобразовательных школ Республики Коми и более 60 студентов, обучающихся по направлениям подготовки 44.03.01 и 44.04.01 Педагогическое образование.
При создании образовательных программ с включением модуля «Цифровые технологии» нами были проанализированы паспорта национального проекта «Цифровая экономика» и федерального проекта «Цифровая образовательная среда», которые стали методологической базой разрабатываемых учебных курсов. Проектирование учебной дисциплины «Интернет вещей» для студентов – будущих учителей технологии осуществлялось с учетом общедидактических принципов обучения, таких как научность образовательных программ, интеграция содержания обучения, использование технологий электронного обучения, использование методов и технологий креативного обучения.
Результаты исследования
В 2017–2018 годах нами был проведен опрос учителей технологии Республики Коми и студентов СГУ им. Питирима Сорокина – будущих учителей технологии о необходимости обновления содержания технологического образования в соответствии с развитием современных цифровых технологий. Результаты опроса представлены на рис. 3.
Рис. 3. Результаты ответов учителей технологии и студентов на утверждение о необходимости
регулярной корректировки содержания технологического образования
Более 95% студентов и 87% учителей считают, что обновление необходимо. Но вместе с тем не все учителя готовы к такому обновлению. На рис. 4 показаны результаты ответов учителей на вопрос о готовности обучать современным цифровым технологиям своих учащихся. Только около 37% учителей ответили, что готовы к этому.
Рис. 4. Результаты ответов учителей технологии на вопрос
о готовности обучать учащихся цифровым технологиям
Нами была поставлена задача включения в образовательные программы подготовки учителей технологии в СГУ им. Питирима Сорокина предметного модуля «Цифровые технологии». Такие модули были встроены в учебные планы направления подготовки бакалавриата 44.03.01 Педагогическое образование с профилями «Технология и Детское техническое творчество» и в учебный план направления подготовки магистратуры 44.04.01 Педагогическое образование программы «Электронное обучение». Наряду с дисциплинами цифровых технологий «Микропроцессорная техника», «3D-проектирование», «Компьютерное моделирование» и другими в учебные планы была включена дисциплина «Интернет вещей».
Целью дисциплины «Интернет вещей» является ознакомление студентов с основами технологии интернета вещей. В результате освоения дисциплины студент должен: знать терминологию в области интернета вещей, микропроцессорные и программные средства для реализации технологий интернета вещей; уметь применять полученные знания и владеть технологиями интернета вещей при осуществлении учебной и профессиональной деятельности.
Содержание дисциплины включает четыре раздела.
1. Введение в интернет вещей
Терминология интернета вещей. История интернета вещей. Отрасли интернета вещей. Перспективы технологий интернета вещей в индустрии и области сервиса. Интернет вещей в образовании.
2. Технические средства интернета вещей
Устройства интернета вещей: датчики, исполнительные механизмы, микроконтроллеры, контроллеры. Подключение датчиков и исполнительных механизмов к микроконтроллерам. Ознакомление с контроллерами Arduino.
3. Сетевые технологии интернета вещей
Сетевые протоколы. Технологии Bluetooth и Wi-Fi. Подключение контроллеров к сетям передачи данных. Передача и прием данных с помощью контроллера Arduino.
4. Сервисы, приложения и модели интернета вещей
Основы проектирования удаленных систем на основе интернета вещей. Применение интернета вещей в технологическом образовании основного общего образования и в дополнительном образовании детей.
Основной формой изучения цифровых технологий, конечно, является лабораторный практикум. Именно при выполнении практических заданий у будущих учителей технологии формируются компетенции, которые необходимы в их будущей профессиональной деятельности. Лабораторные работы включают три цикла занятий. На первом студенты изучают алгоритмы подключения к контроллеру Arduino различных датчиков: температуры, освещенности, влажности, движения, концевых выключателей и устройств управления и индикации: реле, сервоприводов, светодиодов, цифровых индикаторов, звуковых извещателей. Второй цикл лабораторного практикума посвящен сетевым технологиям, технологиям удаленного взаимодействия с контроллерами Arduino. На третьем цикле занятий студенты выполняют мини-проект на основе кейс-технологии. Перед учащимися ставятся практические задачи, подобные тем, которые они могли бы использовать в своей будущей профессионально-педагогической деятельности. Наиболее интересными приложениями интернета вещей, с точки зрения студентов, являются технологии «умного дома». Поэтому кейс-задачи были сформулированы именно в этой области: «Дистанционное определение температуры помещения»; «Охранная система на основе датчика движения»; «Автоматическое управление шторами при изменении освещенности»; «Дистанционное управление освещением дома». Кейс-задачи решаются командами из 2–3 студентов и завершаются защитой проектов.
Заключение
Технологии интернета вещей являются наиболее интегрированными цифровыми технологиями. Для их освоения необходимы знания о работе различных датчиков и исполнительных механизмов, программировании микроконтроллеров, владение сетевыми технологиями. Поэтому учебный курс «Интернет вещей» может являться обобщающим курсом модуля «Цифровые технологии» при подготовке будущих учителей технологии.