Прототипирование и цифровое производство в профильной школе

​В 2013 году у нас в лицее появился Центр технологической поддержки образования, созданный по аналогии с такими известными в мире программами, как FabLab. Его идея заключается в том, чтобы предоставить любому, у кого есть идея какого-то устройства или технологии, площадку и возможности для изготовления и исследования прототипа этого устройства или технологии и доведение ее до промышленного образца.

Самому проекту по созданию подобных лабораторий при московских вузах и школах уже два года. Его инициатором выступил Департамент образования. Всего в Москве развернуто 17 лабораторий при крупных вузах, две размещены в школах, одна из них находится в нашем лицее, поскольку наш лицей связан с НИЯУ МИФИ и этот вуз предоставил нам возможность использования этой лаборатории.Наша лаборатория в лицее комплексная. У нее два направления – проектное и учебное. Проектное направление – работа учащихся под руководством опытного руководителя по реализации творческих и технических проектов, как правило, в реализации проекта участвуют два-три человека. Второе направление, учебное, посвящено изучению в группах современных технологий прототипирования с использованием всего имеющегося оборудования.На базе лаборатории работают группы, в которых изучают робототехнику, графические программы (Autodesk AutoCAD, Blender), основы цифровой электроники. Занятия проходят во внеурочное время. Когда ребята только начинают заниматься робототехникой, они создают роботов из базовых элементов конструктора, а затем, после достижения достаточного уровня подготовки, имеющиеся наборы уже перестают их удовлетворять, и они начинают создавать роботов полностью по собственным идеям. Здесь уже используются элементы посложнее. Например, Arduino – универсальная плата микроконтроллера со всей необходимой электронной обвязкой, которая после написания соответствующей программы может стать ядром робота, «умного дома», измерительной установки (да и чего угодно, что захотят сделать ребята), затем изготавливаются каркас робота, необходимые подвижные элементы, добавляются исполнительные устройства, датчики, все это программируется, и получается робот для соревнования или для решения инженерных и практических задач. Важна организация работы команды в целом – вести в Интернете страничку группы, отражать на ней ход подготовки каждого робота, общаться с другими разработчиками роботов. Мы пока только в самом начале пути, но уже стали появляться элементы самостоятельного творчества, в наших планах, конечно, выход на соревнования международного уровня.В составе оборудования нашей лаборатории – фрезерный и токарный станки с ЧПУ, станок лазерной резки и гравировки, порошковый 3D-принтер, 3D-сканер, оборудование для монтажа и изготовления электронных плат, комплекс автоматизированного сбора и обработки информации и многое другое. В нашей лаборатории можно сделать практически все, что ребенок сможет выдумать, естественно, в рамках разумной стоимости и размеров, лаборатория позволяет осуществить любую идею ребенка – от технической до художественной. Это и робототехника, и создание прототипов технических устройств, и создание художественных объектов, и реконструкция объектов материальной культуры, и реализация творческих проектов. Если, скажем, школа захочет создать у себя музей, где будут представлены копии выдающихся скульптурных произведений, она сможет сделать это силами самих учащихся. По согласованию с музеями ребята сами будут оцифровывать экспонаты (или использовать готовые цифровые модели этих экспонатов) и затем печатать их с помощью современных технологий прототипирования – методом 3D-печати. Трехмерный сканер создает объемную модель, которую можно затем материализовать на оборудовании для трехмерного прототипирования (3D-принтер).Полученную цифровую модель при необходимости можно изменять и уточнять, мы сотрудничаем со школой, в которой учащиеся создают свой музей Великой Отечественной войны, делают копии медальонов и жетонов погибших воинов. Другая оригинальная идея – изготовление экспонатов музея с использованием станка для лазерной резки доступного материала. Исходная модель разделяется на слои (слайсы), и каждый слой вырезается из картона, затем они склеиваются, получается трехмерный образ. Так можно получать очень дешевые копии известных скульптур, архитектурных памятников, технология позволяет изготовить практически все, что только может прийти в голову.К учебному направлению работы нашей лаборатории относится и сотрудничество с учителями-предметниками. Наши химики, например, попросили изготовить наглядные пособия – модели сложных молекул, напечатанные на 3D-принтере, эту задачу и решают наши ребята. Когда пособия будут готовы, они продемонстрируют их младшим товарищам, а те в свою очередь потом тоже что-то сделают для следующих поколений. Еще мы выполняли задание по просьбе математиков. В 11-м классе есть тема «Сечения трехмерных фигур», было проведено вводное занятие, на котором ребятам рассказали про приемы создания несложных 3D-моделей с помощью свободно распространяемой программы Google SketchUp, затем они создали модели конуса, пирамиды, призмы и разделили эти модели на части плоскостями различной ориентации. Апогей наступил, когда эти модели были «вживую» напечатаны на 3D-принтере: вот он – эллипс, получаемый при сечении конуса плоскостью. Ах вот он как выглядит, оказывается! Математики остались довольны.На сегодняшний день у нас есть несколько законченных проектов. Лаборатория вобрала в себя методические наработки существовавшего практически с начала открытия нашего лицея научно-технического общества, которому уже 25 лет. Участники этого общества выполнили множество проектов, в том числе и международного уровня, ежегодно принимают участие в международных конкурсах.Ребята, которые занимаются в центре, несомненно, чувствуют полезность и важность своей работы, это стимулирует их к творчеству, они выполняют совместные проекты с МИЦ (Молодежный инжиниринговый центр МИФИ). Наши учащиеся участвовали в проекте «Ландыш» – изготовлении микроскопической капсулы для эндоскопии. Их задача состояла в том, чтобы построить по заданным формам модель корпуса приемника, на который поступает информация. Лицеисты участвовали и в разработке квадрокоптера – вертолета с четырьмя винтами, расположенными по квадрату. Изюминка этого проекта – возможность использования вертолета в сильных радиационных полях, где обычные летательные аппараты с применением цифрового управления не летают. Наши ребята вели разработку винтов радиационно-стойкого квадрокоптера, подбирали наилучшую форму винтов, готовили цифровые модели, печатали винты на 3D-принтере, делали постобработку и передавали в МИЦ, где они уже проходили профессиональную экспертизу.Есть идеи долгосрочных творческих проектов. У нас в лицее сейчас разрабатывают комплексную программу по реконструкции исторических артефактов. Рядом с нами в Коломенском находится знаменитое Дьяковское городище, где собраны коллекции археологических артефактов, и, конечно, было бы интересно посмотреть, как это все выглядело в реальности. Для этого, например, осколки посуды или фигурки оцифровывают с помощью трехмерного сканера, а затем с помощью трехмерных редакторов ребята будут восполнять недостающие части. В результате получается восстановленная цифровая модель объекта, которая затем получит реальные очертания благодаря технологии прототипирования с помощью 3D-принтера. Наш 3D-принтер работает на основе гипсового порошка, поэтому на выходе мы получим готовую гипсовую модель.Однако для того чтобы реконструировать объект, нужны знания, выходящие за рамки школьных знаний, это касается не только области ИКТ, требуются знания из исторической области. Поэтому мы планируем связаться с Историческим музеем, чтобы наши ребята получили там необходимую подготовку, планируем выход в Коломенское на места раскопок. Такая комплексная технолого-культурологическая программа получается уже в рамках годового цикла.Мы надеемся, что у нас появится направление по оптическому структурному анализу. Есть мысли и о том, как сделать учебную программу по изучению структуры поверхности металлов.Наш центр имеет статус межшкольного, мы готовы предоставить нашу площадку всем желающим, кто заинтересован в проведении проектной работы, изготовлении прототипов своих изделий. Для обучения работе на имеющемся у нас оборудовании мы проводим семинары и демонстрации. Обучение начинается с 8-го класса, но у нас есть разработки и для младших школьников начиная с 6-го класса (введение в электронику на основе электронных конструкторов).Если в вашей школе есть желание использовать ресурсы и опыт нашего центра, есть свои идеи, мы всегда готовы предоставить наши возможности, нашу площадку, для того чтобы воплотить их в жизнь.Мнение по поводуАлександр ГИГЛАВЫЙ, научный руководитель лицея №1533 (информационных технологий), эксперт компании DPI:- Сегодня тема объединения предметных областей «Информатика и ИКТ» и «Технология» в образовательных программах школы как нового важного фактора в развитии процесса информатизации среднего образования особенно актуальна, поскольку до недавнего времени между ними существовал непреодолимый разрыв. Доступный школам уровень технологического оборудования для учебных классов и мастерских отставал на многие десятилетия от уровня современного материального производства. В то же время сам характер производства в мировой экономике радикально изменился именно благодаря широкому использованию ИКТ. Возможности использования средств прототипирования и цифрового производства, доступных уже сегодня для таких профильных школ и межшкольных центров, как Центр технологической поддержки образования при лицее №1523, становятся убедительным примером инновационного подхода к освоению современных технологий в контексте изучения школьной информатики.Вячеслав ЯНКОВ, учитель информатики и физики лицея №1523, руководитель учебного отдела ЦТПО НИЯУ МИФИ