От игры до профессии. Как учат робототехнике в школах и вузах и что на самом деле нужно промышленности

Кружки и соревнования «по роботам» сейчас на пике популярности. Но не стоит путать образовательную робототехнику и образование по соответствующей дисциплине — у них разные задачи. Чтобы увлекательная игра превратилась в настоящую профессию, придется выучить физику и информатику.

Перспективы у роботизации в промышленности и других отраслях огромные, но и сдерживающих факторов много — оборудование, в основном, импортное, специалистов не хватает, а уровень образования не всегда отвечает практическим потребностям. О том, что такое робототехника и как программы по обучению реализуются в школьном и вузовском образовании, поговорили участники круглого стола «Фонтанки».

Предмет или специальность?

Робототехника — это мультидисциплинарная наука, заключающаяся в разработке автоматизированных систем, рассказал Эльдар Ихласов — основатель и директор сети клубов робототехники и программирования GoROBO. По его словам, термин «образовательная робототехника» применим, скорее, к школьникам, а «робототехническое образование» — больше к вузам.

— Мы не занимаемся полноценным образованием, а больше прививаем интерес к профессии, — пояснил он. — Главная задача кружка — заинтересовать ребенка, дать ему знания и точку входа в профессию. Детская образовательная робототехника в стране только зарождается — ей всего 10–12 лет, — но интерес к ней растет. Большой толчок здесь дало наличие оборудования: например, компания Lego вместе с Массачусетским технологическим институтом (MIT) придумали обучать детей на конструкторе — у них есть детский контроллер с реальными датчиками и сервомоторами. На таком примере можно изучить базу, не прекращая при этом играть.

Lego иногда используют в проектной деятельности и в вузах — инструмент позволяет опробовать ту или иную концепцию с точки зрения механики. Но если говорить о робототехнике, применять его всерьез неверно. Так считает Денис Филатов, доцент кафедры систем автоматического управления (САУ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Руководитель образовательной программы подготовки бакалавров по направлению Мехатроника и робототехника.

— У нас есть целый пул деталей конструктора, разложенных по нескольким кассетницам, и наши студенты могут попробовать какую-либо концепцию конструкции либо с помощью Lego, либо создавая элементы конструкции на 3D-принтере, — пояснил он. — Интерес к робототехнике как к специальности, безусловно, растет. Но пока, к сожалению, уровень внедрения робототехнических комплексов на предприятиях невысок — хотя потенциал развития этого направления огромен.

При этом «Робототехническое образование» в школе — это чаще всего маркетинговая подмена понятий: чаще всего имеется в виду хорошая информатика на интересном оборудовании — и хорошо, если преподаватели дают при этом основы алгоритмизации. На таком уроке можно изучить, как правильное построение алгоритмов приходит к выполнению определенной последовательности действий. Но к настоящей робототехнике это имеет очень опосредованное отношение — она заключается, прежде всего, в точном управлении движением. Здесь нужны знания кинематики, динамики, электроприводов, силовой электроники, преобразователей и физики куда шире школьных курсов. Это масштабный спектр знаний, который в школьника не вложить, — фактически курс настоящего высшего образования длиной 4–6 лет. Даже из вуза по итогу выйдет, скорее, начинающий интегратор, чем готовый разработчик.

— Важно избегать подмены понятий, которая особенно видна в старших классах, — добавил Филатов. — Когда мы ученикам предлагаем пойти на дополнительные занятия по робототехнике — уже построенные как подготовка к университетской программе, где уже на первом курсе знакомятся с реальными языками программирования и некоторыми схемотехническими решениями, — то в ответ мы нередко слышим: «Да я этим в пятом классе занимался, зачем мне детские игрушки в 10-м?» То есть школьник поиграл в пятом классе в конструктор — и это называлось «робототехникой».

Подмену подтвердил и Николай Яковенко, доцент кафедры «Системы приводов, мехатроника и робототехника» БГТУ «Военмех» им. Д.Ф. Устинова. По его словам, образовательная робототехника — это максимум введение в специальность, ведь сегодня эта отрасль — одна из самых бурно развивающихся.

— Мехатроника и робототехника демонстрируют сильный рост. Но внедрение роботов, особенно промышленных, в нашей стране сильно отстает, несмотря на уникальные разработки, — рассказал Яковенко. — Они, как правило, остаются в одном-двух экземплярах и не тиражируются промышленностью. Одна из причин — робот многократно дороже зарплаты тех людей, которых он заменяет. Применение робота в промышленности для предприятий сейчас оправдано только в тех случаях, когда без него невозможно, опасно, сложно — или робот просто делает лучше человека.

— Образование — это получение профессий и навыков, которые помогут создавать и обслуживать роботов, — продолжила Марина Суровая, руководитель направления робототехники Omegabot. — А образовательная робототехника — это развитие софт- и хард-скиллс, создание интереса у детей к техническим профессиям. Мы изучили этот вопрос, поняли, что детям интересно изучать все в комплексе, и создали проект «Инженерный класс», куда входят междисциплинарные направления — программирование, конструирование, схемотехника, оптика лазеров, аддитивные технологии. Это погружение детей в профессию инженера, где они понимают перспективы, выбирают направление образования. Это необходимый этап развития. Пусть не все из них выберут технические специальности, но познакомиться с новыми технологиями будет интересно каждому.

Все родом из школы

Школьное образование и кружки действительно можно считать ступенью к дальнейшей профессии, отметил Николай Яковенко.

— Сотрудники нашей кафедры ведут кружки, летнюю школу на кафедре. Участники этих кружков потом приходят учиться к нам или в Политех, ИТМО. Добрая треть из них так или иначе будет связана с робототехникой, информатикой, управлением, обработкой информации. Тем не менее, у нас в городе для набора в технические вузы не хватает школьников, сдававших физику по ЕГЭ. То есть мест в технических вузах больше, чем школьников, выбравших этот предмет. Выходом могла бы стать обсуждаемая замена физики информатикой для поступления. Хотя слабое знание физики неизбежно отрицательно скажется в дальнейшем при обучении профессиональной робототехнике.

Денис Филатов рассказал: в университете нередко сталкиваются с проблемой, когда первокурсники с трудом осваивают программу первого курса. То есть хоть им и хватило баллов поступить, учебу они не тянут.

— ЕГЭ по физике в Петербурге традиционно сдают плохо, а сдающих мало, — добавил он. — Поэтому мы в ЛЭТИ на старте делаем входное тестирование а-ля экзамен и по его результатам рекомендуем студентами пройти дополнительные бесплатные занятия по физике и математике, которые не пересекаются с сеткой основных занятий. Это увеличивает шансы сдать первую сессию — и эта практика успешна. Еще одна из причин такой ситуации — невысокая престижность профессии школьного учителя физики. Как вуз мы хотим видеть ребят с хорошей базовой подготовкой, чтобы вложить в них больше, но в итоге часть учебного времени тратим, чтобы довести их до уровня, необходимого для освоения университетской программы.

По словам Эльдара Ихласова, робототехнику осознанно выбирают школьники с 14–15 лет, когда уже думают о будущей профессии. До 12–13 лет дети воспринимают ее как игру, а не будущую специальность.

Что касается поступления, то, по его мнению, физико-математические лицеи города задают слишком высокую планку для школьников: их ученики выигрывают международные соревнования и олимпиады, и детям из обычных школ тяжело конкурировать с ними при поступлении в технические ВУЗы. Именно поэтому важна повсеместная организация кружков технической направленности.

— Мы много работаем со старшими детьми 14–15 лет, которые хотят программировать, им интересны С++ и Python, — добавила Марина Суровая. — У них больше азарта, они смотрят на произведенного робота и думают, как сделать еще лучше, у них развиваются навыки критического мышления и возможности как создавать, так и менять уже созданное. Да, часть отсекается на стадии, когда становится сложно, но многие докапываются до истины. Еще мы много работаем со студентами — например, из Политеха, — иногда они подсказывают нестандартные решения. В целом, это классный симбиоз, когда создатели продукта тесно связаны со своей целевой аудиторией и готовы быстро вносить изменения.

Престиж инженера

Профессия инженера сегодня далеко не на пике популярности, поэтому важен вопрос популяризации этой профессии и робототехники в принципе.

Николай Яковенко дополнил, что дело не столько в престиже. На выходе из вуза получается не инженер-разработчик, а, скорее, инженер по обслуживанию зарубежной техники.

— Учебный план нашего вуза построен так, чтобы сделать инженеров, разработчиков и проектировщиков, но по факту проектирования в России практически нет. Да, у нас есть разработки, превосходящие любые западные, но нужно серийное производство и вложение в него денег, а иногда очень больших денег. Без гарантий производства инвесторам даже самые гениальные разработки не интересны. Были заинтересованные в наших разработках иностранные компании. Но мы — обучающая кафедра и сделали один экземпляр. Кредит нам никто не даст. Если НИР Минвуз еще заказывает с помощью системы конкурсов, грантов и субсидий, то НИОКР не заказывает практически никто. А все готовы купить лишь полностью готовый к тиражированию образец. По сути, у нас нет производства средств производства.

— Предприятия часто говорят, что разработка очень классная, — подтвердил Денис Филатов, — и готовы купить, но только серийно выпускаемую продукцию. Понятно, что бизнес хочет зарабатывать, а вложения в разработку окупаются не менее пяти лет, так что это игра вдолгую.

Николай Яковенко уточнил, что за единичную разработку отвечает все же инженер — конструктор и разработчик, а вот во внедрении задействован инженер-технолог. Он согласился, что культура производства утрачена, так как профессия инженера-технолога была в загоне слишком долго.

— У нас на кафедре вместо «технологии приборостроения» ввели специальность «менеджмент качества», преподавание ведется на очень хорошем уровне. По специальности работало 96% выпускников. За 25 лет, выпуская по 50 человек ежегодно, мы насытили рынок — городу и региону уже больше не нужно. А тем временем навык технологии приборостроения за 25 лет утрачен, и уже нет преподавателей с практическим опытом, на предприятиях специалисты закончили работать в силу возраста, технологии утрачиваются — отсюда и низкая культура производства.

Денис Филатов уточнил, что инженеры в системах автоматизированного управления берут готовые элементы и из них, как из конструктора, собирают решения под конкретного заказчика. Это хорошо развивающееся направление. Но оно сильно отличается от другого — разработки непосредственно этих «кубиков». И вот они и правда не востребованы, потому что в приоритете решения для серийного производства.

«Бакалавр — не инженер»?

Сегодня уровень школьного образования — и особенно ЕГЭ — позволяет обучить инженера-интегратора, создающего что-то из имеющегося, но не инженера-разработчика, способного сделать что-то новое за рамками существующего «кубика», отметил Николай Яковенко. До 2015 года существовала подготовка инженеров по робототехнике, они учились 5,5 лет. В 2006 году начали внедрять Болонскую систему. Последний набор инженеров был сделан в 2010 году, и с тех пор обучение идет только в рамках бакалавриата и последующей магистратуры.

— Только при внедрении системы забыли, что бакалавр — это ученая степень, а не специальность. Я бы по-русски назвал это «недоинженер», — продолжил Николай Яковенко. — В программе технического бакалавриата зарубежных стран, которые иногда попадают в руки, общеинженерные предметы — физика, математика, электротехника — заканчиваются в середине второго курса. Остальное время отведено на огромный объем практики, какой мы не способны дать: у нас нет такого количества лабораторий и нет таких связей с предприятиями, чтобы столь массово проходить там практики. Именно поэтому сегодня бакалавр — это по факту уровень хорошего техникума. Но нельзя ставить их на производство — без практики их еще учить и учить. У нас в вузе дают 750 часов математики, 550 часов физики, 350 часов электротехники, аналогичное количество часов теоретической механики и другие предметы, которые в итоге с трудом укладываются до середины третьего курса. Чтобы рассказать, как проектировать, испытывать, производить, остается полтора года, а практические и лабораторные работы не помещаются в учебный план. Сейчас есть тенденция к возвращению нормального инженерного образования — специалитета. Одна специальность у нас уже введена — в этом году будет первый набор на 5,5 лет.

— Мы всегда честно говорим, что в современном мире хороший специалист-инженер — это образование продолжительностью не меньше шести лет, — пояснил Денис Филатов. — Есть и уходящие после четвертого курса — это те, кто не планирует стать серьезным разработчиком. В бакалавриате умеют программировать, изучают линейную и нелинейную теорию управления, микроконтроллеры. А вот интеллектуальные и современные методы теории управления — уже в магистратуре.

Идеальный специалист

Для работы с робототехникой важно именно умение самостоятельно что-то создавать, мыслить вне рамок, а не только выполнять конкретные задачи, например, написать программу на Си++, отметила Марина Суровая.

— Исполнитель напишет программу, а человек, мыслящий дальше, попробует исследовать, — пояснила она. — Так как это одна из отраслей инноваций, критическое мышление в робототехнике крайне важно. Кроме того, в вузе должна быть тесная работа с предприятиями. Мы сейчас привлекаем студентов, которые могли бы посмотреть на производство роботов и пройти стажировку — и, к нашей радости, многие из них хотят у нас работать.

— Если у вуза нет нормальной партнерской программы с предприятиями, то его образовательная база не будет соответствовать рынку, — отметил Николай Яковенко. — Именно в рамках такого партнерства нам в свое время поставили передовое оборудование — это было в 2004 году. Но сейчас оно уже устарело. То, с чем и на чем студенты работают в лабораториях ежедневно, — далеко не самое новое.

Денис Филатов не был столь пессимистичен относительно обновления лабораторного оборудования. По его словам, основные стандарты не меняются много лет. Если человек понимает концепцию разработки программного обеспечения для микроконтроллеров на одной модели, для него переход на другую потребует лишь замен библиотек и небольших изменений в коде. То же касается и проектных вычислений. Частичная модернизация лабораторной базы примерно раз в пять лет позволяет поддерживать актуальными навыки студентов.

Что касается обучения в кружках, то тут дети должны осваивать терминологию плюс основы механики — базовые передачи, понимание последовательности действий робота, а главное — алгоритмизацию, отметил Эльдар Ихласов.

— Ребятам постарше уже необходима схемотехника и электротехника. Но есть большая проблема: изучаемый материал усложняется, и дети должны хорошо разбираться в школьных курсах физики и математики — например, закон Ома почему-то часто не знают даже выпускники вузов, — пояснил он.

Не упустить момент

В связи с последними событиями робототехника будет развиваться быстрее, чем раньше, а интерес к IT и инновациям растет в геометрической прогрессии, отметила Марина Суровая. И занятия робототехникой с детства дает вход в эти профессии.

— Перспективы огромные: сейчас открывается куча возможностей для роста рынка, — продолжил Эльдар Ихласов. — Особенно учитывая, что в стране у нас много талантливых детей и подростков. Тут главное не упустить момент — очень важна поддержка государства в этой сфере. Но прогресс в первую очередь двигает бизнес, так что если у него будет возможность получать нужных специалистов, то и будущее у отрасли большое.

— У робототехники перспективы безграничны: роботы спускаются под воду и выходят в космос, работают в ядерной, химической, военной отраслях. Оснащенность ими промышленности, сельского хозяйства и других отраслей в нашей стране минимальна, и главное направление развития — интеллектуализировать этих роботов, — добавил Николай Яковенко, — то есть развивать искусственный интеллект и возможность группового управления и применения.

В сфере образовательной робототехники нужно делать больший упор на алгоритмизацю, чтобы избежать еще одной фатальной подмены понятий — программирования знанием конструкции языка программирования, отметил Денис Филатов. Потребность гражданской промышленности в роботизации и автоматизации колоссальна, и наша страна может предоставлять не только продавцов и настройщиков.

— Если в сложившихся обстоятельствах стимулировать бизнес в рамках не только IT-части, но и «железа» — рост будет взрывной, — отметил он. — Сейчас мы делаем прекрасное ПО, но все оборудование импортное. После случившегося «щелчка по носу», возможно, реакция пойдет быстрее. Потенциал для выпуска аппаратной части есть, чуть меньше половины решений можем делать сами и сейчас. Пока же мы будем интеграторами чужих решений по схеме «купил — настроил — поставил», рост будет куда медленнее. Потребность во внедрении высокая, а вложения в собственное железо дадут совершенно другое качество решений — так что сейчас отличный момент что-то изменить.

Анна Романова, «Фонтанка.ру»