Лаборатория нейротехнологий и искусственного интеллекта

Нейротехнологии и искусственный интеллект становятся важными направлениями современного инженерного и дополнительного образования. Они объединяют знания из биологии, физики, информатики, электроники, робототехники и программирования, позволяя учащимся не только изучать теорию, но и решать практические исследовательские задачи.

Лаборатория нейротехнологий и искусственного интеллекта — это комплексное образовательное пространство, оснащение которого подбирается с учетом возраста учащихся, реализуемых программ, технических требований и бюджета образовательной организации.

Решение предназначено для школ, колледжей, техникумов, вузов, технопарков, центров дополнительного образования и других учреждений, заинтересованных в развитии инженерного, исследовательского и технологического мышления учащихся.

Создание лаборатории позволяет знакомить обучающихся с современными технологиями, проводить практические исследования, развивать навыки проектной работы и обеспечивать раннюю профориентацию. Учащиеся могут изучать биосигналы человека, нейроинтерфейсы, основы робототехники, машинное обучение, нейронные сети, компьютерное зрение и методы анализа данных.

В зависимости от задач учреждения лаборатория может включать два взаимосвязанных направления:

• нейротехнологии;
• искусственный интеллект.

Каждое направление может быть реализовано отдельно или стать частью единого междисциплинарного пространства.

Преимущества решения

Лаборатория расширяет возможности образовательной организации и позволяет:

• объединить в одном пространстве несколько перспективных направлений подготовки;
• реализовывать программы по нейротехнологиям, искусственному интеллекту, робототехнике и инженерии;
• проводить лабораторные исследования, практические занятия и проектные работы;
• развивать у учащихся навыки программирования, анализа данных и технического конструирования;
• организовывать междисциплинарные проекты на стыке биологии, физики, информатики и инженерии;
• готовить учащихся к олимпиадам, соревнованиям и научно-практическим конференциям;
• знакомить обучающихся с востребованными профессиями технологического сектора;
• адаптировать состав оборудования под возраст учащихся, образовательные программы и бюджет учреждения;
• поэтапно расширять возможности лаборатории за счет дополнительных модулей и программных средств.

В состав решения входят не только оборудование и программное обеспечение, но и методические материалы, учебные курсы, сценарии практических занятий и инструменты контроля результатов обучения.

Направление «Нейротехнологии»

Направление предназначено для изучения нейрофизиологии, биосигналов человека, электроники, робототехники и принципов взаимодействия человека с техническими системами.

Во время занятий учащиеся регистрируют и анализируют физиологические показатели, наблюдают за изменением сигналов организма при различных состояниях и нагрузках, а затем применяют полученные данные для управления робототехническими моделями и другими исполнительными устройствами.

Такой подход позволяет соединить лабораторное исследование с инженерным проектированием: сначала учащиеся изучают физиологический процесс, затем обрабатывают данные и используют соответствующий биосигнал в работе технической системы.

Обучение способствует развитию научно-исследовательского мышления и знакомит учащихся с профессиями биоинженера, нейротехнолога, нейроинформатика, разработчика нейроинтерфейсов, проектировщика биотехнических систем и специалиста в области медицинских технологий. 

Кстати: 
Одним из наиболее значимых направлений для учащихся является профиль «Нейротехнологии и когнитивные науки» Национальной технологической олимпиады. Олимпиада входит в перечень Российского совета олимпиад школьников как олимпиада II уровня. Победители и призеры получают существенные преимущества при поступлении в ведущие вузы страны, включая возможность получения 100 баллов ЕГЭ по профильным предметам и дополнительные льготы при зачислении.

Образовательные возможности

Оснащение лаборатории позволяет:

• изучать основы нейрофизиологии;
• знакомиться с принципами работы нейроинтерфейсов;
• регистрировать и анализировать электроэнцефалографические сигналы;
• исследовать электрическую активность сердца и мышц;
• работать с другими физиологическими показателями человека;
• наблюдать изменение биосигналов при различных состояниях и нагрузках;
• изучать методы обработки и визуализации экспериментальных данных;
• осваивать основы электроники, программирования и образовательной робототехники;
• использовать биосигналы для управления роботами и исполнительными устройствами;
• создавать проекты на стыке биологии, инженерии и информатики;
• проводить практические и исследовательские работы;
• готовиться к олимпиадам, конкурсам и соревнованиям.

Оборудование направления

Комплекс «Юный нейрофизиолог-инженер»

Образовательный комплекс предназначен для последовательного изучения физиологических процессов человека и их применения в инженерных проектах.

В состав комплекса могут входить нейрогарнитура и электрогарнитура.

Нейрогарнитура используется для регистрации поверхностной электроэнцефалограммы. Сухие электроды не требуют применения электропроводящего геля, что упрощает подготовку оборудования и проведение занятий.

Электрогарнитура позволяет регистрировать электрокардиограмму, электромиограмму и фотоплетизмограмму. Учащиеся могут исследовать работу сердца, мышц и системы кровообращения, сравнивать показатели при различных нагрузках и использовать полученные данные в проектной деятельности.

Комплекс сопровождается программным обеспечением, методическими материалами и образовательным курсом. LMS-система может включать теоретические материалы, практикумы, тестирование, учет результатов и статистику прохождения занятий.

Ресурсный набор «Нейротрек»

«Нейротрек» предназначен для первого знакомства с нейротехнологиями и использования сигналов активности головного мозга в образовательной робототехнике.

Нейрообруч фиксируется на голове и читывает сигналы с помощью расположенных на нём датчиков. Данные передаются на компьютер по беспроводной связи и используются для управления роботами.

Простота подключения и подготовки оборудования позволяет использовать набор для демонстрационных занятий, начального обучения и практических экспериментов с учащимися разного возраста.

Робототехнические конструкторы

Робототехнические комплексы используются для изучения механики, электроники, алгоритмики и программирования, а также для создания исполнительных устройств, управляемых с помощью биосигналов.

В состав решения могут входить:

• детский конструктор по образовательной робототехнике «Роботрек “Стажер А”»;
• робототехнический конструктор «Роботрек “Базовый Расширенный”»;
• дополнительные ресурсные наборы и исполнительные модули.

Конструкторы позволяют создавать модели различной сложности и последовательно переходить от базового программирования к реализации инженерных проектов.

Ресурсный набор «Аудиотрек»

Ресурсный набор "Аудиотрек" позволяет воспроизводить аудиозаписи в популярных форматах, таких как MP3, WAV и WMA. В модуль установлена microSD карта объемом 8 Гб для хранения аудиофайлов. Встроенный динамик позволяет воспроизводить звук достаточно громко и его будет слышно даже в больших аудиториях. Управляется и питается модуль с контроллера. С помощью включенных в состав ПО библиотек и графических блоков можно выполнять базовые действия: проиграть конкретный файл, проиграть конкретный файл из указанной папки, поставить трек на паузу, продолжить воспроизведение, проиграть следующий/предыдущий трек, увеличить/уменьшить громкость, установить громкость в процентах от 0 до 100. Для программирования контроллеров и управления модулем можно использовать программное обеспечение: Роботрек IDE, ТрекиКод, Trackduino Pro IDE. 

Расширение возможности набора и изучение дополнительных технологий: 

• ресурсный набор может быть интегрирован со всеми робототехническими конструкторами и ресурсными наборами линейки Роботрек. 

В состав набора входят: 

• MP3-динамик; 

• 4 pin провод; 

• карта памяти microSD. 

Технические характеристики: 

• напряжение питания: 3,3–5 В. 

• количество каналов: 1 (моно, 3 Вт.) 

• поддерживаемые файловые системы: FAT16, FAT32 

• максимальный объем памяти microSD-карты: до 32 Гб. 

• сопротивление динамика 4 Ом. 

• количество папок с музыкальными файлами: до 100 количество композиций в папке: до 255 

• форматы аудиофайлов: MP3, WAV, WMA 

• масса модуля 60 г

• габариты 63х50х50 мм

• предустановленная карта памяти не менее чем на 8 Гб 

Приобретаемые навыки и компетенции: 

Школьники познакомятся с возможностями воспроизведения аудиозаписи в робототехнических моделях в распространенных форматах (MP3, WAV, WMA), научатся использовать встроенное программное обеспечение и графические блоки для управления аудиофункциями, включая запуск, остановку, переключение между файлами и регулировку громкости. В ходе обучения развиваются навыки программирования, алгоритмического мышления и понимания процессов взаимодействия электроники (считается ресурсным набором, расширяя функционал основных робототехнических конструкторов линейки Роботрек).

Ресурсный набор «Энерджитрек»

Энерджитрек - это заряжаемый аккумулятор (Li-ion), который позволяет обеспечивать длительную работу плат при максимальной нагрузке, поддерживает одновременное использование до 4 моторов постоянного тока, совместно с сервомоторами и другими датчиками/исполнителями. Преимущества литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов включают высокую плотность энергии, долгий срок службы, низкий саморазряд и отсутствие «эффекта памяти». На корпусе имеются отверстия для соединения с механическими блоками конструктора «Роботрек», единый разъем для подключения зарядного устройства и потребителей питания, внутри корпуса имеется защитная подложка и контроллер заряда/разряда.

Расширение возможности набора и изучение дополнительных технологий: 

• ресурсный набор «Энерджитрек» может использоваться для питания контроллеров «Трекдуино», «Трекдуино ПРО» и микрокомпьютера «Витрек».

В состав набора входят: 

• 1 аккумуляторный блок;
• 1 зарядное устройство;
• 2 соединительных провода.

Аккумулятор «Энерджитрек»:

• выходное напряжение 11.1 В.
• емкость 4000 мА/ч.
• максимальное зарядное напряжение 12.6 В.
• защита от короткого замыкания - есть;
• защита от перезаряда - есть;
• защита от переразряда - есть;
• рабочая температура −20 до +40 °C.
• срок службы не менее 2 лет;
• количество рабочих циклов заряда/разряда 900.

Программное и методическое обеспечение

Для проведения занятий используются:

• специализированное программное обеспечение;
• LMS-система;
• методические рекомендации для педагогов;
• образовательные курсы;
• инструкции по проведению экспериментов;
• лабораторные и практические работы;
• задания для индивидуальной и командной проектной деятельности. 

Направление «Искусственный интеллект»

Направление предназначено для практического изучения технологий искусственного интеллекта, в том числе нейронных сетей, машинного обучения, компьютерного зрения, распознавания речи и интеллектуальной обработки данных.

Обучающиеся знакомятся с принципами работы современных систем искусственного интеллекта, учатся работать с наборами данных, создавать, обучать и тестировать нейросетевые модели, оценивать качество их работы и применять полученные результаты в практических и инженерных проектах.

Занятия могут включать задачи классификации изображений и детектирования объектов, анализа изображений и видеопотоков, распознавания речи и обработки аудиоданных, анализа данных, а также применения нейронных сетей для управления робототехническими моделями, беспилотными летательными аппаратами и другими техническими системами.

Направление способствует ранней профессиональной ориентации и знакомит обучающихся с такими направлениями профессиональной деятельности, как машинное обучение, разработка решений в области искусственного интеллекта, компьютерное зрение, анализ данных и исследования в области искусственного интеллекта.

Кстати:

С 2025 года в России реализуется национальный проект «Экономика данных и цифровая трансформация государства», направленный в том числе на подготовку квалифицированных кадров для ИТ-отрасли, развитие отечественных цифровых решений и технологий искусственного интеллекта.В числе целевых показателей национального проекта предусмотрено обучение 450 тыс. школьников и студентов колледжей технологиям ИТ и искусственного интеллекта на цифровых образовательных платформах, а также 400 тыс. старшеклассников и студентов колледжей современным языкам программирования, технологиям искусственного интеллекта и робототехнике.

Оснащение направления позволяет:

• изучать основные понятия и методы искусственного интеллекта;
• знакомиться с архитектурой и принципами работы нейронных сетей;
• осваивать технологии машинного обучения;
• формировать и подготавливать наборы данных для обучения моделей;
• создавать, обучать и тестировать собственные нейронные сети;
• проводить эксперименты с архитектурой и параметрами обучения нейронных сетей;
• оценивать качество работы обученных моделей и анализировать результаты их обучения;
• изучать технологии компьютерного зрения;
• решать задачи классификации изображений и детектирования объектов;
• анализировать изображения и видеопотоки;
• изучать технологии распознавания речи и обработки аудиоданных;
• использовать готовые и самостоятельно обученные нейронные сети в практических проектах;
• создавать проекты с применением искусственного интеллекта;
• применять нейронные сети для управления робототехническими моделями, беспилотными летательными аппаратами и другими техническими системами;
• реализовать обновлённый ФГОС предмета «Информатика» и подготовиться к Всероссийской олимпиаде школьников (ВсОШ) по информатике, профиль «Искусственный интеллект»

Высокопроизводительные рабочие станции

Для работы с искусственным интеллектом используются компьютеры, характеристики которых подбираются с учетом системных требований применяемого программного обеспечения, сложности образовательных задач и объема обрабатываемых данных.

Рабочие станции позволяют создавать, обучать и тестировать нейросетевые модели, работать с изображениями и видеопотоками, распознаванием речи и обработкой аудиоданных, анализировать данные и разрабатывать собственные проекты с применением искусственного интеллекта.

При необходимости лаборатория может быть дополнена серверным оборудованием, локальной системой хранения данных и специализированной вычислительной инфраструктурой.

Среда визуального моделирования архитектуры нейронной сети, её обучения, тестирования и экспорта «NNTrack»

NNTrack (Neural Network Track) — российская образовательная и исследовательская среда для практического изучения технологий искусственного интеллекта и разработки нейронных сетей.

В графическом интерфейсе обучающиеся могут самостоятельно создавать архитектуру нейронной сети, настраивать параметры слоёв и обучения, подключать наборы данных, запускать обучение и тестирование модели, анализировать метрики и ошибки, сравнивать результаты экспериментов и совершенствовать разработанную архитектуру.

NNTrack позволяет изучать свёрточные и рекуррентные нейронные сети, классификацию изображений, трансферное обучение и технологии компьютерного зрения, включая создание моделей детектирования объектов. Визуальное представление архитектуры снижает порог входа и позволяет начать практическое изучение нейронных сетей без необходимости предварительного написания большого объёма программного кода. При этом обучающийся работает не с готовым результатом, а самостоятельно проектирует, обучает, тестирует и анализирует собственную модель. Эти возможности соответствуют актуальному содержанию NNTrack и учебного курса.

Обученные модели могут экспортироваться для дальнейшего использования в сторонних приложениях и аппаратных системах. NNTrack поддерживает экспорт в распространённые форматы, включая ONNX, TFLite, HDF5, SavedModel, TensorFlow.js и Core ML.

Кстати:

Проект нового Федерального государственного образовательного стандарта среднего общего образования предусматривает изучение машинного обучения, анализа данных и искусственного интеллекта в рамках углублённого курса информатики уже с 1 сентября 2027 г. Среди планируемых предметных результатов — понимание роли машинного обучения, решение задач классификации, кластеризации и регрессии, работа с данными, выбор и построение моделей, визуализация и интерпретация результатов, а также создание интеллектуальных систем и использование программных средств реализации нейронных сетей.

NNTrack в комплекте с учебно-методическим комплексом ориентирован на практическое освоение данного содержания: обучающиеся работают с наборами данных, создают, обучают и тестируют нейронные сети, оценивают качество их работы и применяют полученные модели для решения практико-ориентированных задач.

С 1 июля 2025 года Всероссийская олимпиада школьников по информатике проводится в том числе по профилю «Искусственный интеллект». Содержание учебно-методического комплекса NNTrack охватывает связанные с данным профилем направления: работу с данными, машинное обучение, создание и обучение нейронных сетей, оценку качества моделей и применение интеллектуальных алгоритмов, что позволяет использовать среду при подготовке обучающихся к олимпиадным заданиям данного профиля.

Отдельным направлением применения NNTrack является система среднего профессионального образования. Приказом Министерства просвещения Российской Федерации от 24 декабря 2024 г. № 1025 утверждён ФГОС СПО по новой специальности 09.02.13 «Интеграция решений с применением технологий искусственного интеллекта».

Функциональные возможности NNTrack позволяют использовать среду при освоении содержания, связанного с машинным обучением, работой с данными, созданием, обучением и тестированием нейронных сетей, оценкой качества моделей и практическим применением технологий искусственного интеллекта. Возможность применения NNTrack в рамках данной специальности уже предусмотрена в ваших актуальных материалах по программному комплексу.

Аппаратные модули «Артинтрек»

Аппаратные модули «Артинтрек» предназначены для обработки видеопотока и аудиопотока с применением нейронных сетей, технологий компьютерного зрения и распознавания речи.

Модули позволяют использовать предустановленные обученные нейронные сети, а также загружать собственные модели, созданные и обученные в NNTrack. С их помощью обучающиеся могут реализовывать проекты по классификации и детектированию объектов, анализу изображений и видеопотоков, распознаванию речи, а также передавать результаты работы нейронных сетей на программируемый контроллер для управления робототехническими моделями и другими исполнительными устройствами.

Для реализации робототехнических проектов с использованием результатов работы нейронных сетей модуль «Артинтрек» применяется совместно с робототехническим конструктором «РОБОТРЕК БАЗОВЫЙ РАСШИРЕННЫЙ», который обеспечивает создание программируемых моделей и исполнительных устройств.

Программное и методическое обеспечение

Состав программного и методического обеспечения определяется образовательными задачами учреждения и может включать:

• среду визуального моделирования архитектуры нейронной сети, её обучения, тестирования и экспорта NNTrack;
• среды программирования и управления робототехническими платформами;
• программные средства для работы с готовыми и самостоятельно обученными нейронными сетями;
• инструменты компьютерного зрения, обработки изображений и видеопотоков;
• инструменты распознавания речи и обработки аудиоданных;
• средства анализа, визуализации данных и оценки качества работы нейросетевых моделей;
• учебно-методические материалы, практикумы и задания для проведения занятий;
• средства для организации учебной, исследовательской и проектной деятельности.

 Организация рабочих мест

Рабочие места учащихся комплектуются компьютерами, программным обеспечением и специализированным оборудованием, необходимым для проведения лабораторных исследований и проектных работ.

Характеристики компьютеров определяются направлением занятий. Для работы с биосигналами и программирования могут использоваться стандартные образовательные рабочие станции, а для обучения нейронных сетей, компьютерного зрения и обработки видеопотоков — более производительные конфигурации.

Автоматизированное рабочее место педагога может включать:

• производительный компьютер;
• специализированное программное обеспечение;
• средства отображения учебных материалов;
• оборудование для демонстрации экспериментов;
• систему управления мультимедийными устройствами;
• доступ к LMS-системе и методическим материалам;
• интерактивная панель;
• многофункциональные камеры;
• оборудование для конференций.

Проектирование пространства

Эффективность лаборатории зависит не только от состава оборудования, но и от правильной организации пространства.

При проектировании учитываются количество учащихся, сценарии занятий, требования к электроснабжению и локальной сети, размещение лабораторных комплексов, условия хранения оборудования и возможность последующего расширения.

Интерьер может быть дополнен современной навигацией, тематической графикой и демонстрационными материалами. Оформление поддерживает технологический характер пространства, но не перегружает помещение и не отвлекает учащихся от практической работы.

Комплексное оснащение лаборатории

Компания «ТЭКО» выполняет полный комплекс работ по созданию лаборатории нейротехнологий и искусственного интеллекта:

• анализ образовательных задач и исходных требований
• разработка концепции лаборатории
• подбор оборудования и программного обеспечения
• подготовка технического задания
• разработка проектной и технической документации
• проектирование внутреннего пространства
• подбор и поставка мебели
• поставка компьютерного, серверного, лабораторного и мультимедийного оборудования
• монтаж и подключение оборудования
• установка и настройка программного обеспечения
• интеграция оборудования в единую инфраструктуру
• ввод лаборатории в эксплуатацию
• обучение сотрудников образовательной организации
• гарантийное и постгарантийное обслуживание
• техническая поддержка в течение срока эксплуатации

Комплектация разрабатывается индивидуально и может включать как одно образовательное направление, так и комплексное пространство, объединяющее нейротехнологии, робототехнику, искусственный интеллект и проектную деятельность.0