Робототехника как средство индивидуализации образовательного процесса по физике

УДК 53

ББК Ч 420.268

М. Г. Ершов

Робототехника как средство индивидуализации образовательного процесса по физике

В статье описаны тенденции развития образовательной робототехники в российской школе, раскрыты межпредметный и метапредметный аспекты робототехники, соответствие принципов робототехники требованиям ФГОС. Показаны взаимосвязи робототехники с предметным содержанием информатики, физики, технологии. На основе описания робототехнического проекта показан пример включения робототехники в образовательный процесс по физике, с решением вопросов индивидуализации образования, профессионального самоопределения.

Ключевые слова: робототехника; моделирование; конструирование; инженерная подготовка; индивидуализация.

В последние годы в российском образовании всё более популярной становится образовательная робототехника. Сотни школ используют конструкторы нового поколения в дополнительном и основном образовании. Многие практики робототехники рассматривают образовательную робототехнику как новую педагогическую технологию, направленную на приобщение детей и молодёжи к техническому творчеству, развитию навыков конструирования, моделирования и программирования. На российском рынке достаточно широко представлен спектр образовательных конструкторов, обеспечивающих возможность организации такой деятельности, начиная с дошкольного возраста и заканчивая организацией деятельности студенческих групп. На федеральном уровне с 2008 года действует программа «Робототехника. Инженерно-технические кадры инновационной России», которая обеспечивает не только организацию и проведение российских соревнований по робототехнике, но и подготовку и переподготовку кадров, организацию семинаров и конференций, методических конкурсов, направленных на развитие образовательной робототехники в самых различных направлениях, включая использование робототехники в основном об-

разовательном процессе школы. Российская ассоциация образовательной робототехники проводит конференции по методике преподавания основ робототехники в основном и дополнительном образовании.

Во многих регионах действуют региональные ассоциации и другие профессиональные сообщества педагогов, преподающих робототехнику. Российские издательства производят выпуск учебников, дидактических и методических материалов по робототехнике.

После первоначального знакомства школьников с робототехническими конструкторами логическим продолжением развития робототехнической компетентности является знакомство школьников с современными системами автоматизации производства. Освоение станков с числовым программным управлением, которые являются разновидностью робототехнических систем, становится доступным и естественным для старшеклассников, выбирающих свою карьеру в технической области. В последние годы в продаже также появилось достаточно много настольных станков с программным управлением, которые можно использовать в учебном процессе. Таким образом, области учебных предметов «Информатика» и «Технология»

являются наиболее приближенными к робототехнике. Комбинирование традиционных технологий обработки металла, древесины и ткани с инновационными идеями робототехники открывают широчайшие возможности для создания моделей и проектов межпредметного и метапредметного характера. Немаловажную роль играет робототехника и в преподавании предметов естественнонаучного цикла, в первую очередь физики. В МАОУ «СОШ № 135» города Перми имеется некоторый опыт использования робото-технических комплексов LEGO Mindstorms в учебном процессе по физике.

После получения в 2011 году оборудования в виде комплекта LEGO Mindstorms и нескольких датчиков производства Vernier перед коллективом школы и администрацией возник ряд вопросов:

1. Как использовать лего-робота в учебном процессе, в частности по физике?

2. Можно ли знакомство с новыми принципами измерения и моделирования физических процессов с использованием программирования сделать массовым?

3. Как на данном оборудовании показать современные технологии исследования и автоматизацию многих процессов на производстве?

4. Можно ли использовать оборудование в профориентационной работе?

Работа с роботом началась сразу в нескольких направлениях: сборка моделей для соревнования роботов; использование робота как измерительной системы и системы для автоматизированного физического эксперимента; изучение возможностей использования роботов в преподавании информатики и технологии.

Учителя физики, информатики и математики проявили интерес к новому направлению. Так сформировалась небольшая группа учителей, заинтересованных в развитии этого направления. По прошествии двух с половиной лет можно с уверенностью сказать,

что достигнуты важные результаты в каждом направлении: на сегодня у школы есть победы школьных команд на всероссийском робототехническом фестивале «Робофест 2012» и «Робофест 2013»; представление опыта на конференциях различного уровня по использованию робототехники в технологическом образовании; ряд проектов, которые являются призёрами и победителями региональных олимпиад и конкурсов; опыт организации городских и краевых конкурсов и олимпиад по робототехнике, публикации.

Далее приводится пример развития проекта «Магнитная лаборатория», который позволяет продемонстрировать процесс организации индивидуальной работы школьников по освоению содержания физики. Этот проект реализовывался в 2011/12 учебном году. В работе над проектом приняли участие 8 школьников с 7-го по 11-й класс.

I этап. Знакомство с оборудованием. Первоначальные исследования.

Работа с новым оборудованием началась с изучения возможностей датчика магнитного поля. Учащиеся, которые были знакомы с программированием роботов, первые приступили к изучению магнитов. Особый интерес вызвали многополюсные и другие необычные постоянные магниты, в том числе и те, которые входят в состав компьютерных жёстких дисков. Основная часть разновозрастной группы учащихся ещё не изучала магнитное взаимодействие в основном курсе физики, поэтому материал был для них новым. Несмотря на это они уверенно научились пользоваться датчиками магнитного поля и силы для изучения магнитов и проектирования моделей. Учащимися были сконструирован и запрограммирован ряд демонстрационных установок из курса физики 8-го класса, в частности, установка для изучения явления электромагнитной индукции, в которой движение магнита осуществляется электромотором по заданной программе. Ряд исследований магнитных полей были

реализованы в виде небольшого фотоальбома и нескольких докладов на уроках.

Изучение свойств магнитов с помощью сети Интернет привело к формированию списка конструкций, которые вызвали наибольший интерес для дальнейших экспериментов: вал на магнитных подшипниках, магнитная передача (магнитная муфта), магнитный тормоз, магнитная жидкость, «карты» магнитных полей, «построенных» с помощью опилок.

Все эти модели были реализованы на последующих этапах.

II этап. Модели магнитной передачи.

Идея магнитной передачи состоит в том, что одна магнитная шестерёнка передаёт вращение другой посредством магнитного поля. Магнитная шестерёнка представляет собой диск, на котором закреплены магниты таким образом, что снаружи от диска вдоль всей окружности имеется чередование северных и южных магнитных полюсов. При сближении двух шестерёнок происходит магнитное зацепление. Одна из шестерёнок крепится на вал электродвигателя, а вторая свободно вращается на оси.

Первая модель магнитной передачи была построена из деталей робототехнического набора Lego WeDo (рис. 1). В этой модели взаимодействие передаётся с помощью только двух многополюсных магнитов. Такие магниты имеются в продаже в магазинах радиоэлектроники.

Рис. 1

Рис. 2

Вторая модель была сделана из вышедших из строя компьютерных жёстких дисков. Расположение полюсов на магнитах жёстких дисках оказалось очень удачным для создания магнитных шестерёнок. Модель приводится во вращение с помощью двигателя жёсткого диска и демонстрирует магнитную передачу на оборотах порядка 4200 оборотов в минуту.

Следующая модель была собрана на основе конструктора Lego Mindstorms и предполагала автоматизированное приближение и удаление шестерёнки на подвижной оси к шестерне на неподвижной оси (рис. 2). Магнитные шестерни были изготовлены из многополюсных магнитов. Снаружи от диска вдоль всей окружности имеется чередование северных и южных магнитных полюсов. При сближении двух шестерёнок происходит магнитное зацепление. Одна из шестерёнок крепится на вал электродвигателя, а вторая свободно вращается на оси. Расстояние между шестерёнками регулируется программным методом через блок NXT. Подача шестерёнки запрограммирована по срабатыванию одного из нескольких датчиков: датчик касания, датчик расстояния, датчик звука или датчик света. Программирование роботизированной установки на основе Lego Mindstorms проводилось на языке программирования NXT-G.

IIIэтап. Практические модели с магнитной передачей.

Параллельно работе с магнитными шестерёнками несколько малых групп школьников работали с идеями, перечисленными в описании первого этапа проекта. Первой была реализована идея вращающегося вала на магнитной подвеске, а также получения магнитной жидкости. Для создания прообраза магнитного подшипника учащимся пришлось опытным путём подобрать необходимое количество магнитов и их ориентацию в пространстве. Группа по разработке магнитной жидкости тоже добилась некоторых результатов. Для имитации магнитной жидкости металлические опилки были погружены в глицерин. На основе жидкости был изготовлен магнитный патрон для удержания сверла. Таким образом, сверло удерживается магнитной жидкостью, если патрон находится в магнитном поле.

Практическое применение магнитной передачи представила группа, которая к приводу с ведущей магнитной шестернёй изготовила две сменные насадки с использованием конструктора Lego Mindstorms. Ведущий привод, содержащий магнитную шестерёнку и подключаемый к программируемому блоку NXT, выполнен в отдельном корпусе. На него ставится насадка, содержащая вторую магнитную шестерёнку. В одном случае в качестве насадки использовалось ведёрко с миксером для перемешивания жидкого содержимого ведёрка, например, коктейля. Другой приставкой для привода является сверлильная приставка, в которой на постоянный магнит крепится магнитный патрон со сверлом. С помощью этой приставки можно продемонстрировать сверление мягких материалов - парафина, мыла, пенопласта и др. Скорость вращения ведущей шестерни программируется или регулируется пультом управления, собранным с использованием мотора и датчиков конструктора Lego Mindstorms.

IV этап. Лабораторная установка.

Достижение нескольких групп по сборке и программированию установок, демонстрирующих возможности магнитного взаимодействия, дало возможность для построения лабораторной установки по изучению магнитного взаимодействия.

В новой установке были реализованы наработки предыдущих этапов (рис. 3). Ведомая шестерёнка была закреплена на вал, вращающийся в магнитных подшипниках. В качестве крепёжных узлов были взяты детали из пластика, которые были выточены старшеклассниками на токарном станке.

Рис. 4

Ведущая шестерня установлена на подставку, которая обеспечивает возвратно-поступательное движение ведущей магнитной шестерни по программе с помощью дополнительного электродвигателя. Скорость вращения ведущей шестерёнки может программно регулироваться. Увеличение и уменьшение скорости вращения обеспечивается по времени либо по срабатыванию датчиков. В связи с этим на данной установке стало возможным провести лабораторную работу по физике на исследование магнитной передачи в зависимости от скорости вращения и расстояния между шестерёнками (рис. 4). Лабораторная работа получила положительную экспертную оценку Поезжае-вой Елены Вячеславовны, профессора Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), которая более 20 лет является ведущим специалистом университета в области робототехники.

Авторы проекта «Магнитная лаборатория» стали призёрами и победителями ряда городских и региональных олимпиад, конференций и конкурсов. Проект «Магнитная лаборатория» команды школы № 135 стал победителем регионального этапа Всероссийского молодёжного робототехнического фестиваля «РобоФест 2012» в соревнованиях WRO творческой категории. Далее проект принял участие во всероссийском этапе фестиваля «РобоФест 2012» в г. Москве и выиграл приз зрительских симпатий Фестиваля.

В 2012/13 учебном году работа с моделями магнитной лаборатории была продолжена. Участниками проекта было разработано ещё несколько моделей, одна из которых, в частности, имитировала работу шагового электродвигателя. В целом, по нашей оценке, у школьников, участвовавших в работе по проекту, усилилась мотивация к изучению физики, техники, программирования. Эти дети выступили консультантами

при подготовке команд по робототехнике для участия в конкурсах и олимпиадах.

Методическими результатами работы с этим проектом можно считать первый опыт организации работы групп с робототехниче-ским оборудованием. Интересным оказался тот факт, что распределение ролей происходило естественным образом при погружении учащихся в процесс решения задачи. В парной работе частым было распределение на роли конструктора и программиста. При этом, имея полное представление о проведённой работе по проекту, на последующих этапах участники группы могли взять на себя любую роль в группе в случае, например, отсутствия одного из участников. На отдельных этапах проекта учащиеся внутри группы были погружены в ситуацию соперничества, когда какую-то часть задания можно выполнить самостоятельно. Учащиеся, например, составляли независимо друг от друга программу для готовой конструкции, или разрабатывали конструкцию какого-либо узла для дальнейшей оценки в группе и принятия группового решения. Учитывая возраст, интересы и роли участника группы, было легче планировать дальнейшую работу групп и выстраивать индивидуальные образовательные маршруты по освоению предметного физического содержания.

Опыт работы по проекту «Магнитная лаборатория» был использован для организации в 2012/13 учебном году ещё одного масштабного проекта «Модель фрезерного станка на основе Lego Mindstorms». На данном станке в ручном и автоматическом режиме можно производить обработку мягких материалов (парафин, пенопласт) по заданной программе. Эта модель станка позволяет организовать профессиональную пробу независимо от возраста школьника. Проект модели станка с ЧПУ также стал победителем городского тура и призёром регионального тура олимпиады по технологии, победителем регионального фестиваля

«РобоФест 2013» и призёром (II место) Всероссийского фестиваля «РобоФест 2013» в категории «Фристайл».

Использование традиционного оборудования кабинета физики и робототех-нических конструкторов дало возможность увидеть новые возможности в постановке автоматизированного демонстрационного и лабораторного эксперимента с использованием современных датчиков и современных методов обработки и отображения результатов исследований. Таким образом, работа с проектом «Магнитная лаборатория» стала стартом более крупного проекта «Использование элементов робототехники в преподавании физики». На сегодня в школе имеется опыт проведения около 15 демонстрационных и 5 лабораторных исследований по физике. Опыт работы представляется на курсах повышения квалификации учителей (школа является центом инновационного опыта) и факультативных курсах Пермского государственного гуманитарно-педагогического университета. На основе полученного опыта сформулированы цели использования робототехники в преподавании физики:

- Демонстрация возможностей робототехники как одного из ключевых направлений НТП.

- Повышение качества образовательной деятельности: углубление и расширение предметного знания, развитие экспериментальных умений и навыков, совершенствование знаний в области прикладной физики, формирование умений и навыков в сфере технического проектирования и моделирования.

- Развитие у детей мотивации изучения предмета, в том числе познавательного интереса.

- Усиление предпрофильной и профильной подготовки, ориентация учащихся на профессии инженерно-технического профиля.

Идеи использования элементов робототехники в преподавании физики были представлены на методический конкурс по внедрению робототехники в учебный процесс V Всероссийского фестиваля «РобоФест 2013». Проект был признан победителем в номинации «Лучшая программа предметной области естественнонаучного цикла».