Проектирование учебных модулей для школьного физического практикума с применением учебных наборов по образовательной робототехнике

ПЕРВЫЕ ПУБЛИКАЦИИ: ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ИКТ В ОБРАЗОВАНИИ

УДК 53

М.Г. Ершов, А.Ю. Дерюшев, О.Н.Чурилов, Д.А.Антонова

ПРОЕКТИРОВАНИЕ УЧЕБНЫХ МОДУЛЕЙ ДЛЯ ШКОЛЬНОГО ФИЗИЧЕСКОГО ПРАКТИКУМА С ПРИМЕНЕНИЕМ УЧЕБНЫХ НАБОРОВ ПО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ РОБОТОТЕХНИКЕ

Обсуждается проблема политехнической направленности школьного курса физики. Раскрывается роль образовательной робототехники как технологии подготовки школьников к инженерно-техническому творчеству. Определены структура и содержание цифровых учебных модулей для школьного физического практикума. Содержание модулей составляют роботизированный физический эксперимент и демонстрации практических приложений физики средствами робототехники. Рассматриваются уровни самостоятельности учащихся в выполнении учебных заданий по проектированию и конструированию роботов на занятиях практикума.

Ключевые слова: школьный физический практикум, образовательная робототехника, цифровые учебные модули, проектно-ориентированное обучение.

Обеспечение политехнической направленности обучения физике является важной задачей подготовки учащихся средней школы. Основы теории и практики политехнического образования достаточно полно разработаны в педагогической науке.

На сегодняшний день выделены основные составляющие принципа политехнизма в обучении физике. Его содержание образуют:

• знания об основных направлениях научно-технического прогресса, важнейших отраслях современного производства, научных основах работы конкретных технических объектов и реализации технологических процессов;

• социально-экономические и экологические знания;

• умение пользоваться отдельными инструментами и приборами.

Ставится задача развития у учащихся творческих технических способностей и интереса к технике. В итоге у школьников должны быть «сформированы умения, определяющие их готовность ориентироваться в современном (существенно технократическом) мире» [5, с. 40-43], заложены основы современной технической культуры [1].

154

© Дерюшев А.Ю., Ершов М.Г., Чурилов О.Н., Д.А.Антонова • 2014

В теории и методике обучения физике определены содержание политехнического обучения и уровни усвоения школьниками политехнических знаний и умений. Разработаны основные методы изучения вопросов техники на учебных занятиях, выявлены наиболее эффективные формы и средства обучения. Существует широкий спектр методических рекомендаций и учебных пособий по организации технического творчества учащихся.

Вместе с тем на фоне, казалось бы, успешной реализации традиционных решений политехнического обучения молодежи в последние два десятилетия в данной сфере выявлены серьезные проблемы. К ним относятся:

• снижение популярности технических специальностей среди молодежи.

• фактический разрыв во взаимоотношениях между системой образования и производственной сферой, который привел к тому, что производство перестало получать кадры с подготовкой, соответствующей требованиям времени.

• недостаточная эффективность сложившейся в средней общеобразовательной школе и системе дополнительного образования практики инженерно-технической подготовки школьников и их ориентации на технически профессии. Разработка автономных многопрофильных и многоуровневых программ обучения без учета потребностей производственной сферы социума.

• недостаточный уровень готовности учителей и выпускников педагогического вуза к организации практической работы с учащимися средней школы в области их инженерно-технической подготовки.

Необходимость привлечения школьников и студентов к техническому конструированию и моделированию приборов и машин через развитие эффективной системы инженерно-технического образования молодежи осознается в настоящее время во всем мире и финансируется государственными институтами разных стран.

Соответствующие шаги предпринимаются и в нашем государстве. В настоящее время определены приоритетные направления развития науки и техники. Кадровая политика страны по подготовке кадрового инженерного корпуса и квалифицированных рабочих связана с увеличением контрольных цифр приема на инженерные специальности в вузы, введением дополнительных стипендий будущим инженерам, организацией в вузах прикладного бакалавриата, активным привлечением к преподаванию в школе и вузе специалистов-производственников, созданием на предприятиях и в средних общеобразовательных школах базовых кафедр др. Обозначены положительные сдвиги в обеспечении системы вузовского и школьного образования компьютерной техникой. В средних общеобразовательных учреждениях организуются современные естественнонаучные лаборатории, лаборатории по моделированию и конструированию.

Достаточно высокая стоимость современного учебного оборудования пока не позволяет всем школам успешно решать задачу материально-технического обеспечения политехнической подготовки учащихся. Как временное средство решения этой проблемы появились и функционируют мобильные цифровые лаборатории, обслуживающие школы по сетевому принципу. В учебную программу таких лабораторий включены практические работы, связанные с освоением учащимися инновационных направлений развития современной науки и техники (например, нанотехнологий, фотоники, робототехники и др.). В ряде городов России такое оборудование сосредотачивается во дворцах детского и

юношеского творчества. На базе отдельных крупных предприятий организуются учебные центры дополнительного образования и политехнической подготовки учащихся. Стали функционировать так называемые ФабЛабы, специально предназначенные для формирования у учащихся технических умений и развития у них инновационного инженерного мышления. Отметим для справки, что базовая стоимость открытия такой лаборатории составляет около 10 млн. рублей. Это одна из причин, что таких лабораторий в России пока немного.

Совершенствуется профориентационная работа. В учебных планах средних школ увеличивается число учебных курсов политехнической направленности (элективных, факультативных). Новой практикой привлечения школьников и студентов в инженерные профессии стала организация силами производственных компаний технопарков для детей и юношества, музеев техники (например, Музея науки в г. Перми при содействии Пермской научно-производственной приборостроительной компании). Такие музеи стали появляться и при технических вузах (например, Музей оптики при ИТМО, Санкт-Петербург). Формируются крупные центры технической инноватики для студентов и школьников (г. Казань).

Проблема эффективной подготовки инженерных кадров в линейке «школа-вуз» активно обсуждалась на Пермском инженерно-промышленного форуме (6-7 ноября 2014 г.). На его дискуссионных площадках шел поиск наиболее продуктивных идей подготовки инженерных кадров будущего, позволяющих сделать современное российское производство высокотехнологичным и конкурентоспособным.

На сегодня очень важно изменить отношение молодежи к рабочим и инженерным профессиям. Что может явиться механизмом «запуска» этого изменения в школе?

В настоящее время наиболее ярким и привлекательным для учащейся молодежи стало занятие робототехникой. Ее учебный вариант вполне доступен для освоения и открывает достаточно широкие перспективы в развитии технического творчества детей и юношества.

Роль робототехники в политехнической подготовке школьников трудно переоценить. Образовательная робототехника рассматривается как самостоятельная педагогическая технология, обладающая высоким педагогическим потенциалом. Ее отличительными признаками как технологии обучения являются:

• объединение классических подходов к изучению основ техники и современных направлений обучения (компьютерного моделирования, программирования, применения информационно-коммуникационных технологий в организации учебной и практической деятельности учащихся);

• междисциплинарное обучение, интегрирующее знания физики, химии, биологии, мехатроники, микроэлектроники, математики, технологии, кибернетики, информатики и ИКТ и других учебных дисциплин;

• доступность в освоении и высокий уровень привлекательности для учащихся занятий по проектированию и созданию робототехнических устройств, понимание практической значимости применения робототехники в различных областях социальной культуры;

• большое разнообразие наборов по образовательной робототехнике, предназначенных для учащихся разных возрастных групп, и их ценовая доступность как для пер-156

сонального приобретения, так и для массовой закупки средними общеобразовательными школами.

Интерес к образовательной робототехнике, интегрирующей в себе науку, технологию, инженерное дело, математику и даже искусство (Science Technology Engineering Art Mathematics = STEAM), активно растет. Во многих ведущих странах разработаны и осуществляются национальные программы по развитию именно STEM- и STEAM-образования.

С 2008 г. реализуется общероссийская программа «Робототехника: инженерно-технические кадры инновационной России». Запущены проекты по созданию отечественных робототехнических конструкторов для средних школ и высших учебных заведений. В ряде регионов России организованы ресурсные центры, проводятся тренировочные сборы и соревнования по робототехнике (региональные, всероссийские). Россия вышла на международный уровень робототехнических состязаний среди молодежи.

В каждом регионе предлагаются различные организационные решения включения образовательной робототехники в систему основного и дополнительного образования школьников и студентов. Ведется разработка и апробация моделей, программ и средств организации учебного процесса и внеурочной деятельности с применением робототехники для различных типов учебных учреждений и уровней образования. Внимание уделяется как соревновательной робототехнике, так и проектной STEM/STEAM-робототехнике.

Следствием применения образовательной робототехники в системе среднего образования должны стать:

• вовлечение учащихся средней школы в научно-техническое творчество;

• формирование положительной мотивации учебной деятельности школьников по техническому конструированию и моделированию за счет объединения образовательных и состязательных элементов программы обучения;

• интеграция знаний учащихся по предметам естественно-математического цикла (физики, химии, биологии, математики, информатики), а также предметам гуманитарного цикла;

• обеспечение доступа детей и молодежи к освоению передовых цифровых технологий, приобретение опыта их применения в различных сферах социальной жизни; формирование универсальных учебных действий, практических умений и навыков, IT-компетенций;

• формирование у учащихся готовности к инновационной проектной деятельности, в том числе в условиях коллективного творчества;

• выявление, обучение, отбор, сопровождение талантливой молодежи.

• ранняя профориентация, рост интереса школьников инженерным профессиям.

• рост квалификации учителей в области развития инженерно-технического творчества учащихся средней школы.

Несмотря на положительный эффект применения робототехники в обучении, как показывает анализ опыта работы ряда общеобразовательных школ, робототехника пока превалирует в клубной и кружковой работе. Это объясняется недостаточной разработанностью методики использования робототехники в предметном обучении, ма-

лым числом учебных пособий для учащихся и методических рекомендаций для учителей. Вместе с тем следует отметить, что имеется ряд методических пособий зарубежных авторов по использованию робототехники в проектной работе по физике, химии, биологии. Рекомендации авторов этих пособий могут быть весьма полезны в работе учителей-предметников.

Укажем на основные цели применения образовательной робототехники в преподавании физики:

1) демонстрация роли физики как науки в проектировании и использовании современной техники;

2) демонстрация возможностей робототехники как одного из ключевых направлений научно-технического прогресса;

3) повышение качества обучения:

• углубление и расширение предметных знаний,

• систематизация знаний, осознание взаимосвязи наук и учебных дисциплин,

• совершенствование знаний в области прикладной физики,

• развитие экспериментальных умений и навыков в области физического эксперимента,

• формирование умений и навыков в сфере технического проектирования, моделирования и конструирования при подготовке физического эксперимента и демонстраций по прикладной физике с применением робототехнических конструкторов;

4) развитие мотивации изучения предмета, в том числе познавательного интереса;

5) усиление предпрофильной и профильной подготовки учащихся, их ориентация на естественнонаучные и инженерно-технические специальности.

Анализ и обобщение имеющегося опыта работы применения образовательной робототехники как технологии обучения позволили нам выделить ее основные составляющие. Для организации учебного процесса по физике их состав будет следующим:

1. Робот как объект изучения: изучение физических принципов работы датчиков, двигателей и других систем робототехнических конструкторов.

2. Робот как инструмент познания (исследования):

• применение в физическом эксперименте датчиков, подключенных к микроконтроллеру, в качестве измерительных систем; фиксация и обработка данных эксперимента (первый уровень использования);

• проведение роботизированного эксперимента, включающего комплексное использование двигателей, датчиков, систем обратной связи для проведения физического эксперимента (демонстрационного, лабораторного) без участия человека (второй уровень использования).

3. Робот как средство проектно-ориентированного обучения, учебного моделирования и конструирования, развития технического творчества учащихся в рамках учебного предмета:

• создание нового робота для решения исследовательской или прикладной учебной задачи,

• модернизация робота: разработка и проектирование новых датчиков и других систем робота, расширяющих возможности его практического применения; использование робота совместно с другими техническими системами для решения сложных практических задач.

Отметим, что применение робототехники в учебном процессе по физике требует от учителя несколько иной методики и технологии организации учебных занятий, меняется частично содержание учебной работы школьников. В нашей работе [2] отмечены положительные стороны использования элементов робототехники на уроках физики, указаны и некоторые негативные моменты такого применения.

Практика включения образовательной робототехники в учебный процесс по предмету должна быть обеспечена необходимыми дидактическими материалами. Их виды и содержание могут быть весьма различными.

В рамках нашего исследования разработаны цифровые учебные модули по физике, обеспечивающие своим содержанием разные уровни самостоятельности учащихся в решении экспериментальных и прикладных учебных задач с применением робототехниче-ских конструкторов. Каждый модуль включает четыре блока: 1) учебную демонстрацию, 2) лабораторную работу, 3) демонстрацию применения роботизированной установки в технике; 4) творческий учебный проект по робототехнике.

Ниже приведены структура и содержание элементов каждого учебного блока. Отметим, что второй блок имеет в зависимости от уровня самостоятельной работы учащихся три варианта реализации.

Блок 1. Учебная демонстрация

1. Перечень оборудования для демонстрационного эксперимента, включая элементы робототехнического конструктора.

2. Описание конструкции роботизированной установки и последовательности её сборки, включая пояснительные тексты, фотоснимки и пошаговые инструкции.

3. Варианты реализации базовой конструкции.

4. Мультимедиа сопровождение сборки установки: цифровые пошаговые инструкции для воспроизведения отдельных узлов или всей установки,

5. «Готовая» управляющая программа для робота (в ряде случаев ее возможные модификации) и описание работы этой программы.

6. Фотоснимки и видеозапись работы установки и основные результаты учебной демонстрации в виде: таблиц, графиков, отдельных числовых значений, качественных данных эксперимента, представленных в фото- и видеоформатах.

Комментарий. Первый блок позволяет учителю: а) продемонстрировать видеоролик роботизированной установки физического эксперимента, его ход и основные результаты; познакомить учащихся с особенностями конструкции и содержанием управляющей программы робота; б) собрать и продемонстрировать учащимся натурную установку для роботизированного физического эксперимента и порядок ее работы; в) предложить группе учащихся, интересующихся конструированием, самостоятельно подготовить на основе данного модуля демонстрационную установку к учебному занятию.

Блок 2. Лабораторная работа

Вариант 1. Выполнение лабораторной работы по инструкции

1. Цели работы (предметная, конструкторская, технологическая в сфере IT).

2. Перечень оборудования для лабораторного эксперимента.

3. Инструкция по сборке роботизированной установки (в том числе, с применением средств мультимедиа, например, программы LEGO Digital Designer).

4. «Готовая» управляющая программа робота, обеспечивающая его функционал.

5. Инструкция с иллюстрациями по проведению лабораторной работы с помощью роботизированной установки.

6. Видеозапись работы установки.

7. Методические рекомендации учителю по организации работы учащихся.

Комментарий. Выполнение работы по варианту 1 позволяет учащемуся: а) освоить практику работы по инструкции, поддерживающей его деятельность по сборке и проведению роботизированного эксперимента; б) отработать комплекс основных экспериментальных умений [3]; в) убедиться, используя видеозапись, в правильности сборки работа и выполнения им необходимых функций (самоконтроль).

Вариант 2. Выполнение лабораторной работы по описанию

1. Цели работы (предметная, конструкторская, технологическая в сфере IT).

2. Перечень оборудования для лабораторного эксперимента.

3. Общее описание роботизированной конструкции экспериментальной установки и программы, обеспечивающей функционал робота. Характеристика возможных модификаций базовой конструкции.

4. Основное задание по работе с базовой конструкцией и дополнительные задания по работе с различными модификациями конструкции и корректировке программы управления роботом.

5. Методические рекомендации учителю по организации работы учащихся.

Комментарий. Выполнение работы по варианту 2 позволяет учащемся, познакомившись с назначением, общей идеей сборки роботизированной конструкции и особенностями программы управления роботом: а) самостоятельно спланировать и осуществить роботизированный эксперимент; б) написать для робота управляющую программу; в) протестировать робота; г) провести эксперимент, получить и проанализировать его результаты; д) выполнить задания по преобразованию конструкции, усложнению управляющей программы, а также осуществить комплексные модификации конструкции установки, реализующие различные сценарии ее работы.

Вариант 3. Самостоятельное планирование и проведение исследования с применением роботизированной установки

1. Цели работы (предметная, конструкторская, технологическая в сфере IT).

2. Формулировка общей идеи роботизированного эксперимента.

3. Самостоятельная разработка и описание конструкции установки.

4. Сборка конструкции учащимся. Возможна подготовка мультимедиа-сопровождения по сборке (например, в программе LEGO Digital Designer).

5. Написание учащимся программы, обеспечивающей функционал робота.

6. Самостоятельное описание порядка работы экспериментальной установки. Возможна подготовка видеозаписи ее работы.

7. Методические рекомендации учителю по организации работы учащихся.

Комментарий. Выполнение работы по варианту 3 позволяет учащемуся проявить высокий уровень самостоятельности и творчества в выполнении задания. Работа на этом уровне самостоятельности требует достаточного времени (до 2 учебных часов в условиях работы в классе, возможны дополнительная работа в домашних условиях или во внеурочное время в школьной лаборатории).

Блок 3. Демонстрации и лабораторные работы, моделирующие использование роботизированной конструкции в технике

Третий блок включает две составляющие: учебную демонстрацию и лабораторную работу. Структура этих составляющих аналогична блокам 1 и 2.

Демонстрации готовит и проводит учитель с помощью роботизированных конструкций, которые позволяют ему показать школьникам применение знаний о физических явлениях в технике (в натурном или видеоформатах).

В ходе лабораторного эксперимента школьники могут выполнить задание на основе «готовой» конструкции робота и соответствующих инструктивных указаний. Им может быть предложено и более сложное задание: самостоятельно разработать конструкцию робота, написать управляющую программу и протестировать на надежность исполнения роботом его основных функций.

Блок 4. Учебные проекты

Четвертый блок связывается с выполнением учащимися творческих проектов. Интересными и полезными для них являются проекты по применению робототехниче-ских конструкций в различных сферах производства, культуры и быта. Важно, чтобы в основу работы предлагаемых учащимися конструкций были положены в числе прочих физические явления и законы их протекания. При подготовке сложных проектов школьниками может быть использовано несколько робототехнических наборов.

Возможны различные направления проектирования. Результатом работы могут стать:

• роботы-помощники в промышленности и быту (сортировщик, погрузчик, подъемник; роботы для перетарки и транспортировки груза, переноса грузов в различные зоны; роботы для охранных и пропускных систем, систем оповещения; робот-поисковик; робот для преодоления сложной преграды, робот-уборщик и др.);

• групповые роботы (взаимодействие двух и более роботов при выполнении поставленной задачи: родитель и ребенок, хозяин и собака и др.);

• роботы в учебной деятельности (по предметам учебного плана: физика, химия, биология, технология и др.);

• робот-исследователь (по областям науки и техники);

• роботы в искусстве (робот-художник, робот-декоратор, робот-режиссер, робот-жонглер, робот-барабанщик и др.);

• робот-спортсмен (футбольный бомбардир, баскетболист, штангист, биатлонист, скоростные гонки по линии и др.);

• игровой робот-симулятор (боулинг, кубик Рубика, крестики-нолики, игровые упражнения - качели, качающаяся доска и др.);

• робот-имитатор (человекоподобные роботы, шагающий робот, имитация поведения животных и др.);

• социальные роботы (индивидуальная помощь человеку) (робот теле- присутствия, робот-поводырь и др.);

• и др.

Такие учебные проекты выполняются школьниками, как правило, в рамках элективных курсов или во внеурочное время (на занятиях кружка по физике, при подготовке к участию в научно-практических конференциях и конкурсах по робототехнике, на занятиях в клубах по интересам и др.).

В процессе работы над творческим заданием возможны самые различные комбинации применения стандартного оборудования кабинета физики, робототехнических конструкторов различных моделей и специального дополнительного оборудования. Итогом работы над проектом должны стать:

1. Описание проекта:

• название робота;

• его назначение,

• тип оборудования (название робототехнического конструктора);

• описание конструкции робота с фотоиллюстрациями;

• характеристика основных функций робота;

• указание языка программирования, файл программы;

• новизна проекта, если таковая есть (новые идея, функции, конструкция, алгоритм программы и др.).

2. Видеозапись созданной модели робота. Требования к видеозаписи:

• краткое представление команды;

• демонстрация робота (общий вид конструкции);

• показ выполнения роботом всех указанных в проекте функций;

• устный комментарий или титры (желательно);

• рекомендуемая продолжительность видеодемонстрации;

• рекомендуемый размер и формат видеоролика;

• соблюдение авторских прав других сторон.

3. Соблюдение правил и требований техники безопасности.

Учащиеся, занимающиеся робототехническим конструированием, должны проектировать, строить и испытывать своего робота с соблюдением правил и инструкций по технике безопасности, действующих в учебном заведении; выполнять работу под руководством учителя или инструктора своего учебного заведения (см. о технике безопасности при проведении конкурсов и соревнований по робототехнике) [4 ].

Ниже приведены некоторые иллюстрации и комментарий к учебному модулю «Резонанс».

На рис. 1 показан внешний вид экспериментальной роботизированной установки для демонстрации явления резонанса, собранной на базе конструктора Lego Mindstorms с микропроцессорным блоком NXT.

Рис. 1. Общий вид установки для демонстрации явления резонанса, собранной на базе конструктора Lego Mindstorms NXT

На рис. 2 приведен фрагмент сборки робота «Резонанс» в программе LEGO Digital Designer.

На рис. 3. представлена блок-схема управляющей программы для робота. Практика показывает, что в предметном учебном модуле полезно приводить «готовые» управ-

ляющие программы для двух версий конструктора Lego Mindstorms (NXT и EV3), поскольку в школах в настоящее время имеются разные наборы Lego Mindstorms.

Школьникам, успешно справившимся с основным лабораторным заданием, могут быть предложены дополнительные задания, например: 1) реализовать программное изменение длины нити и, не меняя частоты вынуждающей силы, за счет автоматического изменения длины добиться наступления явления резонанса; 2) задать звуковые сигналы для обозначения различных состояний установки.

Как известно, учет явления резонанса осуществляется при строительстве мостов, в проектировании и установке турбинных двигателей, работе станков, включающих различные вращательные и колебательные движения, самолетостроении и т.п. Учащимся в качестве творческого проекта может быть предложено задание на создание роботизированной конструкции, демонстрирующей учет явления резонанса в технике. Работа такой конструкции включает процедуру «отслеживания» роботом момента наступления резонанса и реализацию в дальнейшем соответствующей стратегии поведения «системы». Так, например, при возрастании амплитуды колебаний маятника на нити до некоторого критического значения микропроцессорный блок издает звуковой сигнал, а электродвигатель, возбуждающий колебания маятника, прекращает работу. Этого можно добиться за счет попадания раскачивающегося маятника в область действия датчика света.

Model Name: Сборка

Number of Bricks: 51

M 4 °  M gi

Рис. 2. Общий вид конструкции при просмотре иснтукции по сборке робота

в программа LEGO Digital Designer

Авторы выражают благодарность зав. кафедрой мультимедийной дидактики и информационных технологий обучения ПГГПУ, проф. Е.В. Оспенниковой за помощь в подготовке статьи к публикации.

Статья подготовлена в рамках проекта 052-П «ПГГПУ в системе научно-методического, кадрового и ресурсного обеспечения развития образовательной робототехники как технологии обучения и средства профессиональной ориентации школьников на инженерно-технические специальности» программы стратегического развития федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пермский государственный гуманитарно-педагогический университет».

Список литературы

1. Ильин И.В., Оспенникова Е.В. Принцип политехнизма в обучении физике в контексте современных представлений о структуре техносферы // Педагогическое образование в России. 2014. № 1. С. 71—75.

2. Ершов М.Г. Использование робототехники в преподавании физики / М.Г. Ершов // Вестник ПГПУ. Серия «ИКТ в образовании». - Пермь: ПГГПУ, 2012. - Вып.8. - с.. 77-85

3. Оспенникова Е.В. Использование ИКТ в преподавании физики в средней общеобразовательной школе: методическое пособие. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2011. - 655 с.

4. «Регламент соревнований» (на русском языке). URL: http://www.russianrobotics.ru/directions/aburobocon/ (дата обращения 16. 09.2014).

5. Теория и методика обучения физике в школе. Общие вопросы: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / С. Е. Каменецкий, Н. С. Пурышева, Н. Е. Важеевская и др. М.: Академия, 2000.