Развитие методологии обучения студентов педагогического университета в области технологического образования: влияние робототехники

DOI 10.26105/SSPU.2020.64.1.005 YAK 378.147 ББК 74.489.2

П.Н. ПУСТЫЛЬНИК

P.N. PUSTYLNIK

РАЗВИТИЕ МЕТОДОЛОГИИ ОБУЧЕНИЯ СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА В ОБЛАСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ: ВЛИЯНИЕ РОБОТОТЕХНИКИ

THE DEVELOPMENT OF TEACHING METHODOLOGY OF PEDAGOGICAL UNIVERSITY STUDENTS IN THE FIELD OF TECHNOLOGICAL EDUCATION: INFLUENCE OF ROBOTICS

В статье рассмотрено, как внедрение в XXI веке образовательной робототехники в учебный процесс меняет методологию обучения будущих учителей технологии. Изложено развитие методологии обучения студентов педагогического университета в 2010-2020 годах из-за внедрения образовательной робототехники в учебный процесс; представлена структура образовательной робототехники; выделены акценты деятельности Минпросвещения РФ; дано сравнение сред визуально-графического программирования роботов; представлен вариант разделения робототехнических конструкторов по возрастам. Приведен пример развития методологии обучения студентов РГПУ им. А.И. Герцена.

The article considers how the introduction of educational robotics in the educational process in the XXI century changes the methodology of training future teachers of technology. The article describes the development of the teaching methodology for students of the pedagogical University in 2010-2020 due to the introduction of educational robotics in the educational process; presents the structure of educational robotics; highlights the emphasis of the Ministry of Education of the Russian Federation; compares the visual and graphical programming environments of robots; presents a variant of dividing robotic constructors by age. The example of the development of the methodology for teaching students at RSPU named after A.I. Herzen is given.

Ключевые слова: методология обучения, технологическое образование, педагогический университет, робототехника.

Key words: teaching methodology, technological education, pedagogical university, robotics.

Введение. Актуальность избранной темы обусловлена трансформацией методологии обучения будущих учителей технологии из-за внедрения в XXI веке образовательной робототехники (ОР) в учебный процесс. В статье под термином «методология обучения» понимается набор методов обучения (МО), способствующих достижению учебной цели (изменяющейся при смене научных парадигм) путем усвоения учебного материала.

Ученые проанализировали процесс развития технологического подхода в обучении, начиная с 1950 г., с обоснованием необходимости применения в вузе проектной деятельности [см., например, 1]. Концепций методологии обучения немного, и они периодически сменяют друг друга. Например, сейчас активно внедряют метод проектов (МП) как соответствующий современному развитию общества, но МП возник в США (вторая половина XIX в.). В СССР в 1920-е гг. МП применялся, но был запрещен в 1931 г.

А.В. Гущиным рассмотрено развитие информационно-технологического обеспечения (ИТО) вуза с позиции информационных технологий (ИТ) [2], однако, для обеспечения учебного процесса будущих учителей технологии необходимо ИТ дополнять материальным обеспечением: различными робото-техническими конструкторами, 3D-принтерами, наборами радиотехнических деталей, паяльными станциями с вытяжкой и т.д.

Проделан содержательный анализ зарубежных источников (начало XXI в.) по проблемам использования в учебном процессе в разных странах конструкторов Lego NXT с программированием на RoboLab, NXT-G и RobotC [8].

За период 2010-2020 гг. многое изменилось в социуме. Это способствовало созданию различных авторских методик обучения основам образовательной робототехники, о которых мало информации в открытой печати. При этом остается актуальной проблема недостатка информации о методологии обучения студентов педагогических университетов в области технологического образования в современных условиях.

Цель статьи: представить опыт развития методологии обучения студентов педагогического университета в области технологического образования под влиянием образовательной робототехники.

Материалы и методы.

Методы исследования: изучение и анализ педагогических публикаций по теме исследования; педагогический эксперимент; самоанализ педагогов.

Цель исследования: совершенствование методологии обучения студентов педагогических университетов в области технологического образования из-за внедрения образовательной робототехники в учебный процесс.

Задачи:

- выявить факторы, влияющие на изменение методологии обучения студентов педагогических университетов в области технологического образования;

- изучить авторские методики преподавания основ образовательной робототехники школьникам и студентам;

- разработать методику обучения, включающую рабочую программу «Образовательная робототехника» с одноименным электронным учебным курсом.

В 1990-е гг. в школах РФ учебный предмет «Труд» сменился предметом «Технология», но педагогические вузы продолжали выпускать учителей технологии, ориентированных на обучение школьников:

- умениям пользоваться ручным инструментом столярным и слесарным);

- работе на станках (дерево- и металлообработка);

- обработке пищевых продуктов (кулинария);

- шитью и т.д.

Предмет «Технология» рассматривался в школах как не основной, поэтому на факультеты, готовившие учителей технологии, поступали абитуриенты с невысокими баллами. В начале XXI века содержание предметной области «Технологии» стало изменяться. В 2010 г. был утвержден ФГОС основного общего образования (ООО) [5], в котором выделена необходимость обучения учащихся применению ИКТ с формированием представления об изменениях на рынке труда. Следствием этого стало изменение учебного процесса в педагогических вузах.

Рассмотрим ситуацию в Санкт-Петербурге. При внедрении новых программ в сочетании со строительством новых школ выявилась проблема нехватки учителей технологии, способных обучать школьников основам образовательной робототехники и владеющих хотя бы одним из языков программирования: SmallBasic, Python, Java, RobotC, C, C#, C + + и т.д.

Для подготовки школьников к участию в различных робототехнических мероприятиях учитель технологии должен знать различные среды и языки программирования. Уточним, что, кроме урочной работы, в школе учителя ведут внеурочную деятельность. Таким образом, в рамках урочной работы учитель технологии знакомит всех учащихся с основами робототехники, а в рамках внеурочной деятельности занимается с теми, кому робототехника интересна.

Интерес к робототехнике у школьников связан с выбором будущей профессии в условиях формирования киберфизического пространства, насыщенного различными роботами. Но как школьник выбирает профессию?

Каждый школьник имеет несколько источников информации о производственной и непроизводственной сферах социума: семья, школа, друзья, организации дополнительного образования, средства массовой информации (СМИ) и так далее.

Учащихся старшей школы можно разделить на группы:

- хотят заниматься любимым делом (интерес сформировался в учреждении дополнительного образования, в спортивной секции и так далее);

- хотят зарабатывать больше, чем родители (профессию выбирают, ориентируясь на публикации СМИ);

- не знают, кем хотели бы стать.

Информацию о востребованных профессиях школьникам предоставляют учителя-предметники, излагая учебный материал применительно к рынку труда, но именно учитель технологии может показать применение новых технологий на конкретных примерах:

- орудия труда: ручные каменные, металлические ^ механизмы ^ станки (приводы: водяной ^ паровой ^ электрический) ^ станки с ЧПУ ^ автоматы ^ роботы;

- обучение: личный пример и речь ^ появление письменности (клинопись, иероглифы, буквы) ^ создание процесса печати книг ^ изобретение радио и телевидения (прослушивание и просмотр образовательных программ) ^ развитие информационных технологий под влиянием компьютерной техники и интернета ^ создание облачных сервисов;

- домостроение: пещера ^ легко разбираемое жилище ^ деревянные и каменные строения ^ панельные дома ^ монолитные дома ^ дома, распечатываемые на строительных 3D-принтерах.

Однако для повышения уровня эффективности работы по профессиональной ориентации школьников учителей технологии необходимо обучать эффективно использовать на уроках робототехнические конструкторы, программы 3D-моделирования, облачные сервисы и т.д.

Для частичного решения появившейся проблемы в РГПУ им. А.И. Герцена в 2017 году была разработана и внедрена магистерская программа «Робототехника, предпринимательство и дизайн в технологическом образовании», включающая дисциплины пяти учебных модулей: «Дизайнерский», «Методология исследования в образовании», «Общепрофессиональный», «Предпринимательский» и «Робототехнический». Большинство абитуриентов, поступивших в магистратуру, составляли выпускники бакалавриата, которые углубляли свои знания в текстовых языках программирования и визуально-графических средах программирования.

В 2019 г. состоялся первый выпуск: из 21 поступившего, завершило обучение защитой магистерской диссертации 14. В 2018 году поступил 21, а в 2019 - 18 студентов, из которых трое уже оформили академический отпуск.

В рамках ФГОС ООО в 2019 году прорабатывался проект нового содержания предметной области «Технологии». В первой версии было восемь модулей, а во второй версии жесткое деление по модулям заменили описанием блоков информации, которые должны усваивать школьники 5-9 классов, с выделением нескольких направлений [3]:

- тенденции развития современных технологий;

- трудовое воспитание;

- профессиональное самоопределение.

В 2019 году часть школ, имеющих дополнительное финансирование, стала активно внедрять робототехнику, 3D-моделирование, прототипирова-ние и макетирование, а также компьютерную графику. Под дополнительным финансированием понимаются полученные гранты, финансирование проек-

тов разными фондами и т.д. Примеры в СПб: Президентский ФМЛ № 239 сотрудничает с Фондом «Финист»; СОШ №№ 518 и 258 - реализация грантов; СОШ № 169 - реализация совместных проектов с сетевыми партнерами и т.п.

В современных условиях рынок труда педагогов диктует новые требования к учителям технологии, поэтому в РГПУ им. А.И. Герцена к робототехни-ческому конструктору (РТК) Lego Mindstorms NXT и ScratchDuino добавили конструкторы VEX IQ, но этого недостаточно. В школах появляются квадро-коптеры Tello, Пионер и другие. Следовательно, администрации РГПУ необходимо изыскать средства для приобретения квадрокоптеров, чтобы выпускники соответствовали запросам школы XXI века.

На первом курсе бакалавриата студенты изучают разные среды визуально-графического программирования, так как в этих средах школьникам на первом году занятия робототехникой проще объяснять алгоритмы управления роботом.

На основе сравнительного анализа различных сред для визуально-графического программирования в работе [7, с. 18-20] была составлена таблица (табл. 1).

Таблица 1

Сравнение сред для графического программирования

Показатель TRIK Studio Scratch Robot Virtual Words Robolab LabView

Наличие виртуального объекта Да Да Да Нет Нет

Виртуальные объекты позволяют изучать основы управления 2D-po6otom без наличия реального робота с освоением алгоритма работы:

- осознать задачу;

- сформулировать цель работы;

- рассмотреть возможные варианты решений задачи;

- обосновать конструкцию робота;

- написать программу;

- решить задачу.

Если имеется материальный робот, то после перемещения программы в микроконтроллер надо выполнить калибровку датчиков, отладить программу и решить задачу.

Уточним, что визуально-графические среды являются одним из элементов образовательной робототехники, которую будем рассматривать как систему, состоящую из трех подсистем (рис. 1).

В подсистеме «Программирование» можно выделить три элемента, но отдельно следует упомянуть разработку CoSpace Robot (1997 г.): сочетание виртуального и реального миров при выполнении учебной задачи [9]. Вначале робот выполняет задание в реальном пространстве, а затем 2D-робот -в виртуальном [6]. Программирование осуществляется на Scratch.

Студенты старших курсов бакалавриата должны изучить несколько языков программирования, т.к. в разных школах свои наборы РТК (табл. 2).

Таблица 2

Примеры применения языков программирования

Показатель RobotC Java Script Python Small Basic

Lego EV3 V V V

Lego NXT V

Vex IQ V

TRIK V V

Рис. 1 Структура образовательной робототехники

Исходя из имеющегося оборудования, для обучения студентов в РГПУ им. А.И. Герцена используются методики Филиппова С.А. (ФМЛ № 239), Винницкого Ю.А. и Полякова К.Ю. (СОШ № 169), а также методические материалы сайтов trikset.com, robbo.ru и РобоФинист.

В подсистеме «Конструирование» можно выделить четыре элемента. Робототехнические конструкторы (на основе рекомендаций производителей) условно разделим по возрастам (табл. 3).

Таблица 3

Классификация конструкторов по возрастам

1-4 классы 5-9 классы 10-11 классы

WeDo 2.0 LEGO Mindstorms Educa- Raspberry Pi

ScratchDuino (Robbo) tion EV3 Arduino Leonardo

ВТ Стартовый набор

ertechnik) ТХТ Интернет вещей Vex IQ

ROBOTIS DREAM (Applied (Fischertechnik) TETRIX и MATRIX

robotics) Airblock

Codey Rocky (Makeblock) Bioloid Premium (Applied

HUNA-MRT robotics)

Vex IQ ROBOTIS STEM (Applied

VEX EDR robotics)

УМКИ ROBOTIS MINI (Applied

Robo Kids 1 robotics)

TETRIX и MATRIX

Arduino Uno

Raspberry Pi

HUNO

Vex IQ

После седьмого класса многие школьники отходят от РТК и переходят в кружки радиоэлектроники, в которых занимаются конструированием устройств как на базе плат Arduino, так и собирают BEAM-роботов.

Небольшая часть школьников углубленно занимается 3D-моделиро-ванием и печатью 3D-объектов. Часто это школьники, у которых возникают трудности с конструированием или программированием роботов.

Отметим, что техническое творчество привлекает детей, которым неинтересно тратить время на соревнования, так как для них важно реализовать свою техническую идею.

Третья подсистема «Состязания» в элементе «Соревнования» генерирует вопрос: «Если есть соревнования, то почему нет разрядной сетки, как в других видах спорта?» Обсуждение этой проблемы длится более двух лет, а решение несколько задерживается. В РФ создана Всероссийская федерация спортивной и образовательной робототехники (https://sportrobotics.ru/ event), но на сайте выложены только регламенты WRO2020, а проекта разрядной сетки спортсменов нет.

В соревновательной робототехнике используются три подхода:

- Олимпиадный

- Конкурсный

- Стимулирующий

Отметим, что Минпросвещения РФ отдельно выделяет три аспекта в

своей работе (рис. 2) [4].

Государство поддерживает развитие робототехники путем проведения множества соревнований разного уровня, но выделяются два мероприятия: НТИ олимпиада и WorldSkills Russia (WSR), участие в которых способствует ознакомлению школьников с существующими и будущими профессиями. Это помогает в проведении профессиональной ориентации учащихся.

Уточним, что в рамках чемпионата WSR Juniors определяется «лучший по профессии» среди учащихся колледжей, а также предоставляется возможность школьникам продемонстрировать свои умения в различных рабочих профессиях. Участие старших школьников в НТИ олимпиаде позволяет им

Региональные центры выявления и поддержки одаренных детей

Рис. 2 Акценты в работе министерства

набирать дополнительные баллы при поступлении в вуз, но для подготовки школьников к успешному выступлению на НТИ олимпиаде нужны наставники. Ими становятся учителя предметники, в том числе и учителя технологии, так как в некоторых профилях предполагается знание как 3D-технологии, так и управление квадрокоптером, конструирование и программирование робота для выполнения конкретного задания.

Следует отметить, что много методических и учебных материалов размещено на сайтах компаний, производящих робототехническое оборудование. Все материалы по обучению программированию роботов практико-ориентированные, так как школьники, увлекающиеся образовательной робототехникой, ориентированы на участие в соревнованиях и конкурсах технических проектов. Эти учебные материалы используются в обучении бакалавров технологического образования и размещаются в электронной информационно-образовательной среде (ЭИОС) РГПУ им. А.И. Герцена. Часть цифровых ресурсов по робототехнике преподаватели размещают в своих учебных курсах в LMS Moodle университета.

Результаты исследования. Методология обучения учителя технологии в 2010-2020 гг. изменилась под влиянием следующих факторов:

- внедрение преподавания образовательной робототехники в школах после принятия ФГОС ООО;

- государственная поддержка развития образовательной робототехники Минпросвещения РФ (реализация государственных программ; поддержка WSR, НТИ олимпиады и т.д.);

- развитие сред и языков программирования робототехнических устройств;

- массовое производство разнообразных образовательных робототех-нических конструкторов;

- разработка школьными учителями авторских методик обучения детей основам образовательной робототехники, которые позволяют командам школьников ежегодно становиться призерами различных робототехнических соревнований.

Изменение методологии обучения учителя технологии XXI века сопровождается работой студентов старших курсов в кружках робототехники, что мотивирует бакалавров и магистрантов дополнительно изучать различные авторские методики и создавать свои рабочие программы, которые апробируются не только в кружках, но и на студенческих конференциях. Так реализуется цепочка: студент - исследователь - учитель - ученый.

Коронавирусная инфекция (COVID-19) в 2020 году заставила РГПУ им. А.И. Герцена перейти с 17 марта на дистанционное обучение, что проверило умения и навыки преподавателей и студентов в работе с университетской системой Moodle.

Выводы. Развитие методологии обучения студентов педагогического университета в области технологического образования в XXI веке является следствием внедрения образовательной робототехники в учебный процесс.

Учитель технологии в XXI веке должен:

- обладать знаниями о разных элементах образовательной робототехники;

- быть наставником школьников при подготовке к участию как в профилях НТИ олимпиады, так и экспертом в компетенциях WSR;

- уметь руководить кружком робототехники в рамках внеурочной деятельности.

Преподаватели и студенты вуза должны уметь работать с LMS Moodle, чтобы образовательный процесс не прерывался из-за внешних воздействий.

Результаты данного исследования адресованы педагогам и студентам педагогических вузов.

Литература

1. Ваганова О.И., Гладкова М.Н., Максимова К.А. Применение идей технологического подхода в профессиональном образовании // Балтийский гуманитарный журнал. 2019. Т. 8. № 4 (29). С. 108-110.

2. Гущин А.В. Модель системы развития информационно-технологического обеспечения высшего педагогического образования // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 5.; Режим доступа: http://science-education.ru/ru/article/view?id=21695 (дата обращения: 14.01.2020).

3. Концепция развития предметной области «Технология» (2-я версия). Режим доступа: https://www.preobra.ru/improject-1590 (дата обращения: 23.12.2019).

4. Министерство просвещения Российской Федерации. Режим доступа: https:// edu.gov.ru/activity/ (дата обращения: 06.01.2020).

5. Приказ Министерства образования и науки Российской Федерации № 1897 от 17 декабря 2010 г. (ред. 15.10.2018) «Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта основного общего образования». Режим доступа: https://docs.edu.gov.ru/document/8f549a94f631319a9f 7f5532748d09fa/ (дата обращения: 23.12.2019).

6. Пример учебной задачи. Режим доступа: https://www.youtube.com/ watch?v=Vk_MiZ6RHNk (дата обращения: 02.01.2020).

7. Пустыльник П.Н., Некрасова С.Б. Визуально-графическое программирование и предмет «Технология». Проблемы и перспективы внедрения свободного программного обеспечения в образовательных учреждениях Санкт-Петербурга. Материалы XII конференции. СПб.: ГБУ ДПО «СПбЦОКОиИТ», 2019. 75 с.

8. Teacher Education on Robotics-Enhanced Constructivist Pedagogical Methods. Published 2009 by School of Pedagogical and Technological Education (ASPETE). p. 294. Режим доступа: https://s3.eu-central-1.amazonaws.com/ro-botics-edu.gr/books/book_TeacherEducationOnRobotics-ASPETE.pdf (дата обращения: 12.01.2020).

9. What is CoSpace Robot? Режим доступа: https://www.cospacerobot.org (дата обращения: 22.12.2019).

References

1. Vaganova O.I., Gladkova M.N., Maksimova K.A. Application of ideas of technological approach in vocational education Baltijskij gumanitarnyj zhurnal [Baltic Humanitarian Journal]. 2019. T. 8. № 4 (29). pp.108-110 (in Russian).

2. Gushchin A.V. Model of the information technology support system for higher pedagogical education Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. [Modern problems of science and education]. 2015. - № 5; [Electronic resource] Available at: http://science-education.ru/ru/article/view?id=21695 (Accessed: 14 january 2020).

3. Koncepcija razvitija predmetnoj oblasti «Tehnologija» (2-ja versija). [The concept of development of the subject area "Technology" (2nd version)]. [Electronic resource]. Available at: https://www.preobra.ru/improject-1590 (Accessed: 23.12.2019.

4. Ministerstvo prosveshhenija Rossijskoj Federacii [Ministry of Education of the Russian Federation]. [Electronic resource]. Available at: https://edu.gov.ru/ac-tivity ( Accessed: 06 january 2020).

5. The Order of the Ministry of education and science of the Russian Federation No. 1897 of December 17, 2010 (ed. 15.10.2018) «About the approval of the Federal state educational standard of the basic general education». [Electronic resource]. Available at: https://docs.edu.gov.ru/document/8f549a94f631319a9f 7f5532748d09fa/ (Accessed: 23.12.2019).

6. Primer uchebnoj zadachi [Example of a training task]. [Electronic resource]. Available at: https://www.youtube.com/watch?v=Vk_MiZ6RHNk (Accessed: 02.01.2020).

7. Pustylnik P.N., Nekrasova S.B. Visual and graphic programming and the subject "Technology" Problemy i perspektivy vnedrenija svobodnogo programmnogo obespechenija v obrazovatel'nyh uchrezhdenijah Sankt-Peterburga. Materialy XII konferencii [Problems and prospects of implementation of free software in educational institutions of St. Petersburg. Proceedings of the XII conference]. SPb.: GBU DPO "SPb Center for quality assessment of education and information technology", 2019. 75 p.

8. Teacher Education on Robotics-Enhanced Constructivist Pedagogical Methods. Published 2009 by School of Pedagogical and Technological Education (ASPETE). p. 294. [Electronic resource]. Available at: https://s3.eu-central-1. amazonaws.com/robotics-edu.gr/books/book_TeacherEducationOnRobotics-AS-PETE.pdf (Accessed: 12.01.2020).

9. What is CoSpace Robot? [Electronic resource]. Available at: https://www.cospa-cerobot.org (Accessed: 22.12.2019).