Использование элементов робототехники при изучении физики в общеобразовательной школе

УДК 37.016:53

М.Г. Ершов

Использование

элементов

робототехники

при изучении физики

в общеобразовательной

школе

Аннотация: Статья «Образова-

тельная робототехника: тенденции развития и перспективы использования при изучении физики в общеобразовательной школе» рассматривает проблему включения образовательной робототехники в учебный процесс как в общем аспекте, так и, в частности, при преподавании физики. В статье раскрывается актуальность развития образовательной робототехники, описана федеральные программы и инициативы в области робототехники и варианты внедрения в учебный процесс.

Ключевые слова: образовательная робототехника, робот, лего-конструи-рование. МтйзЬогт ЫХТ, ЧПУ, физика, ЬаЬУ1Е\¥.

Сегодня в мире используются десятки миллионов роботов. Нет такой области человеческой деятельности, в которой человек не попытался бы создать себе автоматического помощника. В настоящее происходит поворот от исследовательского, или промышленного робота, функционирующего в среде, исключающей возможность нахождения в ней человека, к антропоморфным самоуправляемым системам, способным функционировать в непосредственном взаимодействии с человеком. Уже в ближайшем будущем развитие роботов значительно изменит образ жизни человека,требуя от него нового уровня мышления, нового уровня проектирования и обслуживания современного оборудования.

По мнениюэкспертов,в ближайшее время в роботехнике произойдут революционные изменения и роботы станут такими же до-

ступными, как сейчас компьютеры. Практически каждый из нас сегодня имеет дело с домашними роботами. Мы программируем бытовых роботов при выборе последовательности действий стиральной машины или задании записи телепередачи с телевизора. Каждый современный автомобиль включает в себя роботизированные системы. Мы можем встретить роботов на кухне, в медицинском кабинете, в поезде и магазине. Даже лифт является роботом,в программировании которого мы принимаем участие.

Робототехника все больше применяется на массовых производствах для автоматизации процессов, включая сложнейшее оборудование с числовым программным управлением. Создаваемые технические системы способны исследовать не только поверхности удаленных планет и глубины океана, но и внутреннее строение человеческих органов, а также молекулярную структуру органических и неорганических веществ на наноуровне. Робототехнические системы представляют собой устройства, позволяющие наиболее адекватно смоделировать характеристики и принципы управления, соответствующие некоторым функциям человеческого тела.

По данным японской ассоциации робототехники, размещенным на сайте «BYTE/ Россия» (http://www.bytemag.ru/),мировое финансирование развития рынка робототехники увеличится от 24,9 миллиарда долларов в год в 2010 году до 66,4 миллиарда долларов в год к 2025 году. При этом существенный прирост дадут такие сферы, как биопромышленность,медицина и,в особенности, бытовая робототехника. Рынок услуг за этот же период должен увеличиться с 17,1 миллиарда долларов в год, до 51.7 миллиарда долларов в год.

Человек и робот пребывают в сложных взаимоотношениях. Человек - это творец робота, но в какой-то мере и его продукт. В ближайшем будущем в индустрии будет смещаться акцент с производства инструментов и механизмов на устройства, которые будут создавать роботов. Многие бытовые роботы имеют режимы настройки и программирования. Хотя большинство населения не имеют навыков программирования,эра роботизации будет изменять сознание человека и «учить»

© Ершов М.Г., 2011 86

простейшим формам программирования, как это уже произошло с функцией настройки. Многие люди уже умеют настраивать свой сотовый телефон, телевизор, холодильник и т.д. Программирование в режиме меню позволит многим освоить наиболее простые формы программирования и, преодолевая страх новизны, пользоваться бытовыми роботами. Для обслуживания и ремонта роботов будут необходимы специалисты, владеющие программированием на более высоком уровне.

В связи с этим возникает задача подготовки квалифицированных кадров, способных управлять сложнейшей техникой. В целях успешного развития промышленной робототехники в настоящее время все больше внимания уделяется проблеме изучения элементов робототехники, а образовательная робототехника в школе приобретает все большую значимость и актуальность.

Для поддержки талантливой молодежи Президентом Российской Федерации в феврале 2010 года была утверждена ЕГацио-нальная образовательная инициатива «Е[аша новая школа», в которой уделяется особое внимание проблеме поиска, поддержки и сопровождения талантливых детей: «...уже в школе дети должны получить возможность раскрыть свои способности, готовиться к жизни в высокотехнологичном конкурентном мире...». В материалах видеоблога Дмитрия Медведева приведен ответ Президента на вопрос о значимости развития робототехники в России: «Убежден,что робототехника - достойная замена мировому автопрому, который все больше сдувается не без усилий со стороны Китая. Этот товар может стать самым востребованным в ближайшие 30 лет. Е1а мой взгляд,это более перспективное направление, чем нанотехнологии» (http:// blog.kremlin.ru/accounts/ 14881?page=18).

С 2008 года в России под патронажем Федерального агентства по делам молодежи Фонда поддержки социальных инноваций «Вольное дело» реализуется общероссийская программа выявления и продвижения перспективных кадров для высокотехнологичных отраслей «Робототехника: Инженер-но-технологические кадра инновационной России». Данная программа представляет собой систему многоуровневого непрерыв-

ного образования в сфере высоких технологий для детей, подростков, молодежи в возрасте от 8 до 30 лет, которая обеспечивает вовлечение в научно-техническое творчество, раннюю профориентацию, эффективную реализацию талантливой молодежью своего потенциала.

Программа разработана по трем направлениям:

- общая робототехника (8-17 лет) Задачей этого направления является вовлечение школьников в научно-техническое творчество, повышение общей технической грамотности и ранняя профориентация в системе общего образования;

- профессиональная робототехника (14-30 лет). Данное направление является дополнением к действующей системе профессионального образования в технической сфере и предполагает доступ к передовым технологиям, практикой их применения;

- инновации и предпринимательство (16-30 лет). Здесь организуется содействие в реализации молодежных инновационных и предпринимательских инициатив; обеспечении самозанятости молодежи в сфере высоких технологий, создании бизнесов в сфере высоких технологий.

В основе программы - повышение квалификации в процессе решения конкретных прикладных задач и ее публичная демонстрация в формате открытых технических соревнований. Программа представляет собой единый цикл учебно-тренировочных и спортивно-технических мероприятий, кульминацией которого является Всероссийский робототехнический фестиваль.

По прогнозу авторов программы, к 2014 году свои команды для участия в соревнованиях выставит каждая двадцатая общеобразовательная школа, каждое пятое учебное заведение начального или среднего профессионального образования и каждый второй технический вуз. Всего к 2014 году планируется охватить 2,5% обучающихся в системе образования России. Е[а диаграмме 1 указано планируемое в программе количество участников к 2014 году, на диаграмме 2

- число ресурсных центров и на диаграмме 3 - количество команд-участниц соревнований по робототехнике.

Диаграмма 1 Общее число участников программы, тыс. чел.

2009 г. 2010 г. 2011г. 2012 г. 2013 г. 2014 г.

Диаграмма. 2

Число ресурсных центров програмым, шт.

500 ' 450

4М) '

400 '

350 '

300 ' 250

250 '

200 '

150 ' 90

100 ' 20 50

50 5

0 2009 г. 2010 г. 2011г. 2012 г. 2013 г. 2014 г.

Диаграмма 3 Число команд-участниц региональных и федеральных соревнований

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

1200

800

550

168 250

20 1 1 1 1 1

2009 г. 2010 г. 2011г. 2012 г. 2013 г. 2014 г.

Во многих регионах России образовательная робототехника успешно развивается на протяжении уже нескольких лет. Среди них - Московская область, Санкт-Петербург, Архангельск, Новосибирск и некоторые другие. Челябинск - один из ведущих городов России по развитию робототехники. Легокон-струирование становится сегодня одним из основных средств в изучении информатики, физики, технологии, биологии и других предметов, что позволяет достичь очень высоких результатов. Системность работы Министерства образования Челябинской области в направлении развития робототехники началась в 2007 году с приобретения робототехнических комплексов для каждого образовательного учреждения. На протяжении последних четырех лет поддерживается Лего-движение. Количество педагогов, преподающих Лего, превышает 700 человек, а количество детей, осваивающих эти технологии, - 6000 человек. От Челябинской области на Всероссийский этап состязаний роботов в 2010 году было представлено 18 команд, из которых 11 стали победителями и призерами; на международный этап - 6 команд, среди них также есть призеры.

В приложении 12 к письму Министерства образования и науки Челябинской области от 03.08.2009 г. № 103/3431 «О преподавании учебного предмета «Физика» в общеобразовательных учреждениях Челябинской области в 2009 - 2010 учебном году» содержатся рекомендации по внедрению Лего-техноло-гий: «...Современная организация учебной деятельности требует того, чтобы теоретические обобщения учащиеся делали на основе результатов собственной деятельности. Для учебного предмета «физика» это учебный эксперимент. Принципиально изменились роль, место и функции самостоятельного эксперимента при обучении физике: учащиеся должны овладевать не только конкретными практическими умениями,но и основами естественнонаучного метода познания, а это может быть реализовано только через систему самостоятельных экспериментальных исследований. 1^о-конструкторы существенно моби-лизируют такие исследования. Особенностью преподавания учебного предмета «Физика» в 2009/2010 учебном году является использование образовательных Лего-конструкторов, которые позволяют в полной мере реализо-

вать принцип личностно-ориентированного обучения, провести демонстрационные эксперименты и лабораторные работы, охватывающие практически все темы курса физики и выполняющие не столько иллюстративную функцию к изучаемому материалу, сколько требующие применения исследовательских методов, что способствует повышению интереса к изучаемому предмету».

Достаточно интересные идеи использования лего-роботов в учебном процессе представлены в цикле видеолекций издательства Бином «Уроки робототехники в школе»

Проблемы образовательной робототехники обсуждаются на многочисленных семинарах, конференциях и форумах, проходящих в различных регионах Российской Федерации.

Анализируя опыт многих школ, внедряющих лего-конструирование, можно обозначить общие подходы к построению системы использования конструкторов типа Лего на различных ступенях школьного образования:

1. Начальная школа. Конструирование, начальное техническое моделирование. Для этого используются обычные конструкторы Лего в любой модификации и конструктор «We Do» с элементами робототехники, который дает возможность построить 12 моделей по инструкции. Благодаря датчику поворота и датчику расстояния созданные конструкции реагируют на окружающий мир. Программируя через компьютер, ребенок может наделять интеллектом свои модели. В комплект входят 158 деталей,в том числе - блок для подключения к USB, два типа сенсоров, мотор, программное обеспечение, инструкции по сборке и программированию.

2 В основной школе усложняется как уровень моделирования,так и уровень программирования роботов, предполагающий более сложные языки программирования. В качестве базового оборудования предлагается ЛЕГО конструкторы Mindstorm NXT. Эти конструкторы уже повсеместно в мире используются при обучении детей робототехнике в школах. К сожалению,пока нет аналогов, удовлетворяющих всем условиям: качеству, возможности, системности, цене. Наиболее популярным он является и в нашей стране. Кроме него в России получили признание

конструкторы компании «Fischertechnik» (Германия). Существуют и такие комплексы, как,например, Mechatronics Control Kit, Festo Didactic и другие. Для программирования микропроцессоров используются объектно-ориентированные языки программирования Robolab, Robo pro и другие. Кроме того, компания Лего выпустила несколько разновидностей наборов для использования на занятиях по физике:

• Технология и физика;

• Возобновляемые источники энергии;

• Энергия, работа, мощность.

3. В старшей школе углубляется изучение программирования и повышается уровень сложности конструирования робототехнических комплексов. Одним из вариантов комплексного развития робототехники является освоение станков с числовым программным управлением. Примером одного из языков программирования,который способны осваивать старшеклассники, является язык LabVIEW, применяемый во многих отраслях промышленности, включая космические.

В связи с появлением новых возможностей в организации учебного процесса можно назвать следующие его компоненты, в которые встраивается робототехника:

1. Урочные формы работы: демонстрационный эксперимент, лабораторные работы, практикум.

2. Клубная и кружковая формы работы.

3. Исследования, участие в НПК, конкурсах, включая дистанционные и сетевые формы.

Если говорить об этапах развития образовательной робототехники, то на первых эта-

пах робототехника выступает как внеклассная форма работы,переходя, далее,в основной учебный процесс. В физическом образовании использование элементов робототехники имеет следующие возможности:

- робот как средство решения практической задачи (демонстрация использования датчиков и других систем роботов);

- робот как средство изучения (датчики робота используются как измерительная система);

- робот как объект изучения (изучение физических принципов работы датчиков);

- робот как объект технической модернизации (проектно-исследовательская работа, использование робота в новых условиях, разработка датчиков, совместное использование роботов с другими системами).

Так как в новых условиях роботы становятся средством и объектом изучения учебного предмета, то необходимо определить цели использования робототехники в физике:

- повышение качества образовательной деятельности за счет использования мотивации детей к занятиям робототехникой;

- актуализация физики в проектировании и использовании современной техники;

- усиление профильной и предпрофильной подготовки.

Соотнесение задач школьного курса физики с требованиями современного развития техники обостряет проблему гармоничного встраивания робототехники в учебный предмет. Эффективность использования новых приемов и методик должна быть гарантирована и требует дальнейшего исследования и апробации.

УД к’ 37.025.7

Н.В. Жужгова

Формирование

исторического

мышления в условиях

современного

образования

Аннотация: . Автором статьи ставится вопрос о необходимости изменения концепции преподавания истории с целью формирования культуры исторического мышления как основы идеальной модели ценностной системы исторического образования. Необходимо усвоить, что цель и смысл изучения истории не задаются извне, а носят конвенциональный характер, т. е. определяются двумя сотрудничающими субъектами - учителем и учеником. На этой основе рождается диалог, без которого невозможно сделать историческое образование сферой самореализации личности.

Ключевые слова: образование,

история, культура исторического мышления, мировоззрение, аксиологическая модель, мотивация.

Перед отечественными преподавателями истории в последнее время возникли проблемы, которые невозможно решить в пределах ранее существовавших систем знаний. Традиционно в каждом поколении советских людей воспроизводилось сознание сопричастности к созиданию «прекрасного будущего». В любом возрасте главной обязанностью было усвоение традиций, символов и этических норм, принятых в социалистическом обществе. Открытие собственного несовершенства являлось главной движущей силой, истоком всех нравственных усилий человека. В исторической науке решение эвристических проблем рассматривалось через призму идеологии, а учитель истории являлся проводником основных идеологических догм и различного типа политических сентенций. Перед системой исторического образования ставилась задача формирования коммунистического мировоззрения.

© Жужгова Н.В., 2011

Принимались партийные и государственные документы, которые жестко директировали цели и основные параметры функционирования этой системы. Например, в Постановлении ЦК КПСС «О дальнейшем улучшении идеологической, политико-воспитательной

работы» указывалось, что «сердцевиной идеологической, политико-воспитательной работы было и остается формирование у советских людей научного мировоззрения, беззаветной преданности делу партии, коммунистическим идеалам, любви к социалистической Отчизне, пролетарского интернационализма» (Учительская газета, 1979).Утверждалось,что развитие мышления учащихся в качестве задачи школы обуславливалось необходимостью процветания нашего общества. Учебная литература являлась результатом особого типа фильтрации исторической информации. Ученик был объектом, на который транслировали ту информацию, которая соответствовала правилам игры власти с обществом в условиях административно-командной системы. До настоящего момента некоторые учебники предлагают рассматривать историю человечества под таким углом зрения.

Однако существуют и иные подходы к объяснению и пониманию исторического процесса. Один из родоначальников теории ценностей, немецкий философ Генрих Риккерт, предложил различать «науки о природе» и «науки о культуре». Науки о культуре, или исторические науки, опираются на метод индивидуализирующий, задача которого - отражать уникальность, неповторимость явлений мира культуры. Экзистенциалист Карл Ясперс писал: «История совершается там, где жили и живут люди. Изучение исторической жизни позволяет наблюдать, как из чисто природного существования людей вырастают своеобразные социальные организмы, особенные формы жизни, как принято говорить,своеобразные культуры. Обращение к прошлому приобщает нас к тайнам человеческого бытия» (Ясперс, 1991: 29). Вопрос в том, как приобщиться к тайнам бытия? В чем сущность исторического познания, какие определяющие принципы лежат в основе познания социальной реальности?

М.М. Бахтин противопоставлял два метода познания мира: объяснение, «мысль о мире»,об объективированных процессах природы, независимых от познающего субъекта,