Особенности преподавания элективного курса «Конструирование и программирование роботов» в общеобразовательной школе

УДК 373.1.02:372.8

О. С. Нетесова

ОСОБЕННОСТИ ПРЕПОДАВАНИЯ ЭЛЕКТИВНОГО КУРСА «КОНСТРУИРОВАНИЕ И ПРОГРАММИРОВАНИЕ РОБОТОВ» В ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ШКОЛЕ

Рассматривается пример программы элективного курса по конструированию и программированию роботов на базе комплекта Lego Mindstorms NXT 2.0 первого года обучения. Описываются особенности использования метода проектов, метода портфолио, метода взаимообучения, модульного метода и метода проблемного обучения в процессе преподавания робототехники для школьников.

Ключевые слова: робототехника, элективный курс, метод проектов, метод портфолио, метод взаимообучения, модульный метод, метод проблемного обучения.

В настоящее время на рынке труда одними из самых востребованных являются инженерные кадры высокого профессионального уровня, поэтому необходимость популяризации профессии инженера очевидна. Быстро растущая потребность создания роботизированных систем, используемых в экстремальных условиях, на производстве и в быту, предполагает, что даже пользователи должны владеть знаниями в области робототехники. Несмотря на явную актуальность тематики, в настоящее время наблюдается информационный дефицит у учащихся.

Средством восполнения информационного дефицита у учащихся в общеобразовательных учреждениях становятся элективные курсы, которые играют важную роль в профессиональном самоопределении старшеклассников. Подобные курсы связаны с удовлетворением индивидуальных потребностей каждого учащегося, его склонностями и интересами. Именно поэтому эффективность использования элективных курсов при обучении робототехники достаточно велика.

Содержание тем элективного курса по конструированию и программированию роботов зависит от материальной базы. Одной из таких материальных баз может стать комплект конструктора Lego Mindstorms NXT 2.0, в состав которого входят такие основные элементы, как блок NXT, сервомоторы и датчики (два датчика касания, ультразвуковой датчик и датчик цвета (света)). Для расширения комплекта можно использовать ресурсный набор, состоящий из дублирующих и дополнительных деталей.

Программное обеспечение для комплектов Lego Mindstorms NXT 2.0 представлено широким спектром сред программирования. В состав самого комплекта уже входит оригинальная графическая среда программирования NXT-G (рис. 1), позволяющая вовлечь в конструирование и программирование роботов даже учащихся начальных классов. Среда программирования Robolab (рис. 2) также может быть использована при работе с учащимися младших классов, а среды программирования RobotC (рис. 3), NXC и LabVffiW (рис. 4) рассчитаны на учащихся от 14 лет и старше [1].

Рис. 1. Среда программирования NXT-G

Рис. 2. Среда программирования Robolab

ffi ROBOTC - Classic Line Follow.c

шЩ

File Edit View Robot Window Help

D & 0

Ш «О О. I

© _C Constructs © Battery & Power Control & Bluetooth <£) • Math ©  Messaging $ Motors & Variables

bMotorReflected[]

motor[]

nMotorEncoder[] © Sensors $ Sound © Timing © User Defined

1

2

3

4

5

6

7

8 9

10

11

12

13

14

15

16

SensorType[Sl] = sensorLightActive; while

{

if (SensorValue[Sl] < 50) // light or dark? {

motor[raotorA] = 75; motor[motorC] = 0;

}

else

{

motor[motorA] = 0;

motor[motorC] = 75;

}

}

// 75% power // Stop

// Stop // 75% power

For Help, press FI

Ln 16, Col 2

R/W NUM

Рис. 3. Среда программирования NXC

Рис. 4. Среда программирования LabVIEW

Ниже приведен пример учебного плана элективного курса по конструированию и программированию роботов первого года обучения (автор ассистент кафедры информатики ФМФ ТГПУ О. С. Нетесова, курс проводился в Томском физико-техническом лицее в 2012/13 уч. г.).

Цель - изучение основ конструирования и программирования роботов на базе комплекта Lego Mindstorms NXT 2.0.

Категория слушателей - учащиеся 6-11-х классов средних образовательных учреждений.

Срок обучения - 128 часов на учебный год.

Форма обучения - очная.

Режим занятий - 4 ч в неделю.

Целесообразными методами, используемыми в процессе реализации элективного курса по конструированию и программированию роботов, являются такие, как метод проектов, метод портфолио, метод взаимообучения, модульный метод и метод проблемного обучения.

Е. С. Полат трактует метод проектов как способ достижения дидактической цели через детальную разработку проблемы, которая должна завершиться вполне реальным, осязаемым практическим результатом, оформленным тем или иным образом [4]. Использование метода проектов позволяет развивать познавательные и творческие навыки учащихся при разработке конструкций роботов по

Наименование разделов и дисциплин Всего часов Формы контроля

Введение в робототехнику. Понятие робот. Этапы развития робототехники. Классификация робототехнических конструкций. Основные элементы современных конструкций роботов и их функциональное назначение 2 Опрос, тестирование

Знакомство с конструктором Lego Mindstorms NXT 2.0. Блок NXT и его функции. Динамик. Экран. Датчики (касания, ультразвуковой, цвета (света)). Порты подключения и соединительные кабели. Принципы крепления деталей конструктора 4 Опрос

Основы конструирования. Ножницы и механический манипулятор. Механическая передача. Редуктор. Сервопривод. Одномоторная и полноприводная тележки. Тележка с изменением передаточного отношения 6 Практические задания

Дополнительные датчики и возможности их использования в конструкции роботов. Датчик освещенности. Датчик цвета. Датчик звука. Датчик температуры. Датчик угла наклона. Гироскопический датчик и инфракрасное излучение 2 Опрос, тестирование

Автономное программирование. Понятие алгоритма. Понятие программы. Линейный алгоритм. Постусловие и цикличность. Описание блоков автономного алгоритма. Алгоритм движения по кругу, вперед-назад, по квадрату и «восьмеркой». Запуск и отладка программы 14 Практические задания

Программирование в среде NXT-G. Стартовое окно Lego Mindstorms NXT. Интерфейс программы. Главное меню. Панель команд. Настройка параметров команд. Запуск и отладка программы. Ветвление (блок принятия решения). Цикл с параметром. Цикл с постусловием. Цикл и прерывание. Подпрограмма. Работа с переменными. Использование блока «случайное число» 22 Практические задания

Решение прикладных задач. Конкурсы, проводимые в России и за рубежом, и их регламент. Подготовка роботов к соревнованиям: движение по черной линии, движение по инверсной линии, кегельринг, лабиринт, лабиринт с препятствиями, сумо, ступеньки, сортировка. Моделирование, конструирование и программирование роботов по заданным функциональным возможностям 78 Практические задания

Итого 128

заданным функциональным особенностям для решения каких-либо социальных и технических задач. Самостоятельная работа над техническим проектом дисциплинирует учащихся, заставляет мыслить критически и дает возможность определить учащемуся свою роль в команде. Проектирование разработки модели робота предполагает два взаимосвязанных направления: конструирование и программирование, таким образом, учащийся имеет возможность самостоятельного выбора сферы деятельности.

По мнению И. А. Фатеевой, портфолио является достаточно важным проектом в процессе обучения, так как во время его разработки обучающийся осмысливает свои достижения, осознает возможности и формирует собственное отношение к получившимся результатам [5]. Метод портфолио предполагает формирование структурированной папки, в которую помещают уже завершенные и специально оформленные работы. Они позволяют отразить образовательную биографию и уровень достижений ученика или группы учащихся. Этот метод помогает при формировании докладов на конференции школьников, при разработке модели робота для выступления на соревнованиях различного уровня, при разработке плана на учебный период и т. д.

Метод взаимообучения своими истоками уходит в коллективный способ обучения. По мнению

В. К. Дьяченко обучение есть общение обучающих и обучаемых. Вид общения определяет и организационную форму обучения. Исторический анализ показывает, что развитие способов обучения основывалось на применении различных видов общения [6]. На занятиях элективного курса по конструированию и программированию роботов метод взаимообучения реализуется учениками самостоятельно, иногда даже без участия учителя. Разобравшись в решении какой-либо конструкторской задачи, учащиеся с удовольствием делятся своими знаниями с теми, кто испытывает затруднения при решении подобных задач. Таким образом, может сложиться ситуация, в которой учащиеся обучают самого учителя, что положительно влияет как на самооценку учащихся, так и на отношения с учителем.

П. А. Юцявичене отмечает, что сущность метода модульного обучения состоит в том, что обучающийся более самостоятельно может работать с предложенной ему индивидуальной программой, включающей в себя целевой план действий, банк информации и методическое руководство по достижению поставленных дидактических целей [7].

В основе инвариантных программ, являющихся важным компонентом модульного обучения, лежат

модули, представляющие собой профессионально значимые действия (учебные элементы). Достоинством модульной системы является гибкость, вариативность, возможность ее адаптации к изменяющимся условиям [8].

Таким образом, целесообразно содержание элективного курса по конструированию и программированию роботов разбить на следующие модули: основы конструирования, программирование и решение прикладных задач. Формирование структуры модулей может иметь циклический характер, т. е. повторение тематики модулей через короткие промежутки времени (от недели до 2 мес) или длинные промежутки времени (в пределах учебного года). В темах конструирования и программирования одного временного периода удобно рассматривать задачи единых проектов, чтобы у учащихся сформировалось целостное представление о реализации той или иной модели робота.

Под проблемным обучением В. Оконь понимает совокупность таких действий, как организация проблемных ситуаций, формулирование проблем, оказывание ученикам необходимой помощи в решении проблем, проверка правильности решений и руководство процессом систематизации и закрепления приобретенных знаний [9].

Метод проблемного обучения основан на создании проблемной мотивации и требует особого конструирования дидактического содержания материала, который должен быть представлен как цепь проблемных ситуаций. Этот метод позволяет активизировать самостоятельную деятельность учащихся, направленную на разрешение проблемной ситуации, в результате чего происходит творческое овладение знаниями, навыками, умениями и развитие мыслительных способностей. Практически каждую задачу, решаемую в процессе конструирования и программирования роботов, можно представить в качестве проблемной ситуации. Активизируя творческое и критическое мышление, учащиеся способны оптимизировать собственное решение задачи.

На практике, в процессе реализации элективного курса конструирования и программирования роботов, более продуктивным является применение совокупности нескольких методов обучения из выше описанных.

Пример реализации совокупности методов обучения.

Раздел 7. Решение прикладных задач.

Тема. Моделирование, конструирование и программирование роботов по заданным функциональным возможностям.

Группе учащихся из трех человек дается задание разработать модели роботов на базе комплекта

Lego Mindstorms NXT 2.0 с использованием свойств механической передачи.

Учащиеся разрабатывают план реализации задания:

1. Описать понятие «механическая передача». Определить виды механической передачи и области их применения в быту.

2. Разработать модели роботов на базе комплекта Lego Mindstorms NXT 2.0 с использованием механической передачи.

3. Сконструировать и запрограммировать разработанные модели.

4. Сформировать портфолио с использованием фото- и видеоматериалов.

5. Подготовить отчет о проделанной работе.

Уже само задание предполагает использование

такого метода, как метод проектов. Учащимся не-

ческая передача» и в качестве практического результата предоставить разработанные модели роботов.

В процессе реализации второго и третьего пунктов плана учащихся эффективно использовать метод проблемного обучения.

Использование метода портфолио оправдывается оформлением структурированной информации по реализации творческого задания. Учащиеся на всем протяжении выполнения задания собирают фото- и видеоматериал, описывают конструкции роботов и алгоритмы программ для этих роботов.

Метод взаимообучения реализуется на протяжении всей работы над заданием. Учащиеся самостоятельно определяют индивидуальные задачи для каждого участника группы, обсуждают результаты этапов работы. При решении сложных вопросов

обходимо детально рассмотреть понятие «механи- учащиеся используют взаимопомощь.

Список литературы

1. Филиппов С. А. Робототехника для детей и родителей. СПб.: Наука, 2011. 263 с.

2. Загвязинский В. И. Теория обучения: современная интерпретация: учебное пособие для вузов. 3-е изд., испр. М.: Академия, 2006.

192 с.

3. Официальный сайт Lego Mindstorms NXT. URL: http://mindstorms.lego.com/

4. Полат Е. С., Бухаркина М. Ю. Современные педагогические и информационные технологии в системе образования: учебное пособие. 3-е изд., стер. М.: Академия, 2010. 368 с.

5. Фатеева И. А., Канатникова Т. Н. Метод «портфолио» как приоритетная инновационная технология в образовании: преемственность

между средней школой и вузом // Молодой ученый. 2012. № 12. С. 526-528.

6. Дьяченко В. К. Сотрудничество в обучении. М.: Просвещение, 1991. 192 с.

7. Юцявичене П. А. Теория и практика модульного обучения. Каунас, 1989. 272 с.

8. Данильсон Т. С., Румбешта Е. А. Модульно-деятельностный подход в обучении физике // Вестн. Томского гос. пед. ун-та. 2010. Вып. 10. С. 35-38.

9. Оконь В. Основы проблемного обучения: пер. с польск. М.: Просвещение, 1968. 208 с.

10. Харина Н. В. Профессиональное образование в России: проблемы, пути решения // Научно-педагогическое обозрение. № 1. 2013.

С. 8-15.

Нетесова О. С., ассистент, аспирант.

Томский государственный педагогический университет.

Ул. Киевская, 60, Томск, Россия, 634041.

E-mail: olgasrn@mail.ru

Материал поступил в редакцию 14.05.2013.

O. S. Netyosova

TEACHING THE ELECTIVE COURSE “PROGRAMMING AND DESIGN OF ROBOTS” IN THE SCHOOL

The article deals with an example of the program of the elective course on designing and programming robots based on the set of Lego Mindstorms NXT 2.0 first year. The author describes peculiarities of use of project-based, method, portfolios, mutual learning method, the modular method and the method of problem-based learning in teaching robotics to children.

Key words: robotics, an elective course, method of projects portfolio method, method of mutual learning, modular method, problem-based learning.

References

1. Filippov S. A. Robotics for kids and parents. St. Petersburg, Nauka Publ., 2011. 263 p. (in Russian).

2. Zagvyazinsky V. I. learning theory: A modern interpretation: A manual for schools. 3rd ed., Rev. Moscow, Academia Publ., 2006. 192 p.

(in Russian).

3. Official site of Lego Mindstorms NXT URL: http://mindstorms.lego.com/

4. Polat Ye. S., Bukharkina M. Yu. Modern teaching and information technology in the education system. 3rd ed., Sr. Moscow, Academy Publ., 2010. 368 p. (in Russian).

5. Fateeva I. A., Kanatnikova T. N. Method “portfolio” as a priority for innovative technology in education: the continuity between the middle school

and high school. A young scientist, 2012, no. 12, pp. 526-528. (in Russian).

6. Dyachenko V. K. Cooperation in education. Moscow, Education Publ., 1991. 192 p. (in Russian).

7. Yutsyavichene P. A. Theory and practice of modular training. Kaunas, 1989. 272 p. (in Russian).

8. Danilson T. S., Rumbeshta E. A. Modular-active approach to teaching physics. Tomsk State Pedagogical University Bulletin, 2010, no. 10, pp. 35-38 (in Russian).

9. Okun V. Fundamentals of windows problem-based learning. Per. from Polish. Moscow, Education Publ., 1968. 208 p. (in Russian).

10. Kharina N. V. Vocational education in Russia: problems and solutions. Pedagogical Review, 2013, vol. 1 (1), pp. 8-15 (in Russian).

Tomsk State Pedagogical University.

Ul. Kievskaya, 60, Tomsk, Russia, 634041.

E-mail: olgasrn@mail.ru