Применение конструирования ипрограммирования робототехнических устройств вобучении как инновационная образовательная технология
Данилов Олег Евгеньевич, кандидат педагогических наук, доцент
Глазовский государственный педагогический институт имени В. Г. Короленко
В статье рассматривается ситуация, которая существует на данный момент в отечественной системе образования и связана с внедрением в учебный процесс образовательной робототехники. Приводятся примеры робототехнического оборудования, которое может быть использовано в обучении. Перечислены умения и навыки, которыми должны владеть специалисты, обучающие созданию и программированию робототехнических систем.
Ключевые слова: датчики, микроконтроллер, образовательная робототехника, программирование, робот, робототехника, Arduino, LEGO
Статья написана при финансовой поддержке РГНФ и Министерства образования и науки Удмуртской Республики в рамках научного проекта № 16–16–18009 а(р) «Методология формирования профессиональной компетентности учителя физики на основе использования им информационных технологий в своей профессиональной деятельности» (региональный конкурс «Урал: история, экономика, культура» 2016 — Удмуртская Республика).
Система взаимосвязанных видов деятельности, которая обеспечивает появление инноваций в образовании, включает [1]:
– научно-исследовательскую деятельность, направленную на получение новых знаний о том, как что-то может быть открыто, и о том, как что-то может быть изобретено;
– проектную деятельность, направленную на разработку особого инструментально-технологического знания о том, как на основе научного знания нужно действовать в конкретных условиях, чтобы получилось необходимый результат;
– образовательную деятельность, направленную на профессиональное развитие субъектов определенной практики и на формирование у каждого из них личного опыта о том, что и как они должны делать, чтобы реализовывать свои знания на практике.
Считается, что инновационное образование — это развивающее и развивающееся образование. Современное содержание обучения предполагает не столько освоение предметных знаний, сколько развитие компетенций, адекватных современной практике. Это содержание должно быть хорошо структурировано и представлено в виде учебных материалов, которые передаются с помощью современных средств коммуникации. Современные методы обучения — это методы формирования компетенций, основанные на активном взаимодействии обучающихся с педагогом и между собой (т. е. основанные на вовлечении обучающихся в учебный процесс, а не только на пассивном восприятии ими учебного материала). Выделяют следующие инновационные технологии обучения:
– информационно-коммуникационные технологии в предметном обучении;
– личностно-ориентированные технологии в преподавании предмета;
– информационно-аналитические технологии, обеспечивающие учебный процесс и его управление;
– технологии мониторинга интеллектуального развития;
– воспитательные технологии;
– дидактические технологии;
– психолого-педагогические технологии сопровождения внедрения инновационных технологий в учебно-воспитательный процесс.
В настоящее время появился такой термин как «образовательная робототехника». Энтузиасты, пропагандирующие внедрение робототехники в учебный процесс, считают, что она вписывается в дополнительное образование, во внеурочную деятельность и в преподавание предметов школьной программы в соответствии с требованиями ФГОС [9]. По их мнению, она подходит для всех возрастов — от дошкольников до профессионального образования (правда, термин, обозначающий эту ступень образования, почему-то уходит из современной терминологии). Обучение детей с использованием робототехнического оборудования — это обучение в процессе игры и техническое творчество одновременно, что способствует воспитанию активных, увлеченных своим делом людей. Предполагается, что создание и программирование роботов на занятиях в обычных школах, детских садах и учреждениях дополнительного образования обеспечивает равный доступ детей всех социальных слоев к современным образовательным технологиям.
Несмотря на популярность этого направления, существует много проблем, которые еще предстоит решить. Многие говорят о школьной робототехнике, как о сложившейся практике использования робототехнических наборов в общем и дополнительном образовании, а также в соревновательной деятельности школьников. При этом подразумевают под робототехникой особый вид образовательного оборудования, которое позволяет вести занятия с детьми школьного возраста на интересном и современном уровне. Высшие учебные учреждения часто рассматривают робототехнику как отдельную специальность (направление обучения), которая связана с кафедрами и специалистами (бакалаврами и магистрами), которых они готовят. Наверное, образовательная робототехника должна быть органично встроена в общее, дополнительное и профессиональное образование. Также ясно, что для каждого возраста обучающихся должны ставиться различные образовательные задачи.
При Министерстве образования и науки Российской Федерации создан Координационный совет по робототехнике. В его состав под председательством министра вошли ректоры ведущих технических вузов России, а также руководители Фонда перспективных исследований, Главного научно-исследовательского испытательного центра робототехники Министерства обороны России, Федерального института развития образования, Федерального космического агентства, Центрального научно-исследовательского и опытно-конструкторского института робототехники и технической кибернетики, Санкт-Петербургского института информатики и автоматизации Российской академии наук, Института проблем механики имени А. Ю. Ишлинского Российской академии наук и другие специалисты.
Сейчас, чаще всего, соревновательная робототехника является продолжением тех знаний, которые обучающиеся получают в рамках основной учебы. На профессиональном уровне за создание механической часть робота отвечают механики, силовой части — электрики, компьютерной части — электронщики и программисты. Учитель, занимающийся созданием роботов с образовательными целями, — это тот, кто занимается всем этим сразу. Робототехника в школе — это вид развивающего учебного оборудования, которое используется для того, чтобы лучше усвоить учебный материал образовательной программы и получить дополнительные умения и навыки. Использование робототехнического оборудования на занятиях — это обучение и техническое творчество одновременно, что способствует воспитанию активных, увлеченных своим делом людей, обладающих инженерно-конструкторским мышлением. Однако, реализация модели технологического образования требует соответствующих методик и технологий обучения. И каждая из них должна соответствовать возрасту обучающихся.
Для дошкольников важна пропедевтика, подготовка к школе с учетом требований ФГОС. Это подготовительный курс к занятиям техническим творчеством в школьном возрасте. Работа в школе должна быть направлена на формирование заинтересованности школьника в исследовании физических свойств предметов, явлений окружающего мира, в получении технического образования. Объединить теорию и практику возможно, если использовать образовательную робототехнику при изучении различных школьных предметов. Например, в начальных классах образовательную робототехнику можно применять на уроках окружающего мира, математики, технологии, что обеспечит существенное воздействие на развитие у учащихся речи и познавательных процессов (сенсорное развитие, развитие мышления, внимания, памяти, воображения), а также эмоциональной сферы и творческих способностей. В средней и старшей школе учащиеся должны не столько заниматься робототехникой, сколько использовать ее как некий интерактивный элемент, с помощью которого теоретические знания закрепляются на практике. Образовательную робототехнику можно использовать на уроках математики, информатики, физики, технологии, химии, астрономии, биологии и экологии. Уже разработаны соответствующие практикумы для учащихся 5–9 классов [5]. В состав методического обеспечения таких практикумов входят сборник практических заданий и методические рекомендации для педагогов. На ступени профессионального образования встраивание робототехники в образовательный процесс помогает обучающемуся развивать в себе технические наклонности. Здесь робототехника позволяет реализовать уже профессиональные знания через моделирование, конструирование и программирование.
Что касается организации внешкольного образования, то здесь образовательная робототехника уже занимает достойное место. Обучающиеся могут заниматься в творческих объединениях, на факультативах, посещать занятия на базе учреждений дополнительного образования. Формы работы могут быть разнообразными: общеразвивающие занятия для учащихся начального и среднего школьного звена, проектно-исследовательская деятельность в научных обществах для старшеклассников и т. п. Организация объединений по робототехнике позволяет решить целый спектр задач, в том числе привлечение детей группы риска, создание условий для самовыражения, создание ситуации успеха. Робототехника — это еще и способ организации досуга детей и подростков с использованием современных информационных технологий. Кроме того, благодаря использованию образовательных конструкторов можно выявить одаренных детей, стимулировать их интерес и развивать навыки практического решения актуальных задач.
Существует целая система соревнований по робототехнике разного уровня: региональные, межрегиональные, всероссийские и международные соревнования. Они имеют некоторые существенные отличия от других конкурсных мероприятий, среди которых:
– высокая зрелищность (участники мероприятий видят работы своих сверстников, передовые инженерно-технические достижения, новые решения в области робототехники);
– высокая состязательность (что позволяет выявить наиболее подготовленные команды участников, способные оперативно решать поставленные задачи);
– высокая азартность (стремление участников к лидерству, быстрому и эффективному решению поставленной задачи).
Рис. 1. Робот с четырьмя ведущими колесами и управляемым ультразвуковым датчиком расстояния
Выбор комплектов для образовательной робототехники обычно осуществляется между двумя наиболее распространенными вариантами: наборы на базе конструктора LEGO или наборы на базе микроконтроллеров типа Arduino [4; 7, с. 5–10]. Концепция LEGO предполагает, что набор прост в освоении детьми и педагогами. Необходим минимум времени, чтобы начать занятия. Разработаны готовые комплекты; существует федеральная и региональная инфраструктуры подготовки кадров, много специальной методической литературы; накоплен большой опыт, которым обмениваются педагоги; налажены каналы поставок оборудования; существуют поддержка закупок в виде грантов и международная соревновательная база. К недостаткам наборов относят закрытость и малую гибкость системы, а также низкие технические характеристики. Тем не менее, известно большое количество проектов, выходящих за рамки предлагаемых фабричных вариантов. Отметим, что наряду с комплектами LEGO Education WeDo и LEGO Mindstorms Education существуют и другие, подобные им, робототехнические наборы от иностранных производителей: TETRIX, MATRIX, Robotis OLLO, Robotis Bioloid, Hovis Lite, VEX EDR, VEX IQ, VEX PRO, Robo Wunderkind, MOSS, Engino Robotics Platform, fischertechnik, RoboRobo и др. Отечественная разработка в данном направлении — это кибернетический конструктор ТРИК. У наборов на базе Arduino присутствует большая гибкость, есть простор для творчества, растет популярность, возможна закупка относительно дешевых комплектующих по частям, может быть создан соответствующий LEGO по методическому функционалу комплект. Однако здесь предъявляются более высокие требования к уровню подготовки педагогов, а ранг соревнований пока ниже по статусу. Существуют также готовые наборы конструкторов на базе микроконтроллеров типа Arduino, в том числе и отечественных производителей: #Структор, Multiplo, Makeblock, HUNA-MRT и др. Наиболее распространенными программируемыми системами в данном направлении развития образовательной робототехники являются роботы, объезжающие препятствия (рис. 1), и роботы, движущиеся по линии (рис. 2).
Полностью самодельные системы [6; 8] позволяют более глубоко изучать электронику и приблизиться к промышленным разработкам, но высокие требования, предъявляемые к знаниям, умениям и навыкам педагогов и обучающихся [2; 3], сильно снижают вероятность масштабного использования этого опыта.
В настоящее время практически нет дефицита информации по теме «Образовательная робототехника». Однако учителя нуждаются в курсах повышения квалификации по данному направлению. Существует несоответствие между необходимостью включения робототехники в учебный процесс для достижения учащимися образовательных результатов, востребованных на рынке труда, и недостаточной разработанностью этого вопроса в педагогической науке. Внедрение этого направления обучения в школьную практику демонстрирует, что требования к информационной компетентности педагогов вновь возрастают. Педагог должен быть мобильным, современным, готовым к разработке и внедрению инноваций в свою деятельность.
Рис. 2. Робот с двумя ведущими колесами и двумя датчиками для определения освещенности поверхности
Нужна не только переподготовка (или повышение квалификации) педагогов, но и подготовка новых специалистов, которые должны знать современное состояние и перспективы развития образовательной робототехники в школе как интегративной учебной дисциплины, ее место и роль в системе общего образования; подходы к планированию учебного процесса по курсу физики, информатики и технологии с использованием робототехнического модуля в своем составе; методику использования средств робототехники и требования к комплектации кабинета и учебного оборудования для занятий по робототехнике. Эти специалисты должны уметь анализировать цели и содержание курсов информатики, физики и технологии с применением робототехнических устройств для разных ступеней образования; проектировать образовательный процесс по курсу физики, информатики и технологии в режиме интеграции с возможностями образовательной робототехники, отбирать содержание модуля робототехники для встраивания в предметные курсы, подбирать методы, организационные формы и комплекс средств обучения; организовать образовательный процесс по курсу физики, информатики и технологии в различных типах образовательных учреждений на базовом и профильном уровнях с использованием возможностей робототехнических комплексов; использовать дидактический потенциал образовательной робототехники, специального оборудования, средств информационных технологий в реализации образовательного процесса по преподаваемому курсу; организовать внеурочную деятельность обучающихся в области образовательной робототехники; осуществлять проверку и оценку результатов обучения робототехнике, ее влияния на достигнутые образовательные результаты школьников при изучении других дисциплин. Они должны владеть основными навыками конструирования и программирования роботов; приемами разработки и применения необходимых учебно-методических материалов в области образовательной робототехники, использования интерактивных комплексов, геоинформационной системы, цифровых лабораторий, виртуальных конструкторов в образовательном процессе; методами организации различных видов деятельности учащихся при изучении физики, информатики и технологии, в том числе проектной и исследовательской деятельности школьников в области современных направлений ИТ-отрасли; способами организации коллективной, групповой и индивидуальной деятельности учащихся при освоении изучаемых курсов, эффективного сочетания этих форм учебной деятельности на уроках и внеурочной деятельности; методами сравнения и отбора наиболее эффективных средств информационных технологий, поддерживающих виды учебной деятельности, адекватные планируемым образовательным результатам изучения информатики, физики и технологии.
Литература:
- Бондаренко О. В. Современные инновационные технологии в образовании / О. В. Бондаренко // Электронный журнал «РОНО». — 2012. — № 16. — Электрон. дан. — Режим доступа: https://sites.google.com/a/shkola/ejrono_1/vypuski-zurnala/vypusk-16-sentabr-2012/, свободный. — Загл. с экрана.
- Данилов О. Е. Изучение основ цифровых измерений со школьниками / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2015. — № 8. — С. 66–71.
- Данилов О. Е. Изучение школьниками принципов цифровых измерений физических величин / О. Е. Данилов // Информатизация образования и науки. — 2016. — № 3. — С. 67–75.
- Данилов О. Е. Обучение аппаратному моделированию на базе микроконтроллерных плат / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2015. — № 5. — С. 141–143.
- Копосов Д. Г. Первый шаг в робототехнику. 5–6 классы. Практикум / Д. Г. Копосов. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2014. — 292 с.
- Предко М. 123 эксперимента по робототехнике / М. Предко; пер. с англ. В. П. Попова. — М.: НТ Пресс, 2007. — 544 с.
- Соммер У. Программирование микроконтроллерных плат Arduino/Freeduino / У. Соммер. — СПб.: БХВ-Петербург, 2012. — 256 с.
- Трамперт В. Измерение, управление и регулирование с помощью AVR-микроконтроллеров: Пер. с нем. / В. Трамперт. — Киев: «МК-Пресс», 2007. — 208 с.
- Федеральный государственный образовательный стандарт среднего (полного) общего образования / М-во образования и науки Рос. Федерации. — М.: Просвещение, 2013. — 63 с.
