Статья посвящена кругу вопросов, связанных с использованием робототехники в учебном процессе по физике. Данная статья может стать методической помощью специалистам и педагогам образовательных учреждений, ведущим практическую деятельность по реализации образовательных программ в области робототехники и физики. В настоящей статье рассматривается применение робототехники в учебном процессе по физике (по направлению переработка мусора) и особое внимание уделено формированию исследовательской компетенции педагогов и учеников. Также описаны возможности использования учебных наборов по робототехнике на занятиях по физике в средней школе. Изучение научных основ робототехники, основанное на понимании междисциплинарного характера процесса моделирования и проектирования роботов, особое место в этом таких предметов, как технология, физика, экология, математика и информатика.
Ключевые слова: четвертая революция, робототехника как предмет исследования курса физики, исследовательская компетентность, переработка мусора.
Сегодня мы находимся в начале катастрофической промышленной революции, которая радикально изменит жизнь всех нас, нашу работу и наши повседневные отношения. По масштабам, силе и сложности эта четвертая революция превзошла все другие явления в истории человечества с точки зрения революций.
В книге «Четвертая промышленная революция» Клаус Шваб предсказал потенциал таких катастрофических изменений, обогатил их и исследовал способы их использования на благо человечества. Мы станем свидетелями удивительного технологического прорыва во всех областях. Хотя многие из этих инноваций все еще находятся в зачаточном состоянии, он пишет: «В любом случае они обладают огромной силой для взаимодействия, подпитки друг друга и интеграции физики, биологии и цифровых технологий в единое ядро [1].
А кандидат педагогических наук М. Г. Ершов в своей исследовательской работе «Робототехника как предмет исследования курса физики», приводя ряд примеров: Особенности преподавания робототехники в курсе физики, раскрыл иерархическую структуру кибернетической модели робототехники. Это позволило автору обозначить академические темы курса физики для исследования робототехнических систем [2].
Одним из важнейших стратегических направлений страны сегодня является развитие промышленности, требующей квалифицированных специалистов. В качестве инициативы по реализации данной стратегии с целью подготовки квалифицированных специалистов учебных заведении, то есть школы, занимаются адаптацией учителей и учащихся в этой области, углубленным изучением робототехники и модернизацией знаний учащихся.
В связи с тем, что робототехника в Казахстане очень молода, мы пока не достигли значительных результатов. В школе преподают робототехнику, есть кружки.
На сегодняшний день проведен опрос об отношении учащихся к курсу робототехники, их интеграции с другими дисциплинами, важность роботов в организации чистоты окружающей среды.
На вопрос «Удовлетворены ли вы нынешним курсом робототехники в школьной программе?» 70 % респондентов ответили положительно, 25 % остались недовольны, а 5 % не прошли курс обучения робототехнике.
Многие считают, что существует связь между робототехникой и физикой, а 85 из 103 респондентов считают, что для работы с робототехникой необходимо углубить свои знания по физике.
Также было высказано предположение, что «знания робототехники и физики могут быть использованы для создания устройств, которые помогут очистить окружающую среду», «помочь сохранить окружающую среду в чистоте, важно построить робота для переработки отходов».
Анализ результатов опроса показывает, что небольшой процент респондентов все еще не знаком с робототехникой, поскольку это очень молодая область науки. Однако отрадно, они хотят углубить свои знания робототехники в связи с другими дисциплинами, включая физику и экологию. Это, в свою очередь, приведет к изучению того, как реализовать интеграцию робототехники, физики, экологии.
В школе учащиеся, интересующиеся робототехникой, участвуют в конструировании, эксплуатации и использовании роботов. Описанная выше предметная интеграция физики, экологии и робототехники требует научного исследования.
Хотелось бы особое внимание уделить формированию исследовательской компетенции.
Современный специалист — это уже не исполнитель, работающий по строгому алгоритму в реальных условиях действия, а исследователь умеющий работать с информацией, готовый к самостоятельному развитию и самообразованию.
Исследовательская компетентность обучающегося — это готовность к эффективной учебно-исследовательской и научно-исследовательской работе, готовность к самообразованию и самосовершенствованию, интеграция исследовательских действий в единое целое, определяющая динамику перехода от исполнительской к творческой и созидательной деятельности [3].
Следует отметить, что исследовательская компетенция — это совокупность взаимосвязанных компетенций, включающих знания, навыки и опыт.
Физическая основа робототехники как перспективная область полностью нацелена на решение проблемы развития исследовательской компетенции.
Это связано с тем, что большинство задач, которые ставятся перед учеником по робототехнике, не имеют готового решения.
В выполненных исследованиях (Л. Г. Белиовская, Д. А. Каширин, Д. Г. Копосов, А. С. Филиппов, В. Н. Халамов) на конкретных примерах демонстрируются возможности использования учебных наборов по робототехнике на занятиях по физике в средней школе.
Знакомство с физическими основами робототехники при изучении основного курса позволяет студентам осознанно и продуктивно использовать базовые элементы робототехники при проектировании различных конструкций роботов и создавать более совершенные модели собственной разработки.
В настоящей статье рассматривается применение робототехники в учебном процессе по физике (по направлению переработке мусора).
Обучение в экспериментальной группе проводилось с помощью учебного комплекта по робототехнике Lego Mindstorms. Ученики изучали основы робототехники как неотъемлемую часть политехнической подготовки по базовому курсу физики (по направлению переработка мусора) для индивидуальной проектной деятельности, включая конкурсы и конкурсы.
На этапе проектирования после того как робот будет собран по готовой схеме (мусоровоз, пылесос, сортировщик мусора и т. д.), будут изучены основные детали, способы крепления, понятие устойчивости, аспекты, влияющие на скорость и другие характеристики робота. Формулировка исследовательских задач: как построить робота, выдерживающего определенный вес, как построить робота со скоростными характеристиками. При этом важно понимать, что у разных обучающихся может получиться разный результат, кроме того, для решения данной задачи нужно получить определенные знания, провести эксперимент, проанализировать его результаты, сделать выводы [4].
При программировании робота не нужно предлагать готовые решения. Важно развивать у ученика способность задавать вопросы, выдвигать гипотезы, находить решения и анализировать ситуацию.
Итак, изучив способность робота двигаться вперед и назад и возможности делать повороты, вы можете предложить несколько исследовательских задач.
Например, можно дать задание «Вывести робота мусоровоза из лабиринта». При построении маршрута ученики сталкиваются со следующей проблемой: при повороте происходит смещение робота, что усложняет выполнение алгоритма.
Тогда у них возникает вопрос: «а как выполнить поворот, чтоб не происходило смещения?».
Учитель предлагает учащимся найти ответ на данный вопрос самостоятельно, а решения разных учеников можно сравнить.
Еще одно интересное исследовательское задание — написать программу движения робота по сегменту окружности, зная только основы программирования движения и поворотов. К примеру, движение робота пылесоса или сортировщика мусора.
Необходимо постепенно усложнять задания. И переход от отдельных элементов исследования к полноценной организации исследования, постановке открытых целей. Например, необходимо решить проблему применения робота в переработке мусора. Для выполнения такого проекта ребята должны сами сформулировать цель исследования, определить функции робота, выполнить его конструирование, программирование, тестирование возможностей, анализ того, насколько полученный результат соответствует заявленным требованиям.
Для определения полноты понимания учениками элементной базы робототехники им было предложено раскрыть содержание 2–3 понятий о технических объектах, из которых состоит робот. Описание должно быть дано по обобщенному плану. (7 класс — пневмопривод робота, червячная передача; 8 класс — термоэлектрический датчик температуры, шаговый двигатель; 9 класс — ультразвуковая дистанция. датчик, редуктор)
Кроме того, при подготовке проекта придется искать и анализировать полученное знание по физике и экологии, анализировать существующих разработок, обосновывать необходимость разработки нового продукта.
Таким образом, процесс развития исследовательской компетенции должен быть постепенным и систематическим.
Задания могут быть выполнены учениками после освоения академической темы курса физики как инструмента для углубленных исследований. А также заранее усвоить материал по теме. Задания по проекту могут быть представлены учащимся как домашнее задание, если у них есть конструктор роботов. Учитель может организовать такие задания на уроках технологии или во внеклассных занятиях по физике и инженерии. Работа над проектами будет возможна в рамках элективных курсов по робототехнике. Результаты такой проектной работы учащихся должны быть представлены и обсуждены на уроках физики.
Подводя итоги анализа использования роботов в учебном процессе по физике как объектов познания, необходимо указать условия эффективности этой деятельности. Это изучение научных основ робототехники, основанное на понимании междисциплинарного характера процесса моделирования и проектирования роботов. Особое место в этом занимают такие предметы, как технология, физика, экология, математика и информатика. Знания других дисциплин могут потребоваться ученикам при исследовании и проектировании роботов для определенных областей знаний и деятельности.
В исследовании обосновывается, что состав и содержание элементов робототехники по курсу физики в средней школе следует определять на основе междисциплинарных образовательных программ по робототехнике, цель которых — формирование системы современных (реальных, обобщенных) знаний учащихся. Знакомство учащихся с техническими инновациями в физике позволяет им понять роль науки в развитии современных технологий.
Литература:
- Клаус Шваб. Ш35 Төртінші индустриялық революция. Алматы: Ұлттық аударма бюросы,2018.-200с.
- Ершов М. Г. Применение элементов образовательной робототехники как средства реализации политехнической направленности обучения физике: автореферат дис... кандидата педагогических наук. Екатеринбург, 2016. -240 с.
- Скурихина Ю. А. Формирование исследовательских компетенций средствами робототехники // Инновационные процессы в физико-математическом и информационно-технологическом образовании. –Киров, 2017. — С. 103–106.
- Скороходова Г. Г. Робототехника и lego-конструирование // Научно-методический электронный журнал «Концепт». — 2014. — № 12. — С. 226–230.
- Лебедева О. В., Морозов О. А., Староверова В. В. Организация учебно-исследовательской деятельности учащихся на внеурочных занятиях по физике в современных условиях // Педагогическое образование в России. 2019. № 8. С. 64–72
