ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА КАК СРЕДСТВО РЕАЛИЗАЦИИ КОМПЕТЕНТНОСТНОГО ПОДХОДА К ОБУЧЕНИЮ

«Методические материалы»

 «Опыт внедрения ФГОС нового поколения».

ТЕМА: ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА КАК СРЕДСТВО РЕАЛИЗАЦИИ КОМПЕТЕНТНОСТНОГО ПОДХОДА К ОБУЧЕНИЮ

Кузьминых Ирина Геннадьевна

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

 «Голышмановская средняя общеобразовательная школа № 4»

учитель физики и математики

Рабочий телефон – 83454626788

Адрес электронной почты - [e-mail]

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА КАК СРЕДСТВО РЕАЛИЗАЦИИ КОМПЕТЕНТНОСТНОГО ПОДХОДА К ОБУЧЕНИЮ

Кузьминых Ирина Геннадьевна

МАОУ «Голышмановская СОШ № 4», р.п. Голышманово, Тюменская область

В статье рассматривается процесс формирования ключевых компетенций учащихся  и возможность организации исследовательской работы учащихся с применением робототехнических наборов.

Внедрение компетентностного подхода в практику образования требует поиска особых организационных форм, адекватных для формирования ключевых компетенций.

 Современный этап развития общества характеризуется ускоренными темпами освоения техники и технологий. Непрерывно требуются новые идеи для создания конкурентоспособной продукции, подготовки высококвалифицированных кадров. Внешние условия служат предпосылкой для реализации творческих возможностей личности, имеющей в биологическом отношении безграничный потенциал. Становится актуальной задача поиска подходов, методик, технологий для реализации потенциалов, выявления скрытых резервов личности.

  С каждым годом повышаются требования к современным людям, в части их умений взаимодействовать с автоматизированными системами. А такие составляющие российского образования как естественно-научное и техническое слабо развиты. Целевыми установками для учителя  являются компетенции как результат образования, как интегрирующие начала «модели» выпускника школы [1].

Сейчас особое внимание уделяется именно сегменту практико – ориентированному обучению, которому отвечает конструирование, в частности – робототехника.

В наше время робототехники и компьютеризации подростков необходимо учить решать задачи с помощью автоматов, которые он сам может спроектировать, защищать свое решение и воплотить его в реальной модели, т.е. непосредственно сконструировать и запрограммировать. Предмет робототехники – это создание и применение роботов, других средств робототехники и основанных на них технических систем и комплектов различного назначения.

 «Активная вовлеченность детей в конструирование физических объектов, способствует развитию понятийного и речевого аппарата, что в свою очередь, при правильной поддержке со стороны учителя, помогает детям лучше вникать в суть вещей и продолжать развиваться» [2].

            Для реализации программы данный курс обеспечен наборами-лабораториями Лего серии Образование "Конструирование первых роботов" (Артикул: 9580 Название:WeDo™ RoboticsConstructionSet ) и диском с программным обеспечением для работы с конструктором ПервоРобот LEGO® WeDo™ (LEGO EducationWeDo), компьютерами, принтером, сканером, видео оборудованием. В качестве базового оборудования для старшей группы используются  конструкторы Lego Mindstorms NXT, 0 и визуальной среды программирования для обучения робототехнике LEGO MINDSTORMS Education NXT которые позволяют через занятия робототехникой познакомить подростка с законами реального мира и особенностями функционирования восприятия этого мира кибернетическими механизмами.

(LEGO EducationWeDo) 8 - 10 лет – основная группа

    В основе обучающего материала лежит изучение основных принципов механической передачи движения и элементарное программирование. Работая индивидуально, парами, или в командах, учащиеся младшего школьного возраста могут учиться создавать и программировать модели, проводить исследования, составлять отчёты и обсуждать идеи, возникающие во время работы с этими моделями.

Комплект заданий WeDo предоставляет средства для достижения целого комплекса образовательных задач:

- творческое мышление при создании действующих моделей;

-  развитие словарного запаса и навыков общения при объяснении работы модели;

- установление причинно-следственных связей;

- анализ результатов и поиск новых решений;

- коллективная выработка идей, упорство при реализации некоторых из них;

- экспериментальное исследование, оценка (измерение) влияния отдельных факторов;

- проведение систематических наблюдений и измерений;

- использование таблиц для отображения и анализа данных;

- написание и воспроизведение сценария с использованием модели для наглядности и драматургического эффекта;

- развитие мелкой мускулатуры пальцев и моторики кисти младших школьников.

     На каждом занятии, используя привычные элементы LEGO, а также мотор и датчики, ученик конструирует новую модель, посредством USB-кабеля подключает ее к ноутбуку и программирует действия робота.  В ходе изучения курса учащиеся развивают мелкую моторику кисти, логическое мышление, конструкторские способности, овладевают совместным творчеством, практическими навыками сборки и построения модели, получают специальные знания в области конструирования и моделирования, знакомятся с простыми механизмами.

(LEGO Mindstorms) 10 – 14 лет – старшая группа.

Наборы LEGO Mindstorms комплектуются набором стандартных деталей LEGO (балки, оси, колеса, шестерни) и набором, состоящим из сенсоров, двигателей и программируемого блока. Наборы делятся на базовый набор и расширенный. С помощью набора обучающиеся  разрабатывают проект, исследовательскую работу.

Цель: развитие творческих способностей и формирование раннего профессионального самоопределения подростков и юношества в процессе конструирования и проектирования. 

Задачи:

Образовательные:

- использование современных разработок по робототехнике в области образования, организация на их основе активной внеурочной деятельности учащихся

- реализация межпредметных связей с физикой, информатикой и математикой

- решение учащимися ряда кибернетических задач, результатом каждой из которых будет работающий механизм или робот с автономным управлением

Развивающие

- развитие у школьников инженерного мышления, навыков конструирования, программирования и эффективного использования кибернетических систем

- развитие мелкой моторики, внимательности, аккуратности и изобретательности

- развитие креативного мышления и пространственного воображения учащихся

Воспитательные

- повышение мотивации учащихся к изобретательству и созданию собственных роботизированных систем

- формирование у учащихся стремления к получению качественного законченного результата

- формирование навыков проектного мышления, работы в команде

Процесс формирования ключевых компетенций учащихся в курсе робототехники показан в таблице 1.

Таблица 1 - Формирование ключевых компетенций учащихся в курсе робототехники

Ключевая компетенция	Метод формирования компетенции	Пример применения метода формирования компетенции
Учебно - познавательная	Межпредметная связь: математика, физика – при расчётах; информатика – программирование действий робота; черчение - построении чертежей; технология, электроника – конструирование; русский язык, литература – оформление сообщений и творческих проектов.	I уровень: умение пользоваться инструкционной картой; программирование действий робота по образцу; исследовательская работа по моделированию конструкции; оформление и защита работы. II уровень: самостоятельное построение конструкции робота без схем и инструкций; подготовка необходимых формул для расчетов; программирование действий робота в зависимости от поставленной цели; оформление и защита сообщений и творческих проектов.
Информационная	Поиск и сбор информации Обработка информации Передача информации	Поиск информации по роботам  в сети Интернет. Изучение найденных образцов моделей и анализ их конструкций. Подготовка сообщения по теме возможной реализации найденных конструкций, внедрения новых элементов.
Коммуникатив ная	Методы, ориентированные на устную коммуникацию	Подготовка сообщений отдельных учеников или групп учеников; коллективное обсуждение общего порядка работы при реализации проекта.
Кооперативная	Методы в рамках групповой работы	Групповая проектная работа, включающая в том числе, распределение ролей ответственности каждого участника группы.
Проблемная	Проектная деятельность исследовательского характера	Создание модели по заданным условиям: конструирование и программирование автономного робота, способного отталкиваться от препятствия, отбивать мяч, передвигающегося по сложной траектории. Демонстрация готовых моделей;  корректировка работы датчиков; выявление удачных решений и недостатков конструкций

 В настоящее время пока не проводятся специальные исследования по использованию робототехники в учебном процессе, в частности по физике. Вместе с тем в связи с требованиями ФГОС имеются возможности для модернизации преподавания физики с применением робототехнических наборов.

Мы определяем следующие педагогические цели использования робототехники в преподавании физики:

1) демонстрация возможностей робототехники как одного из ключевых направлений научно-технического прогресса;

2) демонстрация роли физики в проектировании и использовании современной техники;

3) повышение качества образовательной деятельности:

-углубление и расширение предметного знания,

- развитие экспериментальных умений и навыков,

-совершенствование знаний в области прикладной физики,

-формирование умений и навыков в сфере технического проектирования, моделирования и конструирования;

4) развитие у детей мотивации изучения предмета, в том числе познавательного интереса;

5) усиление предпрофильной и профильной подготовки учащихся, их ориентация на профессии инженерно-технического профиля.

В связи с появлением новых возможностей в организации учебного процесса с использованием роботов можно выделить следующие компоненты учебного процесса, в которых появляется робототехника:

1.Урочные формы работы: измерения, проектные работы, демонстрационный эксперимент, лабораторные работы, сообщения, практикумы.

2. Элективные курсы, клубная и кружковая формы работы.

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

При этом, по нашему мнению, школьник должен иметь возможность самоопределиться в выборе уровня знакомства с робототехникой. Либо ему будет достаточно базового уровня, который предполагает в основном урочные формы работы, либо он будет знакомиться с робототехникой по расширенному или углублённому варианту, выбирая элективные курсы, проекты и другие формы

Для наиболее полного достижения поставленных целей использования робототехники, роботы в школьном курсе физики должны быть представлены не только как средство практической деятельности школьников, но и как объект теоретического изучения. Большинство датчиков робототехнических наборов, а также исполнительных элементов роботов имеют физические принципы действия, которые изучаются в школьном курсе физики, поэтому, например, при изучении соответствующих тем целесообразно акцентировать внимание на практическое использование законов в современной технической области. Таким образом, нами предлагается  система использования учебных роботов в предметной области физики в таблице 2.

Таблица 2 - Система использования учебных роботов:

Понятие робот	Цель применения	исполнительные элементы роботов имеют физические принципы действия
Робот как объект изучения	Изучение принципа работы элементной базы робота	Датчики, приводы (электропривод, гидропривод, пневмопривод), светоиндикация, механические передачи, параметры электрических цепей робототехнического оборудования и др.
	Роль робота в современных научных исследованиях	Космические исследования, исследования глубин, радиационная разведка, исследование микромира и др.
	Роль робота в проектировании и использовании современной техники	Промышленные роботы, роботы на транспорте, использование роботов в экстремальных условиях, медицине, сфере услуг.
Робот как средство изучения	Робот как средство измерения	Использование датчиков базового конструктора и совместимых датчиков (Vernier, HiTechnic и др.) Конструктор используются как измерительная система с обработкой и фиксацией результатов в различных видах.
	Робот как средство постановки автоматизированного эксперимента	Сборка демонстрационных и лабораторных установок из робототехнического оборудования  Интеграция оборудования кабинета физики и робототехнического оборудования
	Робот как средство моделирования	Моделирование промышленных, бытовых, транспортных и других видов устройств;  моделирование явлений природы.
Робот как средство творческого проектирования	Робот как средство технической модернизации существующих устройств	Совместное использование роботов с другими системами, адаптация робота к новым условиям.
	Проектирование новых роботизированных устройств	Проектирование новых видов датчиков и других систем, вымышленных устройств из будущего и др.

Например,  используя,  на уроках и во внеурочной деятельности конструктор LEGO «Технология и физика» позволяет активизировать  исследовательскую деятельность при изучении кинематики,  динамики и электродинамики. Конструктор используется при решении экспериментальных задач и проектной деятельности, при проведении лабораторного и демонстрационного эксперимента. Обучающиеся собирая из одного комплекта различные установки и механизмы, могут получить установки для изучения следующих тел: равномерное и неравномерное движение, инерция, силы, простые механизмы, энергии. При проведении лабораторных работ: «Равновесие рычага», «Коэффициент наклонной плоскости», «Сила трения», обучающиеся сами могут спланировать эксперимент, составить план, реализовать его,  что подготовит их  сдачи ГИА, в экспериментальном  задании. Используя лабораторное оборудование кабинета физики, например, измерительную линейку, набор грузов известной массы, динамометр, термометр, одновременно предложить обучающиеся измерить соответствующие величины датчиком силы, датчиком расстояния, датчиком наклона.  В этом случае экспериментальная работа получится интересней. [3]

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. Lego-конструкторы существенно мобилизуют такие исследования. Обучающиеся разрабатывая исследовательские проекты, учатся конструированию, моделированию и программированию.

  Цель: Создать робототехническое устройство с совместным применением датчика освещенности, датчиков звука и ультразвука и конструктора как модель промышленного робота для работы в экстремально - техногенных средах, то есть робототехническое устройство способное заменить труд человека.

   Задачи:

1. Изучить  научно-популярную литературу, для определения уровня развития робототехники

2. Провести проектирование и конструирование робототехнического устройства с совместным применением датчиков освещенности,  звука и ультразвука,  способного перемещаться по сложной траектории.

3. Провести программирование созданной модели на компьютере,  исследовать работу датчиков и установить программу на микроконтроллер робота.

4. Протестировать робототехническое устройство.

Работа над проектом «Создай персонального робота», таблица 3

Таблица – 3 «Создай персонального робота»

Ключевая компетенция	Метод формирования компетенции	Пример применения метода формирования компетенции
Информационная	Поиск и сбор информации Обработка информации Передача информации	Поиск информации по роботам  в сети Интернет. Изучение найденных образцов моделей и анализ их конструкций. Подготовка сообщения по теме возможной реализации найденных конструкций, внедрения новых элементов.
Коммуникативная	Методы, ориентированные на устную коммуникацию	Подготовка сообщений отдельных учеников или групп учеников; коллективное обсуждение общего порядка работы при реализации проекта.
Кооперативная	Методы в рамках групповой работы	Групповая проектная работа, включающая в том числе, распределение ролей ответственности каждого участника группы.
Проблемная	Проектная деятельность исследовательского характера	Создание модели по заданным условиям: конструирование и программирование автономного робота, способного отталкиваться от препятствия, отбивать мяч, передвигающегося по сложной траектории. Демонстрация готовых моделей;  корректировка работы датчиков; выявление удачных решений и недостатков конструкций

Новые ФГОС требуют освоения основ конструкторской и проектно-исследовательской деятельности, и комплекты по робототехнике  полностью удовлетворяют эти требования.  В начальной школе с использованием конструкторов LEGO WeDo ученики не только научатся собирать простых роботов, но и на практике освоят основы алгоритмизации и программирования.  Применение возможностей робототехнических комплексов на основе LEGO® MINDSTORMS® NXT в инженерном образовании в средней и старшей школе в рамках математики, информатики и технологии дает возможность одновременной отработки профессиональных навыков сразу по нескольким смежным дисциплинам: механика, теория управления, схемотехника, программирование, теория информации.  А использование датчиков Vernier поможет выстроить межпредметные связи с физикой, биологией и химией. Востребованность комплексных знаний способствует развитию коммуникативных навыков между творческими командами учащихся. Легоконструирование  дает возможность сделать  обучение эффективным и продуктивным для всех участников процесса, а современную школу конкурентоспособной[4].

Кружок робототехники начал работу в школе с января 2013 года, это был пилотный продукт в районе. Начинали мы с конструкторов LEGO WeDo, в январе 2014 работали с двумя конструкторами LEGO® MINDSTORMS® NXT .  В мае 2014 года победили в региональной олимпиаде по робототехнике. В результате всему району были закуплены конструкторы LEGO® MINDSTORMS® NXT . В ноябре 2014 года Корзухин А. и Гуликян А. и я, в составе команды Тюменской области участвовали во Всероссийском молодежном образовательном спортивно – техническом фестивали робототехники и киберспорта и посетили Всемирную робототехническую олимпиаду в Сочи, в рамках конкурсных работ заняли 1 место. В 2015 году ученица 11 класса Казекина К. участвовала в форуме Уральской молодежи «Утро – 2015», на областном конкурсе поддержки молодежных инициатив выиграла гранд за проект «Лего – школа», мы приобрели  современные наборы LEGO.

Напряженная, постоянная работа приносит свои плоды, мои учащиеся являются победителями и призерами районных, региональных, всероссийских конкурсов, научно-практических конференций, успешно поступают и учатся в ВУЗах нашей страны, творчески работают в различных сферах.

К сожалению, в рамках уроков развивать детское техническое творчество сложно. Гораздо больше возможностей в этом направлении у дополнительного образования, внеурочной деятельности. Поэтому необходимо укреплять материально – техническую базу, участвовать в мероприятиях (вебинарах, семинарах, видеоконференциях, дистанционных  семинарах) по теме: «Образовательная робототехника», создавать свой  банк методических разработок. 

Список литературы

1. Ишакова, Е.Н. Модель развития профессиональных компетенций бакалавров и магистров в области программной инженерии / Е. Н. Ишакова // Интеллект. Инновации. Инвестиции. – 2011. – №1. - С. 100-103.

2. ООО «Инновационное образование» [Электронный ресурс]. - Режим доступа:  http://www.slideshare.net/Innovative_Education/lego-education-afterschool-programs-overview  - 10.12.2013.

3. Каширин Д.А. «Использование конструктора  LEGO WeDo  «Технология и физика» в учебной и внеурочной деятельности» / Д. А. Каширин // Интеллект. Инновации. Инвестиции. – 2014. – №3. - С. 67-74.

4. Голубовская, Е.В. Формирование ключевых компетенций учащихся на основе современных образовательных технологий [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.teacherjournal.ru/shkola/russkij-yazyk-i-literatura/1524-formirovanie-klyuchevyx-kompetenczij-uchashhixsya-na-osnove-sovremennyx-obrazovatelnyx-texnologij.html.   - 7.12.2013.