Статья по робототехнике "Развитие инженерного мышления школьников на внеурочных занятиях по робототехнике""

УДК 373

Развитие инженерного мышления школьников на внеурочных занятиях по робототехнике

План

1) Дети и гаджеты

2) Как заинтересовать детей заниматься техническим творчеством

3) Мой опыт работы

4) Заключение

В настоящее время большинство детей, буквально с младенчества подвержены влиянию различных гаджетов и видеоигр. Что делать родителям, запрещать? Я думаю, нет. Нужно переключить внимание с бесцельного просиживания в смартфоне, за компьютером на другую деятельность, с применением того же смартфона, но дозированно. Например, собрать робота из конструктора и запрограммировать его с помощью смартфона. Образовательных конструкторов существует огромное множество, под любой уровень сложности, сделанных из разных материалов и под различную возрастную градацию детей и т.д. Перечислю некоторые из них: Lego Education, FischerTechnik, Huna MRT, Tetrix, Matrix, Vex, Roboloid и другие.

Самый популярный Lego Mindstorms Education, версии NXT, EV3, Spike Prime.

Хотел бы рассказать о своей работе и поделиться некоторым опытом работы в направлении робототехники.

Я являюсь руководителем направления робототехники для детей с 1 по 9 классы в МБОУ «Гимназия №72» Кемеровская обл., г. Прокопьевск.

В начале нужно сказать о том, что направление робототехники в школьной программе становится все актуальней и, по моему мнению, будет являться одним из основных предметов в школе, так как робототехника - это уникальный предмет, если говорить о школе, так как предполагает работу с новейшими техническими разработками, гаджетами, и предполагает непосредственную практическую деятельность, что вызывает огромный интерес у детей, особенно младшего и среднего звена.

Робототехника это прежде всего интеграция школьных предметов таких как: физика, информатика, английский язык, математика, черчение, технология, в какой-то степени биология, химия, география, и даже ИЗО. Иногда ученик не очень понимает для чего он учит тот или иной школьный предмет, а приходя ко мне, на робототехнику, понимает и применяет эти знания (например, работать по линейке при построении чертежа для корпуса робота, применять математические формулы и знание английского для написания программы для робота). Давайте разберемся что такое робототехника в широком понимании слова.

РОБОТОТЕХНИКА это техническая наука, изучающая автоматизацию производственных и иных систем при помощи роботов. Предполагает проектирование, создание и использование роботов для взаимодействия с внешней средой, выполнения различных задач без участия человека. Проще говоря, это наука о роботах, их создании и применении в жизни человека, с целью облегчения труда для человека.

На своих я стараюсь воссоздать именно задачи и условия, которые применялись бы в реальной жизни на производстве. И при планировании учебного плана я старался охватить основные и универсальные направления (разделы) робототехники: Конструирование, 3D технологии, электроника и программирование.

В подтверждение вышесказанному привожу в качестве примера тематическое планирование по робототехнике 1 года обучения в 8 классе:

№ урока	Название темы
Раздел 1.   Основы робототехники (1 ч.)
1.	Робототехника и технологии. Актуальность и перспективы развития робототехники. STEM обучение.
Раздел 2. Конструирование роботов (4 ч.)
2.	Конструирование механизмов из Lego technic и Lego Mindstorms EV3 Education.
3.	Конструирование приводной платформы из Lego Mindstorms EV3 Education.
4.	Оснащение сенсорами приводной платформы на Lego Mindstorms EV3 Education.
5.	Конструирование модульного робота.
Раздел 3. 3D технологии (4 ч.)
6.	3D технологии. 3D печать.
7.	Моделирование в Autodesk Tinkercad.
8.	Моделирование во Fusion 360.
9.	Моделирование во Fusion 360.
Раздел 4.  Электроника (13 ч.)
10.	Электричество. Источники тока. Законы электричества.
11.	Радиокомпоненты. Мультиметр. Условные обозначения радиокомпонентов. Принципиальные схемы.
12.	Работа с конструктором «ЗНАТОК».
13.	Схемотехника. Проектирование схем в Sprint Layout.
14.	Светодиоды и резисторы, конденсаторы и транзисторы, диоды.  Работа с проектами Arduino.
15.	Производство печатных плат. Микропроцессоры, микрокомпьютеры, микроэлектроника.
16.	Трансформаторы, блок питания.
17.	Создание устройства - газоанализатор воздуха.
18.	Создание устройства - метеостанция.
19.	Создание устройства - блок питания.
20.	Сборка робота (приводной платформы) на Arduino. Подключение механики. Пайка.
21.	Подключение электроники к приводной платформе. Пайка.
22.	Подключение электроники к приводной платформе. Пайка.
Раздел 5.  Программирование (11 ч.)
23.	Программирование. Языки программирования. Алгоритмы. Команды, программы.
24.	Программирование в Scratch 3.0.
25.	Программирование робота BBC microbit.
26.	Программирование светодиодов и тактовой кнопки в Arduino IDE.
27.	Программирование пьезодинамика. Цифровые и аналоговые сигналы. ШИМ регуляция.
28.	Сенсоры. Программирование сенсора температуры, фоторезистора. Транзисторы и диоды. Драйверы моторов.
29.	Программирование сенсоров: движения, давления и расстояния.
30.	Программирование модулей IR, Bluetooth, WiFi, LCD дисплеев.
31.	Программирование робота на движение в Arduino IDE.
32.	Программирование сенсоров робота в Arduino IDE.
33.	Программирование сенсоров робота в Arduino IDE.
Раздел 6.  Соревнования. Подведение итогов (2 ч.)
34.	Школьные соревнования.
35.	Подведение итогов.

Содержание и структура данного курса «РОБОТОТЕХНИКА» направлены на формирование устойчивых представлений о робототехнике, роботах, устройствах как едином продукте определенного функционального назначения и с определенными техническими характеристиками.

Наполняемость детьми в группе от 6-8 чел. Оборудование кабинета: ноутбуки, 3D принтер, наборы Lego Technic, один набор Lego Mindstorms Education EV3, наборы на базе Arduino, электронный конструктор «ЗНАТОК». Нужно сказать, что техническое оснащение очень скудное, но работаем на том что есть. В связи с этим я стараюсь применить данное оснащение по максимуму, к примеру, у нас один конструктор Lego Mindstorms Education, и ассорти набор Lego Technic, купленный на Aliexpress, состоящий из балок, шестерней, соединителей, крестовых осей и т.д. И на этом конструкторе мы строим различные механизмы, причём без подробной инструкции, а лишь по нескольким фотографиям данного механизма, на мой взгляд это заставляет работать воображение, чтобы представить этот механизм (см. Приложение 1). Далее собранные механизмы дорабатываем, если нужно, обсуждаемя где применяются подобные механизмы, принцип их работы. Также я проверяю учеников на воображение путём конструирования по фантазии, по заданию, например, сделать человека или самолет буквально из 5-7 деталей lego technic. Благодаря подобным занятиям по конструированию, у ребят развивается конструкторское мышление. Это содержание главы КОНСТРУИРОВАНИЕ в рабочей программе «Робототехника».

В следующей главе, 3D ТЕХНОЛОГИИ рассматривается тема 3D технологии, 3D моделирование и 3D печать. Ребята учатся 3D моделированию, сначала в бесплатной онлайн среде Tinkercad от компании Autodesk, которую буквально за несколько минут можно освоить, т.к., данная среда очень проста, удобна и интуитивно понятна, а вот опыт моделирования, конечно, приобретается не за минуты. (см. Приложение 2). Моделируются объекты из геометрических фигур. Детям очень нравится работать в данной среде. После того как ребята освоили Tinkercad, я даю задания для создания какой-либо модели по размерам, школьники пользуются линейкой, электронным штангенциркулем, и выполняют задачу по моделированию объекта. После Tinkercad’а моделирование происходит в более профессиональном софте, Fusion 360 Solid Works или Компас 3D. Затем школьники учатся печатать на 3D принтере, первым делом, смодерованный в Tinkercad’е именной бейджик.  Подготавливают на 3D печать в программе Cura.

Данные условия, я считаю, приближены к реальным, например, в какой-либо компании по дизайну, 3D моделированию, черчению. Благодаря занятиям по направлению 3D технологии, у ребят как минимум, развивается пространственное, алгоритмическое мышление, художественное и цветовое восприятие.

В главе ЭЛЕКТРОНИКА электричество, законы электричества, школьники учатся собирать электрические схемы. Сначала отрабатывают навыки на электронном конструкторе «ЗНАТОК», который позволяет быстро и легко собрать электрическую цепь, получить результат, и самое главное, понять принцип работы электрического тока. Далее, на этом же конструкторе дети знакомятся с измерениями параметров электричества с помощью мультиметра (электрическое напряжение, сопротивление и сила тока). После всего этого переходим к работе с наборами Ардуино, собираем сначала простые эл. схемы со светодиодами, резисторами, диодами, тактовыми кнопками и пьезодинамиками, конденсаторами и транзисторами, без контроллера Ардуино. После чего ребята создают электрические схемы с программируемым микроконтроллером Arduino. Также школьники изучают темы «производство печатных плат. Микропроцессоры, микрокомпьютеры, микроэлектроника», проектируют печатные платы в программе Sprint Layout, работают с трансформаторами блоками питания, создают некоторые устройства - газоанализатор воздуха, метеостанция, блок питания и др. Для создания устройства нужна различная информация о данном устройстве, например, о составе, эл. схеме, принципе работы и способе программирования, причем информация не дается преподавателем в готовом виде, её нужно найти самостоятельно в Интернет на занятии, отобрать наиболее подходящую, затем педагог проверяет информацию на «пригодность», действительно нужна именно эта информация или нужно продолжать поиск. При создании устройства школьники работают с паяльником, измерительным и ручным инструментом.

Благодаря занятиям по направлению электроника, школьники осваивают знания об электрическом токе, его законах, умеют измерять его параметры, работать ручным, измерительным инструментом, проектировать печатные платы, как создавать различные устройства. В процессе всего этого приобретаются очень ценные инженерные компетенции.

В главе ПРОГРАММИРОВАНИЕ школьники знакомятся и закрепляют знания по алгоритмизации, отрабатывают навыки сначала в простых онлайн средах, например, Scratch 3.0. благодаря которым можно отработать навыки алгоритмизации и программирования BBC microbit. Scratch и BBC microbit это бесплатные онлайн графические среды программирования, причем в последней, можно программировать плату BBC microbit и роботов на базе этой платы, а также, выбрать способ программирования: блоками, scratch-блоками и на языке Python (см. Приложение 3). Освоив простые среды программирования, и получив некоторый опыт программирования, ребята приступают к программированию по сложнее и в то же время интереснее – в среде Arduino IDE, программирование на упрощенном языке C++. Сначала школьники программируют светодиоды, тактовые кнопки, переменные резисторы, фоторезисторы, пьезодинамики, затем – сенсоры и модули, например сенсоры: движения, давления и расстояния, IR, Bluetooth, WiFi, LCD дисплеев. И кульминацией является программирование ранее созданных устройств и роботов.

Благодаря занятиям по направлению программирование, ребята приобретают ценный опыт в области программирования и алгоритмизации, программирования устройств и роботов.

Заключение

В настоящее время робототехника очень востребована во всех странах мира. Образовательная робототехника используется в учебных заведениях, в том числе и школах, в образовательных целях, где с помощью конструкторов или робототехнических наборов дети изучают конструирование, моделирование и программирование роботов. Новые ФГОС требуют освоения навыков конструкторской и проектно-исследовательской деятельности, и программы по робототехнике полностью удовлетворяют эти требования.

Уникальность образовательной робототехники заключается в возможности объединить конструирование, 3D моделирование, электронику и программирование в одном курсе, что способствует интегрированию преподавания информатики, физики, черчения и естественных наук с развитием инженерного мышления через техническое творчество. Техническое творчество это эффективный инструмент синтеза знаний, закладывающий прочные основы системного мышления и практического применения данных знаний. Это позволит сделать детей более мобильными, подготовленными к внедрению различных инноваций в повседневную жизнь. При этом они смогут быть технически более грамотными. В теоретическом аспекте данного вопроса детям помогают такие школьные предметы как физика, математика, информатика, химия и биология. А вот синтезатором таких наук, который способен развивать технический уровень грамотности подрастающего поколения, путем научно-практических исследований и творческих проектов является робототехника, которая развивает инженерное мышление школьников в целом. 

Приложение 1

 

механизмы из Lego Technic (автор книги Yoshihito Isogawa The LEGO MINDSTORMS EV3 Idea Book)

Приложение 2

                        Интерфейс онлайн среды Tinkercad

Приложение 3

Интерфейс онлайн среды Scratch 3.0

Интерфейс онлайн среды bbc microbit

плата BBC microbitроботы на базе BBC microbit