Пояснительная записка

1. Особенности робототехники как учебного предмета

Робототехника – одно из самых передовых направлений науки и техники, а образовательная робототехника – это новое междисциплинарное направление обучения школьников, интегрирующее знания о физике, мехатронике, технологии, математике, кибернетике и ИКТ и позволяющее вовлечь в процесс инновационного научно-технического творчества учащихся разного возраста. Она направлена на популяризацию научно-технического творчества и повышение престижа инженерных профессий среди молодежи, развитие у молодежи навыков практического решения актуальных инженерно-технических задач и работы с техникой.

Целями занятий робототехникой являются:

• Раннее развитие (мелкая моторика, пространственное мышление, конструирование и т.п.)

• Общее развитие (командная работа, методики реализации проектов и т.п.)

• Общетехнические навыки (простые механизмы, прочность и т.п.)

• Специальные технические навыки (алгоритмика, электроника и т.п.)

Согласно современным представлениям предмет «Робототехника» входит в образовательную область «Технология». С нашей точки зрения это не соответствует истинному значению и содержанию данной предметной дисциплины.

РОБОТОТЕХНИКА (далее – РТ), или МЕХАТРОНИКА представляет собой синтез нескольких предметных дисциплин и видов деятельности:

• Теория управления роботизированными устройствами;
• Основы механики и конструирования: принципы построения механических устройств, выполняющих заданные функции;
• Основы построения алгоритмов и программ управления роботами; изучение языков программирования роботов;
• Отладка и испытание программ управления роботами;
• Выполнение инженерных исследований, включая задачу оптимального подбора параметров;
• Работа над творческими проектами – создание роботов, которых ещё не было…

Как видим, большинство из перечисленных дисциплин и видов деятельности к технологии имеют лишь опосредованное отношение.

Главное отличие РТ от других предметов заключается в том, что в пределах одного учебного занятия по данному предмету может производиться несколько разноплановых видов деятельности, наряду с усвоением учебных тем, например:

• изучение принципов работы релейного регулятора и построение алгоритма управления роботом на его основе;
• разработка программы управления роботом, её отладка и испытания;
• программирование и выполнение исследований по оптимизации подбора параметров программы управления роботом и т.д.

Это разнообразие занятий создает определенные трудности при планировании учебного процесса РТ. Еще большие трудности возникают при его организации.

Традиционные формы и методы преподавания предметов не могут быть в полной мере применены при изучении РТ вследствие различий в проявлениях способностей детей и разного уровня их развития, на которые накладываются разные формы взаимосвязанной деятельности в пределах одного занятия.

Так, если одному ребенку, к примеру, трудно дается конструирование, и он требует постоянного внимания учителя к себе, другой за это время не только успевает собрать модель робота, но и приступить к составлению программы, однако, оказывается, в программировании он не так силен, и ему тоже нужна помощь учителя. А если таких учащихся в группе не 4-5, а не менее 15, как того требует Департамент образования, ясно, что наиболее вероятным результатом урока будет полная бездеятельность класса вследствие физической невозможности учителя оказать помощь всем и сразу.

Традиционная классно-урочная форма проведения урока опирается на способности «среднего» ученика и задает темп изложения учебного материала, посильный этому ученику. При этом все учащиеся работают по единому плану и решают единые учебные задачи (я называю это «поточно-конвейерным принципом обучения»). Недостатки такого подхода очевидны, а в применении к РТ они становятся надежным тормозом учебного процесса.

Выход из этого положения видится в переходе к использованию метода учебного проектирования как основной формы организации учебного процесса.

2. Суть метода учебного проектирования

Как и в «поточно-конвейерной» системе обучения, весь учебный процесс с использованием учебного проектирования разбивается на отдельные темы, но, в отличие от традиции, тема выступает как целевая установка (проект) создания и исследования робота с конкретными возможностями и функциями. Она охватывает весь цикл работ по созданию и исследованию робота и рассчитана на определенное количество занятий. В пределах времени, отводимого на реализацию проекта, ученик планирует свою деятельность самостоятельно, сообразуясь со своими возможностями.

Сама формулировка цели проекта осуществляется учителем не прямо, а в виде проблемной ситуации, которую необходимо разрешить.

Учитель излагает необходимый теоретический материал (при необходимости), обращает внимание на особенности конструирования модели и сообщает другие необходимые сведения, в том числе и где найти справочный материал, описание конструкции и т.д.

В процессе работы над проектом учащиеся на основе проблемной ситуации формулируют проблему, которую необходимо разрешить, цель создания проекта, определяют перечень задач проектирования и последовательность их реализации, проводят необходимые исследования и испытания и на конечном этапе реализации учебного проекта докладывают о полученных результатах и степени достижения цели (т.е. ставят себе оценку).

В процессе работы над проектом учащиеся объединяются в группы (бригады). Проект – результат коллективного творчества членов бригады.

3. Организация учебного процесса

Занятия проводятся в специально оборудованном классе, рассчитанном на занятия 12 учащихся одновременно.

Класс РТ состоит из 6 рабочих мест учащихся (одно РМ на двух учащихся – бригаду) и одного РМ учителя. По техническому оснащению оба типа РМ аналогичны и отличаются составом программного обеспечения и возможностями.

РМ учащегося включает компьютер, работающий в среде Windows, и два набора для конструирования роботов Lego Mindstorms EV3: базовый и ресурсный. Для работы двух групп в одном классе необходимо иметь удвоенное количество наборов EV3.

В процессе работы над проектом учащиеся могут обращаться к учебно-методическим материалам, разработанным автором программы, справочным материалам, входящим в комплект программной среды EV3, Интернет-ресурсам. Обучение навыкам их использования проводится в рамках уроков развивающего обучения.

Метод учебного проектирования, являющийся основой организации учебного процесса в рамках настоящей учебной программы, предполагает значительную степень самостоятельности учащихся в проектной деятельности, уверенное владение навыками работы с компьютером, умение пользоваться Интернетом для поиска информации, навыки создания текстовых документов и электронных презентаций в среде Microsoft Office/Open Office. К учащимся предъявляются требования достаточной развитости навыков самостоятельного чтения текстовых документов, их осмысления и использования в работе над проектом.

Чтобы уменьшить отсев учащихся, не готовых к восприятию курса РТ, перед началом учебного года с будущими роботостроителями проводится собеседование. В ходе собеседования выясняется успеваемость учащегося, степень владения им указанными навыками, его склонности и интересы, опыт работы с конструктором Lego, робототехническими наборами Lego Mindstorms и другими подобными конструкторами, поведение в коллективе и другие необходимые сведения. По результатам собеседования ему может быть рекомендовано повременить с изучением РТ, заняться другим видом внеклассной деятельности и т.п. Тем не менее, отрицательные результаты собеседования не являются основанием для отказа в приеме ребенка в кружок по изучению РТ; выводы собеседования носят рекомендательный характер.

Мерилом успешности обучения основам РТ являются результаты проектной деятельности бригады, докладываемые по окончании выполнения проекта. В процессе публичной презентации выполненной работы бригада дает собственные оценки успешности выполнения целей проектирования и вклада каждого участника бригады в реализацию проекта.

Помимо этого, существует ещё одно обязательное условие членства учащегося в кружке РТ: отсутствие у него в классном журнале удовлетворительных оценок по итогам учебной четверти. Имеющий одну или более удовлетворительных оценок теряет право на посещение занятий по РТ до их исправления, т.е., как минимум, на одну четверть. На практике это означает прекращение его занятий робототехникой в текущем учебном году. В виде исключения он может быть допущен к занятиям по письменному заявлению учителя-предметника об исправлении ситуации с учебой данного ученика по предмету. Практика показывает, что столь жесткое условие сохранения права на занятия РТ является действенным стимулом мотивации ученика к успешности учебы по другим предметам.

При организации занятий в форме проектной деятельности учитывается степень сформированности вышеперечисленных умений и навыков группы к занятиям в этой форме. Поскольку в образовательный комплекс входят несколько подразделений, в силу объективных обстоятельств в той или иной степени отличающихся друг от друга по этому критерию, переход от классно-урочной формы к проектной происходит постепенно, по мере приобретения большинством учащихся необходимых навыков. Этому способствует проведение так называемых уроков развивающего обучения. По своей сути это есть соединение в рамках одного занятия изучения теоретического вопроса с немедленным закреплением полученных знаний на практике. Особенность уроков развивающего обучения заключается в том, что в качестве учебных вопросов на них выносятся темы, затрагивающие не только один конкретный проект, но и выходящие за его рамки. В качестве примера можно привести развивающий урок на тему «Публичная презентация результатов выполнения проекта», в ходе которого учащихся знакомят с требованиями по содержанию доклада, с которым выступает один из членов бригады по завершению работы над проектом; по форме доклада, необходимости использования электронной презентации. Теоретическая часть занятия подкрепляется практической работой, в ходе которой учащиеся выполняют задание по подготовке доклада в формате текстового документа и электронной презентации.

В ходе работы над проектом учитель контролирует результативность работы группы с помощью программного обеспечения дистанционного контроля. Свои замечания и рекомендации он может выдавать со своего рабочего места на экран монитора любой бригады. Общие замечания и рекомендации он может выносить на экран интерактивной доски.

Большое значение для формирования навыков самостоятельной работы учащихся над проектом имеет качество подготовки учебно-методических материалов учителем. Информация, содержащаяся в них, должна исчерпывающим образом удовлетворять потребности учащихся в работе над проектом. В необходимых случаях материал может содержать ссылки на информационные ресурсы Интернета, например, ссылку на сайт с картой сборки той или иной конструкции робота. Недостаточное качество подготовки учебно-методических материалов неизбежно сказывается на частоте вопросов, возникающих у учащихся в ходе работы над проектом. Большое количество вопросов приводит к параличу учебного процесса.

4. Планирование учебного процесса

Ориентация на использование метода учебного проектирования в качестве основной формы организации учебной деятельности заставила пересмотреть сложившийся стереотип одного из основных элементов рабочей программы – календарно-тематическое планирование учебного процесса. Причина: разнообразие видов учебной деятельности, сменяющих друг друга в процессе реализации учебного проекта. Основой планирования рабочей программы, использующей метод учебного проектирования, естественным образом, становится модуль, описывающий учебные действия, выполняемые при реализации проекта.

Модуль отличается законченностью решения учебной задачи: от постановки задачи, содержащейся в проблемной ситуации, до её полного решения, включая рефлексию успешности выполнения проекта и вклада каждого члена бригады в общий успех.

В свою очередь, учет модульного характера учебной программы повлек за собой необходимость разработки формы (шаблона, см. рис. 1) для отображения информации, описывающей проект, в модуле. Сами проекты также выстроились в иерархическую систему: метапроекты, объединяющие несколько проектов с общей целевой задачей; составляющие их учебные проекты и так называемые уроки развивающего обучения, на которых рассматриваются учебные темы общего свойства.

Примером подобного метапроекта является проект «Танки», учебной целью которого является изучение способов управления роботом в системах управления без обратной связи. Метапроект объединяет 4 проекта продолжительностью два двухчасовых занятия каждый: «Танки, вперед!», «Маневры танков», «Танкодром» и «Танковый биатлон». Для повышения заинтересованности учащихся в реализации этих проектов предлагается воспользоваться естественной тягой мальчишек к военной тематике: разработать проект универсальной движущейся платформы на гусеничном ходу (модель «Сармат»), спроектировать и построить танкодром для её испытаний и провести на нем соревнования по преодолению препятствий, которые придумают и реализуют сами участники биатлона.

Рис. 1. Шаблон модуля

5. Состав и содержание модулей программы

Модули учебной программы делятся на следующие категории:

• Метапроекты;
• Учебные проекты;
• Уроки развивающего обучения.

Каждый модуль имеет имя, условное обозначение (индекс) и учебную тему.

Система условных обозначений модулей выстраивается следующим образом.

Индекс учебного проекта складывается из первой буквы имени метапроекта и порядкового номера учебного проекта в составе метапроекта. Пример: модуль второго учебного проекта метапроекта «Танки» имеет индекс Т2.

Индекс метапроекта состоит из буквы М (признак метапроекта) и первой буквы имени метапроекта. Таким образом, метапроект «Танки» имеет индекс МТ.

Индексы уроков развивающего обучения состоят из аббревиатуры УРО и порядкового номера урока: УРО1, УРО2 и т.д.

Структура модульной системы учебной программы приведена в табл.1.

Таблица 1

Модульная система учебной программы

6. Использованные новации и ожидаемые результаты

1. Новационная сущность предлагаемой учебной программы:

1. Вместо традиционного деления тематического плана на разделы, темы, занятия с жесткой привязкой учебных тем к сетке часов учебного плана разработана форма, в которой перечисляются модули, их имена, учебные темы модулей и время, отводимое на работу над проектом, в том числе на урочную и проектную формы (см. раздел «Тематическое планирование»). Новая форма планирования позволяет более гибко осуществлять планирование, по ходу разработки плана изменять порядок реализации проектов и производить другие изменения. Новая форма технологически более удобна в разработке и использовании, нежели традиционная;
2. Для разработки модулей программы создан шаблон, содержащий учебные вопросы и задания по видам деятельности, подлежащие проработке в ходе реализации проекта. Шаблон реализован в среде электронных таблиц MS Excel, что позволяет с легкостью и комфортом модифицировать его, подстраивая его форму под содержание конкретного проекта;
3. Модуль отличается полнотой и законченностью действий по реализации проекта, начиная от постановки проблемной ситуации и кончая публичной презентацией (докладом) о результатах выполнения проекта и рефлексией вклада каждого члена бригады в проект. Количество часов, отводимых на проект, варьируется в зависимости от его сложности и, как правило, составляет от 2 до 4 часов;
4. При изучении раздела, объединяющего несколько учебных тем, предлагается объединить проекты, реализующие отдельные учебные темы, в единый метапроект, объединяющий постановки проблемных ситуаций отдельных проектов в единую сверхзадачу.
5. В ходе проектной деятельности устанавливаются межпредметные связи с различными предметными дисциплинами (физикой, информатикой, математикой, изобразительным искусством и др.). Таким образом, в предлагаемой программе реализуются требования ФГОС нового поколения, а сама программа укладывается в русло модного современного направления развития образования STEM (естественные науки, технология, техническое творчество, математика). Это создает предпосылки для включения нашего образовательного учреждения в систему STEM-образования.

2. Внутрипредметные компетенции, реализуемые в результате выполнения программы, по видам учебной деятельности:

1. Урочная:

• Управление роботизированными устройствами с использованием обратной связи и без обратной связи;
• Автономные и телеуправляемые роботы; использование инфракрасного маяка в качестве пульта дистанционного управления;
• Принципы следования по линии с использованием различных алгоритмов управления в системах с обратной связью;
• Использование датчиков цвета и расстояния в задачах следования по линии, обнаружения препятствий и др.;
• Основы построения алгоритмов и программ управления роботами.

2. Конструирование:

• Сборка типовых конструкций роботов на гусеничной платформе и 3-колесном шасси с двумя ведущими и одним опорным колесом-волокушей по картам сборки и по памяти;
• Использование механических передач для ускорения движения или увеличения тягового усилия робота.

3. Алгоритмизация и программирование:

• Представление алгоритмов в виде словесных описаний и языка блок-схем;
• Реализация алгоритмов в программной среде EV3 с использованием модульного принципа построения;
• Отладка программ управления роботами. Использование мотора в качестве датчика для оперативного задания значений варьируемых параметров.

4. Исследования и испытания:

• Поиск путей повышения эффективности алгоритма управления роботом;
• Оптимальный (квазиоптимальный) подбор варьируемых параметров управления роботом по критерию минимального времени выполнения упражнения;
• Поиск оптимального решения методом мозгового штурма.

3. Межпредметные и надпредметные (общеуниверсальные) действия

1. Знакомство, усвоение практических действий и использование метода учебного проектирования в ходе учебного процесса.
2. Практические навыки использования пакета Microsoft Office (текстового редактора, электронных презентаций, ограниченно – электронных таблиц);
3. Усвоение отдельных тем информатики (алгоритмизация и программирование), математики (константы и переменные величины, математические выражения), физики (равномерное движение, параметры равномерного движения), геометрии (движение колеса робота по окружности, связь параметров движения с геометрическими величинами, чтение графических изображений геометрических фигур; построение объемных геометрических фигур из картона и бумаги для использования в качестве препятствий), географии (элементы картографии), изобразительного искусства (проектирование танкодрома, нанесение элементов на рабочее поле танкодрома), технологии (монтаж рабочего поля танкодрома).
4. Навыки поиска информации в Интернете; обработка информации, преобразование информации из одной формы представления в другую (текста и графики – в электронную презентацию).
5. Рефлексия собственной деятельности и соотнесение её с действиями других членов коллектива.
6. Умение подчинять свои желания и стремления интересам коллектива.
7. Умение прислушиваться и воспринимать чужое мнение, умение вести диалог.