Роль инженерного мышления в развитии и социализации обучающихся.
статья

В последнее время всё большую популярность приобретают занятия с детьми

LEGO-конструированием.

LEGO – (от датского LegиGodt – «играй хорошо» или «увлекательная игра», от латинского Legо – собирать, конструировать) –универсальный конструктор, детали которого могут крепиться друг к другу множеством способов, позволяя создавать разнообразные конструкции (фигурки животных, человечков, модели транспорта и т.д.).

Первый конструктор Лего появился в середине прошлого века, положив начало активному развитию детских конструкторов. Многолетние усилия датских педагогов, ученых и конструкторов привели к созданию разветвленной системы наборов LEGO, которая нашла широкое применение во всем мире.

LEGO– это удивительно яркий, красочный полифункциональный конструктор, представляющий огромные возможности для экспериментально-исследовательской деятельности ребёнка. Главным отличием LEGO от других строительных комплектов являются скрепляющиеся между собой детали-кирпичики, которые в ходе постройки остаются крепкими и сбалансированными. Оригинальность конструкторов LEGO оценили по достоинству дети всего мира.

Наборы LEGOнового поколения зарекомендовали себя как образовательные продукты, удовлетворяющие самые высоким требованиям гигиеничности, эстетики, прочности и долговечности. В силу своей педагогической универсальности они становятся наиболее предпочтительными наглядными пособиями и развивающими игрушками.

Разнообразие конструкторов LEGO позволяет заниматься с учащимися разного возраста и различных образовательных потребностей, и возможностей.

Педагоги широко используют трехмерные модели реального мира и предметно игровую среду для обучения и развития ребенка. Это вид моделирующей творческо-продуктивной деятельности. С его помощью решаются трудные учебные задачи. В качестве обучающей среды используют конструкторы LEGO (далее – Лего), разной тематической направленности. В основе курса лежит целостный образ окружающего мира, который преломляется через результат деятельности обучающихся. Занятия по Лего-конструированию главным образом направлены на развитие конструктивных способностей, мелкой моторики, развития речи, изобразительных и графических навыков. Дети с помощью занятий Лего- конструированием повышают умственную и физическую работоспособность, расширяют представление о предметах и явлениях, развивают умение наблюдать, анализировать, сравнивать, выделять характерные, существенные признаки предметов и явлений, обобщают их по признакам.

Робототехника относится к наиболее перспективным направлениям в области информационных технологий. И это не удивительно, так как развитие современных производств, например, авиастроение, станкостроение, микроэлектроника и др., немыслимо без использования роботизированных систем. Развитие подобных производств потребует подготовки большого числа специалистов в области робототехники. И это потребует решения новых задач современной системой образования. Как ответ на новые вызовы производства в школе начинает изучаться образовательная робототехника. Как правило, робототехника осваивается обучающимися в кружках, а также на элективных курсах посредством образовательных конструкторов Lego WeDo, Lego Mindstorms NXT и Lego Mindstorms EV3.

Образовательная робототехника включает в себя знания из целого ряда предметов: информатики, физики, математики и технологии. Например, создание алгоритмов для робота – задача из курса информатики. В то же время при создании программ необходимо понимать физические основы работы датчиковых систем, которыми оснащен робот. В то же время дисциплина «Математика» позволяет в образовательной робототехнике решать задачи с движением, например по сложной траектории, когда нужно рассчитывать значения перемещения и углов поворота. При проектировании роботизированных комплексов, имитирующих реально существующие технические устройства (например, манипуляторы), возникает необходимость обсуждения существующих производственных технологий, конструкторский решений.

Целевой аспект: образовательная робототехника рассматривается как средство реализации ФГОС общего образования, проектная деятельность на занятиях по образовательной робототехнике способствует эффективному формированию у школьников всего комплекса универсальных учебных действий. Содержательный аспект: в ходе изучения образовательной робототехники у учителя появляется возможность эффективной реализации межпредметных  связей  по  предметам  «Информатика»,  «Физика»,

«Математика» и «Технология». Также следует отметить связи образовательной робототехники с биологией: биологические механизмы сенсорных и двигательных функций живых организмов являются прототипами аналогичных систем роботизированных комплексов.

Проекты роботов могут использоваться на уроках курса «Технология» в рамках направления «Технический труд» по темам «Машины и механизмы. Графическое представление и моделирование» и «Электротехнические работы». В начальной школе образовательная робототехника может использоваться на уроках по окружающему миру. Работая с роботизированными моделями, младшие школьники воссоздают объекты окружающего мира. На уроках информатики робот выступает реальным исполнителем созданного обучающимся алгоритма. На уроках физики обучающиеся могут создавать автоматизированные и роботизированные экспериментальные установки для проведения лабораторных работ, учитель может также использовать средства образовательной робототехники для подготовки демонстрационных экспериментов.

Образовательная робототехника представляет собой дидактическую модель робототехнической науки. Элементы этой модели не являются научным и инженерно-техническими знаниями в области роботостроения и могут быть использованы для организации пропедевтического обучения школьников основам инженерной деятельности с целью привлечения их интереса к инженерно-техническим специальностям. Круг задач, решаемых образовательной робототехникой, достаточно широк, поскольку робот может выступать не только объектом для изучения, но и средством учебного моделирования и конструирования. Во втором случае открываются широкие возможности для встраивания образовательной робототехники в различные школьные предметы. В школе наиболее популярными конструкторами являются Lego WeDo, Lego «Технология и физика», Lego Mindstorms NXT, Lego Mindstorms EV3, Tetrix, Matrix, Fischertechnic, Arduino, Roborobo, Bioloid и др. Кратко рассмотрим особенности данных конструкторов.

Lego WeDo. Конструктор предназначен в первую очередь для начальной школы и позволяет строить модели машин и животных, программировать действия моделей («поведение»). Конструктор содержит более 150 деталей, важнейшими из них являются коммутатор для управления датчиками и моторами при помощи программного обеспечения, мотор, датчик наклона, датчик движения (рис. 1)

Lego Технология и физика. Конструктор «Технология и физика» – это обучающий комплект для решения технических задач на практике (рис. 2). Комплект содержит 396 деталей и может быть доукомплектован дополнительными  наборами  «Возобновляемые  источники  энергии»  и

«Пневматика». Помимо стандартных деталей в набор входят дополнительные подвижные элементы, такие как зубчатые колеса, рычаги, ролики, оси т.д. Основные задания связаны с подбором технологических решений для простых машин, оснащенных мотором. Конструктор может использоваться учителем физики при проведении демонстрационных и лабораторных экспериментов, так как он позволяет конструировать простые механические механизмы, например, рычажные весы.

Рис. 1. Образовательный конструктор Lego WeDo

Lego Mindstorms NXT. Первая версия конструктора была представлена компанией Lego в 1998 г. Конструктор объединял в себе не только обычные для кубики, пластины, колеса и шестеренки, но и микрокомпьютер; этот набор получил название Mindstorms.

Рис. 2. Lego Технология и физика

Программируемый блок, названный RoboticControlExplorer (RCX), позволял подключить к нему датчики и моторы, написать программу и превратить любую конструкцию в самостоятельного робота, умеющего видеть, чувствовать, принимать решения и выполнять определенные действия. Название «Mindstorms», которое стало именем всего семейства конструкторов на базе программируемых контроллеров Lego, было взято из названия книги «Mindstorms: Children, Computers and Powerful Ideas», написанной профессором математики и компьютерных технологий Сеймуром Пейпертом, где он предложил уникальную концепцию объединения компьютерных технологий и образовательного процесса.

а

б

Рис. 3. Базовый (а) и ресурсный (б) наборы Lego Mindstorms NXT

LEGO Mindstorms EV3. Следующая версия Lego Mindstorms была представлена в 2013 г. Обновился состав электронных компонентов конструктора, но основные изменения коснулись программного блока. Как и предыдущая модель конструктора NXT, новый EV3 представлен в двух комплектациях: «потребительская» (retail version) и образовательная (educational version). В комплекте с EV3 поставляется также новая графическая среда разработки на базе LabView.

Рис. 4. Модель учебного робота на основе конструктора Tetrix с микрокомпьютером NXT

Tetrix. Tetrix – основной конструктор международных соревнований FIRST Tech Challenge. Конструктор включает в себя все необходимое для создания металлических роботов, которые могут управляться микрокомпьютером NXT (рис. 4).

Roborobo. Серия конструкторов Roborobo представлена пятью комплектами, отличающимися по уровню сложности (рис. 5). В каждый из них входят текстолитовые плиты, металлические соединители и уголки, моторы и сервоприводы, колеса и гусеницы, контроллер для моторов и сервоприводов, пульт дистанционного управления, программное обеспечение, кабели для подключения к компьютеру. Для программирования Roborobo используется программное обеспечение ROGIC, которое позволяет начинающим освоить азы программирования.

Рис. 5. Модели учебных роботов Roborobo

Fischertechnik. Робототехнические конструкторы Fischertechnik (рис. 6) созданы немецким ученым Артуром Фишером. Эти конструкторы во многом не уступают Lego Mindstorms, и они имеют аналогичные составляющие элементы. В комплекты конструкторов входят программируемые контроллеры, двигатели, различные датчики и блоки питания, что позволяет приводить механические конструкции в движение, создавать роботов и программировать их с помощью компьютера. Для разработки управляющих программ используется среда программирования Robo Pro. Программы составляются на графическом языке в виде блок-схем. Готовые программы загружаются в контроллер через интерфейсы USB или Bluetooth.

Arduino – удобная платформа быстрой разработки электронных устройств для новичков и профессионалов (рис. 7). Представляет собой

небольшую плату с собственным процессором и памятью. На плате имеется большое количество контактов, к которым можно подключать всевозможные компоненты: лампочки, датчики, моторы и другие электронные компоненты. Программы для Arduino пишутся на языке C++. Программирование можно производить в среде Arduino IDE, работающей под Windows, Mac OS и Linux.

Рис. 6. Модель учебного робота Fischertechnik

Bioloid – это семейство образовательных робототехнических конструкторов, предназначенных для обучения в области разработки и отладки сложных робототехнических систем (рис.8).

Название Bioloid получено путем сложения слов «bio» + «all» + «oid», что отражает концепцию данного конструктора: любое живое существо может быть представлено в виде робота. Для программирования микроконтроллера служит среда RoboPlus.

Рис. 7. Комплект Arduino для начинающих

Рис. 8. Комплект ROBOTIS BIOLOID STEM Level 1