ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА КАК СРЕДСТВО РЕАЛИЗАЦИИ КОМПЕТЕНТНОСТНОГО ПОДХОДА К ОБУЧЕНИЮ
статья по естествознанию на тему

«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 - cuzminyh.ir@yandex.ru

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

 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:

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»

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.