Робототехника, как форма работы с детьми, ориентированная на реализацию требований ФГОС ООО

Робототехника — прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем. Робототехника опирается на такие дисциплины как электроника, механика, программирование.

Робототехника является одним из важнейших направлений научно - технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта. Активное участие и поддержка Российских и международных научно-технических и образовательных проектов в области робототехники и механики позволит ускорить подготовку кадров, развитие новых научно-технических идей, обмен технической информацией и инженерными знаниями, реализацию инновационных разработок в области робототехники в России и по всему миру.

Стратегия развития

отрасли информационных технологий в Российской  Федерации

на 2014 - 2020 годы

и на перспективу до 2025 года

УТВЕРЖДЕНА

распоряжением Правительства РФ

от 1 ноября 2013 г.  2036-р

Документ раскрывает  главные  идеи  и  направления развития  отрасли  информационных  технологий  в  нашей  стране. В части фундаментальных и поисковых исследований большое  внимание  уделено  нескольким  прорывным  для  мировой индустрии направлениям (а следовательно, и подготовке к  этой  деятельности  в  области  информационных  технологий):

• обработка больших данных;
• машинное обучение;
• человеко-машинное взаимодействие;
• робототехника;
• квантовые и оптические технологии;
• безопасность в информационном обществе.

Ошибкой является буквальное понимание робототехники как суммы терминов «робот» и «техника». Это узкая трактовка и в очень немногих общеобразовательных учреждениях готовы обеспечить подготовку будущих инженеров и программистов.

Это не только не соответствует их возможностям, но и не соответствует их потребностям.

При такой трактовке можно говорить всего о нескольких учреждениях, которые могут заниматься этой технологией.

В общеобразовательных учреждениях имеет смысл говорить об «элементах робототехники», «Образовательной робототехнике», как основы для проектной, исследовательской, учебной деятельности направленной на достижение метапредметного результата.

Содержание Информатики

I. Введение

1. Информация и информационные процессы

2. Компьютер – универсальное устройство обработки данных

II. Математические основы информатики

1. Тексты и кодирование

2. Дискретизация

3. Системы счисления

4. Элементы комбинаторики, теории множеств и математической логики.

5. Списки, графы, деревья

III. Алгоритмы и элементы программирования

1. Исполнители и алгоритмы. Управление исполнителями

2. Алгоритмические конструкции

3. Построение алгоритмов и программ

4. Анализ алгоритмов

5. Робототехника

6. Математическое моделирование

IV. Использование программных систем и сервисов

1. Файловая система

2. Подготовка текстов и демонстрационных материалов

3. Электронные (динамические) таблицы

4. Базы данных. Поиск информации

5. Работа в информационном пространстве. Информационно-коммуникационные технологии

В широком смысле информатика есть наука о вычислениях, хранении и обработке информации.

Основы:

Оборудование LEGO Wedo. Приблизительный возраст: 1-4 класс. Можно изучать элементы кибернетики (есть в Угриновиче): обратная связь, замкнутые, незамкнутые системы управления.

Оборудование LEGO MINDSTORMS EV3. Приблизительный возраст: 2-11 класс. Способен действовать независимо от компьютера, благодаря наличию микрокомпьютера.

Информатика – это область научно-технической деятельности, занимающаяся исследованием процессов получения, передачи, обработки и представления информации, решением проблем создания, внедрения и использования информационной техники и технологии во всех сферах общественной жизни.

Информатика не автономная наука

Кибернетика – наука об управлении (механизмами)

Большая российская энциклопедия определяет кибернетику как науку об управлении, связи и переработке информации.

Кибернетические системы имеют рецепторы (датчики), воспринимающие сигналы из внешней среды и передающие их внутрь системы, а также входные и выходные каналы, по которым они обмениваются сигналами с внешней средой. Выходные сигналы системы передаются во внешнюю среду через эффекторы (исполнительные устройства).

Типичная кибернетическая система

Школьная информатика: обязательный образовательный минимум, единый государственный экзамен по информатике и ИКТ.

Задания ЕГЭ в %

80% баллов соответствуют программированию, логике, моделированию и т.д. Темам, при изучении которых робот может быть использован в качестве интерактивного учебного оборудования.

Робот и алгоритмизация (32,5% от максимального балла на ЕГЭ).

Исполнитель – объект, который выполняет алгоритм. Назначение исполнителя точно выполнить  предписания алгоритма, подчас не задумываясь о результате и целях, т.е. формально. Идеальными исполнителями являются машины, роботы, компьютеры…

Понятие исполнителя является базовым при изучении алгоритмизации и программирования. Существует множество учебных исполнителей: Черепашка, Робот, Чертежник, Кенгуренок, Муравей, Кукарача, исполнитель АЛГО, исполнитель для языка Pascal ABC, исполнители Роботландии и др.

Робот становится не виртуальным, а реальным исполнителем.

В средних классах школьники в некоторых курсах информатики изучают учебный язык программирования Лого. Лого закладывает основы алгоритмического мышления, подготавливает к изучению более сложных концепций программирования. Исполнителем языка программирования Лого является Черепаха, робот способный перемещаться по плоскости, выполняя программу, заложенную в него учащимся.

Между Черепахой и роботом, собранным из конструктора Lego Mindstorm не просто много общего – это одна технология обучения, реализующая педагогические идеи Симура Пейперта. Симур Пейперт, разработчик Лого, общепризнанного языка программирования для детей. Симур Пейперт – математик, программист, профессор, один из пионеров внедрения компьютеров в образование.

Задачи для образовательной робототехники.

Ушаков А.А. Задачи для факультатива робототехники.

1. Линейный алгоритм

Задача №1

Исходное состояние:

Робот находится в центре окружности диаметром не менее 40 см. С помощью коротких отрезков окружность разделена на восемь равных частей (см. рис.).

Задание:

Ответить на вопрос – на сколько градусов должен провернуться вал левого двигателя, чтобы робот повернулся вправо на угол в:

а) 45 градусов б) 90 градусов в) 180 градусов?

Провести экспериментальную проверку, написав программы поворота робота на указанные углы.

Запустите программы несколько раз, какова погрешность движения робота? Насколько отличаются углы поворота робота при выполнении одной и той же программы?

Заполните таблицу

Окружность используется в качестве транспортира.

Задача №2

Исходное состояние:

Робот находится в начале отрезка черной линии длиной не менее 60 см. На расстоянии 10, 25, 40 и 60 см от начала отрезка расположены жирные, хорошо заметные черные точки (см. рис.).

Задание:

Ответить на вопрос – на сколько градусов должен повернуться вал левого и правого двигателя, чтобы робот проехал вперед на:

а) 10 см б) 25 см в) 40 см г) 60 см?

Провести экспериментальную проверку, написав программы движения работа на указанные расстояния.

Олимпиадная робототехника.

5. Олимпиадные задачи

Задача №1

Исходное состояние:

Робот находится на игровом поле, на котором нарисованы три черные пересекающиеся линии. (см. рис.) Толщина каждой линии около 3 см.

Линии являются маршрутами, которые ведут от базы робота (первоначальное положение) к мячику. Мячик находится на подставке собранной согласно инструкции прилагаемой к конструктору Lego Mindstorms. Первоначальное положение робота и мячика неизменны. Форма маршрута, его размеры,  известны заранее (см.рис.).

Задание:

Робот должен проехать по любому из трех маршрутов к мячику, взять его, и вернуться назад. При движении на базу он должен использовать другой маршрут. Вернувшись на базу, он должен разжать клешни.

Если при движении оба ведущих колеса робота оказываются по одну сторону линии, задача считается нерешенной. На решение задачи отводится не более 7 минут.

Задача №2

Исходное состояние (см. рис.):

Игровое поле представляет собой  белую поверхность ограниченную прямоугольным контуром размером 2 на 1,5м. Контур образован черной линией толщиной 3 см.

В центре поля на расстоянии 30 см друг от друга расположены 4 мячика синего и красного цвета (из состава конструктора). Взаиморасположение мячиков разного цвета известно заранее. Каждый мячик находится в центре круга радиусом 5 см. Круг нанесен на поверхность игрового поля, его цвет совпадает с цветом размещенного внутри его мячика.

В каждом углу игрового поля находится треугольная зона красного или синего цвета. Игровое поле не имеет бортиков, мячи являются единственными предметами на поле отражающими сигнал радара робота.

Задание:

Робот должен отнести каждый мячик в угол поля соответствующего цвета – красный мячик в угол красного цвета, синий в угол синего цвета. Для предотвращения выкатывания мячика каждый угол огорожен шкивами из набора деталей конструктора.

Предложена структура научно-исследовательской и технической деятельности учащихся

с 1 по 11 класс (автор Алексей Александрович Ушаков):

1-2 класс – Лего-творчество (развитие внимания, сообразительности, памяти, мелкой моторики);

3-4 класс – Лего-конструирование (изучение простых машин – рычаги, редукторы; простое программирование);

5-9 класс – Лего-робототехника (Сборка и программирование роботов, соревнования);

8-11 класс – Олимпиадное программирование (Изучение теории алгоритмов, математики, классических языков программирования);

8-11 класс – Соревнования роботов (Подготовка и участие в соревнованиях, изучение альтернативных языков программирования роботов);

8-11 класс – Естественнонаучное исследование (Целенаправленная работа над проблемой имеющей научно-практическое значение, изучение научного способа познания мира с использованием современных лабораторных инструментов и систем обработки данных).

Метапредметные связи: биология, химия, физика.

Федеральный государственный образовательный стандарт (ФГОС) ставит на первый план формирование у учащихся универсальных учебных действий (УУД), которые определяются как способности ребёнка к саморазвитию и самосовершенствованию путём сознательного и активного приобретения нового опыта. Выделяют четыре блока УУД: личностный, регулятивный, коммуникативный и познавательный.

Рассмотрим, как именно использование оборудования LEGO позволяет воздействовать на формирование регулятивных УУД.

Развитие способности к целеполаганию.

Учащийся учится ставить цель и достигает необходимого результата. Самостоятельно разрабатывает собственного робота из набора LEGO, учится ставить перед собой учебную задачу.

Развитие способности к планированию.

Поставив перед собой цель, учащийся составляет краткий или подробный план деятельности по моделированию нового робота или изменению уже знакомого. Он учится работать и по готовым инструкциям (входящим в комплект конструктора), и по схемам, разработанным самостоятельно. Указания по выполнению плана могут быть как письменными или графическими, так и устными. Помимо этого, работая в команде, надо уметь правильно распределить обязанности между всеми участниками процесса.

Развитие способности к прогнозированию.

Учащийся учится прогнозировать результаты своей деятельности, выбирая различные способы выполнения одного и того же задания.

Формирование действия контроля.

Выполнив задание, учащийся получает готовую модель и имеет возможность самостоятельно проверить правильность её выполнения. Тем самым формируется умение контролировать и оценивать учебные действия в соответствии с поставленной задачей и условиями её реализации, указанное в числе метапредметных результатов обучения.

Формирование действия коррекции.

Обнаружив недочёты в своей работе, учащийся имеет возможность внести коррективы на любой стадии сборки модели. Он учится критично относиться к результатам своей деятельности и деятельности окружающих. Если модель робота LEGO не выполняет запланированные функции, значит, на какой-то стадии работы допущена ошибка, которая требует исправления. В итоге происходит формирование умения понимать причины успеха/неуспеха учебной деятельности и способности действовать даже в ситуациях неуспеха.

Развитие способности к оценке.

Учащийся получает возможность сравнивать свою модель с моделями одноклассников, а значит, оценить уровень выполнения своей работы: сложность, функциональность, внешнюю эстетичность, рациональность робота. При этом он учится объективно оценивать результат не только своей, но и чужой деятельности. На основе полученных результатов ученик может сделать выводы об уровне своих знаний и умений.

Формирование саморегуляции.

Процесс сборки модели требует терпения и самообладания. Если по каким-то причинам школьнику приходится делать работу сначала, ему нужно приложить некоторое волевое усилие для успешного устранения недочётов. При общении с напарниками по заданию ученику необходим самоконтроль, поскольку в ходе планирования или выполнения модели у учащихся могут возникать разногласия. Таким образом происходит формирование навыков сотрудничества со сверстниками в разных ситуациях, развитие умений не создавать конфликтов и находить выходы из спорных ситуаций.

Робототехника в школе представляет учащимся технологии 21 века, способствует развитию их коммуникативных способностей, развивает навыки самостоятельности при принятии решений, раскрывает их творческий потенциал.

Список использованной литературы:

1. Ушаков А.А. Задачи для факультатива робототехники.
2. Асмолов, А.Г. Как проектировать универсальные учебные действия в начальной школе: от действия к мысли: пос. для учителя / А.Г. Асмолов, Г.В. Бурменская, И.А. Володарская [и др.] ; под ред. А.Г. Асмолова. – М.: Просвещение, 2008.