ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.12.2023
Просмотров: 198
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
нием и программированием. С другими примерами натурного моделирования роботизированных установок для физического эксперимента можно познакомиться в п. 2.4., в котором рассматривается методика организации проектной деятельности учащихся.
Разработка модели (прототипа) новой экспериментальной установки или усовершенствованной известной всегда связано с предпроектным исследованием. Схема разработки классического натурного физического эксперимента известна. В случае создания его роботизированной версии ситуация с предпро-ектным исследованием усложняется. Учащимся необходимо выполнить дополнительные действия. Это выбор элементов конструктора, наиболее подходящих для воспроизведения и диагностики исследуемого в физическом эксперименте явления. В ряде случаев возможно создание новых элементов или модернизация имеющихся. Необходимо определить механизмы и устройства для реализации хода эксперимента. Особенно важно сделать выбор технологии сбора и обработки экспериментальных данных. Наконец, учащимся необходимо подобрать программное обеспечение и написать программу для управления исследованием.
На рисунке 7 представлен пример разработки учащимися роботизирован -ной модели технического объекта – установки «Магнитная муфта». Муфта состоит из двух магнитных шестерёнок. Магнитная шестерёнка представляет собой диск, на котором вдоль всей его окружности закреплены магниты с чередованием северных и южных магнитных полюсов. Идея магнитной передачи состоит в том, что при сближении шестерёнок возникает магнитное сцепление, и одна магнитная шестерёнка передаёт вращение другой посредством магнитного поля. При выполнении данного проекта учащимся необходимо было не только реализовать в роботизированном варианте идею магнитного сцепления, но и обеспечить: 1) автоматическое определение частоты вращения ведомого вала, 2) регулировку расстояния между шестерёнками и скорости их вращения. При создании данной модели использовались не только детали робототехнического конструктора, но и оборудование школьного физического кабинета, кабинета технологии (различные приборы и инструменты) (подробнее о данном проекте см. п. 2.4.).
Рис.7. Модель роботизированной установки для изучения
магнитной передачи «Магнитная муфта»
При проектировании технического объекта как роботизированной системы предпроектное исследование связано: с изучением назначения данного объекта и системы его требуемых функций; определением физических основ работы объекта и отдельных узлов его конструкции (т.е. с решением вопроса о принципе действия); выявлением составляющих системы обратной связи и механизмов управления работой объекта. Чуть более простой задачей для предпроект-ного исследования является модернизация уже имеющейся конструкции роботизированной модели технического объекта.
Итак, вторая составляющая методики включения робототехники в учебный процесс по физике в качестве инструмента познания представлена демонстрацией учащимся роботизированных технических объектов как
инструментов научно-технического исследования, а также самостоятельным моделированием и созданием учащимися натурных и виртуальных моделей роботов различных видов.
Применение робототехники в учебном процессе по физике в качестве инструмента познания способствует освоению учащимися его современной методологии. На этой основе расширяются и углубляются знания учащихся по предмету, совершенствуются их познавательные умения и навыки, формируются учебно-исследовательские компетенции [115; 130; 158].
Итак, в данном параграфе раскрыто содержание методики применения робототехники на уроках физики в качестве инструмента познания. Дана характеристика роботизированного физического эксперимента как метода научного исследования, а также направлений применения робототехники в прикладном техническом познании. Приведены примеры роботизированных установок, которые могут использоваться с этой целью в учебном процессе по физике.
2.3. Образовательная робототехника в учебном процессе по физике как средство обучения, развития и воспитания учащихся
Рассмотрим составляющие методики применения образовательной робототехники как средства обучения развития и воспитания учащихся при обучении физике.
1. Обучающие функции РТ. Дидактический потенциал робототехники чрезвычайно высок. Занимаясь робототехникой, школьники приобретают современные п о л и т е х н и ч е с к и е з н а н и я и у м е н и я , у них формируются соответствующие т е х н и ч е с к и е и т е х н о л о г и ч е с к и е к о м п е т е н ц и и , необходимые для жизнедеятельности в насыщенной разнообразными объектами техники социальной среде.
Освоение робототехники как одного из направлений политехнической подготовки по предмету обеспечивает з а к р е п л е н и е и у г л у б л е н и е п р е д м е т н ы х з н а н и й , ф о р м и р о в а н и е познавательных и практических у м е н и й . Учащиеся о в л а д е в а ю т у н и в е р с а л ьными учебными действиями .
Робототехника – благодатная основа для р е а л и з а ц и и м е ж п р е д м е т н ы х с в я з е й . Это определяется мультидисциплинарностью данной области знания.
На занятии по робототехнике важны знания по разным предметам: технологии, физике, информатике, математике, черчению и др. Эти знания необходимы как для понимания принципов функционирования роботов, так и при самостоятельном их проектировании и конструировании учащимися. Как правило, при выполнении большинства проектов имеет место интеграция знаний естественнонаучных дисциплин, математики, информатики и технологии.
Возможна, как уже отмечалось, интеграция робототехники с гуманитарными областями знания (реконструкция различных событий истории, исследование поведения взаимодействия социальных групп, решение задач социальной адаптации и т.д.).
Наиболее очевидна для учащихся «связка» предметов «технология – информатика». Компьютерная среда моделирования и программирования робота, сборка его натурной модели вызывают у учащихся особый интерес. Значимость для школьников освоения современных компьютерных технологий и их применения в различных областях социальной практики способствуют развитию популярности занятий робототехникой. Создание и конфигурирование интерактивной конструкции робота средствами виртуальной среды стало на сегодня доступно детям и школьникам практически любого возраста. Это мир виртуальной реальности, в котором школьник реализует свои замыслы и оценивает дееспособность созданных роботов, создает дополнительные условия (нередко экстремальные) для их проверки на «прочность».
Задача учителей определить и реализовать в проектной деятельности учащихся по робототехнике ее предметную составляющую и показать роль смежных областей научного знания. Виды, методы и приемы реализации межпредметных связей раскрыты в работах Х.Х. Абушкина [3], С.Н.Бабиной [9], В.А. Ишутина [61], В.Е. Медведева [93], О.В. Финагиной [167], А.В. Усовой [156], О.А. Яворука [188] и др.
Междисциплинарная направленность проектных заданий в области робототехники способствует с и с т е м а т и з а ц и и и о б о б щ е н и ю з н а н и й по разным предметам, достижению в итоге метапредметных результатов обучения.
Робототехника – это новое средство наглядности. Известно ее стимулирующее воздействие на восприятие учащимися учебного материала и эффективное его усвоение. Роботизированные демонстрации учебного физического эксперимента и технических приложений физики не только интересны для школьников. Они позволяют повысить качество учебных демонстраций. Так, например, при постановке роботизированного эксперимента возможно преобразование малых количественных изменений в значимые по проявлению и хорошо наблюдаемые изменения. В ряде случаев малые количественные изменения величин могут быть преобразованы в качественные показатели, например: включение звука, появление световой индикации, создание оригинальных шоу-эффектов. Не менее привлекательными выглядят результаты такого эксперимента в их представлении на экране монитора в виде графиков функций, отображаемых в реальном времени по ходу эксперимента.
Робототехника является эффективным с р е д с т в о м и н д и в и д у а -л и з а ц и и о б у ч е н и я учета интересов и уровня подготовки учащихся). Это обеспечивается разнообразием учебных наборов по робототехнике и сопровождающих их учебных материалов, ориентированных на развитие технического творчества детей. Видовым разнообразием роботов и направлений их применения. Дополнительным важным фактором в этой связи является организация конкурсного и соревновательного движений по робототехнике.
2. Развивающие и воспитательные функции робототехники. Возможность выдвижения собственной идеи и самостоятельного определения конструкции робота, а также его различных функций - важное условие удовлетворения значимых психологических потребностей ребёнка: в выборе, в получении результата «здесь и сейчас», в самореализации, в успехе. Эффективными в этом случае являются приёмы обучения, связанные с обсуждением возможных вариантов конструкции робота, разбором достоинств и недостатков этих вариантов, определением наилучшего из них, созданием действующей модели робота и защитой подготовленного проекта, а также применение результатов проектирования в учебном процессе по физике, участие с проек
том в конкурсном движении или соревнованиях по робототехнике.
Выполнение различных заданий по образовательной робототехнике (как учебных, так и творческого характера) обеспечивает активное развитие у учащихся всех п о з н а в а т е л ь н ы х п р о ц е с с о в . Совершенствуются восприятие, представление, воображение, мышление, память и речь учащихся. Занятия робототехникой оказывают особое влияние на развитие м о -т и в а ц и и у ч е б н о й д е я т е л ь н о с т и . Эффект этого воздействия связан, как минимум, с непосредственным интересом учащихся к роботизированным устройствам как новому инновационному направлению развития современной техники. Практико-ориентированный характер занятий робототехникой – тоже значимый фактор этого влияния.
Занятия робототехникой обеспечивают формирование у учащихся л и ч н о с т н ы х к а ч е с т в (мотивации, самостоятельности и инициативности, трудолюбия и ответственности за качество полученного результата, коммуникабельности и толерантности, стремления к достижениям и уверенности в себе и др.).
Занятия робототехникой – это эффективный «инструмент» р а з в и -т и я как и н д и в и д у а л ь н о г о , так и к о л л е к т и в н о го т в о р ч е -с т в а детей и юношества. Создание нового оригинального робота – это почти всегда командная работа, предмет активной коммуникации и расширения круга общения, средство адаптации и социализации ребенка, в том числе его техносоциализации, что в условиях стремительно развивающейся техносреды становится чрезвычайно важным для каждого человека.
Несомненна роль робототехники в развитии такого комплекса качеств личности, который определяется как «soft skills» (софт скилс, от англ. — «мягкие навыки»). Это личностные качества и универсальные ЗУН, которые повышают эффективность работы любого человека в его взаимодействии с другими людьми. «Soft skills» позволяют быть успешным независимо от специфики и направления деятельности. Это навыки межличностного общения (для сравнения «hard skills» – умелые руки, т. е. профессиональные навыки). Перечень «мягких навыков» достаточно широк. Выделяют их виды. Одним из главных среди них многие авторы считают умение человека работать в команде, что особенно важно в современном обществе (Институт Макса Планка, Мюнхен, Германия) [145].
Разработка модели (прототипа) новой экспериментальной установки или усовершенствованной известной всегда связано с предпроектным исследованием. Схема разработки классического натурного физического эксперимента известна. В случае создания его роботизированной версии ситуация с предпро-ектным исследованием усложняется. Учащимся необходимо выполнить дополнительные действия. Это выбор элементов конструктора, наиболее подходящих для воспроизведения и диагностики исследуемого в физическом эксперименте явления. В ряде случаев возможно создание новых элементов или модернизация имеющихся. Необходимо определить механизмы и устройства для реализации хода эксперимента. Особенно важно сделать выбор технологии сбора и обработки экспериментальных данных. Наконец, учащимся необходимо подобрать программное обеспечение и написать программу для управления исследованием.
На рисунке 7 представлен пример разработки учащимися роботизирован -ной модели технического объекта – установки «Магнитная муфта». Муфта состоит из двух магнитных шестерёнок. Магнитная шестерёнка представляет собой диск, на котором вдоль всей его окружности закреплены магниты с чередованием северных и южных магнитных полюсов. Идея магнитной передачи состоит в том, что при сближении шестерёнок возникает магнитное сцепление, и одна магнитная шестерёнка передаёт вращение другой посредством магнитного поля. При выполнении данного проекта учащимся необходимо было не только реализовать в роботизированном варианте идею магнитного сцепления, но и обеспечить: 1) автоматическое определение частоты вращения ведомого вала, 2) регулировку расстояния между шестерёнками и скорости их вращения. При создании данной модели использовались не только детали робототехнического конструктора, но и оборудование школьного физического кабинета, кабинета технологии (различные приборы и инструменты) (подробнее о данном проекте см. п. 2.4.).
Рис.7. Модель роботизированной установки для изучения
магнитной передачи «Магнитная муфта»
При проектировании технического объекта как роботизированной системы предпроектное исследование связано: с изучением назначения данного объекта и системы его требуемых функций; определением физических основ работы объекта и отдельных узлов его конструкции (т.е. с решением вопроса о принципе действия); выявлением составляющих системы обратной связи и механизмов управления работой объекта. Чуть более простой задачей для предпроект-ного исследования является модернизация уже имеющейся конструкции роботизированной модели технического объекта.
Итак, вторая составляющая методики включения робототехники в учебный процесс по физике в качестве инструмента познания представлена демонстрацией учащимся роботизированных технических объектов как
инструментов научно-технического исследования, а также самостоятельным моделированием и созданием учащимися натурных и виртуальных моделей роботов различных видов.
Применение робототехники в учебном процессе по физике в качестве инструмента познания способствует освоению учащимися его современной методологии. На этой основе расширяются и углубляются знания учащихся по предмету, совершенствуются их познавательные умения и навыки, формируются учебно-исследовательские компетенции [115; 130; 158].
Итак, в данном параграфе раскрыто содержание методики применения робототехники на уроках физики в качестве инструмента познания. Дана характеристика роботизированного физического эксперимента как метода научного исследования, а также направлений применения робототехники в прикладном техническом познании. Приведены примеры роботизированных установок, которые могут использоваться с этой целью в учебном процессе по физике.
2.3. Образовательная робототехника в учебном процессе по физике как средство обучения, развития и воспитания учащихся
Рассмотрим составляющие методики применения образовательной робототехники как средства обучения развития и воспитания учащихся при обучении физике.
1. Обучающие функции РТ. Дидактический потенциал робототехники чрезвычайно высок. Занимаясь робототехникой, школьники приобретают современные п о л и т е х н и ч е с к и е з н а н и я и у м е н и я , у них формируются соответствующие т е х н и ч е с к и е и т е х н о л о г и ч е с к и е к о м п е т е н ц и и , необходимые для жизнедеятельности в насыщенной разнообразными объектами техники социальной среде.
Освоение робототехники как одного из направлений политехнической подготовки по предмету обеспечивает з а к р е п л е н и е и у г л у б л е н и е п р е д м е т н ы х з н а н и й , ф о р м и р о в а н и е познавательных и практических у м е н и й . Учащиеся о в л а д е в а ю т у н и в е р с а л ьными учебными действиями .
Робототехника – благодатная основа для р е а л и з а ц и и м е ж п р е д м е т н ы х с в я з е й . Это определяется мультидисциплинарностью данной области знания.
На занятии по робототехнике важны знания по разным предметам: технологии, физике, информатике, математике, черчению и др. Эти знания необходимы как для понимания принципов функционирования роботов, так и при самостоятельном их проектировании и конструировании учащимися. Как правило, при выполнении большинства проектов имеет место интеграция знаний естественнонаучных дисциплин, математики, информатики и технологии.
Возможна, как уже отмечалось, интеграция робототехники с гуманитарными областями знания (реконструкция различных событий истории, исследование поведения взаимодействия социальных групп, решение задач социальной адаптации и т.д.).
Наиболее очевидна для учащихся «связка» предметов «технология – информатика». Компьютерная среда моделирования и программирования робота, сборка его натурной модели вызывают у учащихся особый интерес. Значимость для школьников освоения современных компьютерных технологий и их применения в различных областях социальной практики способствуют развитию популярности занятий робототехникой. Создание и конфигурирование интерактивной конструкции робота средствами виртуальной среды стало на сегодня доступно детям и школьникам практически любого возраста. Это мир виртуальной реальности, в котором школьник реализует свои замыслы и оценивает дееспособность созданных роботов, создает дополнительные условия (нередко экстремальные) для их проверки на «прочность».
Задача учителей определить и реализовать в проектной деятельности учащихся по робототехнике ее предметную составляющую и показать роль смежных областей научного знания. Виды, методы и приемы реализации межпредметных связей раскрыты в работах Х.Х. Абушкина [3], С.Н.Бабиной [9], В.А. Ишутина [61], В.Е. Медведева [93], О.В. Финагиной [167], А.В. Усовой [156], О.А. Яворука [188] и др.
Междисциплинарная направленность проектных заданий в области робототехники способствует с и с т е м а т и з а ц и и и о б о б щ е н и ю з н а н и й по разным предметам, достижению в итоге метапредметных результатов обучения.
Робототехника – это новое средство наглядности. Известно ее стимулирующее воздействие на восприятие учащимися учебного материала и эффективное его усвоение. Роботизированные демонстрации учебного физического эксперимента и технических приложений физики не только интересны для школьников. Они позволяют повысить качество учебных демонстраций. Так, например, при постановке роботизированного эксперимента возможно преобразование малых количественных изменений в значимые по проявлению и хорошо наблюдаемые изменения. В ряде случаев малые количественные изменения величин могут быть преобразованы в качественные показатели, например: включение звука, появление световой индикации, создание оригинальных шоу-эффектов. Не менее привлекательными выглядят результаты такого эксперимента в их представлении на экране монитора в виде графиков функций, отображаемых в реальном времени по ходу эксперимента.
Робототехника является эффективным с р е д с т в о м и н д и в и д у а -л и з а ц и и о б у ч е н и я учета интересов и уровня подготовки учащихся). Это обеспечивается разнообразием учебных наборов по робототехнике и сопровождающих их учебных материалов, ориентированных на развитие технического творчества детей. Видовым разнообразием роботов и направлений их применения. Дополнительным важным фактором в этой связи является организация конкурсного и соревновательного движений по робототехнике.
2. Развивающие и воспитательные функции робототехники. Возможность выдвижения собственной идеи и самостоятельного определения конструкции робота, а также его различных функций - важное условие удовлетворения значимых психологических потребностей ребёнка: в выборе, в получении результата «здесь и сейчас», в самореализации, в успехе. Эффективными в этом случае являются приёмы обучения, связанные с обсуждением возможных вариантов конструкции робота, разбором достоинств и недостатков этих вариантов, определением наилучшего из них, созданием действующей модели робота и защитой подготовленного проекта, а также применение результатов проектирования в учебном процессе по физике, участие с проек
том в конкурсном движении или соревнованиях по робототехнике.
Выполнение различных заданий по образовательной робототехнике (как учебных, так и творческого характера) обеспечивает активное развитие у учащихся всех п о з н а в а т е л ь н ы х п р о ц е с с о в . Совершенствуются восприятие, представление, воображение, мышление, память и речь учащихся. Занятия робототехникой оказывают особое влияние на развитие м о -т и в а ц и и у ч е б н о й д е я т е л ь н о с т и . Эффект этого воздействия связан, как минимум, с непосредственным интересом учащихся к роботизированным устройствам как новому инновационному направлению развития современной техники. Практико-ориентированный характер занятий робототехникой – тоже значимый фактор этого влияния.
Занятия робототехникой обеспечивают формирование у учащихся л и ч н о с т н ы х к а ч е с т в (мотивации, самостоятельности и инициативности, трудолюбия и ответственности за качество полученного результата, коммуникабельности и толерантности, стремления к достижениям и уверенности в себе и др.).
Занятия робототехникой – это эффективный «инструмент» р а з в и -т и я как и н д и в и д у а л ь н о г о , так и к о л л е к т и в н о го т в о р ч е -с т в а детей и юношества. Создание нового оригинального робота – это почти всегда командная работа, предмет активной коммуникации и расширения круга общения, средство адаптации и социализации ребенка, в том числе его техносоциализации, что в условиях стремительно развивающейся техносреды становится чрезвычайно важным для каждого человека.
Несомненна роль робототехники в развитии такого комплекса качеств личности, который определяется как «soft skills» (софт скилс, от англ. — «мягкие навыки»). Это личностные качества и универсальные ЗУН, которые повышают эффективность работы любого человека в его взаимодействии с другими людьми. «Soft skills» позволяют быть успешным независимо от специфики и направления деятельности. Это навыки межличностного общения (для сравнения «hard skills» – умелые руки, т. е. профессиональные навыки). Перечень «мягких навыков» достаточно широк. Выделяют их виды. Одним из главных среди них многие авторы считают умение человека работать в команде, что особенно важно в современном обществе (Институт Макса Планка, Мюнхен, Германия) [145].