ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.12.2023
Просмотров: 195
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
ство срабатывает при пуске программы управления установкой. Двигатель поворачивает скобы на определённый угол, шарик освобождается и начинает скатываться по наклонной плоскости. Через некоторое время скобы возвращаются в исходное состояние, и эксперимент может быть проведен вновь.
Рис. 3. Устройство для запуска шарика и Рис. 4. Устройство для запуска шарика
датчик расстояния (на базе NXT) и датчик расстояния (на базе EV3)
Рис. 5. Скобы, удерживающие шарик. Датчик расстояния
В нижней части желоба закрепляется датчик света (рис. 1, 2), который «реагирует» на появление в поле его обзора скатывающегося шарика. В момент пуска микропроцессора включается программный секундомер для регистрации времени движения шарика. При срабатывании датчика света, закрепленного в нижней части наклонной плоскости, секундомер останавливается. В итоге измеряется время движения шарика. Для определения его перемещения используется датчик расстояния, который крепится на устройство для запуска шарика (рис. 3). Расстояние измеряется от точки начала движения шарика до металлической пластины, которая закрепляется в конце желоба на уровне расположения датчика света (рис.1, 2).
В ходе демонстрации опыта на экран микропроцессора выводятся последовательно значения перемещения и времени движения шарика (рис. 6, 7).
Пошаговая инструкция по сборке конструкции экспериментальной установки представлена в приложении «Сборка» к модулю «Ускорение». Инструкция выполнена в программе LEGO Digital Designer. (рис. 8). Если на компьютере установлена программа LEGO Digital Designer, то можно запустить проект конструкции программы, выполненной в версии 4.2., и познакомиться с трёхмерным изображением роботизированной установки.
Рис. 6. Вывод результатов измерения Рис. 7. Вывод результатов измерения
на экран NXT (перемещение, время) на экран EV3 (перемещение)
Работу школьников и студентов полезно организовывать в сменных командах, в том числе командах, включающих учащихся разного возраста. Лучшие проекты могут быть представлены на конкурсах и олимпиадах по робототехнике разного уровня (краевом, региональном, всероссийском, международном). В
приложении 3 представлен пример конкурсного проекта «Измерение ускорения свободного падения на поверхности небесных тел» («Роботы в космических исследованиях»).
В рамках настоящего исследования подготовлены следующие роботизированные эксперименты:
Механика
3. Определение ускорения движения тела при равноускоренном движе
нии (аналог машины Атвуда).
Молекулярная физика
Электрические и магнитные явления
Физика атома и атомного ядра
20. Ядерный ректор: моделирование терморегуляции и регулировки ин
тенсивности протекания ядерной реакции.
Кроме этого подготовлено 12 учебных модулей к разделу «Механика» (см. с. 103). Разработанные материалы предназначены для применения на уроках физики, занятиях школьного физического практикума и спецпрактикумов, могут быть использованы для организации элективных курсов физико-технической направленности, а также во внеурочной проектной деятельности учащихся (см. примеры демонстрационных и лабораторных РТ-установок в приложении 7).
Разработанные в настоящем исследовании роботизированные лабораторные физические эксперименты и дидактические модули к разделу «Механика» составили основу программы элективного курса «Лабораторный практикум по физике с применением образовательной робототехники. Механика».
Соединение образовательной робототехники с изучением физики придает учебному процессу новое качество: существенным образом меняется отношение учащихся к предмету, обогащается среда
практико-ориентированного обучения, растет уровень знаний и умений физико-технической направленности, активизируется творческая деятельность учащихся, формируется более широкая информационная основа для становления профессиональных устремлений.
Итак, в настоящем параграфе раскрыты структура и содержание методических и дидактических материалов по образовательной робототехнике, предназначенных для применения в учебном процессе по физике. Представлены структура и пример описания основных блоков одного из модулей. Продемонстрирована возможность разноуровневой работы учащихся на лабораторных занятиях по физике с применением образовательной робототехники.
ГЛАВА 3. СОДЕРЖАНИЕ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТНО-ПОИСКОВОЙ РАБОТЫ
3.1. Цели, содержание и методика опытно-поисковой работы
В период 2020–2022 гг. с целью проверки результативности, разработанной в настоящем исследовании методики применения образовательной робототехники в учебном процессе по физике, была организована опытно-поисковая работа (ОПР). Экспериментальная проверка гипотезы исследования проводилась на базе СШ №56 г.Актобе и центра «Технопарк» Актюбинского регионального университета им.К.Жубанова. В работе творческого коллектива центра принимали участие учащиеся разных школ г.Актобе и Актюбинской области. В экспериментальном исследовании, включая его констатирующий, поисковый и формирующий этапы, приняли участие 597 учащихся основной школы (из них 300 учащихся – контрольная группа), 87 учителей физики, сотрудники «Технопарк» АРУ и студенты физического факультета АРУ. На констатирующем этапе экспериментального исследования (2020– 2021 гг.) выявлены основные противоречия реализации политехнической направленности обучения физике и дана оценка его результативности (создание условий для развития у учащихся интереса к современной технике и научным основам ее работы; формирование у них политехнических знаний и умений; становление готовности к выбору профильного уровня подготовки по предметам, связанным с инженерно-техническими специальностями будущей профессиональной деятельности). Проведено всестороннее изучение состояния проблемы применения робототехники в практике работы средней школы, в том числе в учебном процессе по физике.
На поисковом этапе (2021–2022 гг.) исследовались возможности применения робототехники в преподавании курса школьного физики, осуществлялась разработка модели и методики обучения учащихся основам робототехники как составляющей их политехнической подготовки по предмету. Отрабатывалась практика применения различных методов и приемов обучения, были определены содержание и направления использования специальных средств обучения (роботизированного физического эксперимента, роботизированных технических объектов, дидактических материалов по робототехнике для самостоятельной работы учащихся). Выявлены подходы к организации учебной, исследовательской и проектной деятельности учащихся по робототехнике в рамках учебного процесса по физике, исследовались особенности разных форм организации занятий и вариативные практики обучения, уточнены критерии и показатели его результативности.
На формирующем этапе ОПР (2022 г.) осуществлялось обучение школьников на основе разработанной методики применения робототехники в учебном процессе по физике, была выполнена проверка справедливости гипотезы исследования. Проведены анализ и обобщение результатов опытно-поисковой работы, сформулированы основные выводы.
В ходе опытно-поисковой работы осуществлялось решение комплекса задач: 1) определение уровня интереса учащихся к изучению физики и ее технических приложений, включая интерес к изучению вопросов современной техники; выявление динамики изменения познавательных интересов учащихся в условиях применения в обучении образовательной робототехники; 2) оценка знаний и умений учащихся в области технических приложений физики, в том числе в сфере учебной робототехники; 3) выявление профессиональных устремлений учащихся, их предпочтений в выборе предметов профильного уровня обучения в старших классах; 4) апробация и корректировка разработанных в настоящем исследовании модели и методики применения образовательной робототехники в учебном процессе по физике; 5) проверка справедливости гипотезы исследования.
Опытно-поисковая работа проводилась в рамках основного учебного процесса по физике, в ходе преподавания элективного курса «Лабораторный практикум по физике с применением образовательной робототехники» и во
внеурочной деятельности школьников по предмету. Было организовано участие школьников с РТ-проектами физико-технической направленности в конкурсах и соревнованиях разных уровней (городских, региональных). В экспериментальном обучении приняло участие 297 учащихся 7,8 и 9 классов.
Обучение осуществлялось на основе трехкомпонентной модели включения робототехники в учебный процесс по физике (РТ как объект изучения, РТ как инструмент познания, РТ как средство обучения, развития и воспитания). В ходе обучения применялись наборы по робототехнике Arduino и образовательные модули, включающие комплекты дидактических и методических материалов по образовательной робототехнике. Отметим, что содержание разработанных в исследовании дидактических и методических модулей тесно связано с программой обучения физике основной школы и содержанием политехнической подготовки учащихся по предмету. Робототехника в каждом модуле представлена как область технических приложений основ физической науки, а изучение РТ направлено на более глубокое и полное усвоение предмета и его прикладной политехнической составляющей.
В процессе опытно-поисковой работы применялись разные методы эмпирического исследования: педагогическое наблюдение; опрос; беседа; анкетирование; экспертиза учебного процесса и проектов учащихся по робототехнике; организация исследовательской педагогической практики, включающей констатирующий, поисковый, формирующий этапы; методы математической статистики для обработки результатов эмпирического исследования [2; 31; 38; 147].
В качестве критериев результативности, предложенной в настоящем исследовании методики обучения, были выбраны: 1) уровень интереса школьников к изучению физики и ее технических приложений, в том числе
интерес к современной технике; 2) полнота усвоения учащимся знаний и овладения умениями политехнической направленности, в том числе в области робототехники; 3) уровень готовности к выбору профильного уровня обучения физике в старшей школе (10-11 классы).
Теоретико-методологическую основу опытно-поисковой работы в направлении исследования динамики развития п о з н а в а т е л ь н ы х интересов учащихся составили труды известных психологов и педагогов Л.И. Божович [18], А.Н. Леонтьева [80], А.Г. Здравомыслова [49], В.И. Загвязинского [47], Н.Г. Морозовой [99], Г.И. Щукиной [184] и методистов B.C. Данюшенкова [35], И.Я. Ланиной [77], Е.В. Оспенниковой [114], А.В. Усовой [159; 157; 160]. Анализировались и были учтены результаты диссертационных исследований в области развития и диагностики интереса, учащихся к изучению физики (Б.Т. Войцеховский [26], Осяк С.А. [118], В.Г. Речкалов [139] и др.).
Рис. 3. Устройство для запуска шарика и Рис. 4. Устройство для запуска шарика
датчик расстояния (на базе NXT) и датчик расстояния (на базе EV3)
Рис. 5. Скобы, удерживающие шарик. Датчик расстояния
В нижней части желоба закрепляется датчик света (рис. 1, 2), который «реагирует» на появление в поле его обзора скатывающегося шарика. В момент пуска микропроцессора включается программный секундомер для регистрации времени движения шарика. При срабатывании датчика света, закрепленного в нижней части наклонной плоскости, секундомер останавливается. В итоге измеряется время движения шарика. Для определения его перемещения используется датчик расстояния, который крепится на устройство для запуска шарика (рис. 3). Расстояние измеряется от точки начала движения шарика до металлической пластины, которая закрепляется в конце желоба на уровне расположения датчика света (рис.1, 2).
В ходе демонстрации опыта на экран микропроцессора выводятся последовательно значения перемещения и времени движения шарика (рис. 6, 7).
Пошаговая инструкция по сборке конструкции экспериментальной установки представлена в приложении «Сборка» к модулю «Ускорение». Инструкция выполнена в программе LEGO Digital Designer. (рис. 8). Если на компьютере установлена программа LEGO Digital Designer, то можно запустить проект конструкции программы, выполненной в версии 4.2., и познакомиться с трёхмерным изображением роботизированной установки.
Рис. 6. Вывод результатов измерения Рис. 7. Вывод результатов измерения
на экран NXT (перемещение, время) на экран EV3 (перемещение)
Работу школьников и студентов полезно организовывать в сменных командах, в том числе командах, включающих учащихся разного возраста. Лучшие проекты могут быть представлены на конкурсах и олимпиадах по робототехнике разного уровня (краевом, региональном, всероссийском, международном). В
приложении 3 представлен пример конкурсного проекта «Измерение ускорения свободного падения на поверхности небесных тел» («Роботы в космических исследованиях»).
В рамках настоящего исследования подготовлены следующие роботизированные эксперименты:
Механика
-
Относительность механического движения (относительность траектории). -
Определение скорости равномерного движения тела.
3. Определение ускорения движения тела при равноускоренном движе
нии (аналог машины Атвуда).
-
Определение ускорения движения тела по наклонной плоскости. -
Определение ускорения свободного падения. -
Доказательство равноускоренного характера свободного падения. -
Исследование свободных колебаний (маятник на нити). -
Исследование свободных колебаний (пружинный маятник). -
Резонанс (маятник на нити).
-
Резонанс (пружинный маятник). -
Закон Гука. -
Законы сухого трения. -
Второй закон Ньютона. -
Простые механизмы: блоки.
Молекулярная физика
-
Газовые законы (изохорный процесс). -
Газовые законы (изобарный процесс). -
Газовые законы (изотермический процесс).
Электрические и магнитные явления
-
Закон Ома для участка цепи. -
Изучение магнитных явлений.
Физика атома и атомного ядра
20. Ядерный ректор: моделирование терморегуляции и регулировки ин
тенсивности протекания ядерной реакции.
Кроме этого подготовлено 12 учебных модулей к разделу «Механика» (см. с. 103). Разработанные материалы предназначены для применения на уроках физики, занятиях школьного физического практикума и спецпрактикумов, могут быть использованы для организации элективных курсов физико-технической направленности, а также во внеурочной проектной деятельности учащихся (см. примеры демонстрационных и лабораторных РТ-установок в приложении 7).
Разработанные в настоящем исследовании роботизированные лабораторные физические эксперименты и дидактические модули к разделу «Механика» составили основу программы элективного курса «Лабораторный практикум по физике с применением образовательной робототехники. Механика».
Соединение образовательной робототехники с изучением физики придает учебному процессу новое качество: существенным образом меняется отношение учащихся к предмету, обогащается среда
практико-ориентированного обучения, растет уровень знаний и умений физико-технической направленности, активизируется творческая деятельность учащихся, формируется более широкая информационная основа для становления профессиональных устремлений.
Итак, в настоящем параграфе раскрыты структура и содержание методических и дидактических материалов по образовательной робототехнике, предназначенных для применения в учебном процессе по физике. Представлены структура и пример описания основных блоков одного из модулей. Продемонстрирована возможность разноуровневой работы учащихся на лабораторных занятиях по физике с применением образовательной робототехники.
ГЛАВА 3. СОДЕРЖАНИЕ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТНО-ПОИСКОВОЙ РАБОТЫ
3.1. Цели, содержание и методика опытно-поисковой работы
В период 2020–2022 гг. с целью проверки результативности, разработанной в настоящем исследовании методики применения образовательной робототехники в учебном процессе по физике, была организована опытно-поисковая работа (ОПР). Экспериментальная проверка гипотезы исследования проводилась на базе СШ №56 г.Актобе и центра «Технопарк» Актюбинского регионального университета им.К.Жубанова. В работе творческого коллектива центра принимали участие учащиеся разных школ г.Актобе и Актюбинской области. В экспериментальном исследовании, включая его констатирующий, поисковый и формирующий этапы, приняли участие 597 учащихся основной школы (из них 300 учащихся – контрольная группа), 87 учителей физики, сотрудники «Технопарк» АРУ и студенты физического факультета АРУ. На констатирующем этапе экспериментального исследования (2020– 2021 гг.) выявлены основные противоречия реализации политехнической направленности обучения физике и дана оценка его результативности (создание условий для развития у учащихся интереса к современной технике и научным основам ее работы; формирование у них политехнических знаний и умений; становление готовности к выбору профильного уровня подготовки по предметам, связанным с инженерно-техническими специальностями будущей профессиональной деятельности). Проведено всестороннее изучение состояния проблемы применения робототехники в практике работы средней школы, в том числе в учебном процессе по физике.
На поисковом этапе (2021–2022 гг.) исследовались возможности применения робототехники в преподавании курса школьного физики, осуществлялась разработка модели и методики обучения учащихся основам робототехники как составляющей их политехнической подготовки по предмету. Отрабатывалась практика применения различных методов и приемов обучения, были определены содержание и направления использования специальных средств обучения (роботизированного физического эксперимента, роботизированных технических объектов, дидактических материалов по робототехнике для самостоятельной работы учащихся). Выявлены подходы к организации учебной, исследовательской и проектной деятельности учащихся по робототехнике в рамках учебного процесса по физике, исследовались особенности разных форм организации занятий и вариативные практики обучения, уточнены критерии и показатели его результативности.
На формирующем этапе ОПР (2022 г.) осуществлялось обучение школьников на основе разработанной методики применения робототехники в учебном процессе по физике, была выполнена проверка справедливости гипотезы исследования. Проведены анализ и обобщение результатов опытно-поисковой работы, сформулированы основные выводы.
В ходе опытно-поисковой работы осуществлялось решение комплекса задач: 1) определение уровня интереса учащихся к изучению физики и ее технических приложений, включая интерес к изучению вопросов современной техники; выявление динамики изменения познавательных интересов учащихся в условиях применения в обучении образовательной робототехники; 2) оценка знаний и умений учащихся в области технических приложений физики, в том числе в сфере учебной робототехники; 3) выявление профессиональных устремлений учащихся, их предпочтений в выборе предметов профильного уровня обучения в старших классах; 4) апробация и корректировка разработанных в настоящем исследовании модели и методики применения образовательной робототехники в учебном процессе по физике; 5) проверка справедливости гипотезы исследования.
Опытно-поисковая работа проводилась в рамках основного учебного процесса по физике, в ходе преподавания элективного курса «Лабораторный практикум по физике с применением образовательной робототехники» и во
внеурочной деятельности школьников по предмету. Было организовано участие школьников с РТ-проектами физико-технической направленности в конкурсах и соревнованиях разных уровней (городских, региональных). В экспериментальном обучении приняло участие 297 учащихся 7,8 и 9 классов.
Обучение осуществлялось на основе трехкомпонентной модели включения робототехники в учебный процесс по физике (РТ как объект изучения, РТ как инструмент познания, РТ как средство обучения, развития и воспитания). В ходе обучения применялись наборы по робототехнике Arduino и образовательные модули, включающие комплекты дидактических и методических материалов по образовательной робототехнике. Отметим, что содержание разработанных в исследовании дидактических и методических модулей тесно связано с программой обучения физике основной школы и содержанием политехнической подготовки учащихся по предмету. Робототехника в каждом модуле представлена как область технических приложений основ физической науки, а изучение РТ направлено на более глубокое и полное усвоение предмета и его прикладной политехнической составляющей.
В процессе опытно-поисковой работы применялись разные методы эмпирического исследования: педагогическое наблюдение; опрос; беседа; анкетирование; экспертиза учебного процесса и проектов учащихся по робототехнике; организация исследовательской педагогической практики, включающей констатирующий, поисковый, формирующий этапы; методы математической статистики для обработки результатов эмпирического исследования [2; 31; 38; 147].
В качестве критериев результативности, предложенной в настоящем исследовании методики обучения, были выбраны: 1) уровень интереса школьников к изучению физики и ее технических приложений, в том числе
интерес к современной технике; 2) полнота усвоения учащимся знаний и овладения умениями политехнической направленности, в том числе в области робототехники; 3) уровень готовности к выбору профильного уровня обучения физике в старшей школе (10-11 классы).
Теоретико-методологическую основу опытно-поисковой работы в направлении исследования динамики развития п о з н а в а т е л ь н ы х интересов учащихся составили труды известных психологов и педагогов Л.И. Божович [18], А.Н. Леонтьева [80], А.Г. Здравомыслова [49], В.И. Загвязинского [47], Н.Г. Морозовой [99], Г.И. Щукиной [184] и методистов B.C. Данюшенкова [35], И.Я. Ланиной [77], Е.В. Оспенниковой [114], А.В. Усовой [159; 157; 160]. Анализировались и были учтены результаты диссертационных исследований в области развития и диагностики интереса, учащихся к изучению физики (Б.Т. Войцеховский [26], Осяк С.А. [118], В.Г. Речкалов [139] и др.).