ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.12.2023
Просмотров: 181
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
включая наноуровень). Созданы робототехнические системы, моделирующие характеристики и принципы управления, соответствующие некоторым функциям человеческого тела.
Развитие робототехники в ближайшем будущем приведет к значительным изменениям в образе жизни людей. Условия их жизнедеятельности станут не только более комфортными. От человека, существующего в новой среде, потребуется новый уровень мышления и поведения, готовность к обслуживанию современного робототехнического оборудования и его обновлению. В связи с этим в педагогической науке уже сейчас достаточно ярко обозначены две социально-педагогические проблемы, решение которых связывается со значительным социально-экономическим и политическим эффектами: 1) подготовка квалифицированных кадров для производства роботов и роботизированных систем; 2) формирование классов потребителей услуг роботизированной среды и развитие у них соответствующей социально-технологической культуры (М.Г. Ершов [195]).
Педагогическое сообщество уже начало работу по решению этих проблем. В последние годы в отечественной системе образования робототехника (РТ) стала одним из самых популярных направлений политехнической подготовки учащихся. Популярность РТ обеспечивается высоким уровнем интереса молодежи к этой сфере технической деятельности. Преимущественно развивается практика применения робототехники в системе дополнительного образования, постепенно расширяется ее использование во внеурочной деятельности в средней школе. Однако следует отметить, что система дополнительного образования не может в достаточной мере обеспечить решение задач системной политехнической подготовки учащихся, связанных с формированием у них обновленной технической РТ-культуры. Должно быть организовано обучение робототехнике в рамках общего образования. С учетом мультидисциплинарности робототехники как области знания для решения этой задачи необходимо задействовать потенциал практически всех учебных предметов, в том числе физики.
Важность подготовки наиболее способных учащихся и студентов в области робототехники обозначена на уровне Минобрнауки России. В 2015 г. создан Координационный совет по робототехнике, главной задачей деятельности которого является разработка механизмов подготовки высококвалифицированных кадров для данной отрасли производства и формирование предложений по совершенствованию нормативной правовой базы и научно-методического обеспечения внедрения в учебный процесс современных образовательных технологий по робототехнике.
Итак, в настоящем параграфе дана общая оценка современного состояния отечественного роботостроения как отрасли производства, проанализированы тенденции мирового развития рынка робототехники. Дана характеристика робототехники как приоритетной области технических инноваций и мульти-дисциплинарной области технического знания. Раскрыта роль робототехники в реализации политехнической направленности образования учащихся средней школы и обоснована необходимость изучения ее элементов в базовых предметных курсах.
1.2. Состояние проблемы применения образовательной робототехники в учебном процессе по физике в средней школе
Вопросы методики применения робототехники в предметном обучении, в том числе при обучении физике, еще только начинают обсуждаться в педагогических исследованиях. Рассмотрим наиболее значимые работы в этой области педагогического знания.
Первые отечественные публикации по робототехнике для детей и юношества относятся к концу 70-х – началу 90-х годов XX века. В основном это научно-популярные издания (А.Н. Боголюбов, Д.А. Никитин (1989) [17]; И.И. Артоболевский, А.Е. Кобринский (1977) [7]; В.Н. Бусленко (1984) [19]; В.В. Мацкевич (1988) [92] и др.). Одно из первых учебных пособий по робототехнике появилось в конце XX века. Это пособие А.П. Алексеева, А.Н. Богатырева, В.А. Серенко «Робототехника» (1993), предназначенное для учащихся 8-9 классов средней школы [4]. В пособии дан теоретический материал и представлена система практических занятий по проектированию роботов. Пособие ориентировано на организацию факультативных занятий и кружковой работы по робототехнике. Ценность пособия состоит в том, что в нем представлен материал, который может быть использован в учебном процессе по физике с целью демонстрации ее роли в развитии роботостроения. Ценность пособия состоит в том, что в нем представлен материал, который может быть использован в учебном процессе по физике с целью демонстрации ее роли в развитии роботостроения. Так, например, в параграфе «Анатомия промышленного робота» дано подробное описание физических принципов функционирования роботов-манипуляторов и движущихся роботов. В параграфе «Приводы промышленных роботов» описаны физические основы работы пневматического, гидравлического и электрического приводов, а в качестве пояснения особенностей их работы приведены примеры соответст
вующих физических экспериментов. В пособии представлены сведения о датчиках некоторых видов и физических основах их работы, обсуждается работа механических передач и редукторов, электромеханических элементов (кнопок, переключателей), электрических схем логических элементов, электроизмерительных приборов, электромагнитных устройств, программируемых контроллеров. Дана характеристика системы управления учебным роботом 90-х гг. (электронных компонентов и узлов робота, реализуемых на разной элементной базе – от полупроводниковых приборов до микросхем). Рассматривается работа электроприводов учебного робота с числовым программным управлением (ЧПУ). В заключительной части пособия обсуждаются перспективы развития робототехники.
В период 70-90 гг. XX столетия робототехника как предмет техническо
го творчества детей не была особенно востребована. Это было связано во
многом с отсутствием специального учебного оборудования по робототехни
ке для детей и юношества. Развитие образовательной робототехники как
объекта технического творчества учащихся началось с 1998 г. Этот период
отмечен выпуском компанией LEGO специализированных робототехниче-
ских наборов LEGO Mindstorms с программируемым блоком RCX. В 2006 г.
и далее в 2013 г. появились наборы второго и третьего поколений:
LEGO Mindstorms с блоками NXT и EV3 соответственно.
На сегодняшний день на образовательном рынке представлено более десятка робототехнических конструкторов различных производителей. Идут процессы их массового внедрения в систему дополнительного образования. Робототехника как вид детского технического творчества становится востребованной во внеурочной работе и в средних общеобразовательных школах.
Заметно увеличилось в последние годы число научно-популярных изда
ний по робототехнике, преимущественно переводных (И. Александер,
П. Барнетт, О.Бишоп, Дж. Вильяме, В.С. Гурфинкель, Ф. Жимарши,
П. Марш, Б. Ньютон, М. Предко и др.) [15; 24; 103; 129; 109; 140; 189; 198 и
др.]. Возросло число учебных и методических пособий, в том числе отечест
венных авторов, поддерживающих распространение опыта организации ра
боты учащихся с теми или иными робототехническими наборами [10; 19; 73;
76; 83; 170; 192, 194; 196; 200 и др.]. В научно-методических журналах поя
вились статьи, в которых обсуждаются вопросы образовательной робото
техники [3; 22; 42; 43; 44; 53; 81; 87; 101;105; 127; 165; 183 и др.]. Началась
подготовка диссертационных исследований (О.С. Власова [25; 127],
Д.М. Гребнева [32], М.Г.Ершов [39; 40; 41] и др.). Рассмотрим кратко содержание наиболее интересных научно-методических работ в области образовательной робототехники.
Значительная часть публикаций связана с применением образовательной робототехники в курсе информатики. Это работы И.В. Шимова [183], К.А. Вегнера [22], Н. В. Лукьяновой [87], Л.Г. Белиовской [12], С.Я. Вязо-вов [28] и др.
Имеется небольшое число публикаций, касающихся так или иначе применения робототехники в учебном процессе по физике. В работе Д.А. Каши-рина [65] рассматриваются возможности активизации исследовательской деятельности школьников в области изучения классической механики и основ магнетизма на основе применения робототехнических конструкторов. Каширин Д.А. отмечает, что конструктор «Технология и физика» (комплект Lego 9632) может быть использован в демонстрационном и лабораторном экспериментах, при решении экспериментальных задач и в организации проектной деятельности учащихся.
Достаточно популярная и востребованная во многих регионах России книга А.С. Филиппова «Робототехника для детей и родителей» [166] посвящена проектированию и конструированию простейших роботов
. В книге изложены основы проектирования и сборки роботов на основе конструктора Lego Mindstorms, программирования на языках NXT-G, Robolab и RobotC, а также элементы теории автоматического управления. А.С. Филиппов является автором и соавтором ряда учебных программ по робототехнике [86]. В программе одного их предлагаемых курсов предусмотрен ряд практических заданий по теме «Механика» с использованием конструктора «Технология и физика» и стандартного оборудования школьного кабинета физики. Целями курса являются повышение мотивации к изучению физики и профессиональная ориентация школьников на технические ВУЗы.
Среди сообщества школьников, занимающихся робототехникой, и их преподавателей пользуется большим спросом практикум по робототехнике для 5-6 классов Д.Г. Копосова «Первый шаг в робототехнику» [73]. В пособии имеется полезная информация по физике. Дается описание физических принципов работы ряда датчиков, входящих в базовый набор Lego Mindstorms. Составлен ряд заданий по работе учащихся с конкретными видами датчиков. Прилагаются табличные данные по физике для сравнения (оценки) различных показаний датчиков. В пособии предлагаются проекты, которые необходимо выполнить школьникам для изучения принципов работы датчиков. Рассматриваются примеры нескольких проектов, моделирующих работу измерительных приборов (тахометра, измерителя громкости, измерителя освещённости, одометра, курвиметра, спидометра, дальномера). К пособию разработан вариант рабочей тетради. Работа учащихся с робототехническим набором Lego Mindstorms по материалам данного пособия будет обеспечивать в числе прочего пропедевтику изучения базового курса физики в 7-9 классах.
Д.Г. Копосов в своих публикациях обращает внимание на роль робото-технического конструирования в формировании физического и инженерного мышления школьников. Автор разработал концепцию инженерной школы на базе робототехники и микроэлектроники, которая представлена на его персональном сайте «Начала инженерного образования в школе» [102]. Программа инженерной подготовки включает курсы по проектированию роботов на основе разных робототехнических наборов. Предполагается организация проектно-исследовательской деятельности учащихся по робототехнике в учебном процессе. Даются рекомендации и по организации кружковой работы со школьниками по робототехнике.
В методических материалах Л.Г. Белиовской [13] раскрываются некото
Развитие робототехники в ближайшем будущем приведет к значительным изменениям в образе жизни людей. Условия их жизнедеятельности станут не только более комфортными. От человека, существующего в новой среде, потребуется новый уровень мышления и поведения, готовность к обслуживанию современного робототехнического оборудования и его обновлению. В связи с этим в педагогической науке уже сейчас достаточно ярко обозначены две социально-педагогические проблемы, решение которых связывается со значительным социально-экономическим и политическим эффектами: 1) подготовка квалифицированных кадров для производства роботов и роботизированных систем; 2) формирование классов потребителей услуг роботизированной среды и развитие у них соответствующей социально-технологической культуры (М.Г. Ершов [195]).
Педагогическое сообщество уже начало работу по решению этих проблем. В последние годы в отечественной системе образования робототехника (РТ) стала одним из самых популярных направлений политехнической подготовки учащихся. Популярность РТ обеспечивается высоким уровнем интереса молодежи к этой сфере технической деятельности. Преимущественно развивается практика применения робототехники в системе дополнительного образования, постепенно расширяется ее использование во внеурочной деятельности в средней школе. Однако следует отметить, что система дополнительного образования не может в достаточной мере обеспечить решение задач системной политехнической подготовки учащихся, связанных с формированием у них обновленной технической РТ-культуры. Должно быть организовано обучение робототехнике в рамках общего образования. С учетом мультидисциплинарности робототехники как области знания для решения этой задачи необходимо задействовать потенциал практически всех учебных предметов, в том числе физики.
Важность подготовки наиболее способных учащихся и студентов в области робототехники обозначена на уровне Минобрнауки России. В 2015 г. создан Координационный совет по робототехнике, главной задачей деятельности которого является разработка механизмов подготовки высококвалифицированных кадров для данной отрасли производства и формирование предложений по совершенствованию нормативной правовой базы и научно-методического обеспечения внедрения в учебный процесс современных образовательных технологий по робототехнике.
Итак, в настоящем параграфе дана общая оценка современного состояния отечественного роботостроения как отрасли производства, проанализированы тенденции мирового развития рынка робототехники. Дана характеристика робототехники как приоритетной области технических инноваций и мульти-дисциплинарной области технического знания. Раскрыта роль робототехники в реализации политехнической направленности образования учащихся средней школы и обоснована необходимость изучения ее элементов в базовых предметных курсах.
1.2. Состояние проблемы применения образовательной робототехники в учебном процессе по физике в средней школе
Вопросы методики применения робототехники в предметном обучении, в том числе при обучении физике, еще только начинают обсуждаться в педагогических исследованиях. Рассмотрим наиболее значимые работы в этой области педагогического знания.
Первые отечественные публикации по робототехнике для детей и юношества относятся к концу 70-х – началу 90-х годов XX века. В основном это научно-популярные издания (А.Н. Боголюбов, Д.А. Никитин (1989) [17]; И.И. Артоболевский, А.Е. Кобринский (1977) [7]; В.Н. Бусленко (1984) [19]; В.В. Мацкевич (1988) [92] и др.). Одно из первых учебных пособий по робототехнике появилось в конце XX века. Это пособие А.П. Алексеева, А.Н. Богатырева, В.А. Серенко «Робототехника» (1993), предназначенное для учащихся 8-9 классов средней школы [4]. В пособии дан теоретический материал и представлена система практических занятий по проектированию роботов. Пособие ориентировано на организацию факультативных занятий и кружковой работы по робототехнике. Ценность пособия состоит в том, что в нем представлен материал, который может быть использован в учебном процессе по физике с целью демонстрации ее роли в развитии роботостроения. Ценность пособия состоит в том, что в нем представлен материал, который может быть использован в учебном процессе по физике с целью демонстрации ее роли в развитии роботостроения. Так, например, в параграфе «Анатомия промышленного робота» дано подробное описание физических принципов функционирования роботов-манипуляторов и движущихся роботов. В параграфе «Приводы промышленных роботов» описаны физические основы работы пневматического, гидравлического и электрического приводов, а в качестве пояснения особенностей их работы приведены примеры соответст
вующих физических экспериментов. В пособии представлены сведения о датчиках некоторых видов и физических основах их работы, обсуждается работа механических передач и редукторов, электромеханических элементов (кнопок, переключателей), электрических схем логических элементов, электроизмерительных приборов, электромагнитных устройств, программируемых контроллеров. Дана характеристика системы управления учебным роботом 90-х гг. (электронных компонентов и узлов робота, реализуемых на разной элементной базе – от полупроводниковых приборов до микросхем). Рассматривается работа электроприводов учебного робота с числовым программным управлением (ЧПУ). В заключительной части пособия обсуждаются перспективы развития робототехники.
В период 70-90 гг. XX столетия робототехника как предмет техническо
го творчества детей не была особенно востребована. Это было связано во
многом с отсутствием специального учебного оборудования по робототехни
ке для детей и юношества. Развитие образовательной робототехники как
объекта технического творчества учащихся началось с 1998 г. Этот период
отмечен выпуском компанией LEGO специализированных робототехниче-
ских наборов LEGO Mindstorms с программируемым блоком RCX. В 2006 г.
и далее в 2013 г. появились наборы второго и третьего поколений:
LEGO Mindstorms с блоками NXT и EV3 соответственно.
На сегодняшний день на образовательном рынке представлено более десятка робототехнических конструкторов различных производителей. Идут процессы их массового внедрения в систему дополнительного образования. Робототехника как вид детского технического творчества становится востребованной во внеурочной работе и в средних общеобразовательных школах.
Заметно увеличилось в последние годы число научно-популярных изда
ний по робототехнике, преимущественно переводных (И. Александер,
П. Барнетт, О.Бишоп, Дж. Вильяме, В.С. Гурфинкель, Ф. Жимарши,
П. Марш, Б. Ньютон, М. Предко и др.) [15; 24; 103; 129; 109; 140; 189; 198 и
др.]. Возросло число учебных и методических пособий, в том числе отечест
венных авторов, поддерживающих распространение опыта организации ра
боты учащихся с теми или иными робототехническими наборами [10; 19; 73;
76; 83; 170; 192, 194; 196; 200 и др.]. В научно-методических журналах поя
вились статьи, в которых обсуждаются вопросы образовательной робото
техники [3; 22; 42; 43; 44; 53; 81; 87; 101;105; 127; 165; 183 и др.]. Началась
подготовка диссертационных исследований (О.С. Власова [25; 127],
Д.М. Гребнева [32], М.Г.Ершов [39; 40; 41] и др.). Рассмотрим кратко содержание наиболее интересных научно-методических работ в области образовательной робототехники.
Значительная часть публикаций связана с применением образовательной робототехники в курсе информатики. Это работы И.В. Шимова [183], К.А. Вегнера [22], Н. В. Лукьяновой [87], Л.Г. Белиовской [12], С.Я. Вязо-вов [28] и др.
Имеется небольшое число публикаций, касающихся так или иначе применения робототехники в учебном процессе по физике. В работе Д.А. Каши-рина [65] рассматриваются возможности активизации исследовательской деятельности школьников в области изучения классической механики и основ магнетизма на основе применения робототехнических конструкторов. Каширин Д.А. отмечает, что конструктор «Технология и физика» (комплект Lego 9632) может быть использован в демонстрационном и лабораторном экспериментах, при решении экспериментальных задач и в организации проектной деятельности учащихся.
Достаточно популярная и востребованная во многих регионах России книга А.С. Филиппова «Робототехника для детей и родителей» [166] посвящена проектированию и конструированию простейших роботов
. В книге изложены основы проектирования и сборки роботов на основе конструктора Lego Mindstorms, программирования на языках NXT-G, Robolab и RobotC, а также элементы теории автоматического управления. А.С. Филиппов является автором и соавтором ряда учебных программ по робототехнике [86]. В программе одного их предлагаемых курсов предусмотрен ряд практических заданий по теме «Механика» с использованием конструктора «Технология и физика» и стандартного оборудования школьного кабинета физики. Целями курса являются повышение мотивации к изучению физики и профессиональная ориентация школьников на технические ВУЗы.
Среди сообщества школьников, занимающихся робототехникой, и их преподавателей пользуется большим спросом практикум по робототехнике для 5-6 классов Д.Г. Копосова «Первый шаг в робототехнику» [73]. В пособии имеется полезная информация по физике. Дается описание физических принципов работы ряда датчиков, входящих в базовый набор Lego Mindstorms. Составлен ряд заданий по работе учащихся с конкретными видами датчиков. Прилагаются табличные данные по физике для сравнения (оценки) различных показаний датчиков. В пособии предлагаются проекты, которые необходимо выполнить школьникам для изучения принципов работы датчиков. Рассматриваются примеры нескольких проектов, моделирующих работу измерительных приборов (тахометра, измерителя громкости, измерителя освещённости, одометра, курвиметра, спидометра, дальномера). К пособию разработан вариант рабочей тетради. Работа учащихся с робототехническим набором Lego Mindstorms по материалам данного пособия будет обеспечивать в числе прочего пропедевтику изучения базового курса физики в 7-9 классах.
Д.Г. Копосов в своих публикациях обращает внимание на роль робото-технического конструирования в формировании физического и инженерного мышления школьников. Автор разработал концепцию инженерной школы на базе робототехники и микроэлектроники, которая представлена на его персональном сайте «Начала инженерного образования в школе» [102]. Программа инженерной подготовки включает курсы по проектированию роботов на основе разных робототехнических наборов. Предполагается организация проектно-исследовательской деятельности учащихся по робототехнике в учебном процессе. Даются рекомендации и по организации кружковой работы со школьниками по робототехнике.
В методических материалах Л.Г. Белиовской [13] раскрываются некото