ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.12.2023
Просмотров: 184
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
рые возможности использования конструктора LEGO Mindstorms NXT и ряда
датчиков, совместимых с ним, в постановке физического эксперимента. Автор приводит примеры применения датчиков Vernier и самодвижущейся тележки, изготовленной на базе конструктора LEGO Mindstorms NXT, для экспериментального изучения некоторых физических явлений: трения, работы сил, магнитного поля полосового магнита и соленоида, индукции магнитного поля. Обсуждаются некоторые преимущества таких экспериментов: одновременная работа с несколькими датчиками, компьютерная обработка данных и визуализация результатов работы различными способами.
В коллективной работе «Образовательная робототехника на уроках информатики и физики в средней школе» (В.Н. Халамов и др.) [169] представлены методические и дидактические материалы по использованию образовательной робототехники на уроках информатики в 5-6 классах и физики в 7-8 классах. Авторами подготовлены разработки фрагментов уроков к разделу «Механика» с применением робототехнических конструкторов, упражнения и задачи, а также тестовые задания к данным урокам. Представлены групповые и индивидуальные задания для самостоятельной творческой работы учащихся. Все задания являются достаточно простыми. Для их выполнения используется самодвижущаяся тележка, изготовленная с применением робототехнического конструктора LEGO Mindstorms. При выполнении заданий учащиеся традиционными способами измеряют время, пройденный путь, скорость движения робота-тележки, с помощью динамометра Бакушинского определяют значение силы буксируемого данной тележкой груза. При равноускоренном движении тележки измеряются мгновенная скорость и ускорение движения. В итоге учащимся предлагается рассчитать работу и мощность двигателя тележки-робота. После взвешивания тележки на весах может быть определен ее импульс. Отметим, что в данном пособии рассматривается применение лишь простейших элементов конструктора LEGO Mindstorms NХТ в обучении физике. Предложенные автором для использования в физическом эксперименте конструкции не являются по сути робототехническими системами.
В некоторых публикациях представлены разработки отдельных уроков по физике с применением робототехнического оборудования. Так в статье А.В. Минкина [97] предлагается способ измерения ускорения свободного падения и автоматическое определение времени движения робота под действием нескольких сил. Учитель физики В.В. Абальмасов в своей методической разработке «Использование Lego Mindstorms Education EV3 на уроках физики» [1] приводит пример физического эксперимента по измерению коэффициента трения.
В ряде работ обсуждаются общие педагогические аспекты внедрения образовательной робототехники в систему среднего образования. В статье Н.В. Петровской и А.В. Страхова «Образовательная робототехника: продуктивно-когнитивный подход» отмечается, что «… робототехника отражает все грани научно-технического творчества в настоящее время и является уникальной образовательной технологией, направленной на поиск, подготовку и поддержку нового поколения молодых исследователей с практическим опытом командной работы на стыке перспективных областей знаний» [123]. Авторы обсуждают вопросы соответствия данной технологии основным принципам дидактики, интеграции учебных дисциплин и выбора организационных форм учебного процесса при реализации образовательной программы «Робототехника».
В статье П. В. Зуева и Е.С. Кощеевой [53] обозначены основные проблемы организации учебного процесса с использованием робототехники: отсутствие преемственности между ступенями образования, недостаточное взаимодействие педагогов основного и дополнительного образования, отсутствие в целом по стране преемственности в материальной базе и программном обеспечении робототехнического творчества молодежи, а также « … отсутствие четкой концептуальной, методологической, материально-технической и методической основы развития робототехники в нашей стране» [Там же, с. 60]. В работе приведены примеры реализации принципа преемственности на основе включения в образовательный процесс программных сред для программирования и моделирования автоматизированных технических систем.
Публикация Е.Ю. Левченко и А.М. Мехнина «Формирование политехнической компетенции в процессе физико-технического творчества учащихся» [96] посвящена вопросам реализации компетентностного подхода в современном политехническом образовании. Авторы обращаются внимание на необходимость усиления практической составляющей программ обучения и важность развития физико-технического мышления учащихся. В итоге как одно из решений поставленной проблемы в статье предлагается программа дополнительного образования по физико-техническому творчеству «Лаборатория электроники и робототехники» для школьников 9-11 классов.
Х.Х. Абушкин и А.В. Дадонова в статье «Межпредметные связи в робототехнике как средство формирования ключевых компетенций учащихся» [3] обращают внимание читателей на междисциплинарный характер деятельности учащихся в области робототехнического моделирования и конструирования. Подчеркивается в связи с этим возможность применения робототехники с целью формирования ключевых компетенций школьников. Перечислены виды деятельности школьников в процессе роботостроения, которые формируют ключевые компетенции: информационную, коммуникативную, учебно-познавательную.
А.В. Литвин в статье «Педагогические и дидактические возможности образовательной робототехники» [81] раскрывает особенности включения наборов Lego Education и Lego Mindstorms в образовательное пространство школы, дан анализ межпредметных связей образовательной робототехники с общеобразовательными дисциплинами. Автор указывает, что, несмотря на эффективность робототехники как средства организации проектной и исследовательской деятельности студентов и школьников, « … проблема использования образовательной робототехники в учебном процессе остается недостаточно изученной».
Диссертационных исследований по проблеме применения образовательной робототехники в системе основного и среднего общего образования нами пока не найдено. Частично эта проблема обсуждается в диссертации Д.М. Гребневой «Обучение школьников программированию на основе семиотического подхода. Работа направлена на совершенствование учебного процесса по информатике. Автор предлагает организовывать знаково-символическую деятельность в процессе программирования на современном, качественно новом уровне, а именно на базе аппаратно-программных средств робототехники [32]. В исследовании О.С.Власовой, посвященном активизации освоения младшими школьниками дисциплин естественнонаучного цикла в процессе технического конструирования, робототехника рассматривается как средство закрепления знаний по дисциплинам окружающий мир, математика, технология. Автором разрабатывается методика организации занятий с младшими школьниками техническим конструированием и робототехникой во внеурочное время [25; 127]. Диссертационное исследование Ю. А. Максаевой «Развитие одаренности детей дошкольного возраста средствами легоконструирования» затрагивает проблему развития технического творчества детей дошкольного творчества [89].
Отметим в заключении, что большинство отечественных учебно- методических изданий последних двух лет, согласно каталогу Всероссийского
учебно-методического центра образовательной робототехники за
2013-2014 гг., ориентировано на дошкольное образование и начальную школу, обучение информатике в основной школе (в 5-6 классах), а также на дополнительное образование детей и подростков.
Рассмотрим наиболее значимые результаты изучения особенностей применения робототехники в системе образования, выполненные зарубежными исследователями. В мировой образовательной практике робототехника как область изучения и проектной деятельности учащихся применяется уже около15 лет. Интерес к робототехнике, интегрирующей в себе
науку, технологию, инженерное дело, математику (Science Technology Engineering Mathematics = STEM), непрерывно растет. Во многих ведущих странах реализуются национальные программы по развитию STEM-образования, в том числе и STEM-робототехники (наряду с соревновательной РТ). Известные компании, производственные и научные организации сферы высоких технологий занимаются разработкой и продвижением образовательных IT-проектов. Ряд фирм (LEGO, DFPobot, UCR, INEX и др.) выпускают образовательные робототехнические конструкторы на основе программируемых микроконтроллеров и микропроцессоров, разрабатывают специализированное программное обеспечение, которое может быть использовано не только для конструирования простейших роботов, но и для организации достаточно сложной исследовательской деятельности школьников и студентов.
Обсуждение практики применения робототехнических конструкторов в школьном образовании за рубежом началось несколько раньше, чем в отечественной педагогической науке. Достаточно много публикаций относится к линейке LEGO Mindstorms (LEGO Mindstorms RCX, LEGO Mindstorms NXT, LEGO Mindstorms EV3), представленной сегодня на образовательном рынке. Выпуск каждого нового поколения конструкторов сопровождается изданием справочных и методических пособий. Следует отметить, что в пособиях последних лет [192; 193; 198 и др.] рассматриваются не только вопросы техники проектирования и программирования роботов, но и принципы функционирования отдельных элементов их конструкции, приводятся примеры выполнения учебных проектов, направленных на изучение закономерностей протекания различных явлений природы с применением конструкторов LEGO Mindstorms.
По мере расширения практики применения оборудования LEGO Mindstorms в школьном образовании робототехника стала включаться в стандарты образования. Например, в перечень тем и изучаемого оборудования в образовательном стандарте штата Вирджиния США [199, с. 24] входит знакомство с датчиками, сервомоторами и двигателями LEGO, изучение методов исследования различных механизмов. Является обязательным участие школьников в соревнованиях по робототехнике.
Зарубежными коллегами проводятся специальные исследования, связанные с применением РТ в учебном процессе.
Из переводных изданий последних лет на отечественном рынке методической литературы по робототехнике известно пособие выпуска 2009 г. «Физические исследования с Vernier и LEGOMindstormsNХТ
: лабораторные занятия по науке и технологиям, проектированию и математике с использованием датчиков Vernier» [165]. В книге представлены лабораторные работы по некоторым темам курса физики: «Силы», «Давление», «Электричество», «Магнетизм». Датчики Vernier, используемые в данных работах в паре с программным обеспечением микропроцессора NХТ, позволяют проводить весьма точные измерения, осуществлять мониторинг эксперимента, освобождая учащихся от кропотливой работы по наблюдению и отслеживанию показаний приборов, а также дают им возможность впоследствии визуализировать полученные данные в форме графиков и анализировать их. Следует отметить, что все манипуляции с экспериментальной установкой осуществляются учащимися вручную. Традиционным способом производится и запись данных в таблицы. В пособии помимо лабораторных работ представлены примеры проектов по применению робототехники в создании простых технических устройств, работающих на основе известных физических явлений (магнитоискатель, миноискатель, устройство слежения за источником света, диагностика аккумуляторной батареи).
С точки зрения применения РТ в обучении физике представляет интерес учебное пособие «PhysicswithRobotics.AnNXTandRCXActivityGuide» (William Church, Tony Ford, Natasha Perova, 2009) [197]. LEGO-робототехника рассматривается в данной работе как технология изучения физики с целью пропедевтики и закрепления знаний школьников по данному предмету. В пособии представлено более 20 проектов по физике на базе конструктора
LEGO Mindstorms NXT. Как приложение к данному пособию создан сайт, на
котором были представлены электронная версия пособия и управляющие программы к проектам [Там же]. Этой же группой авторов в последующие годы была продолжена работа по подготовке методических рекомендаций по LEGO-робототехнике. В их совместной работе «PhysicsWithRoboticsUsingLEGO® MINDSTORMS® inHighSchoolEducation» [190] представлен обзор научных идей в направлении возможности использования активных форм изучения материала при использовании робототехнического оборудования, в частности при организации проектно-исследовательской деятельности учащихся. Подчеркивается дидактическая ценность квазинаучного метода исследования, поскольку в этом случае освоение нового материала осуществля
датчиков, совместимых с ним, в постановке физического эксперимента. Автор приводит примеры применения датчиков Vernier и самодвижущейся тележки, изготовленной на базе конструктора LEGO Mindstorms NXT, для экспериментального изучения некоторых физических явлений: трения, работы сил, магнитного поля полосового магнита и соленоида, индукции магнитного поля. Обсуждаются некоторые преимущества таких экспериментов: одновременная работа с несколькими датчиками, компьютерная обработка данных и визуализация результатов работы различными способами.
В коллективной работе «Образовательная робототехника на уроках информатики и физики в средней школе» (В.Н. Халамов и др.) [169] представлены методические и дидактические материалы по использованию образовательной робототехники на уроках информатики в 5-6 классах и физики в 7-8 классах. Авторами подготовлены разработки фрагментов уроков к разделу «Механика» с применением робототехнических конструкторов, упражнения и задачи, а также тестовые задания к данным урокам. Представлены групповые и индивидуальные задания для самостоятельной творческой работы учащихся. Все задания являются достаточно простыми. Для их выполнения используется самодвижущаяся тележка, изготовленная с применением робототехнического конструктора LEGO Mindstorms. При выполнении заданий учащиеся традиционными способами измеряют время, пройденный путь, скорость движения робота-тележки, с помощью динамометра Бакушинского определяют значение силы буксируемого данной тележкой груза. При равноускоренном движении тележки измеряются мгновенная скорость и ускорение движения. В итоге учащимся предлагается рассчитать работу и мощность двигателя тележки-робота. После взвешивания тележки на весах может быть определен ее импульс. Отметим, что в данном пособии рассматривается применение лишь простейших элементов конструктора LEGO Mindstorms NХТ в обучении физике. Предложенные автором для использования в физическом эксперименте конструкции не являются по сути робототехническими системами.
В некоторых публикациях представлены разработки отдельных уроков по физике с применением робототехнического оборудования. Так в статье А.В. Минкина [97] предлагается способ измерения ускорения свободного падения и автоматическое определение времени движения робота под действием нескольких сил. Учитель физики В.В. Абальмасов в своей методической разработке «Использование Lego Mindstorms Education EV3 на уроках физики» [1] приводит пример физического эксперимента по измерению коэффициента трения.
В ряде работ обсуждаются общие педагогические аспекты внедрения образовательной робототехники в систему среднего образования. В статье Н.В. Петровской и А.В. Страхова «Образовательная робототехника: продуктивно-когнитивный подход» отмечается, что «… робототехника отражает все грани научно-технического творчества в настоящее время и является уникальной образовательной технологией, направленной на поиск, подготовку и поддержку нового поколения молодых исследователей с практическим опытом командной работы на стыке перспективных областей знаний» [123]. Авторы обсуждают вопросы соответствия данной технологии основным принципам дидактики, интеграции учебных дисциплин и выбора организационных форм учебного процесса при реализации образовательной программы «Робототехника».
В статье П. В. Зуева и Е.С. Кощеевой [53] обозначены основные проблемы организации учебного процесса с использованием робототехники: отсутствие преемственности между ступенями образования, недостаточное взаимодействие педагогов основного и дополнительного образования, отсутствие в целом по стране преемственности в материальной базе и программном обеспечении робототехнического творчества молодежи, а также « … отсутствие четкой концептуальной, методологической, материально-технической и методической основы развития робототехники в нашей стране» [Там же, с. 60]. В работе приведены примеры реализации принципа преемственности на основе включения в образовательный процесс программных сред для программирования и моделирования автоматизированных технических систем.
Публикация Е.Ю. Левченко и А.М. Мехнина «Формирование политехнической компетенции в процессе физико-технического творчества учащихся» [96] посвящена вопросам реализации компетентностного подхода в современном политехническом образовании. Авторы обращаются внимание на необходимость усиления практической составляющей программ обучения и важность развития физико-технического мышления учащихся. В итоге как одно из решений поставленной проблемы в статье предлагается программа дополнительного образования по физико-техническому творчеству «Лаборатория электроники и робототехники» для школьников 9-11 классов.
Х.Х. Абушкин и А.В. Дадонова в статье «Межпредметные связи в робототехнике как средство формирования ключевых компетенций учащихся» [3] обращают внимание читателей на междисциплинарный характер деятельности учащихся в области робототехнического моделирования и конструирования. Подчеркивается в связи с этим возможность применения робототехники с целью формирования ключевых компетенций школьников. Перечислены виды деятельности школьников в процессе роботостроения, которые формируют ключевые компетенции: информационную, коммуникативную, учебно-познавательную.
А.В. Литвин в статье «Педагогические и дидактические возможности образовательной робототехники» [81] раскрывает особенности включения наборов Lego Education и Lego Mindstorms в образовательное пространство школы, дан анализ межпредметных связей образовательной робототехники с общеобразовательными дисциплинами. Автор указывает, что, несмотря на эффективность робототехники как средства организации проектной и исследовательской деятельности студентов и школьников, « … проблема использования образовательной робототехники в учебном процессе остается недостаточно изученной».
Диссертационных исследований по проблеме применения образовательной робототехники в системе основного и среднего общего образования нами пока не найдено. Частично эта проблема обсуждается в диссертации Д.М. Гребневой «Обучение школьников программированию на основе семиотического подхода. Работа направлена на совершенствование учебного процесса по информатике. Автор предлагает организовывать знаково-символическую деятельность в процессе программирования на современном, качественно новом уровне, а именно на базе аппаратно-программных средств робототехники [32]. В исследовании О.С.Власовой, посвященном активизации освоения младшими школьниками дисциплин естественнонаучного цикла в процессе технического конструирования, робототехника рассматривается как средство закрепления знаний по дисциплинам окружающий мир, математика, технология. Автором разрабатывается методика организации занятий с младшими школьниками техническим конструированием и робототехникой во внеурочное время [25; 127]. Диссертационное исследование Ю. А. Максаевой «Развитие одаренности детей дошкольного возраста средствами легоконструирования» затрагивает проблему развития технического творчества детей дошкольного творчества [89].
Отметим в заключении, что большинство отечественных учебно- методических изданий последних двух лет, согласно каталогу Всероссийского
учебно-методического центра образовательной робототехники за
2013-2014 гг., ориентировано на дошкольное образование и начальную школу, обучение информатике в основной школе (в 5-6 классах), а также на дополнительное образование детей и подростков.
Рассмотрим наиболее значимые результаты изучения особенностей применения робототехники в системе образования, выполненные зарубежными исследователями. В мировой образовательной практике робототехника как область изучения и проектной деятельности учащихся применяется уже около15 лет. Интерес к робототехнике, интегрирующей в себе
науку, технологию, инженерное дело, математику (Science Technology Engineering Mathematics = STEM), непрерывно растет. Во многих ведущих странах реализуются национальные программы по развитию STEM-образования, в том числе и STEM-робототехники (наряду с соревновательной РТ). Известные компании, производственные и научные организации сферы высоких технологий занимаются разработкой и продвижением образовательных IT-проектов. Ряд фирм (LEGO, DFPobot, UCR, INEX и др.) выпускают образовательные робототехнические конструкторы на основе программируемых микроконтроллеров и микропроцессоров, разрабатывают специализированное программное обеспечение, которое может быть использовано не только для конструирования простейших роботов, но и для организации достаточно сложной исследовательской деятельности школьников и студентов.
Обсуждение практики применения робототехнических конструкторов в школьном образовании за рубежом началось несколько раньше, чем в отечественной педагогической науке. Достаточно много публикаций относится к линейке LEGO Mindstorms (LEGO Mindstorms RCX, LEGO Mindstorms NXT, LEGO Mindstorms EV3), представленной сегодня на образовательном рынке. Выпуск каждого нового поколения конструкторов сопровождается изданием справочных и методических пособий. Следует отметить, что в пособиях последних лет [192; 193; 198 и др.] рассматриваются не только вопросы техники проектирования и программирования роботов, но и принципы функционирования отдельных элементов их конструкции, приводятся примеры выполнения учебных проектов, направленных на изучение закономерностей протекания различных явлений природы с применением конструкторов LEGO Mindstorms.
По мере расширения практики применения оборудования LEGO Mindstorms в школьном образовании робототехника стала включаться в стандарты образования. Например, в перечень тем и изучаемого оборудования в образовательном стандарте штата Вирджиния США [199, с. 24] входит знакомство с датчиками, сервомоторами и двигателями LEGO, изучение методов исследования различных механизмов. Является обязательным участие школьников в соревнованиях по робототехнике.
Зарубежными коллегами проводятся специальные исследования, связанные с применением РТ в учебном процессе.
Из переводных изданий последних лет на отечественном рынке методической литературы по робототехнике известно пособие выпуска 2009 г. «Физические исследования с Vernier и LEGOMindstormsNХТ
: лабораторные занятия по науке и технологиям, проектированию и математике с использованием датчиков Vernier» [165]. В книге представлены лабораторные работы по некоторым темам курса физики: «Силы», «Давление», «Электричество», «Магнетизм». Датчики Vernier, используемые в данных работах в паре с программным обеспечением микропроцессора NХТ, позволяют проводить весьма точные измерения, осуществлять мониторинг эксперимента, освобождая учащихся от кропотливой работы по наблюдению и отслеживанию показаний приборов, а также дают им возможность впоследствии визуализировать полученные данные в форме графиков и анализировать их. Следует отметить, что все манипуляции с экспериментальной установкой осуществляются учащимися вручную. Традиционным способом производится и запись данных в таблицы. В пособии помимо лабораторных работ представлены примеры проектов по применению робототехники в создании простых технических устройств, работающих на основе известных физических явлений (магнитоискатель, миноискатель, устройство слежения за источником света, диагностика аккумуляторной батареи).
С точки зрения применения РТ в обучении физике представляет интерес учебное пособие «PhysicswithRobotics.AnNXTandRCXActivityGuide» (William Church, Tony Ford, Natasha Perova, 2009) [197]. LEGO-робототехника рассматривается в данной работе как технология изучения физики с целью пропедевтики и закрепления знаний школьников по данному предмету. В пособии представлено более 20 проектов по физике на базе конструктора
LEGO Mindstorms NXT. Как приложение к данному пособию создан сайт, на
котором были представлены электронная версия пособия и управляющие программы к проектам [Там же]. Этой же группой авторов в последующие годы была продолжена работа по подготовке методических рекомендаций по LEGO-робототехнике. В их совместной работе «PhysicsWithRoboticsUsingLEGO® MINDSTORMS® inHighSchoolEducation» [190] представлен обзор научных идей в направлении возможности использования активных форм изучения материала при использовании робототехнического оборудования, в частности при организации проектно-исследовательской деятельности учащихся. Подчеркивается дидактическая ценность квазинаучного метода исследования, поскольку в этом случае освоение нового материала осуществля