ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.12.2023
Просмотров: 962
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
IV. Модуль по физике является одним из предметных модулей междисциплинарной образовательной программы по робототехнике и связан с решением специфического круга образовательных задач политехнической подготовки учащихся. Его содержание не должно противоречить задачам предметного обучения, а быть направленным на обогащение программы обучения физике необходимыми прикладными знаниями и видами учебной деятельности, создание дополнительных условий ее более качественного усвоения.V. К условиям эффективного внедрения образовательной робототехники в учебный процесс по физике относятся:• распределенное поэлементное включение робототехники в содержа
ние политехнического обучения на основе принципов дополнения или равноцен
ного дидактического замещения (рассмотрение научных основ работы эле
ментной базы объектов робототехники при изучении тем и разделов курса фи
зики средней школы как примеров технических приложений данной областинаучного знания; организация учебной деятельности с объектами робототехники в рамках лабораторных занятий и практикумов по физике как примеровсовременной методологии научного и научно-технического познания, технической деятельности по моделированию и конструированию робототехниче-ских устройств как технических приложений физики);• обеспечение трёхкомпонентной структуры методики обучения робототехнике (РТ как объект изучения, РТ как инструмент познания, РТ как средство обучения, развития и воспитания);• осуществление межпредметных связей как средства реализации ме-
тапредметной и предметной составляющих программы обучения робото
технике (с о д е р ж а т е л ь н ы х : обучение по предметам в рамках общеймеждисциплинарной программы; п р о ц е с с у а л ь н ы х : выполнениемеждисциплинарных учебных заданий и проектов в условиях согласованного руководства со стороны коллектива учителей-предметников; о р г а н и з ац и о н н ы х : проведение межпредметных учебных семинаров и конференций с целью обобщения знаний учащихся и представления результатов их творческой деятельности в сфере робототехнического конструирования);• дидактическое и методическое обеспечение применения робототехники в обучении (разработка методических материалов для учителя и дидактических материалов для учащихся, реализующих трехкомпонентную модель
включения робототехники в учебный процесс по физике);
Р а с ш и р е н н ы й у р о в е н ь связывается с изучением робототехники в рамках элективных курсов и практикумов, выполнением учащимися небольших творческих предметных проектов.У г л у б л е н н ы й у р о в е н ь освоения робототехники в средней школе – это уровень, на котором работают учащиеся, увлеченные этой областью технического творчества. Они посещают не только элективные курсы по робототехнике, но и работают над выполнением сложных робототехнических проектов (в том числе, межпредметных), являются постоянными участниками конкурсов и соревнований, используют возможности системы дополнительного образования (посещают кружки, клубы, центры робототехники и т.п.), включены в дистанционные формы обучения и сетевое взаимодействие по проблемам робототехнического конструирования.VII. Основными результатами обучения являются: 1) развитие интереса учащихся к изучению физики и ее технических приложений, 2) рост качества знаний, умений и навыков политехнической направленности, 3) готовность учащихся к осознанному выбору профильного уровня обучения физике в старшей школе как показатель становления начальных профессиональных устремлений учащихся.Итак, в данном параграфе рассмотрены подходы к внедрению образовательной робототехники в учебно-воспитательный процесс средней школы, определены основные регулятивы построения общей модели обучения. Разработана трехкомпонентная модель включения робототехники как области технической инноватики в содержание политехнической подготовки учащихся по физике. Дана характеристика ее составляющих. Рассмотрены уровни изучения основ робототехники при обучении физике в средней школе.ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРИМЕНЕНИЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ РОБОТОТЕХНИКИ В ОБУЧЕНИИ ФИЗИКЕ2.1. Робот как объект изучения в курсе физики средней школыРобот в учебном процессе – это, прежде всего, сложный (междисциплинарный) технический объект, устройство и принцип действия которого есть область приложения знаний целого комплекса наук. Элементная база робототехники является показателем уровня развития технической культуры общества и включает в себя различные технические изобретения: начиная с рычага и колеса и заканчивая самыми современными рукотворными объектами, созданными благодаря открытиям не только в области физики, но и смежных областях научного знания (математике, информатике, биологии, физиологии, химии, медицине и др.), а также в рамках новых направлений развития
современной науки (биомеханики, нейрокибернетики и др.).В главе 1 нами были выделены базовые составляющие междисциплинарной образовательной программы по робототехнике. В настоящем параграфе будут рассмотрены содержание и особенности изучения предметного модуля по образовательной робототехнике (физика).Анализ элементной базы роботов различных видов и, прежде всего, роботов, созданных на базе наборов по образовательной робототехнике, позволяет утверждать, что заметная часть явлений и законов, лежащих в основе работы их различных узлов, изучается в школьном курсе физики. Так, например, при изучении звуковых явлений целесообразно познакомить школьников с устройством и принципом действия ультразвукового датчика расстояния, который работает по принципу эхолота и используется практически во всех робототехнических конструкторах. При изучении электромагнитных явлений полезно рассмотреть устройство и принцип действия электродвигателей (сервомоторов) и их разновидностей, с помощью которых обеспечивается движение роботов и выполнение ими различных механических манипуляции. Можно привести не один десяток подобных примеров.Для обеспечения системного подхода к анализу содержания школьного курса физики в направлении оценки его возможностей в демонстрации научных основ робототехники воспользуемся представлениями о структуре ее элементной базы. Данная структура определяется структурой кибернетической модели робота (рис. 2).Рис 2. Кибернетическая модель роботаРобот с точки зрения теории управления включает три основных компонента: систему управления, систему исполнения и систему сбора данных. Рассмотрим структуру элементной базы робототехники.Исполнительные устройства (ИУ) состоят из приводов, промежуточных передач и рабочего органа.П р и в о д ы (совокупность устройств, предназначенных для приведения в действие машин и механизмов), имеют несколько разновидностей: электрический, гидравлический, пневматический. Наиболее используемым на сегодня является электрический привод.П е р е д а ч и тоже имеют разновидности: передачи зацеплением (зуб
чатая, реечная, червячная, цепная, волновая, планетарная др.) и передачи трением (фрикционная, ремённая и др.). Используются в ряде случаев магнитные передачи. При передаче движения от одних частей устройства к другим используются как элементы простых механизмов (рычаги, блоки и др.) так и более сложные механизмы: изменяющие вид движения (кривошипно-шатунные механизмы, кулисные механизмы, кулачковые механизмы, шарнирно-рычажные механизмы); изменяющие скорость и направление вращения (редукторы, коробки передач, карданы, дифференциалы и др.).Р а б о ч и е о р г а н ы роботов выполняются в виде манипуляторов, захватов, держателей, колёс, гусениц и других элементов.Рассмотрение физических принципов работы исполнительных устройств относится в значительной степени к области механики и мехатроники. Простые механизмы – одна из тем школьного курса механики, в рамках которой могут изучаться эти устройства. Могу быть задействованы и другие учебные темы по механике (кинематика, динамика, статика, колебательное движение, законы сохранения). Используются знания раздела «Электродинамика».Основные элементы исполнительных устройств, а также физические явления и законы их протекания, на основе которых может быть раскрыт принцип действия этих устройств, приведены в таблице 1. В ней сопоставлены элементы ИУ и темы курса физики различных классов, в которых возможно их изучение. Если принцип действия какого-либо устройства в основном курсе физики не изучается, то знакомство с ним может в ряде случаев осуществляться в специальных курсах по выбору.Важно указать на направления реализации межпредметных связей при изучении научных основ работы исполнительных устройств. Большое значение в создании общей конструкции имеет правильное использование способов крепления деталей и механизмов между собой: опор, подшипников, упоров и пр. Эти элементы исполнительных устройств изучаются в курсе технологии. Принципиально новым по отношению к содержанию данного курса является изучение автоматических рабочих органов роботов.Таблица 1. Изучение исполнительных устройств робота в школьном курсе физики
ние политехнического обучения на основе принципов дополнения или равноцен
ного дидактического замещения (рассмотрение научных основ работы эле
ментной базы объектов робототехники при изучении тем и разделов курса фи
зики средней школы как примеров технических приложений данной областинаучного знания; организация учебной деятельности с объектами робототехники в рамках лабораторных занятий и практикумов по физике как примеровсовременной методологии научного и научно-технического познания, технической деятельности по моделированию и конструированию робототехниче-ских устройств как технических приложений физики);• обеспечение трёхкомпонентной структуры методики обучения робототехнике (РТ как объект изучения, РТ как инструмент познания, РТ как средство обучения, развития и воспитания);• осуществление межпредметных связей как средства реализации ме-
тапредметной и предметной составляющих программы обучения робото
технике (с о д е р ж а т е л ь н ы х : обучение по предметам в рамках общеймеждисциплинарной программы; п р о ц е с с у а л ь н ы х : выполнениемеждисциплинарных учебных заданий и проектов в условиях согласованного руководства со стороны коллектива учителей-предметников; о р г а н и з ац и о н н ы х : проведение межпредметных учебных семинаров и конференций с целью обобщения знаний учащихся и представления результатов их творческой деятельности в сфере робототехнического конструирования);• дидактическое и методическое обеспечение применения робототехники в обучении (разработка методических материалов для учителя и дидактических материалов для учащихся, реализующих трехкомпонентную модель
включения робототехники в учебный процесс по физике);
-
соответствие уровня сложности элементной базы конструкторов, программного и дидактического обеспечения учебной робототехники зоне ближайшего развития учащихся; -
взаимосвязь учебной и внеурочной предметной деятельности по робототехнике с соревновательным и конкурсным движением (развитие индивидуального проектного творчества учащихся по робототехнике; организация школьных конкурсов и соревнований по применению робототехники в предметном обучении; представление предметных и междисциплинарных проектов на соревнованиях и конкурсах различных уровней, участие в олимпиадах по робототехнике);
Р а с ш и р е н н ы й у р о в е н ь связывается с изучением робототехники в рамках элективных курсов и практикумов, выполнением учащимися небольших творческих предметных проектов.У г л у б л е н н ы й у р о в е н ь освоения робототехники в средней школе – это уровень, на котором работают учащиеся, увлеченные этой областью технического творчества. Они посещают не только элективные курсы по робототехнике, но и работают над выполнением сложных робототехнических проектов (в том числе, межпредметных), являются постоянными участниками конкурсов и соревнований, используют возможности системы дополнительного образования (посещают кружки, клубы, центры робототехники и т.п.), включены в дистанционные формы обучения и сетевое взаимодействие по проблемам робототехнического конструирования.VII. Основными результатами обучения являются: 1) развитие интереса учащихся к изучению физики и ее технических приложений, 2) рост качества знаний, умений и навыков политехнической направленности, 3) готовность учащихся к осознанному выбору профильного уровня обучения физике в старшей школе как показатель становления начальных профессиональных устремлений учащихся.Итак, в данном параграфе рассмотрены подходы к внедрению образовательной робототехники в учебно-воспитательный процесс средней школы, определены основные регулятивы построения общей модели обучения. Разработана трехкомпонентная модель включения робототехники как области технической инноватики в содержание политехнической подготовки учащихся по физике. Дана характеристика ее составляющих. Рассмотрены уровни изучения основ робототехники при обучении физике в средней школе.ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРИМЕНЕНИЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ РОБОТОТЕХНИКИ В ОБУЧЕНИИ ФИЗИКЕ2.1. Робот как объект изучения в курсе физики средней школыРобот в учебном процессе – это, прежде всего, сложный (междисциплинарный) технический объект, устройство и принцип действия которого есть область приложения знаний целого комплекса наук. Элементная база робототехники является показателем уровня развития технической культуры общества и включает в себя различные технические изобретения: начиная с рычага и колеса и заканчивая самыми современными рукотворными объектами, созданными благодаря открытиям не только в области физики, но и смежных областях научного знания (математике, информатике, биологии, физиологии, химии, медицине и др.), а также в рамках новых направлений развития
современной науки (биомеханики, нейрокибернетики и др.).В главе 1 нами были выделены базовые составляющие междисциплинарной образовательной программы по робототехнике. В настоящем параграфе будут рассмотрены содержание и особенности изучения предметного модуля по образовательной робототехнике (физика).Анализ элементной базы роботов различных видов и, прежде всего, роботов, созданных на базе наборов по образовательной робототехнике, позволяет утверждать, что заметная часть явлений и законов, лежащих в основе работы их различных узлов, изучается в школьном курсе физики. Так, например, при изучении звуковых явлений целесообразно познакомить школьников с устройством и принципом действия ультразвукового датчика расстояния, который работает по принципу эхолота и используется практически во всех робототехнических конструкторах. При изучении электромагнитных явлений полезно рассмотреть устройство и принцип действия электродвигателей (сервомоторов) и их разновидностей, с помощью которых обеспечивается движение роботов и выполнение ими различных механических манипуляции. Можно привести не один десяток подобных примеров.Для обеспечения системного подхода к анализу содержания школьного курса физики в направлении оценки его возможностей в демонстрации научных основ робототехники воспользуемся представлениями о структуре ее элементной базы. Данная структура определяется структурой кибернетической модели робота (рис. 2).Рис 2. Кибернетическая модель роботаРобот с точки зрения теории управления включает три основных компонента: систему управления, систему исполнения и систему сбора данных. Рассмотрим структуру элементной базы робототехники.Исполнительные устройства (ИУ) состоят из приводов, промежуточных передач и рабочего органа.П р и в о д ы (совокупность устройств, предназначенных для приведения в действие машин и механизмов), имеют несколько разновидностей: электрический, гидравлический, пневматический. Наиболее используемым на сегодня является электрический привод.П е р е д а ч и тоже имеют разновидности: передачи зацеплением (зуб
чатая, реечная, червячная, цепная, волновая, планетарная др.) и передачи трением (фрикционная, ремённая и др.). Используются в ряде случаев магнитные передачи. При передаче движения от одних частей устройства к другим используются как элементы простых механизмов (рычаги, блоки и др.) так и более сложные механизмы: изменяющие вид движения (кривошипно-шатунные механизмы, кулисные механизмы, кулачковые механизмы, шарнирно-рычажные механизмы); изменяющие скорость и направление вращения (редукторы, коробки передач, карданы, дифференциалы и др.).Р а б о ч и е о р г а н ы роботов выполняются в виде манипуляторов, захватов, держателей, колёс, гусениц и других элементов.Рассмотрение физических принципов работы исполнительных устройств относится в значительной степени к области механики и мехатроники. Простые механизмы – одна из тем школьного курса механики, в рамках которой могут изучаться эти устройства. Могу быть задействованы и другие учебные темы по механике (кинематика, динамика, статика, колебательное движение, законы сохранения). Используются знания раздела «Электродинамика».Основные элементы исполнительных устройств, а также физические явления и законы их протекания, на основе которых может быть раскрыт принцип действия этих устройств, приведены в таблице 1. В ней сопоставлены элементы ИУ и темы курса физики различных классов, в которых возможно их изучение. Если принцип действия какого-либо устройства в основном курсе физики не изучается, то знакомство с ним может в ряде случаев осуществляться в специальных курсах по выбору.Важно указать на направления реализации межпредметных связей при изучении научных основ работы исполнительных устройств. Большое значение в создании общей конструкции имеет правильное использование способов крепления деталей и механизмов между собой: опор, подшипников, упоров и пр. Эти элементы исполнительных устройств изучаются в курсе технологии. Принципиально новым по отношению к содержанию данного курса является изучение автоматических рабочих органов роботов.Таблица 1. Изучение исполнительных устройств робота в школьном курсе физики
| | Элемент робота | Физическое явление, закон, объект техники | Тема курса физики | Класс |
| | Электродвигатель | Электродвигатель постоянного тока | Электромагнитные явления | 8 |
| Шаговый электродвигатель | Электромагнитные явления | 8, 11 | ||
| Вибродвигатель | Электромагнитные явления | 8 | ||
| Электродвигатель переменного тока | Производство, передача и использование электрической энергии | 11 | ||
| Гидравлический привод | Закон Паскаля, гидравлический пресс | Давление твёрдых тел, жидкостей и газов | 7 | |
| Пневматический привод | Закон Паскаля | Давление твёрдых тел, жидкостей и газов | 7 | |
| | Передачи зацеплением | Изменение угловой скорости вращения | Кинематика движения по окружности. Вращение твёрдого тела. | 9 |
| Передачи трением | Трение покоя | Силы в механике. Сила трения | 7, 9 | |
| Рычаги, блоки, винтовая и червячная передачи | Золотое правило механики | Простые механизмы | 7 | |
| Опоры: шарнир, подшипник, шаровая опора и др. | Трение скольжения, качения. Вязкое трение. | Силы в механике. Сила трения | 7, 9 | |
| Сложные механизмы | Прямолинейное и криволинейное движение | Кинематика | 7, 9, 10 | |
| | Генератор постоянного тока | Явление электромагнитной индукции | Производство, передача и использование электроэнергии | 8 |
| Манипуляторы, захваты, держатели, колёса, гусеницы | Движение по прямолинейной и криволинейной траектории, Механизмы захвата и удержания тел | Кинематика. Динамика (силы). | 7, 9, 10 |