Секция: Методика и результаты обучения в области образовательной и практической робототехники в средней и старшей школе

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА ВО ВНЕУРОЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОСНОВНОЙ ШКОЛЫ

Саенко Сергей Петрович

учитель информатики и ИКТ, робототехники. Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение города Калининграда средняя общеобразовательная школа №56. Калининградская Область/Калининград 
alba1819@gmail.com

Тезисы:

Представлена модель внедрения робототехники в образовательную среду 5-х классов и основной школы в рамках ФГОС. Подробно рассмотрена методика обучения для начальной и основной школы (1-8 класс). Описаны перспективы развития учреждения по образовательной робототехнике.

Доклад:

Скачать презентацию

Модель организации внеурочной деятельности

 
Я представляю образовательное учреждение г. Калининграда: МАОУ СОШ № 56. Наша школа является федеральной экспериментальной площадкой ФИРО «Практическая робототехника для школьников на базе Arduino». В рамках апробации ФГОС основной школы предложена модель организации внеурочной деятельности. Эта  модель представляет собой вариант программы организации внеурочной деятельности для учащихся 5-х классов. Учитывая, что школа укомплектована высококлассными специалистами и имеет современную инфраструктуру, в основе выбранной модели лежит принцип оптимизации всех внутренних ресурсов учреждения. Субъектами ВУД являются учителя-предметники, классные руководители, психологи, социальные педагоги, библиотекари, педагоги-организаторы, педагоги дополнительного образования школы. К участию привлекаются специалисты учреждений культуры, спорта и других взаимодействующих со школой организаций.

Предлагаемая модель организации внеурочной деятельности содержит следующие структурные звенья:
1.      Включение в систему внеурочной деятельности через вариативную часть учебного плана модуля «Организация исследовательской и проектной деятельности».
Данный модуль включен в учебное расписание, проводится по форме исследовательских проектов. На его освоение отводится по 2 часа в неделю на каждый класс, всего 70 часов за учебный год. Форма предусматривает обязательное участие школьников в данном виде деятельности. 
2.     Включение в систему внеурочной деятельности через дополнительное образование на базе школы.
v Реализация программ внеурочной деятельности.
Внеурочная деятельность организуется после уроков (обязательный перерыв не менее 45 минут). Учащимся предлагаются на выбор модули различного содержания и направления. Из данного раздела каждый ученик выбирает по 3 модуля на каждую четверть (по 9 часов каждый модуль) плюс 1 модуль «Психология» является обязательным для всех классов.  Модули
являются автономными, их выбор определяется интересами школьников. В итоге по результатам реализации программ внеурочной деятельности каждый учащийся может пройти обучение по 4 дополнительным образовательным модулям каждую четверть учебного года.
Я остановлюсь на модулях, связанных с образовательной робототехникой.
Образовательная робототехника – это направление, в котором осуществляется современный подход к внедрению элементов технического творчества в учебный процесс через объединение конструирования и программирования. Интеграция информатики, математики, физики, черчения мотивирует учащихся на изучение точных наук, обеспечивает их раннюю
профориентацию.
 В качестве базовых конструкторов используются следующие наборы:
- Модули «легоконструирование 1 и 2» -  конструкторы  Перворобот LEGO EDUCATION WeDo 9580.
- Модули «робототехника 1, 2 и 3» - конструкторы LEGO Mindstorms EDUCATION 9797, робототехнические наборы «Матрешка Z» с микропроцессором Arduino и дополнительными элементами.

Выбор модулей  зависит от начального уровня подготовки учащихся.

1 группа.  Учащиеся без подготовки («с нуля»). В начальной школе у них  не было занятий по образовательной робототехнике. Учащиеся могут выбрать модули:
-  Легоконструирование  1
-  Робототехника 1
 Это ознакомительные курсы, которые подготавливают учащихся к освоению предмета. Они охватывают общие вопросы робототехники и конструирования.

В курсе «Легоконструирование 1» рассматривается модуль «Первые шаги», собирается и программируется одна ознакомительная модель. Используется графическая среда программирования – Wedo Software.
В курсе «Робототехника 1» рассматривается конструирование  модели трехколесной тележки c датчиками по инструкции из набора LEGO Mindstorms EDUCATION 9797 и программирование на различные действия посредством блока NXT.

2 группа.  Учащиеся с базой знаний. Такие учащиеся уже занимались в начальной школе основами робототехники. Поэтому они могут выбрать модули:
-  Легоконструирование 2
-  Робототехника 2
Это углубление курса.
В модуле «легоконструирование 2»  учащиеся собирают 12 базовых моделей +12 моделей из  электронного образовательного ресурса польской фирмы «Robocamp». Оживляют их (программируют) с помощью графических сред программирования – Wedo Software и Scratch. В процессе развиваются навыки конструирования, работы в команде.
В модуле «Робототехника 2» конструируются разные модели роботов.  Используются следующие среды программирования: LabView, Robolab и RobotC. Решаются задачи по программированию и конструированию повышенного уровня сложности. Учащиеся готовятся к различным соревнованиям, турнирам школьного, муниципального, регионального уровня.

3 группа. Учащиеся 6-8 классов могут выбрать модуль «Робототехника 3».
Занятия здесь проходят на базе робототехнического конструктора «Матрешка Z» и микропроцессора Arduino. Среда программирования – Arduino IDE. Решаются задачи по программированию микроконтроллеров. Учащиеся готовятся к различным соревнованиям, турнирам школьного, муниципального, регионального уровня.
 
МЕТОДИКА ОБУЧЕНИЯ ОСНОВАМ РОБОТОТЕХНИКИ

Основной принцип организации занятий: придумать, построить, запрограммировать, поразмышлять, продолжить.
Занятия основаны на практическом выходе, при котором ученик активно вовлечен в свой собственный учебный процесс. Вместо простого запоминания чужих работ и достижений, ученики сталкиваются с задачами, которые побуждают их использовать свое воображение, навык решения проблем и работы в команде.

План проведения занятия для модулей «легоконструирование 1, 2»

Каждое занятие с набором LEGO WeDo 9580 состоит из следующих этапов:
1 этап. Мотивация учащихся. Преподаватель сообщает краткую историческую  и техническую справку о собираемой модели.
2 этап. Конструирование модели.
3 этап. Изучение конструкции. Учащиеся вместе с преподавателем обсуждают конструктивные особенности данной модели, принцип ее работы.
4 этап. Программирование.  После сборки модели учащиеся создают программу по образцу и испытывают.
5 этап. Измени. Учащиеся пробуют изменить элементы конструкции и программы. Далее наблюдают, анализируют и делают вывод об изменениях в работе устройства.
6 этап. Дополнительное задание. Учащиеся выполняют задания повышенного уровня по конструированию и программированию. В эти задания также включена исследовательская деятельность.
7 этап. Презентация лучших моделей. Таким образом, роль преподавателя на занятиях сводится к минимуму. Он лишь инициирует пробные действия детей, консультирует, корректирует.

План проведения занятия для модулей  «робототехника 1, 2»

Для занятий с детьми с набором LEGO  Mindstorms NXT 9797  нет строгого плана. Каждое занятие индивидуально и проходит по своему сценарию.  Ниже я привожу  пример одного занятия. Данное занятие состоит из 7 этапов.
Занятие «Парковка в городе».
1 этап. Мотивация учащихся. Преподаватель приводит различные данные исследований, касающихся автомобилей.
На экран выводятся две таблицы: «рейтинг городов России по плотности автомобильного парка» и «рейтинг стран по плотности автомобильного парка» (таблицу можно найти на сайте).
Учащиеся просматривают таблицы, анализируют данные. Преподаватель предлагает ответить на такие вопросы:
1)    Почему в рейтинге лидирует город Владивосток?
2)    Почему рейтинг возглавляют города Дальнего Востока, Восточной и Западной Сибири?
3)    Почему самый крупные города России – Москва занимает в рейтинге лишь 7 место, Санкт-Петербург – 17 место?
4)    Почему наш город Калининград занимает в рейтинге 6 место?
5)    Почему рейтинг стран по плотности автомобильного парка возглавляет  Германия, а Россия всего лишь 7 место? Ведь численность населения Германии почти в 2 раза меньше, чем в России.
Учащиеся высказывают свои мнения по каждому вопросу. Коллективная дискуссия приводит к правильным ответам.
2 этап. Наводящие вопросы. Преподаватель задает наводящий вопрос:
- Какие проблемы в  городах возникают в связи с ростом количества автомобилей?
В результате обсуждения этого вопроса учащиеся приходят к выводу, что  рост количества автомобилей приводит к нехватке парковочных и гаражных мест  в любом крупном городе.
Преподаватель включает видеоматериалы о примерах механизированных автоматических парковок (видеоматериалы здесь)
В действительности таких парковок очень мало. Почему?
Учащиеся отвечают: пока нет автомобилей с программами автоматической парковки и с возможностью загрузки программ автоматического управления.
Учащиеся вспоминают, что рядом с ними роботы, в которые можно загружать программы.
3 этап. Цель проекта. Таким образом, в результате дискуссии учащиеся самостоятельно приходят к проекту «Парковка». Преподаватель рассказывает о проекте «Парковка».
4 этап. Конструирование робота. Учащиеся самостоятельно конструируют робота для парковки, творчески подходя к этому заданию. В итоге, у каждой пары получается свой собственный, индивидуальный  робот на трех или четырех колесах.
5 этап. Знакомство с полем. Преподаватель представляет вниманию учащимся поле проекта, с установленными стенками из кубиков Lego и трех меток: выход 1, гаражный бокс 2 и ремонтный бокс 3.
6 этап. Программирование. Здесь учащимся предлагается выполнить несколько заданий разного уровня сложности (см. рисунок в презентации).
1.     Автоматическая парковка робота в гаражный бокс 2 из позиции 1.
2.     Автоматический выезд робота из гаражного бокса 2 к выходу 1.
3.     Автоматический заезд автомобиля в бокс 3 из гаражного бокса 2.
4.     Автоматическая парковка автомобиля:
A.   Заезд в ремонтный бокс 3
B.   Парковка в гаражный бокс 2.
C.   Ожидание в боксе (10 секунд)
D.   Выезд из гаража в позицию 1.
По мере составления этих программ и испытания робота на поле, учащиеся выполняют задания исследовательского характера  в рабочей тетради.
7 этап. Соревнования. В конце занятия устраивается соревнование роботов. Например, какой робот быстрее проедет по траектории 1-3-2-1 с ожиданием в 3 секунды в позиции 2. Учащиеся сами догадываются, что на быстроту движения роботов могут влиять следующие параметры: количество деталей, входящих в конструкцию робота; масса робота; мощность
мотора; плавный или быстрый поворот; размер колес робота;  качество поверхности стола, т.е. коэффициент трения стола и колес; особенности блоков движения в программе и т.д. С учетом этих факторов учащиеся перестраивают и корректируют программу для соревнований робота.

Также используется электронный ресурс польской фирмы «Robocamp» (www.robocamp.eu) для модулей «Легоконструирование 1,2» и «Робототехника 1, 2».
Это специализированная платформа электронного обучения с упражнениями для ученика и учителя. Курс состоит из серии небольших проектов, которые используют математику, физику, механику  и основы программирования.

Методика проведения занятий  для модуля  «робототехника 3»

 Программа  курса состоит из 4-х блоков.
В первом блоке учащиеся получают теоретические и практические знания в области физики, электричества и  схемотехники.
Во втором блоке учащиеся знакомятся с языками программирования. Подробно изучается язык программирования Arduino IDE.
В третьем блоке учащиеся создают  мини-проекты  по материалам сайта wiki.amperka.ru.  Причем, задания выстроены в иерархическом порядке, т.е.  от простого к сложному.
В четвертом блоке учащиеся создают свои собственные проекты. Для этого можно использовать все доступное дополнительное оборудование.
Также в рамках сотрудничества,  планируются занятия учащихся в лаборатории робототехники БФУ им. Канта.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ И ФЕДЕРАЛЬНОЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПЛОЩАДКИ ФИРО ПО ТЕМЕ «ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА»

·       Вовлечение большего количества учащихся в робототехнику.
·       Создание методической и дидактической базы, дистанционных курсов  по робототехнике.
·       Развитие направления образовательной робототехники на базе Arduino.
·       Участие в школьных, муниципальных, региональных, всероссийских соревнованиях, чемпионатах по робототехнике.
·       Интеграция элементов робототехники в другие школьные предметы и проведение мероприятий, семинаров по данной теме.
·       Участие в научно-практических конференциях («Поиск и творчество» и др.).
·       Сетевое взаимодействие по направлению робототехника со школами-партнерами.
·       Сотрудничество с лабораторией  искусственного интеллекта Балтийского федерального университета им. И. Канта.
·       Ознакомление с опытом работы МАОУ СОШ № 33 г. Калининграда по  апробации внедрения робототехники на базе  Arduino  в курс «Информатики» старшей школы. Учащиеся создают мини-проекты и «оживляют» их,  одновременно изучая основы программирования.  Занятия проводятся по материалам сайта  wiki.amperka.ru.

ВЫВОДЫ:

Представлена модель внедрения робототехники в образовательный процесс  начальной и основной школы. Эта модель позволяет  вовлекать большое количество детей в мир робототехники.
Реализация курса робототехники позволяет создавать необходимые условия для высокого качества образования за счет использования  в
образовательном процессе новых педагогических подходов и применение новых информационных и коммуникационных технологий.
 При изучении курса робототехники и легоконструирования прослеживается меж предметная и мета предметная связь (физика, технология, информатика, математика и др.).
Курс образовательной  робототехники обеспечивает раннюю профориентацию талантливой молодежи на инженерно-конструкторские специальности.
Учащиеся постоянно  предлагают  и реализовывают новые интересные идеи по конструированию, программированию роботов.
Представленные методики и технологии  обучения являются эффективными, современными.  Учащиеся с большим интересом и энтузиазмом  посещают занятия, соревнуются между собой. Всегда с большим удовольствием соглашаются посещать и участвовать в различных турнирах по робототехнике.
В результате внеурочной деятельности по легоконструированию и робототехнике у учащихся формируются следующие универсальные учебные действия (УУД):
·       Определять, различать  и называть детали конструктора
·       Конструировать по условиям, заданным преподавателем, по образцу, по схеме
·       Умение излагать мысли в четкой логической последовательности, отстаивать свою точку зрения, анализировать ситуацию и самостоятельно находить ответы на вопросы путем логических рассуждений
·       Определять и формулировать цель деятельности на занятии
·       Умение работать в паре; умение рассказывать о модели, ее составных частей и принципе работы
·       Умение работать над проектом в команде, распределять обязанности (конструирование  и программирование)
·       Развитие способностей к решению проблемных ситуаций
·       Умение исследовать проблему, анализировать имеющиеся ресурсы, выдвигать идеи, планировать решения и реализовывать их.
·       Расширение технических и математических словарей ученика.