Встраивание элементов робототехники в современный урок: проблемы и перспективы

Вахрушев Дмитрий Игоревич, педагог дополнительного образования МОУ ДОД "Станция юных техников" Копейского городского округа Челябинской области

В настоящее время вопросам включения в образовательное пространство изучения основ робототехники во всем мире уделяется достаточно внимания. Основная задача при этом состоит в том, чтобы охватить как можно больше молодёжи с целью привлечения её к науке и инженерному делу.

Робототехника - прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем и являющаяся важнейшей технической основой роста производства.

Актуальность развития робототехники в сфере образования обусловлена необходимостью подготовки инженерно-технических кадров для промышленных отраслей. В связи с этим перед сферой образования встаёт задача включения робототехники в различные уровни учебного процесса.

Внедрение робототехники в образовательных организациях способствует развитию коммуникативных способностей учащихся, развивает навыки взаимодействия, самостоятельности при принятии решений, раскрывает творческий потенциал. Учащиеся лучше понимают принципы действия различных механизмов, когда они что-либо самостоятельно создают или изобретают.

Изучение робототехники тесно связано с изучением в начальной школе математики окружающий мир, в основной и старшей физики, химии, геометрия, ОБЖ, информационные технологии. Особое место в последнее время уделяется интеграции технологии и робототехники на всех этап обучения. Таким образом системный подход школы необходим к процессу встраиванию робототехники в образовательное пространство школы.

Конструкторы LEGO зарекомендовали себя как образовательные продукты во всем мире.

Успешному использованию Lego-конструкторов в образовательном процессе способствуют такие, характерные для них, особенности как:

• универсальность: возможность использования в начальном, основном общем и среднем (полном) общем образования;
• межпредметность: использование на уроках и внеурочной деятельности естественнонаучного и гуманитарного циклов;
• нетрадиционность: конструкторы развивают творческие, исследовательские, нешаблонные способы деятельности.

В связи с внедрением Федеральных государственных образовательных стандартов (ФГОС) нового поколения одним из возможных вариантов изменения форм организации современного учебного процесса является встраивание робототехники, в различные составляющие учебного процесса:

• подготовка и проведение демонстрационного эксперимента, создание экспериментальных установок для лабораторных работ и исследовательских работ, выполнение проектов по различным предметам.

Знакомство с образовательными конструкторами мы начиняем в начальной школе. Использование Legoв начальной школе:

• позволяет облегчить трудный период адаптации первоклассников к школе;
• оказываются наиболее предпочтительными наглядными пособиями в силу своей универсальности;
• придает наглядность абстрактным понятиям, что облегчает усвоение учебного материала. Маленькому ребенку трудно даются абстрактные понятия, в то же время манипулирование теми или иными предметами помогает привязать эти понятия к тактильному и двигательному опыту ребенка;
• ЛЕГО-кирпичики обладают дискретными свойствами (размером и цветом), поэтому их удобно классифицировать, сравнивать, производить над ними арифметические действия;
• усовершенствована обратная связь: учитель видит результат с большого расстояния и легко корректирует работу отстающих детей;
• постоянный массаж мелкой мускулатуры рук;
• можно использовать на всех этапах урока, в любых программах.

При помощи конструктора мы можем отрабатывать темы и задания по математике: «Счет предметов», сравнение групп предметов, отношения больше, меньше, столько же; построение геометрических фигур, состав числа(десяток).

На примере учебного плана 5 класса курса «Технологии» предлагаем рассмотреть с использованием робототехники раздел «Механизмы технологических машин», где изучаются такие темы как:

• Механизмы и их назначение;
• Сборка моделей механизмов из деталей конструктора;
• Виды зубчатых передач;
• Механизмы машин и т.д.

На уроках основ безопасности жизнедеятельности мы можем использовать для демонстрации различные конструкции роботов-помощников. Например, робот-пожарник – выполняет функцию пожарника, а именно его задача обнаружить очаг возгорания, измеряя температуру, и потушить пожар, после чего робот продолжает движение туда, где температура воздуха больше, чем в других областях.

Анализ и обобщение имеющегося опыта работы позволил выделить следующие направления использования роботов в преподавании физики:

1. Робот как объект изучения. Изучение физических принципов работы датчиков, двигателей и других систем конструктора.
2. Робот как средство измерения в традиционном эксперименте. Датчики базового конструктора и дополнительные виды датчиков (Vernier, HiTechnic и др.) используются как измерительная система в физическом эксперименте с обработкой и фиксацией его результатов в различных видах.
3. Робот как средство постановки физического эксперимента (роботизированный эксперимент). Комплексное использование двигателей, систем оповещения, датчиков, робототехнического конструктора в демонстрационном и лабораторном эксперименте.
4. Робот как средство учебного моделирования и конструирования. Применение образовательной робототехники в проектно-исследовательской и конструкторской работе учащихся.

Рассмотрим пример использования робототехники на уроках физики.

Пример. Лабораторная установка по определению ускорения свободного падения.

Предлагаемая лабораторная установка по определению ускорения свободного падения имеет простую конструкцию, включающую блок NXT и датчик расстояния. Для определения времени падения и пройденного расстояния используется стандартная функция построения графика в языке NXT-G. Следует отметить, что для данной работы не требуется составление программы. Все необходимые данные берутся из графика (рис. 1).

Датчик расстояния крепится на штативе и устанавливается таким образом, чтобы было удобно измерять расстояние от датчика до падающего предмета (рис. 2). В качестве падающего предмета удобнее всего взять небольшой планшет или кусок фанеры размером формата А4 –А5.

Реализуя различные варианты сборки и настройки лабораторной установки, учащиеся знакомятся с принципом модульности современной техники, алгоритмами сборки и разборки технических конструкций, их ремонта, получают представление о некоторых технологических процессах.

С целью применения полученных знаний на опыте мы предлагаем вам решить на уроке геометрии следующую задачу: разверните робота на заданный угол относительно центра масс.

Чтобы повернуть робота на заданный угол двумя колесами вокруг центра масс необходимо в настройках блока рулевого управления задать значение параметра «Рулевое управление», равное 100, и то число градусов, которое будет соответствовать прохождению колеса расстояния по окружности, соответствующему заданному углу.

Таким образом, число градусов можно вычислить по формуле:

где: l — значение параметра поворота оси мотора в градусах,

— угол в градусах,

L — расстояние между колесами,

d — диаметр колеса.

Задание

Повернуть робота на 90˚ по корпусу.

90 — угол, на который требуется повернуть робота;

110 мм — расстояние между колесами;

56 мм — диаметр колеса.

Таким же образом можно составить программы движения робота по периметру квадрата, треугольника и т.д.

Несмотря на положительный эффект применения робототехники в урочной деятельности, как показывает опыт многих учителей-предметников, образовательная робототехника пока превалирует во внеурочной деятельности. Это объясняется недостаточной разработанностью методики использования робототехники в учебном процессе, отсутствием учебных пособий для учащихся и методических рекомендаций для учителей. Вместе с тем можно отметить, что существует ряд методических пособий зарубежных авторов по использованию робототехники в проектной работе по физике, химии, биологии, и т.д. что может быть использовано в работе учителей-предметников.

Благодаря инновационным методам преподавания различных предметных областей мы вырастим конкурентоспособное и технологически развитое поколение.