CC BY
6
ДИДАКТИКА И МЕТОДИКА ОБУЧЕНИЯ В ШКОЛЕ
А. Ю. Белышев
Отечественная и зарубежная педагогика. 2023. Т. 1, № 4 (94). С. 20-31. Domestic and foreign pedagogy. 2023. Vol. 1, no. 4 (94). P. 20-31.
Научная статья УДК 372.853
doi: 10.24412/2224-0772-2023-94-20-31
К ВОПРОСУ О ПОДГОТОВКЕ УЧИТЕЛЕЙ ФИЗИКИ В ОБЛАСТИ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ РОБОТОТЕХНИКИ
Андрей Юрьевич Белышев
ФГАОУ ДПО «Академия реализации государственной политики и профессионального развития работников образования Министерства просвещения Российской Федерации», ФГБНУ «Институт стратегии развития образования», Москва, Россия, bau85@mail.ru
Аннотация. В статье показана целесообразность внедрения курса повышения квалификации для учителей физики в области использования робототехники в учебном процессе, а также цели ее использования на уроке. Описаны возможности применения робототехнических средств и устройств в обучении физике. Сделан вывод о том, что их успешное применение потребует от преподавателя соответствующей как методической, так и технической подготовки.
Ключевые слова: робототехника, физика, курсы повышения квалификации, робототехниче-ские конструкторы, роботизированный учебный эксперимент
Для цитирования: Белышев А. Ю. К вопросу о подготовке учителей физики в области образовательной робототехники // Отечественная и зарубежная педагогика. 2023. Т. 1, № 4 (94). С. 20-31. аок 10.24412/2224-0772-2023-94-20-31
© Белышев А. Ю., 2023 20
Original article
ON THE ISSUE OF TRAINING PHYSICS TEACHERS IN THE FIELD OF EDUCATIONAL ROBOTICS
Andrey Yu. Belyshev
Academy of State Policy Implementation and Professional Development of Education Workers of the Ministry of Education of the Russian Federation, Institute for Strategy of Education Development, Moscow, Russia, bau85@mail.ru
Abstract. The article shows the expediency of introducing a refresher course for physics teachers in the field of using robotics in the educational process, as well as the purpose of its use in the classroom. The possibilities of using robotic tools and devices in teaching physics are described. It is concluded that their successful application will require the teacher to have appropriate both methodological and technical training.
Keywords: robotics, physics, advanced training courses, robotic designers, robotic educational experiment
For citation: Belyshev A. Yu. On the issue of training physics teachers in the field of educational robotics. Domestic and Foreign Pedagogy. 2023;1(4):20-31 (In Russ.). doi: 10.24412/2224-0772-2023-94-20-31
Характерная черта развития образования на сегодняшний день — информатизация. Целый ряд ученых (С. А. Бешенков, Я. А. Ваграменко, О. А. Козлов, М. П. Лапчик, Л. П. Мартиросян, И. В. Роберт, Г. Ю. Яламов и др.) рассматривает это явление в положительном ключе. По их мнению, внедрение средств информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) обогащает учебный процесс, обеспечивает контроль над ним и способствует его интенсификации.
Однако для эффективного использования данных технологий требуются педагогические кадры, требования к подготовке которых постоянно возрастают. Современный педагог должен уметь свободно использовать средства и методы ИКТ для решения профессиональных задач.
Применение преподавателем физики разнообразных средств ИКТ, как правило, «основано на использовании информационных систем, которые могут быть полезны в освоении содержания школьного курса физики, а также построении межпредметных связей физики и информатики в урочной деятельности и физических основах принципа работы ИКТ. Кроме этого, педагогу был бы полезен опыт компьютерного моделирования физических процессов и явлений, а также проведения компьютерных экспериментов, где требуется использовать учебное или демонстрационное оборудование, которое фиксирует сбор, обработку,
хранение и передачу информации в процессе физических экспериментов реальных и «виртуальных» [1] (В. Л. Акуленко, М. Г. Ершов, Д. С. Иванова, А. Д. Терехин и др.).
Для учителей физики, уже состоявшихся в профессии, совершенствование компетенций в сфере информационных технологий и ИКТ особенно актуально, поскольку в основном практикующие педагоги пока что не в полной мере владеют навыками, необходимыми для серьезного, ощутимого увеличения «роли поиска, анализа, представления и трансляции информации, планирования индивидуальной и групповой деятельности на основе средств и методов информатики и ИКТ» [1] (В. Л. Акуленко, А. Е. Марон, А. М. Новиков, А. Д. Терехин и др.). Отдельно стоит выделить такое направление в ИКТ, как робототехника, которая на сегодняшний день «стала одной из самых важных траекторий движения научно-технического прогресса, поскольку проблемы механики и новых технологий соприкасаются в ней с проблемами искусственного интеллекта. Сегодня, когда вводятся ФГОС, обретает особую ценность организация урочной и внеурочной деятельности, нацеленной на удовлетворение потребностей ребенка, требований социума в тех направлениях, которые способствуют осуществлению первостепенных задач научно-технического прогресса. Именно к таким современным направлениям в школе относятся робототехника и робототехниче-ское конструирование» [2]. Все сказанное выше обуславливает целесообразность создания специального курса повышения квалификации по информатике для учителей физики на основе современных достижений в области информатики и ИКТ, который поможет педагогам повысить уровень владения ИКТ, что будет способствовать освоению учителями физики новых методических подходов к организации обучения и отбору его содержания.
Эти знания помогут учителю повысить мотивацию учеников к освоению точных наук и способствовать их ранней профессиональной ориентации при помощи образовательной робототехники, многогранной образовательной технологии, в основе которой лежит «творчество обучающихся на интеграции инновационных отраслей знаний, направленной на осуществление поиска, подготовки и методическое содействие обучающимся» [8].
В рамках преподавания физики образовательная робототехника может существенно расширить возможности «проведения физического
эксперимента, как демонстрационного, так и лабораторного. Так, применение датчиков для сбора данных значительно повышает качество измерений во время эксперимента. Это предоставляет возможность точнее измерить воздействия, а также регулировать параметры автоматически, взять под контроль время реагирования роботизированной системы на внешнее воздействие, причем данная система способна автоматически контролировать и регулировать состояние своих систем по различным параметрам» [6].
Для иллюстрации вышеописанного можно провести наглядный опыт «по изучению закономерностей колебаний пружинного маятника при помощи средств образовательной робототехники. Установка для проведения подобного опыта собрана из деталей набора LEGO Mindstorms EV3» [6] и представлена на рис. 1.
Рисунок 1. Установка для исследования закономерностей колебаний пружинного маятника
Собрать и использовать такую установку педагог может при помощи стандартного набора для робототехники. Далее производятся сбор и обработка данных и их вывод на экран монитора. Для этого используют две программы, задача которых — определить зависимость периода колебаний пружинного маятника от его массы и жесткости пружины.
Поэтому «в управляющей программе нужно задать такие параметры, как масса и коэффициент жесткости, а также количество испытаний и математические формулы, с помощью которых будут обработаны
результаты эксперимента. Период колебаний оценивается по графику зависимости расстояния от датчика до колеблющегося маятника от времени. Полученные результаты в виде графиков выводятся на экран (рис. 2). По итогам школьники могут сделать вывод о закономерностях колебательного движения пружинного маятника» [6].
Рисунок 2. График зависимости расстояния от датчика до колеблющегося
маятника от времени
На основе анализа приведенной информации напрашивается логичный вывод о преимуществах использования образовательной робототехники в демонстрации физических экспериментов на уроках и лабораторных занятиях по физике:
1. Интерактивность: образовательная робототехника позволяет проводить эксперименты, которые раньше были невозможны или очень сложны. Это делает процесс обучения более интересным и захватывающим.
2. Автоматизация: Роботы могут выполнять задачи, которые могут быть сложными для человека, такие как измерение физических параметров, сбор данных, анализ результатов и т.д.
3. Гибкость: Роботы позволяют проводить эксперименты в различных условиях, включая различные температуры, давления и другие факторы, что может быть важно для изучения физических явлений.
4. Использование элементов образовательной робототехники может сократить время, необходимое для проведения экспериментов, что позволяет больше времени уделить обсуждению результатов и анализу данных.
5. Увеличение интереса к науке: робототехнические эксперименты могут быть более привлекательными для школьников, чем традицион-
ные лабораторные занятия.
Эти утверждения позволят, взяв за основу материалы М. Г. Ершова [3], определить цели использования образовательной робототехники на уроках физики:
1) демонстрация одного из основных направлений научно-технического прогресса через использование образовательной робототехники;
2) демонстрация использования в современной технике изучаемых в школе законов физики;
3) повышение качества предметных результатов через совершенствование знаний в области прикладных законов физики, в том числе за счет развития экспериментальных умений и расширение понимания физических процессов и явлений;
4) развитие предпрофильной ориентации школьников с целью повышения престижа инженерно-технического профиля и их ориентация на выбор будущей профессии.
Кроме упомянутых достоинств, можно указать на объективные трудности применения образовательной робототехники на уроках физики:
1. Недостаток оборудования: некоторые школы могут испытывать трудности с приобретением необходимого оборудования для образовательной робототехники, особенно если это новое направление в их учебном процессе.
2. Нехватка квалифицированных учителей: обучение работе с комплектами по образовательной робототехнике может быть сложным, и не все учителя обладают достаточными знаниями и опытом в этой области.
3. Ограниченный бюджет: некоторые школы могут не иметь достаточного финансирования для приобретения оборудования и оплаты услуг учителей.
4. Отсутствие ресурсов: некоторые школы могут столкнуться с недостатком ресурсов, таких как доступ к интернету, компьютерное оборудование и программное обеспечение для работы с роботами.
5. Сложность программирования: работа с микроконтроллерами и написание кода для роботов может быть сложной задачей как для школьников, так и для педагогов.
Чтобы эффективно применять элементы образовательной робототехники на уроках физики, педагог должен иметь знания:
- об основных принципах механики и электроники;
- о принципах программирования микроконтроллеров;
- об основах физики и ее применения в реальных задачах;
- о методах анализа данных и статистики.
Педагог, использующий на своих уроках элементы образовательной робототехники, должен уметь:
- работать с оборудованием и инструментами для создания роботов;
- использовать навыки коммуникации и взаимодействия с учениками;
- уметь адаптироваться к различным условиям обучения и потребностям учеников;
- планировать и организовывать занятия, учитывая интересы и способности учеников;
- создавать учебные материалы и задания, которые помогут ученикам понять основные принципы физики и применить их на практике;
- использовать различные методы обучения, включая групповые проекты, соревнования и исследовательские проекты;
- помогать ученикам развивать навыки программирования, работы с микроконтроллерами и анализа данных;
- оценивать результаты учеников и давать обратную связь, чтобы помочь им улучшить свои знания и навыки;
- сотрудничать с другими педагогами и специалистами в области образования, чтобы обмениваться опытом и идеями [9].
Овладев данными знаниями и умениями, педагог может подходить индивидуально к уровню сложности при выполнении школьником экспериментального задания. Данный уровень будет определяться, например, тем, что от ребенка требуется самостоятельно собрать и настроить экспериментальную установку или нет. Также на сложность задания влияет уровень дидактической поддержки учебной работы школьника, когда ребенку предлагается выполнение опыта строго по инструкции или с определенным уровнем творческой свободы.
Поэтому ввиду педагогической целесообразности учитель физики может при подготовке к уроку с использованием робототехнических средств использовать при изучении разных разделов физики достаточно простые модели [5].
В качестве примера можно привести вариант проведения опыта «Движение тела, брошенного под углом к горизонту» (рис. 3).
Рисунок 3. Модель установки для проведения опыта «Движение тела, брошенного под углом к горизонту» в двух ракурсах
Для этого можно взять блок LEGO Mindstorms NXT или любой его аналог, который передает команды на три мотора. «Два из них будут отвечать за угол полета, а третий за выстрел. Угол полета задается кнопками «влево» и «вправо», а спусковой механизм кнопкой «ввод», расположенными на корпусе блока NXT» (рис. 4) [6].
Рисунок 4. Трехкнопочный блок для проведения опыта «Движение тела, брошенного под углом к горизонту»
При этом для проведения эксперимента не требуется использования операторов языка программирования, достаточно элементов графического представления команд действий исполнителя (рис. 5).
Н > дГ> У-. 'А
Рисунок 5. Программа для демонстрационной модели для проведения опыта «Движение тела, брошенного под углом к горизонту»
Таким образом, «включение элементов робототехники в учебный процесс по физике и демонстрация применения знаний по предмету в решении различных технических задач должны способствовать повышению уровня предметной подготовки школьников, осознанию значимости приобретаемых знаний, их применимости в различных областях социальной практики, а также дальнейшему профессиональному самоопределению [4]». Чтобы проверить это утверждение, был проведен опрос в январе 2023 года среди 120 школьников во Владивостоке. По его итогам удалось выяснить, что после применения элементов образовательной робототехники на своих уроках 32% ребят стали больше интересоваться предметами технического профиля, а 38% предполагают, что построят карьеру именно в сфере инженерных или информационных технологий. И если посещать секции дополнительного образования по робототехнике решили всего 24% школьников, то 76% опрошенных сказали, что уроки физики с использованием образовательной робототехники стали бы однозначно интереснее и полезнее.
В ходе опроса 48 учителей в январе 2023 года в городе Владивостоке было выяснено, что 64% педагогов знают об образовательной робототехнике и 87% хотели бы узнать больше о том, как применять ее на своих уроках. 82% преподавателей уверены, что мотивация школьников повысится при применении элементов образовательной робототехники на их уроках и готовы этому обучаться.
Чтобы оценить рост усвоения знаний школьниками при применении образовательной робототехники на уроках физики, в феврале 2023 года были сформированы в двух образовательных организациях Приморского края экспериментальная и контрольная группы — каждая
численностью до 30 человек. В экспериментальной группе проходили уроки с использованием элементов образовательной робототехники. После этого в мае 2023 года школьники каждой группы должны были решить экспериментальную задачу. Для этого нужно было:
1) предположить ход эксперимента и описать его;
2) собрать установку и провести эксперимент;
3) определить физические величины (время, массу, путь), изменить начальные условия и провести повторный эксперимент в новых условиях;
4) подвести итог и сделать соответствующий вывод.
Каждый этап оценивался отдельно по шкале от 0 до 10 баллов. Результаты контрольной и экспериментальной группы из МБОУ «СОШ № 16» представлены в таблице 1, а результаты контрольной и экспериментальной группы из МБОУ «СОШ № 6 с углубленным изучением отдельных предметов» в таблице 2.
Таблица 1
Результаты групп из МБОУ «СОШ № 16»
Этапы Контрольная группа Экспериментальная группа
Составление плана 5 7
Сбор установки 3 8
Проведение эксперимента 4 7
Подведение итогов 5 6
Таблица 2
Результаты групп из МБОУ «СОШ № 6»
Этапы Контрольная группа Экспериментальная группа
Составление плана 7 8
Сбор установки 6 9
Проведение эксперимента 8 10
Подведение итогов 8 9
Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что ребята из экспериментальной группы справились лучше, чем в контрольной группе. Также обращает на себя внимание то, что у школьников из экспериментальной группы результаты были лучше на всех этапах
выполнения задания. Из проведенного эксперимента можно сделать вывод, что использование элементов образовательной робототехники при обучении физике способствовало росту усвоения предметных знаний школьниками.
Однако при всех описанных преимуществах применения образовательной робототехники при преподавании физики учителя используют эти возможности относительно нечасто. В качестве причин можно выделить небольшое количество готовых практик использования образовательной робототехники на уроке и недостаток учебных пособий для школьников, а также методических материалов для педагогов по применению робототехники в данной предметной области.
Исходя из нашего опыта обучения учителей физики основам робототехники, осуществляемого в рамках курсов повышения квалификации, и последующего опроса педагогов, можно заключить, что преградой для использования является и время работы с робототехническими комплектами. Так, для педагогов из системы дополнительного образования более востребованным является возможность длительного использования данных устройств для достижения педагогического результата. В этом случае школьник имеет возможность из урока в урок применять комплект в различных условиях, в конвергенции с другими объектами — например, используя станок ЧПУ или 3Б-принтер и этим расширяя тему и углубляя ее всестороннее изучение. Наоборот, учитель, проводящий урок в рамках основного образования, более заинтересован в быстротечных экспериментах, в их разнообразии, а также в скорости сборки необходимого устройства для экономии времени урока. Эти особенности также необходимо учитывать при построении и отборе содержания для данного курса.
Курс информатики, посвященный освоению образовательной робототехники и элементам программирования робототехнических устройств, позволит учителям эффективнее применять ее на своих уроках физики. Это позволит учителю овладеть компетенциями, необходимыми для эффективного использования элементов робототехники, и активнее использовать предлагаемые возможности для физического эксперимента.
Список источников
1. Акуленко В. Л. Совершенствование подготовки учителя физики в области информатики, информационных и коммуникационных технологий в системе повышения квалификации: авто-реф. ... дис. канд. пед. наук: 13.00.02 / Акуленко Виктор Леонидович. М., 2004. 24 с.
2. ВаграменкоЯ. А., Казиахмедов Т. Б., Яламов Г. Ю. Методическое обеспечение подготовки
учителей образовательной робототехники. Педагогико-технологический аспект // Педагогическая информатика. 2016. № 1. С. 30-44.
3. Ершов М. Г. Использование робототехники в преподавании физики // Вестник Пермского государственного гуманитарно-педагогического университета. 2012. № 6. С. 77-85.
4. Ершов М. Г. Проектирование учебных модулей для школьного физического практикума с применением учебных наборов по образовательной робототехнике // Вестник Пермского государственного гуманитарно-педагогического университета. 2014. № 10. С. 154-165.
5. Ершов М. Г. Робототехника как объект изучения в курсе физики средней школы // Педагогическое образование в России. 2015. № 13. С. 117-125.
6. Ершов М. Г., Оспенникова Е. В. Образовательная робототехника как инструмент познания в учебном процессе по физике // Вестник Челябинского государственного педагогического университета. 2015. № 4. С. 122-138.
7. Лукьянова Н. В. Развитие технических способностей учащихся посредством образовательной робототехники // Информатика в школе. 2015. № 2. С. 14-21.
8. Образовательная робототехника как инновационная технология обучения: монография / Я. А. Ваграменко, О. М. Карпенко, Г. Ю. Яламов и др. М.: Изд-во СГУ, 2019. 105 с.
9. Панкратова О. П., ЛедовскаяН. В. Сущность и основные компоненты профессиональной компетентности педагога образовательной робототехники // Кант. 2020. № 2 (35). С. 288-293.
References
1. Akulenko V. L. Sovershenstvovanie podgotovki uchitelja fiziki v oblasti informatiki, informacionnyh i kommunikacionnyh tehnologij v sisteme povyshenija kvalifikacii: avtoref. ... dis. kand. ped. nauk: 13.00.02 / Akulenko Viktor Leonidovich. M., 2004. 24 c. [In Rus].
2. Vagramenko Ja. A., Kaziahmedov T. B., Jalamov G. Ju. Metodicheskoe obespechenie podgotovki uchitelej obrazovatel'noj robototehniki. Pedagogiko-tehnologicheskij aspekt // Pedagogicheskaja in-formatika. 2016. № 1. S. 30-44. [In Rus].
3. ErshovM. G. Ispol'zovanie robototehniki v prepodavanii fiziki // Vestnik Permskogo gosudarstven-nogo gumanitarno-pedagogicheskogo universiteta. 2012. № 6. S. 77-85. [In Rus].
4. Ershov M. G. Proektirovanie uchebnyh modulej dlja shkol'nogo fizicheskogo praktikuma s primen-eniem uchebnyh naborov po obrazovatel'noj robototehnike // Vestnik Permskogo gosudarstvennogo gumanitarno-pedagogicheskogo universiteta. 2014. № 10. S.154-165. [In Rus].
5. Ershov M. G. Robototehnika kak ob#ekt izuchenija v kurse fiziki srednej shkoly // Pedagogicheskoe obrazovanie v Rossii. 2015. № 13. S.117-125. [In Rus].
6. Ershov M. G., Ospennikova E. V. Obrazovatel'naja robototehnika kak instrument poznanija v ucheb-nom processe po fizike // Vestnik Cheljabinskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo universiteta. 2015. № 4. S. 122-138. [In Rus].
7. Lukjanova N. V. Razvitie tehnicheskih sposobnostej uchashhihsja posredstvom obrazovatel'noj robototehniki // Informatika v shkole. 2015. № 2. S.14-21. [In Rus].
8. Obrazovatel'naja robototehnika kak innovacionnaja tehnologija obuchenija: monografija / Ja. A. Vagramenko, O. M. Karpenko, G. Ju. Jalamov i dr. M.: Izd-vo SGU, 2019. 105 s. [In Rus].
9. Pankratova O. P., Ledovskaja N. V. Sushhnost' i osnovnye komponenty professional'noj kompetent-nosti pedagoga obrazovatel'noj robototehniki // Kant. 2020. № 2 (35). S. 288-293. [In Rus].
Информация об авторе
А. Ю. Белышев — начальник отдела, аспирант
Information about the author
A. Yu. Belyshev—the Head of Department, Graduate student
Статья поступила в редакцию 11.04.2023; одобрена после рецензирования 18.06.2023; принята к публикации 28.06.2023. The article was submitted 11.04.2023; approved after reviewing 18.06.2023; accepted for publication 28.06.2023.
