CC BY
309НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-КОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ОБРАЗОВАНИИ
УДК 53 (072.3)
Е.В. Оспенникова, М.Г.Ершов, А.А. Оспенников
ПРИМЕНЕНИЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ РОБОТОТЕХНИКИ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ ПО ФИЗИКЕ
Обсуждается проблема внедрения образовательной робототехники в практику работы средних общеобразовательных школ России. Отмечается, что развитие технического творчества учащихся по робототехнике преимущественно осуществляется в системе дополнительного образования. Практика внедрения робототехники в учебный процесс пока находится в начальной стадии своего становления и далеко не всегда является эффективной. В настоящем исследовании образовательная робототехника рассматривается как средство реализации политехнической направленности учебного процесса. Обосновывается возможность ее применения в качестве специальной технологии обучения на занятиях по предметам естественно-математического цикла. В структуре данной технологии выделены три направления профессиональной деятельности учителя: робототехника как объект изучения, как инструмент познания, как средство обучения, развития и воспитания учащихся. В статье раскрывается содержание деятельности учителя по каждому направлению. Приведены результаты опытно-поисковой работы, связанной с применением данной технологии при обучении физике.
Ключевые слова: образовательная робототехника; технология обучения; обучение физике, робототехника в учебном физическом эксперименте, учебные модули по робототехнике; учебные проекты.
Инновационные преобразования современной техносреды и обновления технической деятельности социума непременно должны находить отражение в содержании школьного образования. Обучение следует ориентировать на формирование знаний, умений и компетенций, позволяющих молодому поколению быть успешно интегрированным в современные социотехни-ческие системы, эффективно поддерживать и развивать научно-технический потенциал общества. Содержание политехнического обучения в связи с этом должно включать разделы, связанные с направлениями технической инноватики. Одним из таких направлений является роботостроение.
В мировой системе образования робототехника функционирует более 15 лет. Активность российских школьников в робототехническом творчестве существенно возросла лишь в последние 7-8 лет. Опыт организации занятий по робототехнике нашел отражение в публика© Оспенникова Е.В., Ершов М. Г., Оспенников А.А., 2016
циях учителей и педагогов дополнительного образования, методистов, а также инженеров, занимающихся популяризацией этой области технического знания. Образовательная робототехника рассматривается как средство формирования инженерного мышления школьников, развития их интереса к техническому творчеству, ориентации на выбор инженерных профессий и рабочих специальностей. Однако разработанные для занятий по робототехнике учебные материалы ориентированы преимущественно на поддержку системы дополнительного образования детей.
Ограничение занятий по робототехнике сферой внеучебной работы не способствует полноценному решению задач политехнического образования. Этот подход не соответствует нарастающим изменениям современной техносреды, обусловленным стремительным развитием роботостроения. Роботы уже стали ее неотъемлемой частью. Развивается производство и осуществляется массовое внедрение робототехнических систем (РТС) в различные сферы социальной практики (промышленность, военное дело, науку и культуру, сервис и быт). Формируется новая роботизированная инфраструктура, следствием возникновения которой станут глобальные социокультурные преобразования [13]. Человек перестанет делать все то, что является опасным для его здоровья, передаст роботам службы, которые он выполняет менее эффективно, а также работу, которой он просто не хочет заниматься (Я. Ноф) [8]. Изменения будут носить масштабный характер, сравнимый с научно-технической революцией, определившей начало эры информатизации. Будет востребован следующий за 1Т-компетентностью уровень развития технической культуры человека, определяемый условиями его жизни в роботизированной техносреде [11; 12].
Выпускника современной школы необходимо подготовить к жизнедеятельности в этой среде. В связи с этим перед средней школой должны быть поставлены новые и весьма сложные образовательные задачи:
1) обновление содержания политехнической подготовки учащихся с учетом такого направления технической инноватики, как робототехника;
2) целенаправленная подготовка будущих потребителей услуг роботизированной среды;
3) пропедевтика подготовки будущих производителей роботизированных систем (инженеров-исследователей, инженеров-конструкторов, инженеров-технологов) [19].
Знание основ робототехники должно стать базовым элементом образования молодежи и войти в содержание учебных программ средней школы. Соответствующие решения на государственном уровне уже принимаются в ряде стран мирового сообщества. Так, для систем образования США и Великобритании являются приоритетными задачи подготовки школьников (и даже детей дошкольного возраста) в области информатики и робототехники, формирования их готовности к выполнению различных технических проектов [14].
В российской системе образования преимущественно развивается конкурсная и соревновательная робототехника, организуются тематические мероприятия, в которых принимают участие лишь увлеченные техническим творчеством школьники [2; 9; 15]. Пока только в отдельных школах некоторых регионов России курсы по образовательной робототехнике включены в программу обучения. Как правило, это курсы по выбору или факультативы.
В 2014 г. началась реализация «Комплексной программы развития образовательной робототехники и непрерывного 1Т-образования в Российской федерации» (2014-2020 гг.). Одно из направлений этой программы связано с систематизацией и обобщением опыта преподавания робототехники. Поставлена задача формирования единой концепции внедрения образовательной
робототехники в учебный процесс средней общеобразовательной школы. Стало очевидным, что устойчивые образовательные результаты в данной области инженерной подготовки учащихся могут быть обеспечены только за счет ее включения в систему основного обучения.
Способы интеграции робототехники как области знаний в содержание учебного процесса в средней школе в настоящее время не вполне определены. Это новое направление теории и методики политехнического обучения. В его разработке должны быть учтены специфика робото-технических систем как новых и значимых по масштабам распространения объектов техносре-ды, возможности различных областей предметного знания в их изучении, особенности школьного образования разных уровней и профилей, а также познавательный потенциал учащихся в освоении различных элементов этой области технической инноватики.
Задачами нашего исследования являлись разработка и апробация в условиях опытно-поисковой работы системного подхода к организации изучения учащимися основ робототехники на занятиях по физике. Робототехника в рамках этого подхода рассматривалась как элемент в системе реализации политехнической направленности учебного процесса. Анализ и обобщение первых отечественных разработок (Л.Г. Белиовская [1], Д.Г. Копосов [7], В.Н. Халамов [16] и др.), публикаций ряда зарубежных исследователей [17, 18, 20], а также результатов поискового педагогического эксперимента, проведенного авторами настоящей статьи [12], позволяют рассматривать робототехнику как специальную технологию обучения. В структуре этой технологии мы выделили три составляющие. Робототехника может быть представлена в учебном процессе по предмету:
1) как объект изучения,
2) как инструмент познания,
3) как средство обучения, развития и воспитания учащихся [3; 4; 5; 12; 19].
Предложенный в настоящем исследовании подход к внедрению робототехники в учебный процесс апробирован в средних общеобразовательных школах г. Перми. Для обучения был разработан курс по выбору для учащихся основной школы (7-9 классы), связанный с освоением робототехники как области прикладного технического знания. Данный курс был предназначен для предпрофильной подготовки учащихся по физике. Экспериментальная работа проводилась в течение трех лет. В качестве средства дидактического сопровождения курса были разработаны тематические образовательные модули, включающие комплекты учебных и методических материалов. Это материалы для:
• изучения физических основ элементной базы роботов,
• постановки демонстрационного роботизированного физического эксперимента,
• демонстрации роботизированных моделей технических объектов как иллюстраций технических приложений физики,
• проведения роботизированных лабораторных работ по физике разного уровня сложности,
• организации проектной работы учащихся по робототехнике.
В каждый модуль помимо учебных текстов, инструктивных материалов и методических рекомендаций учителю были включены фото- и видеоматериалы по сборке и демонстрации роботизированных устройств, а также управляющие компьютерные программы, обеспечивающие их работу. Содержание элементов каждого модуля тесно связано с программой основного курса
физики и нацелено на расширение и углубление предметных знаний и умений учащихся. Робототехника в учебных материалах курса по выбору представлена как область технических приложений физической науки и инструмент современной технологии научного познания. В ходе обучения осуществлялись межпредметные связи курсов физики, математики, информатики и технологии.
Рассмотрим ключевые вопросы методики применения робототехники в учебном процессе по физике в рамках указанных направлений (робот как объект изучения, робот как инструмент познания, робот как средство обучения, развития и воспитания).
I. Робот как объект изучения
Для позиционирования робототехники в учебном процессе в качестве объекта познания необходимо было в первую очередь разработать программу обучения. В структуре такой программы были выделены две составляющие: система знаний о робототехнике как области технического знания и соответствующий этой системе опыт учебной деятельности. Первая составляющая связана с рассмотрением физических основ функционирования «готовых» робото-технических систем, применяемых в различных сферах жизни общества, вторая - с изучением базовых элементов технологии применения РТС в изучении конкретного предмета и методологии их создания, а также с овладением учащимися начальными умениями и навыками проектирования и конструирования простейших роботов. Отметим, что вторая составляющая программы обучения включает организацию учебной деятельности школьников в области технического творчества на проектном, исследовательском или проектно-исследовательском уровнях.
Указанные составляющие учебной программы должны стать объектом освоения в рамках различных предметов учебного плана (физики, математики, информатики, технологии и др.). Необходимо в каждом случае уточнить возможные уровни глубины и полноты освоения школьниками основ робототехники. В нашем исследовании на его настоящем этапе решение этих задач было связано с организацией учебного процесса по физике. Основу решения составил анализ:
• физических принципов функционирования его элементной базы, а также возможностей школьного курса физики для их изучения;
• роботизированного учебного эксперимента и его применения в обучении;
• технологий моделирования и конструирования робототехнических устройств и возможностей организации данных видов деятельности в рамках учебного процесса по предмету.
Рассмотрим результаты данного анализа.
1. Изучение физических основ функционирования робототехнических систем.
Ключевыми принципами отбора материала для учебной программы стали доступность его освоения учащимися и обеспечение целостности формирования у них представлений о робототехнике как объекте современной техносреды. В программу обучения были включены следующие вопросы:
1) сведения по истории роботостроения и перспективам его развития, место и роль робо-тотехнических систем в современной техносреде;
2) основы философии и методологии робототехники (общей, специальной): понятие «робот», отличительные признаки робота как технического объекта, виды роботов, законы робототехники;
3) начала робототехники: кибернетическая модель робота, основные подходы к проектированию РТ-систем, компьютерное и натурное моделирование роботов на основе специализированного программного обеспечения (ПО) и наборов для конструирования РТС;
4) современные решения и технологии в области конструирования и программирования роботов: обеспечение физических манипуляций робота и таких его свойств как «осязание», «обоняние», «зрение», «слух», «речь», «память», «нервная система», искусственный интеллект; проектирование групповых роботов (распределенных робототехнических систем) и применение различных средств связи с целью организации их взаимодействия; моделирование и программное обеспечение гуманоидных роботов.
Робот с точки зрения теории управления включает три основные системы (рис. 1):
1) систему управления (микроконтроллеры, микропроцессоры, компьютеры и дополнительная аппаратная техника);
2) систему исполнения (приводы, промежуточные передачи, рабочие органы);
3) систему сбора данных для обеспечения обратной связи (датчики различных типов и видов) [12].
Рис 1. Кибернетическая модель робота
Каждая из систем реализуется с помощью собственной элементной базы. Основная часть явлений и законов, обеспечивающих работу этой базы, изучается в рамках предметов естественно-математического цикла и образовательной области «Технология». Это позволяет вполне успешно иллюстрировать технические приложения различных областей науки на примере создания и функционирования разнообразных робототехнических систем.
В ходе исследования были проанализированы состав и принципы действия основных устройств, реализующих работу каждой системы кибернетической модели робота. В итоге для учителей физики были составлены таблицы с указанием основных физических явлений и законов, на основе которых может быть раскрыт принцип работы этих устройств. Определены соответствующие темы курса физики, в которых такие устройства могут изучаться как примеры технических приложений науки. Пример одной из таблиц приведен ниже.
Таблица
Изучение исполнительных устройств робота в школьном курсе физики
Элемент робота Физическое явление, закон, объект техники Тема курса физики Класс
1 2 3 4 5
Приводы Электродвигатель Электродвигатель постоянного тока Электромагнитные явления 8
Шаговый электродвигатель Электромагнитные явления 8, 11
В ибродвигатель Электромагнитные явления 8
Электродвигатель переменного тока Производство, передача и иполь-зование электрической энергии 11
Гидравлический привод Закон Паскаля, гидравлический пресс Давление твердых тел, жидкостей и газов 7
Пневматический привод Закон Паскаля Давление твердых тел, жидкостей и газов 7
Промежуточные передачи 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
Рабочие органы Генератор постоянного тока Явление электромагнитной индукции Производство, передача и использование электроэнергии 8
Манипуляторы, захваты, держатели, колеса, гусеницы Движение по прямолинейной и криволинейной траектории. Механизмы захвата и удержания тел Кинематика. Динамика (силы) 7, 9, 10
В каждой из систем кибернетической модели робота может быть выделено несколько «линий» изучения. Приведем примеры отдельных линий:
1) система управления ^ аппаратная часть ^ центральное устройство ^ микропроцессор ^ ... и т. д.;
2) система исполнения ^ приводы ^ электрические приводы ^ шаговый, вибрационный и др.;
3) система сбора данных для обеспечения обратной связи ^ параметрические датчики ^ датчики температуры ^ терморезистор, пирометр, акустический датчик и др. (рис. 2).
Отметим, что системы кибернетической модели робота могут иметь в ряде случаев весьма длинные «линейки» уровней реализации (например, система управления). Разветвленная цепь «линий» элементной базы кибернетической модели робота образует его своеобразную «корневую» систему и обеспечивает весь его функционал. Физические основы работы этой системы и есть предмет изучения на занятиях по физике.
Проникновение в «глубины» научных основ робототехники определяется степенью готовности учащихся к этой деятельности. Согласно принципу доступности при организации экспериментального обучения был осуществлен уровневый поход к изучению робота как сложного кибернетического и технического объекта. В каждой «линейке» элементной базы робота можно выделить четыре уровня изучения (рис. 2).
Рис. 2. Уровни изучения структуры робота [3]
При проектировании робота первый, второй и третий уровни соответствуют принятию общих проектных решений, связанных с выбором и комбинацией преимущественно готовых узлов его будущей конструкции. Четвертый уровень связан с пониманием научных основ функционирования робототехнической системы и алгоритмов этой работы. Это уже «тонкая» элементная структура робота, от выбора и качества которой зависит точность и эффективность исполнения роботом необходимых функций. На этом уровне инженер-конструктор, инженер-технолог и инженер-программист могут менять элементную базу роботов - модернизировать имеющиеся и создавать ее новые составляющие.
В ходе поискового педагогического эксперимента было организовано изучение школьниками физических основ функционирования роботов, применяемых в различных сферах жизнедеятельности общества, а также роботизированных установок учебного эксперимента. Предметом анализа в том числе являлись и физические принципы действия простейших роботизированных систем, созданных на базе образовательных наборов по робототехнике, предназначенных для учащихся средней школы. В организации изучения школьниками физических основ элементной базы робототехники применялись следующие методы:
1) объяснительно-иллюстративный (демонстрация РТС различных видов с последующим анализом научных основ их функционирования);
2) репродуктивный (воспроизведение знаний и способов деятельности, работа по инструкции);
2) проектный (освоение учащимися физических основ функционала роботов в ходе работы по их созданию).
2. Роботизированный эксперимент в учебном процессе по физике.
В настоящее время научный эксперимент в различных областях знания существенно обновился с точки зрения технологий его проведения. Несколько лет назад была поставлена задача модернизации в связи с этим и школьного эксперимента на основе широкого применения в его постановке средств ИКТ. В работе [11] приведена классификация современного учебного физического эксперимента по используемым при его выполнении средствам. Это эксперименты, реализуемые на основе:
• инструментальных пакетов компьютерной обработки данных и представления результатов исследования в виртуальной среде (компьютеризированный);
• датчиков для автоматической регистрации данных, программного обеспечения для их обработки, а также представления в виртуальной среде результатов экспериментального исследования (частично автоматизированный);
• датчиков для автоматического мониторинга и регистрации данных, программного обеспечения для управления ходом эксперимента, обработки данных и представления результатов экспериментального исследования (автоматизированный);
• автоматизированный эксперимент с функцией обратной связи и адаптации к изменяющимся условиям проведения опыта (роботизированный).
Обучение школьников постановке экспериментов первого-третьего видов можно рассматривать в качестве этапов их подготовки к освоению практики проведения роботизированного эксперимента.
Важной составляющей рассматриваемой методики обучения является демонстрационный роботизированный физический эксперимент. В ходе демонстрации учителю необходимо давать общую характеристику экспериментальной РТ-установки, разъяснять физические основы ее работы, излагать порядок работы РТС и особенности ее управляющей программы.
Лабораторный роботизированный эксперимент - не менее важная составляющая обучения. Его включение в учебный процесс должно быть направлено на обновление системы экспериментальных умений учащихся. Это комплекс умений и навыков работы со специализированным оборудованием, включая разнообразные цифровые датчики для сбора данных, программным обеспечением для их обработки, современной аппаратной техникой, в том числе для передачи данных удаленному пользователю. Отработку таких умений следует осуществлять преимущественно на готовых экспериментальных РТ-установках. Отечественной учебной промышленностью выпускается с этой целью специализированное оборудование. Примеры установок для проведения физических экспериментов с применением элементов робототехники представлены на рис. 3, 4, 6. Возможно включение школьников в самостоятельную работу по проектированию лабораторных РТ-установок.
Необходимо учитывать уровень готовности учащихся к самостоятельной работе по подготовке и проведению лабораторного роботизированного эксперимента. В рамках опытно-поисковой работы учебная деятельность школьников была организована на трех уровнях самостоятельности.
Первый уровень: выполнение лабораторной работы по инструкции. Учащимся в готовом виде предъявляются:
• цели работы (предметная, конструкторская, технологическая в сфере IT);
• перечень оборудования для лабораторного эксперимента;
• инструкция по сборке роботизированной установки (в том числе с применением специальных инструментов для моделирования конструкции робота в виртуальной среде, например, с помощью программы Lego Digital Designer); в случае сложного лабораторного задания установка заранее собирается учителем;
• управляющая программа робота, обеспечивающая его функционал;
• инструкция с иллюстрациями по проведению лабораторной работы с помощью роботизированной установки;
• видеозапись хода РТ-эксперимента (в случае проведения сложных лабораторных работ).
Выполнение работы на первом уровне позволяет учащимся: а) освоить практику работы по инструкции, поддерживающей их деятельность по сборке и проведению роботизированного физического эксперимента; б) отработать комплекс основных экспериментальных умений; в) убедиться, используя видеозапись эксперимента, в правильности сборки РТ-установки и соблюдении технологии проведения опыта (самоконтроль).
Второй уровень самостоятельности: выполнение лабораторной работы на основе общей характеристики экспериментальной РТ-установки и особенностей ее работы. Учащимся в качестве средств дидактической поддержки их деятельности предъявляются:
• цели работы (предметная, конструкторская, технологическая в сфере IT);
• перечень оборудования для лабораторного эксперимента;
• общая характеристика базовой роботизированной конструкции экспериментальной установки и ее возможных модификаций;
• характеристика программы, обеспечивающей функционал РТС;
• основное задание по работе с базовой конструкцией и дополнительные задания по работе с различными модификациями конструкции и корректировке программы управления РТС.
При выполнении лабораторного задания на втором уровне самостоятельности учащиеся, познакомившись с назначением, общей идеей сборки роботизированной конструкции и особенностями программы управления ее работой, должны:
а) самостоятельно спланировать роботизированный эксперимент;
б) собрать установку (в том числе на основе предварительного конструирования ее модели в программе LEGO Digital Designer);
б) написать для РТС управляющую программу и протестировать ее;
г) провести эксперимент, получить и проанализировать его результаты;
д) выполнить задания по преобразованию конструкции и соответствующему изменению управляющей программы РТС, а также осуществить ее комплексные модификации, реализующие требуемые сценарии работы.
Третий уровень самостоятельности: самостоятельное планирование и проведение лабораторного эксперимента с применением роботизированной установки. На данном уровне учащиеся:
• анализируют общие цели работы (предметную, конструкторскую, технологическую в сфере IT) и общую идею постановки роботизированного эксперимента, сформулированные учителем;
• самостоятельно планируют ход эксперимента и разрабатывают конструкцию РТ-установки (в том числе на основе предварительного конструирования модели РТС в программе LEGO Digital Designer);
• осуществляют сборку установки на основе собственного проекта;
• разрабатывают управляющую программу для РТС;
• самостоятельно проводят эксперимент; возможна подготовка видеозаписи роботизированного лабораторного эксперимента.
Организация лабораторной работы на третьем уровне позволяет учащимся проявить не только высокий уровень самостоятельности, но и творческий подход к выполнению задания. Для работы в этом случае требуется, как правило, достаточно много учебного времени (не менее 2 часов в условиях работы в классе). При необходимости допускается дополнительная работа учащихся над лабораторным заданием в домашних условиях или во внеурочное время в школьной лаборатории. Учитель может проконсультировать школьников по выполнению отдельных этапов работы.
3. Моделирование и конструирование робототехнических устройств.
Выполнение на занятиях по предмету лабораторных роботизированных опытов (наблюдений и экспериментов) не только способствует обновлению у учащихся экспериментальных
учебно-исследовательских умений, но определяет формирование у них практических умений в решении конкретных технических задач. В ходе самостоятельного проектирования подобных опытов учащиеся фактически осваивают элементы методологии научно -технического исследования. Такое исследование может проводиться с целью моделирования и создания принципиально новых РТС или модернизации имеющихся, а также поиска наиболее эффективных режимов их функционирования. Отметим, что это новое направление методологической подготовки учащихся, появление которого связано именно с проникновением в систему учебного эксперимента элементов робототехники.
Проектирование роботов под конкретные задачи является одним из важных направлений современного научно-технического познания. Создание новых, более совершенных роботизированных систем - одна из актуальных проблем современной инженерии. К базовым задачам инженерной деятельности относятся: выполнение аналитического исследования технической проблемы, изобретение или модернизация технического объекта с целью ее решения, изготовление и исследование модели данного объекта, создание и внедрение реального технического объекта в соответствующую область социальной практики, поддержка его работы (своевременная диагностика и устранение возникающих дефектов).
К методам научно-технического познания относятся: а) методы аналитического исследования, б) математическое и компьютерное моделирование, в) физическое моделирование технических конструкций и технологий, г) натурный физико-технический эксперимент. На элементарном уровне любой из этих методов является вполне доступным для освоения учащимися.
Представляет дидактический интерес организация процесса моделирования учащимися роботов и их систем. Моделирование - один из важных методов познания окружающего мира. С помощью моделей можно вполне успешно изучать свойства и функциональные возможности реальных технических объектов [10].
При проведении педагогического эксперимента перед учащимися ставились задачи моделирования робототехнических систем различных видов. Их решение осуществлялось, как правило, в рамках выполнения индивидуальных и командных проектов. Объектами моделирования были роботизированные установки для учебного физического эксперимента, а также технические устройства иного назначения. Важным в моделировании является технологическое обеспечение различных свойств и функций робота. Необходимо моделирование движений робота и таких его свойств, как «осязание», «зрение», «слух». Возможно моделирование «речи», «памяти», «нервной системы», элементов искусственного «интеллекта». Впоследствии учащимися производились сборка и тестирование созданных моделей в их различном сочетании в единой робототехнической конструкции, исследовались особенности взаимодействия этой конструкции с внешней средой.
Различают натурное и компьютерное моделирование. При обучении школьников технологии натурного и виртуального моделирования роботов (как и в реальном научно-техническом исследовании), как правило, должны реализовываться совместно.
Для натурного моделирования созданы и используются разнообразные конструкторы по образовательной робототехнике. В России наиболее популярна линейка робототехнических наборов Lego (Lego education WeDo, Lego MINDSTORMS EV3, Tetrix). Известны и применяются в школьной практике наборы от фирмы Huna (Fun&Bot, Kicky, Class, Top, Human-robot и др.).
Особое значение на современном этапе развития робототехники приобретают методы компьютерного моделирования. Разработка моделей роботов в виртуальной среде позволяет инженерам находить наиболее эффективные концептуальные, конструктивные и функциональные решения. С помощью специального программного обеспечения реализуется не только моделирование конструкций роботов, но и разработка их полных цифровых макетов. В связи с этим к программным средам для разработки современных роботов предъявляются вполне определенные требования:
1) возможность создания виртуальной модели робота, подобной его реальной физической модели;
2) возможность виртуального моделирования поведения робота в среде, схожей с реальным физическим миром;
3) трехмерная визуализация модели робота и ее поведения в виртуальной среде;
4) возможность использования программ, написанных для виртуальной модели робота, для аналогичного реального робота [19].
Предпринимаются попытки создать подобные среды и для системы среднего образования. Их разработка является актуальной проблемой образовательной робототехники. На сегодня возможности компьютерного моделирования роботов учащимся средней школы пока еще существенно ограниченны.
В ходе педагогического эксперимента было разработано и использовано в обучении школьников более 20 роботизированных демонстрационных и лабораторных физических опытов (по механике, тепловым и электрическим явлениям, техническим приложениям атомной и ядерной физики). В разработке ряда РТ-установок приняли участие школьники, проявившие интерес к новым технологиям постановки физических опытов и увлекающиеся техническим моделированием и конструированием.
II. Робот как инструмент познания
Как инструменты познания РТС весьма активно используются в научных и научно-технических исследованиях. В научном познании, как уже отмечалось, роботы применяются при проведении наблюдений и постановке экспериментов. В научно-техническом исследовании они востребованы для изучения других технических объектов (обнаружение, диагностика состояния и пр.). Научно-техническое исследование может быть направлено на поиск конструктивных идей создания новых роботов или совершенствование имеющихся.
Указанные выше варианты применения робототехники как инструмента познания были реализованы в экспериментальном обучении школьников. Рассмотрим кратко их содержание.
1. Роботизированный эксперимент как инструмент научного познания.
Во многих областях научного исследования роботизированные эксперименты уже не редкость (изучение явлений в условиях ближнего и дальнего космоса, исследования микромира, археология, подводные исследования, изучение внутреннего строения человеческих органов, анализ молекулярной структуры веществ, в том числе на наноуровне, и др.). Необходимость роботизации научных экспериментов определяется ключевыми функциями робота как технического объекта. Робот способен заменить человека в трудоемких, продолжительных, опасных и чрезмерно тяжелых экспериментальных работах. К особенностям роботизированного
эксперимента относятся, безусловно, более качественная реализация хода исследования, широкий спектр и высокая точность регистрации данных.
У учащихся необходимо сформировать представления об РТ-эксперименте как инструменте научного познания. Принципиально важным является включение в учебный процесс по предмету полноценного роботизированного эксперимента. Должны быть обеспечены не только регистрация и обработка данных в автоматическом режиме, но и управление ходом эксперимента. Такой робот должен совершать необходимые механические манипуляции и подстраиваться под нужный режим работы: например, регулировать температуру исследуемых объектов, «обходить» резонансные частоты, корректировать значения параметров электрической цепи, поддерживать давление газа в сосуде, «следить» за уровнем освещенности поверхности или изменением ее цветности и т. п. При проведении роботизированного эксперимента за счет применения датчиковых систем сбора данных существенно повышается качество измерений. Появляется возможность автоматического воздействия на объект исследования. Возрастает точность задаваемых параметров воздействия, и становится возможной автоматическая регулировка этих параметров. Наличие электроники в аппаратной части управляющей системы робота в сочетании с быстродействием компьютера и его современным программным обеспечением позволяет добиваться высокой скорости ее реакции на различные внешние воздействия и внутренние изменения в роботизированной системе. Может задаваться время реакции роботизированной системы на любое воздействие. Робот-экспериментатор способен автоматически «контролировать» и «регулировать» состояние своих внутренних систем по различным параметрам. Так, например, точность поворота вала электродвигателя учебного робота составляет всего один градус, что позволяет обеспечить в достаточной мере равномерность вращения исследуемого объекта, равномерность поступательного движения какой-либо механической части системы, строгую периодичность колебаний и т. п.
Программа «NXT 2.1 Data Logging», а также аналогичный модуль «Эксперимент» программы «MINDSTORMS® Education EV3» имеют ряд инструментов для компьютерной обработки данных роботизированного эксперимента. Применение этих инструментов позволяет отображать численные данные для выбранной точки графика, фиксировать минимальное, максимальное и среднее значения физической величины в выделенном диапазоне графика, менять цвет графика, представлять в одной координатной плоскости несколько линий функциональной зависимости, выполнять их линейную аппроксимацию и т. д.
При необходимости роботизированная система может в реальном времени передавать полученные данные на удаленный компьютер для их оперативной обработки и последующего хранения (через USB кабель, Wi-Fi, Bluetooth) или отправлять сигналы непосредственно экспериментатору.
Особенностью роботизированного эксперимента является легкость его многократного воспроизведения. Число испытаний может задаваться на программном уровне. Снижается общее время на проведение исследования. Так, например, учебные роботизированные эксперименты по механике длятся, как правило, не более 30-40 секунд. За такой короткий срок экспериментатор получает целую серию данных об исследуемом явлении. Если в создании учебной экспериментальной установки использовать не один робототехнический набор, то можно проектировать и проводить достаточно сложные многоэтапные физические эксперименты.
Включение в процесс обучения физике роботизированных экспериментов как инструментов познания должно быть нацелено на знакомство учащихся с новыми технологиями проведения научного исследования [11; 19]. Курс физики средней школы и оборудование по образовательной робототехнике позволяют успешно решать эту образовательную задачу.
На рис. 3 и 4 показаны две роботизированные установки для экспериментального исследования механических явлений: 1) свободного падения тел, 2) механических колебаний груза на пружине.
В ходе первого эксперимента (рис. 3 а) изучаются особенности свободного падения как вида механического движения.
Рис. 3. Модель роботизированной установки для исследования явления свободного падения: (а) с тремя стационарными датчиками; (б) с одним подвижным датчиком [19]
На экран микропроцессора выводятся: 1) значения ускорений свободного падения N одинаковых шариков и среднее значение ускорения; 2) время прохождения шариками расстояний, относящихся по протяженности как ряд нечетных чисел - 1:3:5 (для доказательства равноускоренного характера свободного падения тел). В ходе эксперимента можно менять массу и форму падающего тела. Проектирование такой установки требует от учащихся понимания сущности физического явления и методики его экспериментального исследования, актуализации знаний и умений по информатике и технологии.
После создания учащимися первой версии данного роботизированного эксперимента (рис. 3 а) им могут быть предложены задания по доработке конструкции РТС. Цель первого задания - обеспечение автоматической доставки падающих шариков в устройство для их
сброса. Второе задание может быть связано с заменой в экспериментальной установке трех стационарных датчиков одним подвижным (рис. 3 Ь).
На рис. 4 представлена еще одна установка, разработанная учащимися. Она предназначена для исследования зависимости периода колебаний пружинного маятника от его массы и жесткости пружины. Эксперимент проводится в два этапа. Последовательно запускаются механизмы, обеспечивающие изменение массы маятника за счет увеличения числа грузов в подвесе и увеличения жесткости пружины, которое достигается уменьшением длины ее рабочей части. Автоматически обеспечиваются вывод системы из положения равновесия и остановка свободных колебаний. На экран микропроцессора выводятся значения периодов колебаний маятника. Возможно представление результатов эксперимента в виде графика (рис. 5). Роботизированный эксперимент длится не более минуты. Датчики системы контролируют проведение эксперимента в заданном режиме. Возможно его многократное повторение, в том числе в условиях изменения исходных данных. По результатам такого эксперимента учащиеся могут сделать выводы о закономерностях колебательного движения пружинного маятника.
Рис. 4. Установка для исследования закономерностей колебаний пружинного маятника [19]
1. Применение робототехники в научно-техническом познании.
В системе научно-технического познания робототехника как инструмент исследования представлена в разном качестве.
Во-первых, робот может служить эффективным средством исследования уже созданных технических объектов, начиная с исследования уникальных артефактов и заканчивая диагностикой
состояния современной производственной и сервисной техники (поиск дефектов, оценка их масштаба, выявление несоответствия свойств объекта заданным показателям, предотвращение угрозы технического сбоя в работе, брака в изготовлении и т. п.). Уже созданы и функционируют различные роботизированные технологические комплексы диагностики (РТКД). Это роботы, оснащенные датчиками и сканирующими системами. Они перемещаются относительно объектов контроля, накапливают и обрабатывают информацию об исследуемых объектах, передают сигналы о состоянии этих объектов и его изменениях.
Рис. 5. Графическая обработка результатов эксперимента (график зависимости расстояния от датчика до колеблющегося маятника от времени) [19]
Применение робототехники в таких исследованиях исключает влияние субъективных факторов на сбор и обработку информации об исследуемом объекте, сокращает время поиска технического дефекта, повышает точность его диагностики, обеспечивает проведение при необходимости диагностических испытаний, а в ряде случаев и автоматическое устранение дефекта. Наиболее известны как «исследователи» роботы-змеи, предназначенные для поисково-спасательных работ в аварийных зданиях, для исследования и даже ремонта трубопроводов сложных конфигураций, изучения подземных тоннелей и т.п. Такие роботы постоянно совершенствуются, расширяется область их применения.
Следует разъяснить учащимся средней школы роль роботов в научно-техническом исследовании и познакомить с физическими принципами работы основных узлов таких роботизированных устройств. В рамках проектной деятельности в условиях командной работы школьники могут создавать простейшие модели подобных роботов (например, для исследования магнитных полей полосовых магнитов или токов различной конфигурации). Возможно создание роботизированных систем, работающих на основе известных физических явлений: магнитоискателя, миноискателя, устройств слежения за источниками света, оценки степени нагретости тела или скорости движения объекта, диагностики состояния аккумуляторных батарей и др. [14]. Следует развивать это направление проектной деятельности учащихся, создавать соответствующие базы учебных проектов и разрабатывать методические материалы по организации самостоятельной работы учащихся.
Важно, чтобы такие проекты имели ярко выраженную физико-техническую направленность.
Пример разработки РТ-модели технического объекта с функцией диагностики и предупреждения резонансных явлений приведен на рис. 6. Проектирование такого технического объекта можно предложить учащимся после изучения закономерностей колебательного движения (см. ранее рис. 4, 5). Основной частью установки, демонстрирующей работу данной модели, является пружина, которая с одного конца с помощью нити крепится к двигателю для возбуждения колебаний. К другому концу пружины подвешивается корзинка с грузом. Массу груза можно менять. Под корзинкой устанавливается датчик расстояния для определения момента наступления резонанса. После запуска программы автоматически возбуждаются колебания системы. На экране компьютера строится график зависимости расстояния (от датчика до корзинки) от времени, а на экране микропроцессорного блока отображается текущая частота вынужденных колебаний. Задается допустимая амплитуда колебаний системы. После того как с помощью датчика фиксируется приближение колебательной системы к резонансу раздается предупреждающий звуковой сигнал о предаварийной ситуации, а через три секунды система автоматически отключается. На экране микропроцессорного блока отображается критическая (резонансная) частота вынужденных колебаний. При достаточно надежном креплении корзинки с грузами можно показать, что при дальнейшем увеличении частоты вынужденных колебаний система выходит из резонанса. Если в конструкции отключить датчик расстояния (имитация «сбоя» в системе контроля), то при ненадежном подвесе можно продемонстрировать пагубное влияние резонанса на систему - ее разрушение (падение корзинки).
т
Рис. 6. Роботизированная модель колебательной системы с функцией предупреждения резонансных явлений
Демонстрация РТС как инструментов научного и научно -технического исследования на занятиях по физике вызывает у учащихся большой интерес и стимулирует их к самостоятельной творческой деятельности по созданию таких систем.
III. Робот как средство обучения, развития и воспитания
В ходе настоящего исследования были выявлены наиболее значимые образовательные функции робототехники. Знание и разграничение этих функций практикующим учителем является принципиально важным, поскольку способствует его целенаправленной работе по их реализации в учебном процессе.
1. Обучающая функция.
Занимаясь робототехникой, учащиеся осваивают новый и социально значимый пласт современной технической культуры: приобретают современные политехнические знания и умения, овладевают соответствующими техническими и технологическими компетенциями [6; 12].
Занятия робототехникой способствуют закреплению и углублению предметных знаний, формированию предметных познавательных и практических умений.
Особая роль занятий робототехникой состоит в реализации межпредметных связей, поскольку роботостроение является междисциплинарной сферой деятельности. Разнообразны и сферы применения роботов. На занятиях по робототехнике возможна подготовка учащимися межпредметных проектов. На сегодня известны примеры интеграции робототехники не только с областями математического и естественнонаучного знания, но и с гуманитарными сферами деятельности (реконструкция исторических событий, моделирование и исследование взаимодействия различных социальных групп, решение проблем социальной адаптации, оказание социальных услуг и т. д.).
Междисциплинарный характер занятий робототехникой способствует не только выявлению и осознанию взаимосвязи наук, но и систематизации и обобщению знаний (естественно-математических, гуманитарных), а также достижению учащимися в связи с этим метапред-метныхрезультатов обучения.
Робототехника - это новое средство наглядности, стимулирующее активное восприятие учебного материала курса. Роботизированные демонстрации отличаются высоким качеством постановки, регулируемой скоростью предъявления данных, допускают необходимое число повторений, могут сопровождаться визуальными, механическими и звуковыми эффектами, концентрирующими внимание школьников на наиболее значимых элементах учебного материала и повышающими интерес к его освоению.
Робототехника может рассматриваться как эффективное средство индивидуализации обучения - учета интересов, склонностей, уровня подготовки учащихся по предмету. Это обеспечивается не только соответствующими приемами работы учителя, но и разнообразием учебных наборов по робототехнике, а также сопровождающих их учебных материалов, ориентированных на развитие технического творчества детей разного возраста и уровня готовности к занятиям по техническому моделированию и конструированию. Дополнительным фактором, стимулирующим применение технологии индивидуального обучения, является реализация связи междуучебным процессом и соревновательным движением по робототехнике, в которое могут быть включены увлеченные техническим творчеством школьники.
2. Развивающая и воспитательная функции.
Применение образовательной робототехники в учебном процессе по предмету обеспечивает активное развитие у учащихся всего комплекса познавательных процессов (восприятия, представления, воображения, мышления, памяти, речи). Особый эффект этого воздействия связан, как правило, с высокой мотивацией занятий робототехникой. Непосредственная работа руками и активная практика самостоятельного решения учащимися конкретных технических задач и успешность в их решении - еще более существенные факторы этого влияния.
Занятия робототехникой способствуют формированию широкого спектра личностных качеств ребенка (его потребностей и мотивов, самостоятельности и инициативности, трудолюбия, ответственности за качество выполненной работы, коммуникабельности и толерантности, стремления к успеху, потребности в самореализации и др.). Особенно значима роль образовательной робототехники в развитии качеств личности, повышающих эффективность работы человека в его взаимодействии с другими людьми. Это навыки коммуникации и межличностного общения. Главным среди них, как считают многие авторы, является умение работать в команде. Действительно, робототехническую систему, учитывая необходимость принятия междисциплинарных решений при ее разработке, качественно сделать в одиночку достаточно сложно. Это, прежде всего, командная работа, которая обеспечивает благоприятные условия для развития широкого комплекса коммуникативных компетенций учащихся.
Работа в команде по созданию робототехнических систем, как правило, связана с проект-но-ориентированным обучением. В нашем исследовании была организована разработка учащимися проектов трех видов:
1) создание нового робота для решения исследовательской или прикладной учебной задачи на базе наборов по робототехнике конкретного производителя;
2) модернизация робота (обновленные элементные, конструктивные и программные решения) на базе наборов по робототехнике конкретного производителя;
3) создание нового робота или его модернизация для решения исследовательской или прикладной учебной задачи на основе:
• разработки новых датчиков и других систем робота, расширяющих возможности применения конкретного конструктора по робототехнике;
• проектирования робота в его взаимосвязи другими техническими системами для решения сложных практических задач.
На рис. 7 представлен пример командного проекта «Модель ядерного реактора», выполненного учащимися средней школы № 135 г. Перми.
Данная модель предназначена для демонстрации некоторых элементов устройства реактора, а также процессов передачи тепла в его энергоблоке. Повышение температуры активной зоны реактора имитируется нагреванием воды (с помощью электронагревателя). Вода в данной модели является еще и теплоносителем. Температура «активной зоны» может регулироваться, с одной стороны, нагревом воды, а с другой - ее охлаждением за счет обеспечения циркуляции потоков жидкости между сосудом-нагревателем и внешним сосудом с холодной водой. Циркуляция обеспечивается с помощью насоса. Управление работой нагревателя и насоса осуществляется на программном уровне с помощью микропроцессора через электромагнитное реле. Для обеспечения контроля над температурой в «активной зоне» устанавливается датчик температуры.
В верхней части реактора для регулировки активности ядерной реакции монтируется система, которая имитирует движение управляющих стержней. Изначально стержни находятся вне активной зоны. При повышении температуры сверх допустимого значения срабатывает датчик и стрежни опускаются в активную зону, «обеспечивая» снижение интенсивности ядерной реакции. Понижение температуры достигается за счет запуска процесса циркуляции воды. При снижении температуры до определенного значения вновь срабатывает датчик и стержни извлекаются из активной зоны. Система управления «реактором» имеет два режима работы: ручной и автоматический. В автоматическом режиме система на программном уровне поддерживает температуру около заданного значения за счёт поочередного включения нагревателя и насоса. Значение температуры в «реакторе» выводится на экран микропроцессора.
Рис. 7. Модель терморегуляции ядерного реактора и регулировки интенсивности ядерной реакции
После успешного выступления школьников с данным проектом в ряде городских и краевых соревнований проект был расширен до модели атомной электростанции, в которую в качестве отдельных элементов были включены модели парогенератора, блока генерации электроэнергии и линия электропередачи с потребителями электроэнергии (рис. 8). Была реализована система диагностики исправности работы различных блоков АЭС. На отдельные индикаторы выводились сигналы: отказа насоса перекачки теплоносителя (для этого был использован датчик давления), остановки турбины парогенератора (применялся отдельно сконструированный датчик движения воздуха на базе датчика освещенности), исчезновения напряжения на электрогенераторе (срабатывал датчик напряжения). В случае возникновения аварийной ситуации к месту аварии выезжал робот, имитирующий аварийно-спасательную бригаду.
Как отдельная конструкция была разработана система аварийной защиты реактора от перегрева и возгорания (рис. 9). Блок защиты был собран на базе конструктора для прототипирования
датчиков (SuperPro Prototype Sensor), подключаемого к микропроцессорному блоку Mindstorms. В блоке защиты имелись отдельная кнопка для отключения реактора, а также переключатель для перевода реактора в режим работы без защиты. Благодаря возможности отключения блока защиты и ручного отключения насоса на модели можно было частично смоделировать процесс, приведший к аварии на Чернобыльской АЭС. Для защиты от пожара в системе использовался датчик пламени. В случае срабатывания датчика (например, от зажигалки) реактор переходил с состояние гашения ядерной реакции (отключался нагреватель и в «активную зону» опускались аварийные стержни), включалась сирена, и к реактору выезжал робот-спасатель с целью обнаружения источника возгорания по инфракрасному датчику.
Рис. 8. Роботизированная модель атомной электростанции
Рис. 9. Элементы роботизированной модели атомной электростанции
На Всероссийском фестивале «РобоФест-2015» данный проект был отмечен призом зрительских симпатий.
Еще один проект представлен на рис. 10. Это модель фрезерного станка, созданная на основе конструктора Lego Mindstorms. Современные станки с числовым программным управлением являются разновидностью робототехнических систем. Работа на данных станках становится доступной для старшеклассников, которые проявляют интерес к технической деятельности. Традиционные технологии обработки материалов и инновационные идеи робототехники в своем сочетании открывают интересные перспективы в разработке школьных робототехнических проектов межпредметного характера (физика - технология - информатика).
Рис. 10. Модель фрезерного станка с ЧПУ, выполненного на базе нескольких конструкторов LEGO Mindstorms [12]
Модель фрезерного станка с ЧПУ была сконструирована и запрограммирована учащимися старших классов средней школы на базе нескольких конструкторов LEGO. На данном станке можно производить обработку мягких материалов (парафин, пенопласт). Станок имеет металлическое основание, к которому жестко крепится электрическая дрель в качестве привода для инструмента. Заготовка монтируется на основании, которое может перемещаться в трех плоскостях. Эта часть конструкции сделана из деталей и сервомоторов конструктора. В автоматическом режиме работы станка перемещение основания обеспечивается компьютерной программой. Для ручного управления движением заготовки в конструкции предусмотрены три пары датчиков касания, срабатывание которых приводит к перемещению основания в двух направлениях вдоль каждой из трех осей: вперед - назад, влево - вправо, вверх - вниз. На данном станке можно производить обработку материалов через Bluetooth (например, с телефона).
При создании модели, а затем в процессе ее демонстрации на уроках физики обсуждались вопросы относительности движений, сложения движений, физические основы работы технических узлов конструкции, в том числе устройств беспроводной связи.
Во время демонстрации модели станка с ЧПУ на конкурсах и выставках все желающие могли выполнить обработку какой-либо детали (рис. 11). Авторы этого проекта стали победителями городского и призерами регионального туров олимпиады по технологии, победителями регионального фестиваля «РобоФест-2013» и призёрами Всероссийского фестиваля «РобоФест-2013» в категории «Фристайл» (II место).
Рис. 11. Работа посетителей выставки с моделью станка с ЧПУ на Всероссийском фестивале «РобоФест-2013»
Отметим, что рассмотренные выше проекты относятся к проектам третьего вида. При их выполнении используются не только детали робототехнического конструктора, но и оборудование школьного физического кабинета, кабинета технологии, домашняя бытовая техника, дополнительные инструменты и материалы. В рамках именно таких проектов решаются сложные технические задачи, а сам проект может оказаться не просто интересным, но и уникальным.
Проектную деятельность учащихся по робототехнике следует обязательно связывать с содержанием учебного процесса по предмету. Целесообразной является ее поддержка системой школьных, городских региональных и всероссийских робототехнических конкурсов и олимпиад по робототехнике. Это позволяет обеспечить высокий уровень командной активности учащихся и качества решений творческих задач проекта. Выполнение школьниками предметных и межпредметных проектов следует определить как одно из важных направлений применения робототехники в учебной практике.
В ходе поискового педагогического эксперимента были реализованы все указанные выше направления применения робототехники как средства обучения, развития и воспитания учащихся. Включение элементов робототехники в учебный процесс по физике обеспечивает рас-
ширение предметной основы формирования технических знаний учащихся, организации их учебной, исследовательской и проектной деятельности, освоения технических умений, способствует формированию инженерного мышления и освоению практики технического моделирования и конструирования. Растет интерес к изучению физики и ее технических приложений, формируются у ряда учащихся соответствующие профессиональные устремления, готовность к техническому творчеству, в том числе в условиях командной работы.
Анализ результатов исследования позволяет сформулировать ряд важных выводов.
1. Необходимость изучения робототехники в средней школе как области знания и технического творчества обусловлена современными тенденциями развития социальной инфраструктуры, связанными с ее насыщением робототехническими объектами. Включение элементов системы знаний по робототехнике в учебную программу по предмету и формирование у школьников начального опыта ее освоения как области современного технического знания должно носить органичный характер и не противоречить задачам предметного обучения. Робототехника может и должна быть представлена в предметном обучении (например, в обучении физике) как значимая составляющая его политехнической направленности [6].
2. Поисковый педагогический эксперимент позволил вывести робототехнику из зоны только дополнительного образования и найти эффективные методические решения ее включения в основной учебный процесс. Внедрение робототехники как трехкомпонентной технологии обучения на основе предложенных в исследовании решений позволяет существенно обогатить программу обучения предмету необходимыми прикладными знаниями и видами учебной деятельности, создать дополнительные условия для ее более качественного усвоения.
3. Для реализации данной технологии необходимы комплекты учебного оборудования по предмету, наборы по образовательной робототехнике и специальные учебные и методические материалы. В рамках проведенного педагогического эксперимента был подготовлен комплекс таких материалов. Доказана результативность его применения в обучении физике. Показано, что эффективность обучения возрастает при реализации межпредметных связей дисциплин естественно-математического цикла и образовательной области «Технология».
Показателями результативности экспериментального обучения физике с применением робототехники являются: 1) интерес школьников к изучению предмета, 2) качество усвоения учебной программы по физике, 3) готовность к выбору физико-математического профиля обучения в старшей школе (10-11 классы), 4) содержание профессиональных устремлений в области естественнонаучного знания и инженерной деятельности. Обучение школьников на основе предложенной технологии в течение трех лет обеспечило очевидный рост указанных показателей. Его усредненное значение по трем годам обучения оказалось следующим: по первому показателю - 34 % от общего числа учащихся, участвовавших в эксперименте в течение каждого года обучения; по второму - 18 %, по третьему - 19 %, по четвертому - 16 %.
Еще одним показателем эффективности рассматриваемой методики обучения является стабильный успех учащихся в различных соревнованиях и конкурсах по образовательной робототехнике, включая всероссийский уровень их организации. Реализация предложенной методики в учебном процессе по физике обеспечивает необходимые условия для выявления и целенаправленного обучения интересующихся и способных к техническому творчеству школьников - будущего поколения инженеров и изобретателей.
4. По материалам исследования были проведены мастер-классы и курсы повышения квалификации учителей, подготовлена монография [12], в которой образовательная робототехника рассматривается как важная составляющая политехнической направленности обучения основам наук в средней школе. В настоящее время продолжается работа над созданием новых образовательных модулей по применению робототехники в учебном процессе по физике как средств реализации предложенной технологии обучения. Рассматривается возможность и методика их использования не только в основном учебном процессе и курсах по выбору, но и на факультативных занятиях, а также во внеурочной работе учащихся по предмету.
Список литературы
1. Белиовская Л.Г., Белиовский А.Е. Программируем микрокомпьютер NXT в LabVIEW. -М.: ДМК-Пресс, 2013.
2. Вязовов С.Я., Калягина О.Ю., Слезин К.А. Соревновательная робототехника: приемы программирования в среде EV3: учеб.-практ. пособие. - М.: Перо, 2014.
3. Ершов М.Г. Робототехника как объект изучения в курсе физики средней школы // Педагогическое образование в России. - 2015. - № 3. - С. 117-125.
4. Ершов М.Г., Оспенникова Е.В. Образовательная робототехника как инновационная технология реализации политехнической направленности обучения физике в средней школе // Педагогическое образование в России. - 2015. - № 3. - С. 34-41.
5. Ершов М.Г., Оспенникова Е.В. Образовательная робототехника как инструмент познания в учебном процессе по физике // Вест. Челяб. гос. пед. ун-та. - 2015. - № 3. - С. 109-124.
6. Ильин И.В., Оспенникова Е.В. Систематизация и метауровень обобщения технического знания как одно из направлений реализации принципа политехнизма в обучении физике // European Social Science Journal (Европейский журнал социальных наук). - 2012. - № 3. - С. 111-118.
7. Копосов Д.Г. Первый шаг в робототехнику: практикум для 5-6 классов. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014.
8. Ноф Ш. (ред.) Справочник по промышленной робототехнике. - М.: Машиностроение,
1989.
9. Основы робототехники: учеб. пособие, 5—6 класс / Д.А. Каширин, Н.Д. Федорова; под общ. ред. Н.А. Криволаповой. - Курган: ИРОСТ, 2013.
10. Оспенников Н.А., Оспенникова Е.В. Формирование у учащихся обобщенных подходов к работе с компьютерными моделями // Изв. Южн. федер. ун-та. Пед. науки. - 2009. - № 12. - С. 206-214.
11. Оспенникова Е.В. Развитие самостоятельности школьников в учении в условиях обновления информационной культуры общества: в 2 частях. Ч. 2. Основы технологии развития самостоятельности школьников в изучении физики: моногр. - Пермь: Электрон. издат. системы ОЦНТИ ПГТУ, 2003.
12. Принцип политехнизма в обучении физике: современная интерпретация и технологии реализации в средней школе: моногр. / Е.В. Оспенникова, И.В. Ильин, М.Г. Ершов, А.А. Оспенников; под общ. ред. Е.В. Оспенниковой. - Пермь: Перм. книж. из-во, 2014.
13. Параскевов А.В., Левченко А.В. Современная робототехника в России: реалии и перспективы. // Политемат.й сетевой электрон. науч. журн. Кубан. гос. аграрн. ун-та. - 2014. -№ 104 (10). - URL: http://ej.kubagro.ru/2014/10/pdf/116.pdf (дата обращения: 09.03.2015).
14. Физические исследования с Vernier и LEGO Mindstorms NXT: лабораторные занятия по науке и технологиям, проектированию и математике с использованием датчиков. - Vernier. Бивертон: Vernier Software and Technology (США, штат Орегон). - 2009.
15. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей. - 3-е изд. - СПб.: Наука, 2013.
16. Халамов В.Н. [и др.]. Образовательная робототехника на уроках информатики и физики в средней школе: учеб.-метод. пособие. - Челябинск: Взгляд, 2011.
17. Bers M. et al. Teachers as Designers: Integrating Robotics in early Childhood education // Information Technology in Childhood Education. - 2002: pр. 123—145.
18. Carberry А., Hynes М. Underwater Lego Robotics: Testing, Evaluation & Redesign [Электронный ресурс]. - URL: http://www.academia.edu/2991725/Underwater_ LEGO_ Robot-ics_Testing_evaluation_and_redesign (дата обращения: 02.03.2015).
19. Ershov M.G., Ospennikova E.V., Ilyin I.V. Educational Robotics as an Inovative Educational Technology // Procedia - Social and Behavioral Sciences. - 2015. - Vol. 214. - pp. 18-26.
20. Korherr М. . Schulklasse testet neue EV3 Physik-Experimente. - Eine Entwicklung der htw saar und des Fraunhofer Instituts im Auftrag von LEGO® Education Redesign [Электронный ресурс]. - URL: http://emrolab.htw-saarland.de/index.php/news/154-ev3physikexperimente (дата обращения: 12.02.2015).
