CC BY
49Результаты апробации курса «В мире робототехники» в младших классах средней школы
Вершинина Светлана Валерьевна,
к.э.н., доцент, заведующая кафедры алгебры и математической логики, ФГАОУ ВО «Тюменский государственный университет» E-mail: [email protected]
Плашинова Екатерина Анатольевна,
магистрант, ФГАОУ ВО «Тюменский государственный университет»
E-mail: [email protected]
В статье рассматриваются результаты проведения педагогического эксперимента, связанного с применением разработанного автором курса по робототехнике для средней школы. Реализация данного курса проходила на уроках математики с применением LEGO Mindstorms и микроконтроллеров EV3 и NXT. В статье также сформулированы основные образовательные возможности применения LEGO конструирования на уроках математики. Приводится обоснование необходимости реализации данного курса начиная с пятого класса. Результаты эксперимента, представленные в статье, обработаны методами математической статистики.
Ключевые слова: робототехника, школьное образование, уроки математики, преподавание робототехники, компетентност-ный подход, LEGO конструкторы.
Современное школьное образование направлено на реализацию компетентностного подхода, то есть на формирование у обучающихся ключевых компетенций, прописанных в федеральных государственных образовательных стандартов (ФГОС), причем не только во время урочного процесса, но и во время внеурочной деятельности. Дополнительное школьное образование предполагает собой различные образовательные услуги для развития учащихся в профессиональном, творческом, социальном и духовном направлениях. Для привлечения школьников в подобную деятельность необходимо сформировать у них интерес к выбранному направлению.
Современные школьники с детства окружены темой роботов, управлением машин и механизмов. Во всех сферах деятельности можно проследить робототехнику: начиная от мультфильмов, заканчивая умной бытовой техникой, реклама которой встречается в интернете и телевидении. Педагоги используют комплекты по робототехнике на уроках математики, информатики, технологии, как в качестве наглядного материала, так и чтобы повысить мотивацию к обучению [8, с. 48]. Тем более, конструкторы LEGO позволяют начинать знакомство с механизмами и программированием роботов с начальной школы. На основе этого разработанный курс по робототехнике достаточно популярен у обучающихся средних школ.
Инженерное образование всегда было престижным и востребованным, нацеленность родителей на развитие инженерных компетенций у детей вполне объяснима. Существует достаточно много центров, которые позволяют детям при помощи робототехники и конструкторов LEGO научиться создавать и программировать роботов. Формированию инженерных компетенций школьников посвящены многие статьи, такие как: работы Малинецкого Г.Г., Сиренко С.Н.[9], Морева А.В. [12], Бреховой А.В., Дахина Д.В., Чернышёвой Е.И. [4].
Можно предположить, что готовые механизмы и визуальное программирование, где программный код спрятан за цветными блоками, не дают корректного понимания основ робототехники, не требуют знания математики, физики и информатики, но это не так. Во время работы с конструктором LEGO у детей развивается логическое и пространственное мышление, творческий потенциал. Сначала на занятиях дети действуют по образцу, полностью копируя инструкцию или словесное описание, они запоминают последовательность действий, а затем применяют свой опыт для
сз о со "О
1=1 А
—I
о
сз т; о m О от
З
ы о со
о с
U
см
1Л
создания собственных моделей [6, с. 275]. Позже учащиеся объединяются в проектные группы, где реализуют более сложную задумку. При этом, происходит формирование таких качеств личности как целеустремленность, организованность, инициативность и др.; позволяющие обучающимся приобрести опыт самостоятельной, командной, творческой, социальной и др. видов деятельности; условия, обеспечивающие профессиональное самоопределения [15, с. 63].
Большинство школьников начинает свой путь с базового конструктора LEGO Education, который содержит минимальное количество деталей и не дает возможности написания сложных программ. На этом этапе они учатся читать схемы, правильно соединять детали, не бояться создавать свою собственную первую программу. Когда обучающийся осваивает первую ступень, он переходит к более сложным конструкторам, например, LEGO Mindstorms EV3, где появляется больше возможностей для творчества и фантазии, алгоритмы и программирование становятся более сложными, а для реализации проектов требуются знания из математики и физики. Если на этом этапе ребенок успешен и хочет продолжать дальнейшее развитие, то можно знакомить его с аппаратной платформой Arduino, где нужно познавать азы электроники, создавать устройства для различных целей и писать реальный программный код уже без использования визуальных компонент.
Образовательные конструкторы LEGO спроектированы так, что позволяют стимулировать интерес и любознательность у обучающихся, развивать у них способность к решению проблемных ситуаций, и все это в игровой форме, а когда учащийся выполняет что-то сам, он лучше усваивает материал [5, с. 134, 13, с. 78]. Благодаря этому, можно ненавязчиво добавлять элементы математики в обучение. Школьники учатся воспринимать информацию и использовать ее на практике, что существенно помогает им во время образовательного процесса.
Проблемами применения основ робототехники в математике и других областях школьного образования занимались следующие исследователи: Анцев Г.В., Сарычев В.А. [2], Брагина А.А., Ширяев В.И. [3], Лазарев М.В. [7], Савин С.И., Ворочае-ва Л.Ю. [14]. Многие из них говорили о значимости математических знаний при реализации проектов по робототехнике и программированию.
Курс «В мире робототехники» разработан для обучающихся четвертых и пятых классов и подразумевает работу с конструктором LEGO Mindstorms и микроконтроллерами EV3 и NXT. За время обучения школьники получают возможность:
• расширить знание о современных технологиях и науке, о LEGO-конструировании, программировании и информационных процессах;
• познакомиться с тем, как алгоритмы представляется в компьютере;
• расширить знания о компьютерных моделях и моделировании как методах научного познания;
• научиться использовать графы и деревья для описания реальных объектов и процессов;
• научиться писать программы и создавать алгоритмы, содержащие элементы ветвления и цикла;
• воспитать/усовершенствовать вычислительную культуру;
• научиться работать с понятиями: координаты, координатная прямая и координатная плоскость, процент, угол и его градусная мера, положительные и отрицательные числа.
В 2018-2019 учебном году разработанный курс «В мире робототехники» был апробирован в школах города Тюмени. При этом, работа велась в двух группах пятого класса и трех группах четвертого класса по десять человек. Для определения уровня подготовки в начале и конце курса были использованы данные о стартовом контроле (на начало года) и промежуточной аттестации (четвертая четверть) по математике, в силу того, что знания по предмету «математика» требуется для реализации различных проектов во время программирования робота и работы с датчиками.
К сожалению, математических знаний у обучающихся четвертых и пятых классов недостаточно для решения задач по созданию и программированию робота. Это связано с тем, что многие темы школьники изучают только в пятом и шестом классе [10, 11].
Например, в блоке «Линейное движение робота. Пройденное расстояние. Перемещение робота» требуются знания по темам: отрезок, длина отрезка, шкала, координатная прямая, отрицательные числа, сложение положительных и отрицательных чисел, длина окружности. В теме «Механизмы и двигатели. Полный оборот мотора. Создание клешни или ковша» кроме знаний, перечисленных выше, требуется понимание, что такое угол, градусная мера угла, округление чисел, нахождение процентов от числа. Также, для реализации проектов требуется умение производить расчеты по формулам, так как иногда нужно вычислять разные коэффициенты [1, с. 71].
Отсюда вытекает, что учащимся будет сложно реализовывать проектные работы, которые будут требовать знания тем, приведенных выше. Однако школьникам пятого класса будет легче, чем четвертого, так как большинство требуемых тем они все-таки изучают параллельно с курсом робототехники на уроках математики.
Для оценки уровня освоения программы по робототехнике использовалось оценивание по трем направлениям: сборка робота, программирование и средний балл по математике на данный момент. За годовой курс было реализовано девять проектов, по которым была проведена оценка.
По результатам проведенной оценки выяснилось, что на этапе сборки учащиеся четвертых и пятых классов справляются в среднем одинаково, что можно проследить на диаграмме 1. Однако для обучающихся четвертого класса процесс конструирования робота был более интересен, они
создавали более сложные конструкции, не боялись отходить от схемы, больше фантазировали. В итоге тратили больше времени на сборку, реализация проекта шла медленнее.
Диаграмма 1. Средняя оценка сборки робота в группах четвертого и пятого класса
Также, можно сделать вывод, что умение собрать робота никак не взаимосвязано с программированием и отметкой по математике, практически все учащиеся успешно справлялись с первым этапом работы над созданием робота, но на этапе написания программы некоторые школьники испытывали сильные затруднения. Об этом свидетельствует и коэффициент корреляции, который в обоих классах колеблется на протяжении выполнения проектов от -0,32 до 0,4.
По-другому все обстоит с коэффициентом корреляции между успехами в программировании и средним баллом по математике. Для учащихся пятых классов усиление зависимости растет с каждым следующим проектом, это можно связать с тем, что при усложнении проектной работы по робототехнике требуются предметные математические знания, которые изучаются практически в то же время. Поэтому, если учащийся усваивает знания на математике, он сразу может применить их на практике в программировании (см. таблицу 1).
Таблица 1. Значение коэффициента корреляции между средним баллом по математике и отметкой за программирование робота в пятых классах
Номер проектной работы 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Значе- 0,42 0,54 0,68 0,72 0,74 0,68 0,73 0,77 0,73
ние ко-
эффи-
циента
корре-
ляции
Если анализировать результаты школьников четвертых классов, то таких выводов нельзя сделать. Успехи учеников четвертых классах в программировании никак не связаны с успехами по математике, коэффициент корреляции положительный, но не превышает отметку 0,4 по всем девяти проектам.
Увеличение коэффициента корреляции с каждым новым проектом будет говорить о том, что знания по математике необходимы при программировании робота в четвертых-пятых классах. Также следует отметить, что во всех группах успеваемость по предмету математика повысилась (если сравнить результаты стартового контроля в начале года и промежуточной аттестации в конце). Изменение оценки за контрольные в начале и конце года по математике среди посещающих курс робототехники в четвертом и пятых классах представлены в таблице 2.
Таблица 2. Изменение отметки за контрольные в начале и конце года по математике среди посещающих/не посещающих курс робототехники в четвертом и пятых классах
Класс Изменение отметки среди посещающих курс «В мире робототехники» Изменение отметки среди не посещающих курс «В мире робототехники»
Повысилась Не измени-лась По-низи-лась Повысилась Не измени-лась Понизилась
4 35% 55% 10% 27% 58% 15%
5 60% 33% 7% 42% 23% 35%
На основе проведенного анализа результатов введения курса «В мире робототехники» можно сделать ряд выводов и замечаний.
Во-первых, курс подходит больше для учащихся пятого класса, в сравнении с четвертым классом, по ряду причин:
1) сборка робота занимает времени меньше, чем у четвероклассников, что позволяет уделять больше внимания алгоритмам, математике и программированию, а также со старшими школьниками было реализовано большее количество проектов, соответственно, увеличился бы ожидаемый процент участников и победителей олимпиадах и инженерных соревнованиях;
2) учащиеся начальной школы не всегда доводят результат до конца, так как их устраивает промежуточный результат, а монотонная работа с программированием и поиском ошибок их привлекает меньше, чем начальный процесс сборки и запуск робота с элементарной программой;
3) знаний из курса математики младшей школы недостаточно для реализации некоторых задач в программировании робота, поэтому педагогу необходимо давать новые понятия, которые учащимся даются сложно, например, отрицательные числа были изучены только поверхностно для понимания, что движение может осуществляться вперед и назад. Во-вторых, благодаря курсу робототехники,
у школьников формируется ряд компетенций, которые ему пригодятся в жизни. Личностные:
• взвешено принимать решение в различных жизненных ситуациях, основываясь на свои ощущения и опыт;
сз о со "О
1=1 А
—I
о
сз т; о т О от
З
и о со
• обозначить свою позицию по отношению к ситуации в рамках этических норм, интерпретировать свои ощущения и чувства;
• без посторонней помощи воплощать собственные идеи.
Метапредметные:
• определять сложность конструкции, заданной в конкретном образце или чертеже;
• уметь представлять свой продукт аудитории;
• уметь наладить взаимодействие внутри группы в ходе работы над проектом в команде и эффективно распределять обязанности. Предметные:
• изучение простейших основ механики и математического моделирования;
• уметь создавать алгоритмы программирования механизмов;
• научиться оценивать качество итогового продукта;
• уметь представить свою работу окружающим. В-третьих, изучение робототехники способствует повышению успеваемости школьников по предмету математика (другие предметы не проверялись).
На изучение робототехники в следующем учебном году среди тридцати учеников четвертого класса уже записались 25, что говорит о том, что данный курс интересен и полезен. По результатам проведенного педагогического эксперимента было принято решение об изменении рабочей программы и переутверждении рабочего графика. Выделены следующие параметры, по которым необходимо модернизировать рабочую программу курса «В мире робототехники»:
• предусмотреть двухгодичный курс (четвертый и пятый класс), причем в четвертом классе делать уклон на конструирование и изучение различных схем механизмов, проводить соревнования в игровой форме на умение управлять роботом с помощью готового программного и аппаратного обеспечения, а в пятом классе активно программировать, реализовывать творческие проекты и участвовать в соревнованиях;
• курс для пятиклассников, которые не изучали робототехнику ранее оставить без изменений, так как для этого вполне подойдет программа, которая проходила апробацию.
В дальнейшем планируется расширение данного курса на старшие классы и введение дополнительных тем, связанных с реализацией инженерных соревнований в рамках школьного образования.
Литература
1. Андриевский О.А. Применение робототехниче-ского комплекса LEGo Mindstorms EV3 при изучении теории автоматического управления / О.А. Андриевский, Н.В. Андриевская, М.А. Базаров // Научно-технический вестник Поволжья. - 2018. - № 4. - С. 69-71.
2. Анцев Г.В. Математика и онтология робототехники / Г.В. Анцев, В.А. Сарычев // Информационно-измерительные и управляющие системы. - 2018. - Т. 16. № 1. - С. 42-51.
3. Брагина А.А. Системы управления: о математике и задачах управления роботами и летательными аппаратами / А.А. Брагина, В.И. Ширяев // Современные технологии в физико-математическом образовании: сборник трудов научно-практической конференции. Под редакцией С.А. Загребиной. -2014. - С. 12-17.
4. Брехова А.В. Развитие творческих способностей младших школьников на внеурочных занятиях по робототехнике / А.В. Брехова, Д.В. Дахин, Е.И. Чернышёва // Известия Воронежского государственного педагогического университета. -2019. - № 2 (283). - С. 38-42.
5. Жандилдина Р.Е. Педагогические возможности Лего методов в дошкольных организациях / Р.Е. Жандилдина, Д.Т. Комарова // Современный учитель дисциплин естественнонаучного цикла: сборник материалов Международной научно-практической конференции. Ответственный редактор Т.С. Мамонтова. - 2019. -С.133-135.
6. Коваленко И.В. Использование интерактивной доски в работе с дошкольниками по LEGO-кон-струированию / И.В. Коваленко // Научные достижения и открытия современной молодежи: сборник статей II Международной научно-практической конференции, 2017. - С. 275277.
7. Лазарев М.В. О связи робототехники с механикой, электроникой и программированием, а также о междисциплинарных связях / М.В. Лазарев // Вестник Томского государственного педагогического университета. -2013. - № 11 (139). - С. 132-136.
8. Левашов Н.М. Проектная деятельность в начальной школе с LEGO Education / Н.М. Левашов // Начальная школа. - 2016. - № 5. - С. 48.
9. Малинецкий Г.Г. Робототехника и образование: новый взгляд / Г.Г. Малинецкий, С.Н. Си-ренко // Вестник Российской академии наук. -2017. - Т. 87. № 12. - С. 1101-1109.
10. Мерзляк А.Г. Математика: 5 класс: учебник для учащихся образовательных организаций / А.Г. Мерзляк, В.Б. Полонский, М.С. Якир // -М.: Вентана-Граф, 2014. - 304 с.
11. Мерзляк А.Г. Математика: 6 класс: учебник для учащихся образовательных организаций / А.Г. Мерзляк, В.Б. Полонский, М.С. Якир // -М.: Вентана-Граф, 2014. - 304 с.
12. Морев А.В. Формирование технических способностей обучающихся на занятиях робототехники (из опыта работы) / А.В. Морев // Современный ученый. - 2019. - № 2. - С. 106111.
13. Немирович Е.М. Физический практикум как одно из средств для формирования исследовательской компетенции обучающихся / Е.М. Немирович // Вестник Московского государствен-
но
ного областного университета. Серия: Педагогика. - 2019. - № 2. - С. 77-82.
14. Савин С.И. методы управления движением шагающих внутритрубных роботов / С.И. Савин, Л.Ю. Ворочаева // Cloud of Science. - 2018. -Т. 5. № 1. - С. 163-195.
15. Тумашева О.В. Учебная деловая игра в процессе обучения математике / О.В. Тумашева, Е.В. Абрамова // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2016. - № 2. -С. 62-66
RESULTS OF APPROVING THE COURSE
"IN THE WORLD OF ROBOTICS" IN JUNIOR CLASSES
OF SECONDARY SCHOOL
Vershinina S.V., Plashinova E.A.
Tyumen State University
The article discusses the results of a pedagogical experiment related to the use of a robotics course developed by the author for high school. The implementation of this course took place in mathematics lessons using LEGO Mindstorms and microcontrollers EV3 and NXT. The article also formulates the main educational opportunities for using LEGO design in mathematics lessons. The rationale for the implementation of this course starting from the fifth grade is given. The experimental results presented in the article are processed by methods of mathematical statistics.
Keywords: robotics, school education, mathematics lessons, teaching robotics, competency-based approach, LEGO constructors.
References
1. Andrievsky O.A. The use of the LEGO Mindstorms EV3 robotic system in the study of automatic control theory / O.A. Andrievsky, N.V. Andrievskaya, M.A. Bazarov // Scientific and Technical Bulletin of the Volga Region. - 2018. - No. 4. - P. 6971.
2. Antsev G.V. Mathematics and Ontology of Robotics / G.V. Ant-sev, V.A. Sarychev // Information-measuring and control systems. - 2018. - T. 16. No. 1. - P. 42-51.
3. Bragin A.A. Control systems: about mathematics and control tasks of robots and aircraft / A.A. Bragin, V.I. Shiryaev // Modern technologies in physical and mathematical education: proceed-
ings of a scientific and practical conference. Edited by S.A. Zagrebina. 2014. - P. 12-17.
4. Brekhova A.V. The development of creative abilities of younger students in extracurricular classes in robotics / A.V. Brekhova, D.V. Dakhin, E.I. Chernysheva // Bulletin of the Voronezh State Pedagogical University. -2019. - No. 2 (283). - P. 38-42.
5. Zhandildina R.E. Pedagogical possibilities of Lego methods in preschool organizations / R.E. Zhandildina, D.T. Komarova // Modern teacher of the disciplines of the natural science cycle: a collection of materials of the International scientific and practical conference. Executive Editor T.S. Mamontova. - 2019. -P. 33-135.
6. Kovalenko I.V. Using an interactive whiteboard in working with preschool children on LEGO-design / I.V. Kovalenko // Scientific achievements and discoveries of modern youth: a collection of articles of the II International Scientific and Practical Conference, 2017. - P. 275-277.
7. Lazarev M.V. About the connection of robotics with mechanics, electronics and programming, as well as about interdisciplinary communications / M.V. Lazarev // Bulletin of Tomsk State Pedagogical University. - 2013. - No. 11 (139). - P. 132-136.
8. Levashov N.M. Project activities in elementary school with LEGO Education / N.M. Levashov // Elementary school. - 2016. -No. 5. - P. 48.
9. Malinetskiy G.G. Robotics and education: a new look / G.G. Ma-linetskiy, S.N. Sirenko // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. - 2017. - T.87. No. 12. - P. 1101-1109.
10. Merzlyak A.G. Mathematics: Grade 5: a textbook for students of educational organizations / A.G. Merzlyak, V.B. Polonsky, M.S. Yakir // - M .: Ventana-Graf, 2014. - 304 p.
11. Merzlyak A.G. Mathematics: Grade 6: a textbook for students of educational organizations / A.G. Merzlyak, V.B. Polonsky, M.S. Yakir // - M .: Ventana-Graf, 2014. - 304 p.
12. Morev A.V. Formation of technical abilities of students in robotics classes (from work experience) / A.V. Morev // Modern scientist. - 2019. - No. 2. - P. 106-111.
13. Nemirovich EM Physical workshop as one of the means for the formation of research competence of students / E.M. Nemirovich // Bulletin of Moscow State Regional University. Series: Pedagogy. - 2019. - No. 2. - P. 77-82.
14. Savin S.I. motion control methods of walking in-pipe robots / S.I. Savin, L. Yu. Vorochaev // Cloud of Science. - 2018. - T.5. No. 1. - P. 163-195.
15. Tumasheva O.V. Educational business game in the process of teaching mathematics / O.V. Tumasheva, E.V. Abramova // Bulletin of the Orenburg State University. - 2016. - No. 2. - P. 6266.
