Робототехника в образовании как передовая педагогическая технология

Вопросы для обсуждения:

1. Робототехника: понятие и история.
2. Робот как система.
3. Платформы образовательной робототехники.
4. Цели и принципы внедрения робототехники в образовательный процесс.
5. Методы обучения, используемые в процессе преподавания робототехники.

Робототехника: понятие и история.

Робототехника является одним из важнейших направлений научно-технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта.

Робототехника – это наука, которая появилась в 60-х годах ХХ века, и в настоящее время представляет большой интерес для образовательного сообщества. В свое время эта наука была только делом экспертов, инженеров и техников, поскольку еще не было много знаний по этой теме или технологии, необходимых для использования ее возможностей. Сегодня технологические достижения в таких областях, как информатика, электроника и механика, делают робототехнику доступной для всех. Существуют даже комплекты, ориентированные исключительно на детей и подростков, которые позволяют создавать роботов с характеристиками аналогичными тем, которые были бы созданы в технологической лаборатории, но более простым способом и с образовательными целями.

Образовательная робототехника – это инструмент, закладывающий прочные основы системного мышления, интеграция информатики, математики, физики, черчения, технологии, естественных наук с развитием инженерного творчества. Занятия робототехникой дают хороший задел на будущее, вызывают у ребят интерес к научно-техническому творчеству, заметно способствуют целенаправленному выбору профессии инженерной направленности.

В настоящее время образовательная робототехника внедряется на базовом уровне образования во многих странах по всему миру. Она позволяет обучающимся использовать свои знания в новой и интересной форме, используя технологию, способствующую усвоению знаний и внедряя новые концепции, которые будут дополнять и облегчать их обучение.

Рассмотрим основные понятия этого нового образовательного направления.

Робот – машина, которую можно обучить, т.е. подобно компьютеру запрограммировать (задать ему набор действий, которые он должен выполнять) делать разнообразные виды движений, реагировать на изменения в окружающем мире и выполнять множество видов работ и заданий.

Машины, которые выполняют только одну работу и не могут быть переобучены, настоящими роботами не являются, их называют автоматами (примером служат микроволновые печи, стиральные машины и т.д.).

Действиями робота всегда управляет микропроцессор, который запрограммирован в соответствии с заданием. Робота всегда можно перепрограммировать на выполнение нового задания. Он точно следует инструкциям, т.е. выполняет операции по заложенной в него программе.

Таким образом, робот – это автоматическое устройство для осуществления производственных и других операций по определенной программе (алгоритму).

Слово «робототехника», точнее английское «robotics», было впервые использовано писателем Айзеком Азимовым в научно-фантастическом рассказе «Лжец», опубликованном в 1941 году. Им же в рассказе «Хоровод»  были сформулированы три закона робототехники – обязательные правила поведения для роботов:

1. Роботу запрещается причинять вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был нанесен вред.

2. Робот обязан повиноваться приказам людей, за исключением тех случаев, когда приказы противоречат первому закону робототехники.

3. Робот должен защищать свою жизнь до тех пор, пока такая защита не вступает в противоречие с первым и вторым законами.

Три правила, сформулированные Айзеком Азимовым, – это базовые правила робототехники. Важно отметить, что использование только этих трех правил не позволяет эффективно заниматься робототехникой – областью техники, связанной с разработкой и применением роботов и компьютерных систем управления ими.

Существует много типов робототехнических устройств, в том числе роботы-манипуляторы, мобильные роботы, шагающие роботы, средства помощи инвалидам, телеуправляемые и миниатюрные роботы.

Таким образом, робототехника – это прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных систем. Робототехника опирается на такие дисциплины, как механика, физика, электроника, математика и информатика и другие.

Образовательная робототехника – это новое междисциплинарное направление обучения школьников, интегрирующее знания о физике, мехатронике, технологии, математике, кибернетике и информационно-коммуникационных технологиях, позволяющее вовлечь в процесс инновационного научно-технического творчества обучающихся разного возраста.

Образовательная робототехника направлена на популяризацию научно-технического творчества и повышение престижа инженерных профессий среди молодежи, развитие у детей и подростков навыков практического решения актуальных инженерно-технических задач и работы с техникой.

Образовательная робототехника позволяет:

• сформировать у обучающихся базовые представления в сфере инженерной культуры;
• развивать интерес обучающихся к естественным и точным областям науки;
• развивать нестандартное мышление, а также поисковые навыки в решении прикладных задач.

Цель обучения робототехнике заключается не только в том, чтобы адаптировать обучающихся к современным производственным процессам, но и в гораздо более практическом развитии моторных, социальных и командных навыков, укрепляя знания в других науках.

Прикладная наука, занимающаяся созданием и использованием роботов, всевозможных систем автоматизации, которая возникла как результат слияния кибернетики и механики, имеет гораздо более долгую историю, чем может показаться.

На самом деле развитие робототехники началось еще до нашей эры, когда Архит Тарентский в IV веке до н.э. задумал создание первого в истории человечества робота – механической птицы из дерева, которую предполагалось приводить в движение паровой тягой для подъема до 200 метров ввысь.

Первый человекоподобный робот сконструирован Леонардо да Винчи в 1495 году. Это был рыцарь, способный шевелить руками и вращать головой. В наше время ученым удалось создать реплику конструкции по эскизным чертежам.

Но гораздо дальше всемирного гения продвинулся в XVIII веке механических дел мастер Жак де Вокансон, создавший уникальную утку, позже названную в его честь, а также играющего на флейте андроида, в числе умений которого было проигрывание 11 мелодий.

Исторически развитие робототехники именно в ХХ веке стало происходить ускоренными темпами ввиду всеобщего научно-технического прогресса.

Непосредственно история развития робототехники берет свое начало в 60-х годах ХХ века, когда на производстве General Motors впервые начали использоваться промышленные роботизированные манипуляторы от компании Unimation.

В начале 1970-х годов был создан первый мультифункциональный подвижный робот Shakey, который был способен оценивать и анализировать собственные действия.

Таким образом, робототехника – одно из самых передовых направлений науки и техники. Опыт применения робототехники в разных странах помог выявить множество способов, которыми она поддерживает преподавательскую практику. Она показала себя в качестве инструмента, который усиливает понимание получаемых знаний из-за взаимодействия ученика с материалами.

Робот как система.

Термин «робот» придумал в 1920 году писатель, научный фантаст Карел Чапек. Понятие происходит от чешского слова «robota», что означает «тяжелая монотонная работа» или «каторга». Как уже отмечалось, первым промышленным роботом стал Unimate, выпущенный в 1961 году, – это механическая рука, использовавшаяся корпорацией General Motors при производстве автомобилей. Робот выполнял последовательность действий, которая была записана на магнитный барабан.

Как и в анатомии животных, роботы обладают системами, состоящими из операционных единиц, которые позволяют им двигаться, воспринимать и действовать.

Роботы представляют собой объединение систем, которые образуют единое целое. Каждый функциональный блок выполняет определенную задачу и имеет свой собственный вход и выход. Количество и разнообразие систем, которые составляют роботов, может изменяться в зависимости от их полезности, но в целом можно выделить следующие основные системы:

1) приводная;

2) сенсорная;

3) система обработки.

Приводные системы состоят из механизмов, которые способны выполнять физическую работу. Они также называются приводами, потому что способствуют выполнению действий. Когда они работают вместе, они могут быть классифицированы как агенты, ответственные за выполнение движения, хотя всегда подчиняются блоку управления.

Электрические приводы могут иметь очень небольшие размеры по сравнению с гидравлическими и пневматическими, что квалифицирует их как хороший выбор для разработки сложных подвижных конструкций. Другим преимуществом по сравнению с предыдущими двумя типами приводов является то, что им не нужно дополнительное пространство для хранения жидкости, хотя они используют батареи или какой-либо иной внешний источник питания.

В электрических приводах можно различать две большие группы в зависимости от формы энергии, от которой они питаются: двигатели постоянного тока, двигатели переменного тока и смешанные гибридные двигатели.

В роботах чаще всего используются шаговые двигатели, которые представляют собой особый тип двигателей постоянного тока, которые позволяют поворачивать вал на переделенное количество градусов в зависимости от сигнала управления.

Сенсорные системы представляют собой набор датчиков, которые позволяют роботам получать и воспринимать информацию из окружающей среды, в которой они находятся.

Датчики – это устройства, которые измеряют физические величины, такие как ускорение, расстояние, яркость, звук, температура и т. д. Функции этих систем похожи на чувства живых существ, у которых «датчиками» являются кожа (осязание), глаза (зрение), нос (обоняние), язык (вкус), и слух (звук). Можно оценить разницу между органами (датчиками) и чувствами (сенсорными системами).

Робототехника подвержена развитию датчиков. Без них роботы не смогут получить информацию из среды, и их возможности будут ограничены.

Именно поэтому исследования в области датчиков имеют жизненное значение в мире робототехники, что приводит к изучению новых способов измерения физических величин окружающей среды с большей точностью.

Наиболее важными характеристиками датчиков являются:

1. Рабочий диапазон – нижний и верхний предел работы. При желании большей точности рекомендуется использовать датчики с ограниченным рабочим диапазоном; но если необходимо сделать более общую систему, то лучше использовать датчики с более широким рабочим диапазоном.

2. Точность и разрешение, которые характеризует правильность получаемого значения. Чем более высокое разрешение, тем более высокая точность. Датчики сообщают об электрических импульсах, которые затем декодируются для интерпретации информации. В этом процессе происходит этап калибровки, который будет нести основную ответственность за степень точности измерения.

3. Частота дискретизации характеризуется количеством измерений, которое может быть сделано за единицу времени. Например, в системах, требующих немедленного реагирования на внешние воздействия, важно иметь возможность принимать много измерений в секунду. Например, для робота, который движется со скоростью 5 см/с и должен остановиться за 10 см до препятствия (стены), измерение расстояния каждые 3 секунды может помешать ему достичь цели, поскольку между каждым измерением он проходит 15 см, не зная, сколько сантиметров отделяет его от стены.

4. Вычислительные требования – ресурсы, необходимые для декодирования результатов измерения датчиков. Сам датчик не образует сенсорную систему. Данные, взятые из среды, должны быть обработаны для правильной интерпретации информации. Роботы, как правило, включают небольшие электронные схемы, которые совершают предварительную обработку сигнала. Таким образом, блок управления (мозг робота) получает упрощенную информацию, что облегчает ее обработку.

5. Мощность характеризуется количеством работы, выполняемой за единицу времени. В отличие от приводов, выполняющих работу над окружающей средой, датчики действуют внутри системы на основе величины чувствительности. Как правило, уровни тока и напряжения выходов датчиков малы, но важно учитывать их, чтобы избежать повреждения цепи.

6. Рабочее напряжение и ток – это величины, необходимые для работы датчиков. Одной из проблем в конструировании роботов является энергетическая часть. Мобильные роботы должны иметь возможность заряжать свой источник питания (батареи) и оптимально использовать этот ресурс. Большинство датчиков требуют минимального значения напряжения и тока для обеспечения своей работы (пассивные датчики). Энергоэффективность их не всегда может быть покрыта микроконтроллером, поэтому обычно используются альтернативные источники энергии или производные от первичной. Активные датчики не требуют питания, потому что они преобразуют энергию измеряемой переменной в электрический импульс.

7. Вес и объем – важные особенности для системной интеграции. Очень тяжелые или очень большие датчики могут нарушить равновесие робота или не найти подходящее место для размещения. Для экономии энергии снижение веса всегда важно.

8. Прочность – отказоустойчивость к условиям окружающей среды. Надежность датчиков и сенсорных систем может быть достигнута с помощью аппаратного или программного обеспечения. В первом варианте – это очень специализированная электроника, способная устранять помехи и шумы в измерениях, чтобы получить более чистый сигнал. С другой стороны, с помощью программного обеспечения создаются интеллектуальные системы, способные предсказывать и устранять шумы при интерпретации обработанного сигнала.

9. Чувствительность – изменение выходного сигнала, вызванное изменением входного сигнала. Более чувствительные датчики служат для более тонких измерений с короткими диапазонами работы.

Все сигналы, поступающие от датчиков, должны быть обработаны, чтобы быть полезными.

Сенсорная система просто сообщает о величине измерений, но ничего не делает с полученными данными. Приводы, с другой стороны, не имеют возможности самостоятельно контролировать себя или координировать свои действия – они ждут указания для запуска. Таким образом, обе системы нуждаются в «дирижере», который координирует все действия и взаимодействует с ними – системе обработки.

Эту работу выполняет микроконтроллер, который можно считать мозгом робота. Он отвечает за обработку информации, поступающей от датчиков, и выполнение программ, хранящихся в памяти. Кроме того, с помощью каналов связи он контролирует действия приводов для выполнения желаемых задач.

В сложных роботах может существовать несколько микропроцессоров, контролирующих различные части машины, но все они должны работать совместно для выполнения запланированных задач. Также могут существовать небольшие электрические схемы, которые функционируют как микроконтроллеры специального назначения (не программируемые), обычно используемые для обработки сигналов или для решения простых проблем.

Таким образом, в современном обществе идет внедрение роботов в нашу жизнь и очень многие процессы заменяются роботами. Сферы применения роботов различны: медицина, строительство, геодезия, метеорология и т.д. Большую часть процессов в жизни, человек уже и не мыслит без робототехнических устройств (мобильных роботов): робот для детских и взрослых игрушек, робот – сиделка, робот – нянечка, робота – домработница и т.д.

Платформы образовательной робототехники.

Сегодня существует широкий спектр электронных и программных систем, которые позволяют конструировать и программировать роботов без необходимости иметь передовую научную лабораторию. Многие из них имеют большой дидактический потенциал, потому что они используют совместимую среду программирования, хорошую производительность, достаточные ресурсы и доступные затраты.

Развитие сферы образовательной робототехники во многих странах определило широкую представленность на данном рынке различных мировых производителей робототехнических наборов и их комплектующих. К числу наиболее известных и распространенных их них относятся Lego, HUNA, Fischertechnik, VEX, Tetrix, ТРИК, «Амперка» и др. Существуют и другие менее известные, появляются новые разработки.

Обучение робототехнике проводится с использованием специальных конструкторов, которые содержат детали для сборки и программное обеспечение.

Российской ассоциацией образовательной робототехники предлагается «Диаграмма применения робототехнических конструкторов в зависимости от возраста» (рисунок).

В робототехнике, особенно в области образования, для проведения экспериментальных проверок необходимо наличие мобильных роботов, поскольку моделирование имеет очевидные ограничения, которые не позволяют напрямую экстраполировать их результаты в реальный мир и не включают все переменные, которые включает в себя физический эксперимент. Именно поэтому наибольшее распространение в нашей стране получили робототехнические конструкторы фирмы Lego.

Они представлены для разных возрастных категорий, начиная от дошкольников (Lego Duplo) и до школьников средней ступени (Lego EV3). Данное обстоятельство является очень важным, так как позволяет сохранить преемственность и поэтапность образовательного процесса.

Для обучения робототехнике в начальной школе может использоваться конструктор Lego Education WeDo, состоящий из стандартных деталей Lego, а также набора датчиков и приводов, подключаемых через USB к компьютеру.

В комплекте с данным конструктором поставляется интуитивно понятное и простое программное обеспечение, доступное младшим школьникам. Также, вместе с программным обеспечением поставляется набор заданий, представляющих из себя отдельные проекты с подробной пошаговой инструкцией по их выполнению. Его разработчики утверждают, что он идеально подходит для рассказывания историй, для игрового обучения, которое поощряет сотрудничество и участие детей; в свою очередь, это облегчает понимание нетехнических знаний в таких предметах, как языки, социальные науки.

С помощью базового комплекта обучающиеся могут экспериментировать с созданием своих первых моделей, практиковаться в написании отчетов и делиться друг с другом новыми идеями. Основной набор состоит из мотора и двух датчиков (наклона и движения). Для работы над проектами повышенной сложности необходимо приобретать ресурсный набор со вспомогательными электронными компонентами.

Для обучения робототехнике в средней школе разработан комплект Lego Mindstorms Education, состоящий также из стандартных деталей Lego, а также сенсоров, двигателей и программируемого блока NXT или EV3. Наличие отдельного программируемого блока в сочетании со средой программирования высокого уровня делает набор серьезным инструментом, позволяющим создавать роботов, способных решать достаточно сложные задачи.

Легендарный Mindstorms EV3 появился в 2013 году. Буквально за несколько лет он стал самым популярным робототехническим набором в учебных заведениях.

Базовая версия набора конструктора состоит из элементов, с помощью которых можно создавать простые механизмы. Для тех, кто хочет заниматься большими проектами и участвовать в соревнованиях, разработчики выпустили ресурсный набор, содержащий вспомогательные элементы.

Для обучения робототехнике в старших классах может быть использован конструктор TETRIX, являющийся основным конструктором международных соревнований FIRST Tech Challenge, а также позволяющий собрать модели для участия во Всемирной Олимпиаде Роботов.

Данный конструктор состоит из набора металлических деталей, сенсоров, сервоприводов и программируемого блока Lego Mindstorms. Программирование роботов, созданных из данного набора, осуществляется на языке Robot C. Преимуществом конструктора является возможность использования контроллеров Arduino с незначительной доработкой механической части и программного обеспечения.

Кроме перечисленных платформ, в образовательной робототехнике могут применяться Arduino/Raspberry Pi, HUNA Kicky, HUNA Class, HUNA Top/Arduino, RoboRobo Kids/Kit, Robotis DREAM, Robotis BIOLOID, Vex IQ/EDR, Makeblock, Российский кибернетический конструктор ТРИК и др.

Специалисты, обладающие знаниями в области робототехники, очень востребованы. И вопрос внедрения робототехники в учебный процесс, начиная с начальной школы, актуален. Если ребенок интересуется данной сферой с младшего возраста, он может открыть для себя много интересного.

Таким образом, образовательная робототехника представляет собой новую, актуальную педагогическую технологию, которая находится на стыке перспективных областей знания: механика, электроника, автоматика, конструирование, программирование, схемотехника и технический дизайн.

Внедрение образовательной робототехники и использование технологий в обучении направлено на обеспечение междисциплинарной среды обучения, где обучающиеся приобретают навыки для организации исследований и решения конкретных проблем; развития новых навыков и способностей эффективно реагировать на меняющиеся условия современного мира. Такая среда обучения представляет собой опыт, способствующий развитию творчества и мышления обучающихся.

Цели и принципы внедрения робототехники в образовательный процесс.

Робототехника в образовательной организации – это результативный способ подготовки детей и подростков к современной жизни, наполненной высокими технологиями. Эта необходимость продиктована тем, что наша среда просто изобилует различной высокотехнологичной техникой. Ее знание открывает перед подрастающим поколением массу возможностей и делает дальнейшее развитие технологий более стремительным.

В настоящее время в образовательной практике необходимо учитывать разнообразие ресурсов для получения и обработки информации, которые тем или иным образом конкурируют с личностью и мудростью педагога, направленной больше на организацию и координацию образовательного процесса.

Для этого от педагога требуется гибкость, позволяющая разрабатывать и осуществлять мероприятия, соответствующие этим условиям, а также создавать рабочие учебные группы на основе новых учебных материалов и ресурсов.

Робототехника в образовательной сфере становится предметом изучения сама по себе. Как педагогический ресурс, робототехника определяется как средство стимулирования исследований и имеет следующие цели:

1. Развитие логического мышления. Логическое мышление развивается, когда ребенок выполняет различные специальные функции, такие как классификация, моделирование, объяснение и др.

2. В контексте конструирования – развитие практического интеллекта и творческого мышления.

3. В контексте программирования – формализация процессов действий и обратной связи.

4. Расширение знаний, в частности, вводятся такие понятия, как механика, электричество, физика в целом, математика, прикладная геометрия, и программирование.

5. Усвоение критериев проектирования и оценки конструкций.

6. Оценка себя как конструктора и изобретателя.

7. Понимание и оценка вклада технологий в мире посредством практического и личного опыта.

Решение какой-либо конкретной задачи, связанной с разработкой, проектированием и созданием робототехнических конструкций предполагает интеграцию в одном процессе когнитивных достижений по ряду учебных предметов (информатика, математика, физика, технология и др.). Основными принципами обучения при этом являются:

• наглядность;
• доступность;
• связь теории с практикой;
• систематичность и последовательность;
• прочность закрепления знаний, умений и навыков;
• научность;
• сознательность и активность обучения;
• индивидуальный подход в обучении.

Среди образовательных организаций, предоставляющих образовательные услуги в сфере робототехники, преобладают организации дополнительного образования и на это есть свои причины:

1) во-первых, это направленность образовательной робототехники на развитие инженерно-технического мышления посредством включения обучающихся в робототехническое творчество. Данная направленность более традиционна и развита в системе дополнительного образования;

2) во-вторых, статус образовательной робототехники в современной школе. Только в 2015 году в примерной основной образовательной программе основного общего образования появляется упоминание роботов и робототехники как дидактической единицы содержания основного общего образования. То есть это относительно новое и незнакомое для общеобразовательных школ направление;

3) в-третьих, материально-техническое обеспечение занятий по робототехнике. Робототехнические конструкторы, дополнительное оборудование к ним, различные расходные материалы имеют достаточно высокую стоимость. Организациям дополнительного образования закупить их для оказания образовательных услуг на коммерческой основе проще, чем бюджетным организациям общего образования;

4) четвертая причина тесно взаимосвязана с третьей. Если даже в общеобразовательной организации нашли средства и закупили конструкторы, часто возникает проблема с кадровым и методическим обеспечением данной образовательной деятельности. Кто и как будет (должен) учить? Организациям дополнительного образования решать кадровые вопросы легче, а возможности обеспечения «часами» потенциального специалиста в области образовательной робототехники больше.

Тем не менее, образовательная робототехника развивается и в общеобразовательных школах, особенно во внеурочной деятельности. Применение ее в урочной деятельности общеобразовательных организаций пока не получило широкого развития. Данное направление наиболее развито в специализированных школах, лицеях, гимназиях, как правило, реализующих инженерно-технологический профиль подготовки. Ученики вовлечены в образовательный процесс благодаря созданию моделей роботов, проектированию и программированию робототехнических устройств и участвуют в робототехнических соревнованиях, конкурсах, олимпиадах и конференциях.

С одной стороны, наибольший накопленный опыт в данном направлении имеют школы, открывшие классы инженерно-технологической направленности. С другой стороны, сегодня существуют примеры внедрения робототехники в начальной школе и даже на уровне дошкольного образования.

Т.Т. Газизов, О.С. Нетесова и А.Н. Стась предлагают внедрять робототехнику в образовательный процесс в формате элективного курса.

С. А. Филиппов предлагает ввести курс основ робототехники для обучающихся 5-7 классов в рамках предмета «Технология». Уроки технологии, имеющие в своей основе деятельностную компоненту, могут быть построены через планирование, проектирование, сборку и испытание различных моделей роботов. По сути,сборка представляет собой тоже ручной труд, конструирование.

По мнению В.В. Тарапаты, предметная область «Технология» в современном понимании должна стать проекцией естественнонаучного, математического и информационного образования; формировать у обучающихся практические навыки в непосредственном единстве с изучением учебных предметов естественнонаучного цикла. Также он считает, что робототехника может составлять до 50% урочного времени предмета «Технология».

Широкое распространение получил вариант реализации робототехники (в том числе проектной деятельности) за счет часов на внеурочную деятельность, что целесообразно по следующим причинам:

1) не всегда можно осуществить сотрудничество между общеобразовательной организацией и центром дополнительного образования, выгодное для обеих сторон;

2) довольно сложно ввести интегрированный курс, объединяющий в логическом и хронологическом порядке учебные темы по технологии, информатике, физике и математике, потому что для этого нужны точные и общепринятые методические разработки.

Для общеобразовательной организации в долгосрочной перспективе гораздо выгоднее будет иметь собственную материально-техническую базу (конструкторы, программное обеспечение и другое оборудование) и собственного педагога, чем сотрудничать с центрами дополнительного образования на платной договорной основе. Причем образовательный курс робототехники целесообразно сделать именно внеурочным, а не общеобязательным, но как интерактивное средство обучения робототехника может применяться в рамках общеобразовательных учебных дисциплин.

Таким образом, главная задача системы образования – заложить основы информационной компетентности личности. Для эффективного формирования информационной компетентности с применением робототехники нужна система учебных задач, базирующихся на применении определенных методов обучения.

Методы обучения, используемые в процессе преподавания робототехники.

В современных технологических условиях процесс обучения требует методологической адаптации с учетом новых ресурсов и их специфических особенностей. Это предполагает изменение традиционной педагогической модели, единственными источниками информации которой являются учебник и педагог.

Целесообразными методами, используемыми в процессе реализации курса по конструированию и программированию роботов, являются метод проектов, метод портфолио, метод взаимообучения, модульный метод, метод проблемного обучения и групповой метод.

Е. С. Полат трактует метод проектов как способ достижения дидактической цели через детальную разработку проблемы, которая должна завершиться вполне реальным, осязаемым, практическим результатом, оформленным тем или иным образом.

Использование метода проектов позволяет развивать познавательные и творческие навыки обучающихся при разработке конструкций роботов по заданным функциональным особенностям для решения каких-либо социальных и технических задач. Самостоятельная работа над техническим проектом дисциплинирует ребят, заставляет мыслить критически и дает возможность каждому определить свою роль в команде.

Работа над проектом разработки модели робота предполагает два взаимосвязанных направления: конструирование и программирование, таким образом, обучающийся имеет возможность самостоятельного выбора сферы деятельности.

Помимо своей практической направленности на конкретный результат метод проектов обладает признаками научности в исследовательской деятельности обучающихся. Опытное экспериментирование дает возможность им понять, как ученые создают новые знания. Педагоги также должны быть новаторами, поскольку они передают обучающимся современные научные знания, а также обучают их самостоятельно «производить знания».

По мнению И. А. Фатеевой, создание портфолио достаточно важно в процессе обучения, так как во время его разработки обучающийсяосмысливает свои достижения, осознает возможности и формирует собственное отношение к получившимся результатам.

Метод портфолио предполагает формирование структурированной папки, в которую помещают уже завершенные и специально оформленные работы. Они позволяют отразить образовательную биографию и уровень достижений ученика или группы обучающихся.

Этот метод помогает при формировании докладов на конференции школьников, при разработке модели робота для выступления на соревнованиях различного уровня, при разработке плана на учебный период и т. д.

Метод взаимообучения своими истоками уходит в коллективный способ обучения. По мнению В. К. Дьяченко, обучение есть общение обучающих и обучаемых. Вид общения определяет и организационную форму обучения. Исторический анализ показывает, что развитие способов обучения основывалось на применении различных видов общения.

На занятиях элективного курса по конструированию и программированию роботов метод взаимообучения реализуется учениками самостоятельно, иногда даже без участия учителя. Разобравшись в решении какой-либо конструкторской задачи, обучающиеся с удовольствием делятся своими знаниями с теми, кто испытывает затруднения при решении подобных задач. Таким образом, может сложиться ситуация, в которой обучающиеся обучают самого учителя, что положительно влияет как на самооценку учеников, так и на их отношения с учителем.

П. А. Юцявичене отмечает, что сущность метода модульного обучения состоит в том, что обучающийся самостоятельно может работать с предложенной ему индивидуальной программой, включающей в себя целевой план действий, банк информации и методическое руководство по достижению поставленных дидактических целей.

В основе инвариантных программ, являющихся важным компонентом модульного обучения, лежат модули, представляющие собой профессионально значимые действия (учебные элементы).

Достоинством модульной системы является гибкость, вариативность, возможность ее адаптации к изменяющимся условиям.

Целесообразно содержание элективного курса по конструированию и программированию роботов разбить на следующие модули:

1) основы конструирования;

2) программирование;

3) решение прикладных задач.

Формирование структуры модулей может иметь циклический характер – тематика модулей повторяется через короткие (от недели до двух месяцев) или длинные (в пределах учебного года) промежутки времени. В темах конструирования и программирования одного временного периода удобно рассматривать задачи единых проектов, чтобы у обучающихся сформировалось целостное представление о реализации той или иной модели робота.

Под проблемным обучением В. Оконь понимает совокупность таких действий, как организация проблемных ситуаций, формулирование проблем, оказание ученикам необходимой помощи в решении проблем, проверка правильности решений и руководство процессом систематизации и закрепления приобретенных знаний.

Метод проблемного обучения основан на создании проблемной мотивации и требует особого конструирования дидактического содержания материала, который должен быть представлен как цепь проблемных ситуаций. Этот метод позволяет активизировать самостоятельную деятельность обучающихся, направленную на разрешение проблемной ситуации, в результате чего происходит творческое овладение знаниями, навыками, умениями и развитие мыслительных способностей. Практически каждую задачу, решаемую в процессе конструирования и программирования роботов, можно представить в качестве проблемной ситуации.

С помощью проблемного обучения обучающиеся могут развивать свое критическое мышление и способность выявлять и характеризовать проблемы, интегрируя знания, полученные из различных областей. В процессе решения проблем, возникающих в проектах, создается осознание собственного обучения.

Таким образом, обучающиеся идут по пути исследований, которые позволят им повысить свои навыки в поиске, управлении и сохранении информации, и вынуждают их планировать стратегии решения проблем, повышать эффективность собственных рассуждений и их творческий уровень.

Для реализации проблемного обучения в образовательном процессе у учителя должны быть подготовлены и продуманы проблемные ситуации, над которыми будут работать обучающиеся. Данные проблемные ситуации должны быть соотнесены с целями, которые обучающиеся должны достигать в процессе деятельности. Необходимо предусмотреть возможность как индивидуальной, так и групповой работы обучающихся, что позволяет обмениваться идеями, выявлять трудности и направления решения проблемы. Время для решения проблемы должно быть ограниченным, с учетом сложности проблемы.

Работа в группе является часто используемым педагогом методом. Она может быть организована как с распределением обязанностей, когда каждый член группы отвечает за выполнение конкретной задачи, а на завершающем этапе все участники объединяются, так и совместной, когда все члены группы одновременно выполняют все необходимые задачи.

Обучение в школе требует совместной работы и сотрудничества. Таким образом обучающиеся развивают свои индивидуальные и групповые навыки. Процессы обсуждения, присущие деятельности, подготавливают членов команды к защите своих идей на основе последовательных аргументов, а также учат принимать идеи других.

Многие исследования показывают, что наибольшую эффективность в работе демонстрируют группы, в которые входят люди с разным типом мышления, нежели с однотипным.

Совместное обучение значительно отличается от теории и практики традиционного обучения в классе и требует другого подхода к работе с детьми. Совместное обучение не включает исключительно задачи, направленные на «производство», где элементы являются конкретными и предсказуемыми результатами, и где достижение «продукта» определяет деятельность. В совместном обучении, хотя навыки могут быть конкретными, не всегда возможно указать их результаты.

На практике в процессе реализации элективного курса по конструированию и программированию роботов наиболее продуктивным является применение совокупности нескольких методов обучения из вышеописанных.

При разработке проектов в области образовательной робототехники можно говорить о формировании у обучающихся основ инженерного проектирования, под которым понимается научно обоснованный вид деятельности человека по решению технических задач, учитывающих потребности общества при реализации результата.

В данном определении инженерного проектирования существенным является несколько факторов:

1) техническая направленность действия, т.е. результатами проектирования являются новые устройства, системы или процессы;

2) решение должно быть научно обоснованным, т.е. требует применения специальных знаний;

3) создается не любое новое, а только то, что приносит обществу определенную пользу, удовлетворяет какие-либо потребности или нужды.

При этом по характеру проектная деятельность должна быть в определенной степени творческой. Инженеры используют инженерное проектирование, чтобы найти творческое решение сложных технических проблем.

Для образовательной робототехники выработан определенный подход к инженерному проектированию, включающий следующие этапы.

1. Определить проблему. Без полного понимания проблемы она не может быть успешно решена. Этот шаг часто делается методически неграмотно или неполно, что приводит в дальнейшем к техническим сбоям или полному отказу в работе созданной конструкции. Важно определить истинную проблему, а не просто симптомы предполагаемой проблемы.

2. Составление технических требований. Каковы технические характеристики будущей конструкции? В технических требованиях определяется набор характеристик, которым должна удовлетворять будущая конструкция. Технические требования, как правило, появляются из проектных ограничений и функциональных требований и объединены в три группы (таблица):

• группа 1 – проектные ограничения;
• группа 2 – ограничения, которые могут быть наложены проектировщиком самостоятельно при составлении технических требований;
• группа 3 – технические требования, базирующиеся на функциональных особенностях робота (они связаны с задачами, которые стоят перед проектировщиками).

3. Ранжирование технических требований. Все определенные в предыдущем шаге технические требования не равнозначны между собой, одни из них более важны для проекта, чем другие.

Проектировщик должен определить, какие из них самые главные и почему. Технические характеристики необходимо распределить по степени их важности. Рекомендуется использовать такую градацию:

1) личные предпочтения (не так важно, но было бы неплохо, если возможно);

2) предпочтительные (важно, но проект можно выполнить и без этого);

3) обязательные (имеют решающее значение для проекта, должны быть включены в задание).

4. Создание концепции и альтернативы. Каждый раз, решая какую-либо проблему, люди думают о различных альтернативных способах ее решения, даже если они делают это подсознательно. Формальное документирование этого интуитивного действия может помочь при решении сложных инженерных задач. Этот шаг в процессе инженерного проектирования включает в себя выяснение того, «как» выполнить «что-то» из технических характеристик. На данном этапе конструкция не должна быть полностью проработана, она должна представлять собой эскиз (набросок), по которому понятно, как это будет реализовано. Это шаг, который требует творческого, креативного подхода к решению проблемы.

5. Прототипирование. На этом шаге выбирается несколько концептуальных решений, и изготавливаются их прототипы. Цель состоит в том, чтобы понять, как решение будет работать в реальной жизни и взаимодействовать с окружающей средой. Именно на этом этапе разработчик определяет, какая концепция будет работать наилучшим образом. Эти прототипы могут быть грубыми и не эстетичными, но достаточно функциональными, чтобы сделать вывод.

6. Выбор концепции. На данном этапе имеется несколько вариантов построения робота для решения поставленной задачи. Далее, основываясь на данных, полученных на этапе прототипирования, необходимо определиться, какая конструкция является «лучшей», и продолжить работать с ней. Это не всегда легкое и очевидное решение. Иногда «лучшее» решение сразу видно. Поэтому необходимо сравнить, насколько каждая из конструкций точнее соответствует техническому заданию, и выбрать наиболее соответствующую.

7. Детальная проработка конструкции. Как только окончательная концепция выбрана, ее нужно реализовать. Цель этого шага – разработка конструкторской документации. На этом этапе создаются CAD модели (например, с помощью систем автоматизированного проектирования: Компас 3D, SolidWorks, SketchUp), сборочные чертежи, спецификации и пр.

Сначала это будет грубая модель конструкции, которая в процессе проекта детализируется. На этом этапе проводятся все необходимые расчеты (прочность материала, вес, стоимость и т.д.).

Некоторые проектировщики могут создавать проект, используя только свой предыдущий опыт и интуицию, не рассчитывая каждую деталь. Но такой подход может сработать для проектов в области образовательной робототехники, но не будет работать при проектировании промышленных роботов.

8. Презентация конструкции и ее утверждение. Завершающий этап в конструировании робота – презентация и утверждение проекта перед его реализацией.

Презентация может проходить в разных формах. Например, в виде собрания группы проектировщиков, где они описывают сделанную работу и пытаются найти какие-либо ошибки. Другая форма – представление конструкции лицу, принимающему решение, для окончательного утверждения.

В образовательной робототехнике проектировщик или группа проектировщиков робота должны представить окончательный вариант дизайна робота для остальной части команды или руководства команды для утверждения проекта.

Команда разработчиков на свою презентацию может пригласить спонсоров, администрацию образовательной организации, членов попечительского совета (это действенный способ получить поддержку, в том числе финансовую).

9. Производство и реализация. После того как проект представлен и одобрен, он должен быть реализован. В образовательной робототехнике – это создание законченного функционального робота. Этот этап может включать покупку компонентов, изготовление деталей, заказ изготовления деталей у подрядчиков, сборку и многое другое, все, что требуется для производства конечного продукта. На этом же этапе робот программируется. Есть множество различных способов создания робота. Если робот создается для соревнований, то каждый конкурс имеет свой регламент, в котором описывается характеристика робота.

10. Тестирование и анализ. Даже наличие факта реализации разработанного решения еще не означает, что работа проектной группы завершена. Реализованное решение должно быть рассмотрено на предмет того, что из задуманного работает как надо, а что нет, и что следует улучшить. Процедура и результаты тестирования должны быть задокументированы. Главное, что должно быть определено на этом этапе – работает ли окончательная версия проекта, как ожидалось, и выполняются ли заявленные технические требования.

Таким образом, использование робототехнического оборудования в процессе обучения детей представляет собой как обучение в процессе игры, так одновременно и техническое творчество. Такое соединение способствует воспитанию активных, увлеченных своим делом, самодостаточных людей нового типа.Существует много технологий, методов и приемов обучения робототехнике, которые доступны педагогам, и это помогает им внедрять инновации в процессе обучения.