Внедрения робототехники в образовательный процесс: цели, принципы, методы обучения

Вопросы для обсуждения:

1. Цели и принципы внедрения робототехники в образовательный процесс.
2. Методы обучения, используемые в процессе преподавания робототехники.

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, вчастности, 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.