Робототехніка в середній школі - практика і перспективи, освітня робототехніка в Алтайському

Школи, завдяки посиленим постачання останніх років, були оснащені сучасними комп'ютерами, мультимедійними проекторами, інтерактивними дошками. Протягом останніх трьох років школи мають постійне підключення до мережі Інтернет. Створюється враження, що дитина, прийшовши в школу, побачить адекватне оточення, відповідне його уявленням про сучасну школу.

Дійсно, дитина може нічого не помітити, однак це може зробити вчитель - в даний час не існує рівноваги - в школі учні отримують знання за допомогою комп'ютера, який виводить на екран красиві фотографії або фільми. Дитина може управляти віртуальними системами за допомогою інтерактивної дошки, досліджувати їх поведінку, отримуючи адекватне уявлення про взаємозв'язки різних елементів цієї системи. За допомогою інтерактивної дошки можна отримати повноцінне уявлення про будь-якому складному понятті - кругообігу води в природі, законі Ома. У разі якщо в пам'яті комп'ютера немає необхідної інформації дитина, або вчитель, можуть швидко знайти її в мережі Інтернет.

Однак всі ці знання віртуальні. Вони приходять зі сторінок підручників або екрана комп'ютера, в який вони потрапляють з мобільних носіїв інформації або по каналах зв'язку. За допомогою інтерактивної дошки дитині при бажанні можна довести що Земля пласка, а швидкість світла миттєва.

Щоб уникнути схоластичности знань предмети природничого циклу використовують демонстраційний експеримент і лабораторні роботи. І тут ми бачимо дисбаланс. Устаткування, які використовується вчителями цих предметів, щоб продемонструвати дітям, як вивчається реальний фізичний світ, і виводяться його закономірності і закони, не є технікою «21 століття». Прилади, що становлять основу шкільного фонду лабораторного обладнання, володіють не тільки високою похибкою, що дозволяє оцінювати результати експерименту швидше якісно, ​​ніж кількісно. Воно ніяк не використовує можливості комп'ютера, який вже стоїть в кабінеті. Комп'ютер допомагає працювати з інформацією, обробляти її, інтерпретувати. Однак ця інформація потрапляє в шкільний комп'ютер в обхід приладів, якими користуються вчитель і учень.

Рішенням цієї проблеми може служити програмно-апаратний комплекси AFS, Vernier, Архімед представляють собою цифрову природничо лабораторію на базі комп'ютерного обладнання, і призначені для проведення демонстраційних навчальних експериментів з фізики, хімії, біології, математики та основ безпеки життєдіяльності. І конструктори Lego Mindstorms NXT. Які дозволяють через заняття робототехнікою познайомити дитину з законами реального світу і особливостями функціонування сприйняття цього світу кібернетичними механізмами.

Устаткування AFS, Vernier і Lego Mindstorms має не тільки загальну концепцію, але сумісність на рівні датчиків і мови програмування. Їх датчики можуть бути встановлені на роботі, а мова програмування робота, LabView, використовується для програмування лабораторного обладнання. Дану особливість можна використовувати для створення системи взаємопов'язаних факультативних занять з фізики, хімії, біології та інформатики, об'єднаних не тільки єдиною технологією, але і загальними, глобальними, цілями -Виявлення і підтримка обдарованих учнів, розвиток їх інтелектуальних, творчих здібностей, підтримка науково-дослідних інтересів.

Остаточним результатом може стати цикл науково-дослідницькій та технічній діяльності охоплює учнів з 1 по 11 клас:

  • 1-2 клас - Лего-творчість (розвиток уваги, кмітливості, пам'яті, дрібної моторики);
  • 3-4 клас - Лего-конструювання (вивчення простих машин - важелі, редуктори; просте програмування);
  • 5-9 клас - Лего-робототехніка (Збірка і програмування роботів, змагання);
  • 8-11 клас - Олімпіадний програмування (Вивчення теорії алгоритмів, математики, класичних мов програмування);
  • 8-11 клас - Змагання роботів (Підготовка і участь в змаганнях, вивчення альтернативних мов програмування роботів);
  • 8-11 клас - Природничо дослідження (Цілеспрямована робота над проблемою має науково-практичне значення, вивчення наукового методу пізнання світу з використанням сучасних лабораторних інструментів і систем обробки даних).

У МОУ Гімназія №42 існують фрагменти даної цілісної системи. Стримуючим фактором є необхідність формувати базовий комплект обладнання, який стане однаковим стандартом у всіх лабораторіях гімназії, значно спрощуючи організацію дослідницької та творчої діяльності учнів.

Неважко помітити, що робототехніка, як факультатив інформатики займає в даній схемі центральне місце. Це логічно - в сучасному світі головним якістю фахівця є здатність працювати з інформацією.

Але є й інша -їх все важче зацікавити такими речами як програмування і конструювання. Причин цього явища багато сучасний світ перевантажений враженнями, подіями, інформацією. І діти просто не встигають зосередитися на чомусь одному на досить тривалий термін. Цікаво все. А математика, програмування вимагають повної зосередженості і дають якийсь результат іноді навіть не через місяці занять, через роки. У тому ж програмуванні дитині важко знайти стимул - здається, що всі програми вже написані, чим здивувати однолітків?

Ще одна проблема - віртуалізація життя дітей. Вони занадто багато часу проводять за комп'ютером і телевізором, розмиваючи в своїй свідомості межу між реальним і вигаданим світом. Закони фізики вони дізнаються з фільмів та ігор.

Як ми вже відзначали, в школі зараз їм пропонують всього лише ще один варіант віртуальності. Потрібно знайти зіткнення з реальним світом. Для інформатики таким «зіткненням» може стати робототехніка.

У початковій школі, 5-7 класах, іноді і в старших, вивчення програмування вводиться з поняття виконавця. Це якийсь робот. У Лого це Черепаха, але відомі й інші виконавці - Робот, Пилосос, Жук, Мураха. Ідея використання виконавця для розвитку алгоритмічного мислення дітей перевірена часом і практикою. Діти із задоволенням командують роботами, змушуючи робити їх все більш і більш складні дії. Вивчаючи в ігровій формі складні алгоритмічні конструкції і пов'язаний з ними теоретичний матеріал.

В основі нашої роботи лежить ідея продовжити методику викладання інформатики, засновану на понятті виконавця, замінивши віртуального робота реальним. Це стало можливим після початку продажів конструктора Lego Mindstorms NXT. Даний конструктор універсальний, з його допомогою можна зібрати десятки конструкцій, але ми зупиняємося на моделі максимально схожою на Черепаху Сеймура Пейперта, що є частиною середовища програмування Лого.

Конструктор може бути використаний на звичайному уроці інформатики. Демонстрація Лего-робота, його конструкції, рух при виконанні програм, на перших уроках вивчення мови програмування Лого дозволяє дітям краще уявити, чим вони будуть займатися на наступних заняттях. Така візуалізація допоможе тим дітям, які відчувають труднощі зі сприйняттям схематичного виконавця, який вони бачать на уроці інформатики.

Однак найбільш цікаві заняття, на яких робот є не допоміжним, а основним засобом навчання. Для зниження ризику від впровадження нового навчального обладнання пропонуємо починати з факультативних занять.

Уже перші уроки робототехніки дадуть учню, і вчителю, розуміння різниці між віртуальним і реальним світом. Наприклад, якщо Черепаху на екрані монітора комп'ютера дати команду «вперед 10», то Черепаха намалює пряму лінію, і пройде рівно 10 кроків. Лего-роботу можна дати таку саму команду. Однак, те, що він проїде по прямій лінії і на вказану відстань вже менш імовірно. Чому? Це вже постановка завдання першого дослідження. Можливо, невдала конструкція робота або впливають зовнішні умови. Чи можна виправити це відхилення програмним методом?

Що таке чорний колір? А білий? Як пояснити роботу, що він повинен їхати до кінця чорної лінії? Це вже не просто програмування, це дослідження.

Потрібно знайти кульку, розташований на лабораторному столі і взяти його в клешні.

Рішення видається не дуже складним - поворот вправо, поки не побачиш перешкода, рух вперед, поки не опинишся на відстані 5 см від перешкоди, розтиснути клешні, рух вперед на 3 см, стиснути клешні.

Таке рішення підказує математика і попередній досвід програмування.

Але теоретичний алгоритм не спрацьовує. Рішення займає до 2-3 уроків, навіть у досить дорослих учнів.

  1. Побачивши перешкоду (кульку) робот не може точно визначити його стан через наявність похибки в показаннях ультразвукового радара.
  2. Встановивши, за допомогою математичної корекції похибки, найбільш ймовірний вектор руху на кульку робот може втратити його з поля зору під час руху вперед. Буде потрібно постійна корекція курсу.
  3. Якщо стиснути клешні робота із зайвою силою кулька просто вислизне з них.

Ми вважаємо, що заняття робототехнікою допоможуть зацікавити дітей інформатикою, технікою, наукою. Програмування робота дозволяє отримати цікавий результат вже на перших заняттях. Навіть невеликі і прості програми змушують робота демонструвати цікаве поведінку, яке можна з гордістю показати своїм однокласникам. Якщо таких стимулів буде недостатньо варто звернути увагу на змагання роботів, які можна проводити всередині школи. Заради перемоги в змаганнях може виникнути стимул вивчити і більш складні теми - такі як логіка, або більш складну мову програмування робота.

Звичайно ж, факультатив робототехніки не приведе до того, що всі діти захочуть стати програмістами і роботостроітелямі, інженерами, дослідниками. В першу чергу заняття розраховані на загальнонаукову підготовку школярів, розвиток їх мислення, логіки, математичних і алгоритмічних здібностей, дослідницьких навичок.

Крім того, учні, які пройшли навчання на факультативних заняттях з робототехніки можуть, при бажанні, продовжити заняття з вчителями природничих предметів, які зможуть використовувати їх знання обладнання та мови програмування LabView для проведення науково-дослідних робіт з використанням найсучасніших засобів збору і обробки даних.