Сборник учебно-методических материалов по образовательной робототехнике / сост. О.С. Нетесова, ТГПУ, 2015. – 108 с.
учебно-методический материал по теме

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ТГПУ)

Сборник
учебно-методических
материалов по образовательной робототехнике

Опыт образовательных учреждений
Томской области

Учебно-методическое пособие

Томск 2016

С 23  Сборник учебно-методических материалов по образовательной    робототехнике: Опыт образовательных учреждений Томской области / сост. О.С. Нетесова. – Томск: Издательство Томского государственного педагогического университета,  2016. – 172 с.

В сборнике представлены методические разработки преподавателей и аспирантов ТГПУ, ТУСУР, школ г. Томска. Работы посвящены актуальным вопросам преподавания образовательной робототехники.

Материалы сборника представляют интерес для преподавателей, учителей, преподавателей дошкольных образовательных учреждений, студентов и аспирантов педагогического профиля.

УДК 74.202.52

ББК 74.200.585.2

Редакционная коллегия:

Червонный М.А. – канд. пед. наук, доцент, директор ЦДФМиЕНО;

Пьяных Е.Г. – канд. пед. наук, доцент, декан ФМФ.

Составитель:

Нетесова О.С. – ст. преподаватель кафедры информатики ФМФ ТГПУ.

Рецензенты:

Макаренко А.Н. – д-р физ-мат. наук, первый проректор;

Газизов Т.Т. – канд. техн. наук, директор института прикладной информатики ТГПУ.

Содержание

К читателю

В настоящее время в российском образовании все более популярной становится образовательная робототехника. Конструкторы нового поколения активно используются в основном и дополнительном образовании. Многими преподавателями образовательная робототехника рассматривается как новая педагогическая технология, цель которой, приобщить учеников и студентов к техническому творчеству, способствовать формированию и развитию навыков конструирования, моделирования и программирования.

Образовательная робототехника – это инструмент интеграции информатики, математики, физики, черчения, технологии, естественных наук с развитием инженерного творчества, закладывающий основы системного мышления. Внедрение технологий образовательной робототехники в учебный процесс способствует формированию познавательных, личностных, регулятивных, коммуникативных универсальных учебных действий, являющихся важной составляющей ФГОС. В условиях востребованности инженерных профессий на рынке труда, занятия робототехникой вызывают у детей интерес к научно-техническому творчеству, способствуют целенаправленному выбору профессии инженерной направленности.

Сборник учебно-методических материалов, который вы держите в руках, - попытка обобщить опыт деятельности системы образования Томской области по внедрению образовательной робототехники. Читателям предлагается познакомиться с теоретическими и прикладными аспектами преподавания образовательной робототехники на разных уровнях образования. Материалы сборника представляют интерес для преподавателей, учителей, преподавателей дошкольных образовательных учреждений, студентов и аспирантов педагогического профиля.

Е.Г. Пьяных, декан физико-математического факультета Томского государственного педагогического университета, кан. пед. наук, доцент

Введение

Е.Г. Пьяных, О.С. Нетесова

Томский государственный педагогический университет

Робототехника — прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем. Она является важнейшей технической основой интенсификации производства. Робототехника опирается на такие дисциплины, как электроника, механика, информатика, а также радиотехника и электротехника. Традиционно выделяют промышленную, бытовую, строительную, авиационную и экстремальную (военную, космическую, подводную) робототехнику. В настоящее время происходит поворот от исследовательского, или промышленного робота, функционирующего в среде, исключающей возможность нахождения в ней человека, к антропоморфным самоуправляемым системам, способным функционировать в непосредственном взаимодействии с человеком. В том числе и это привело к появлению такого направления робототехники, как образовательная робототехника.

Под образовательной робототехникой чаще понимают новую технологию или эффективное средство пропедевтики научно-технических знаний и подготовки современных инженерных кадров. Понятие образовательной робототехники легко отделимо от робототехники промышленной, бытовой и военной. Однако их взаимосвязь носит сложный характер. С одной стороны предметом образовательной робототехники, в отличие от остальных, является учебный процесс, с другой стороны изучение основ моделирования робототехнических систем не возможно без учета достижений в области промышленной, бытовой и военной робототехники.

Четкое определение понятия образовательной робототехники встречается довольно редко. В большинстве научных источников описывается процесс интеграции образовательной робототехники в учебный процесс и ее роль в развитии каких-либо навыков учащихся. Приведем примеры некоторых определений понятия образовательной робототехники.

Так специалисты Тамбовского ОГБОУДО «Центр развития творчества детей и юношества» под образовательной робототехникой понимают направление, в котором осуществляется современный подход к внедрению элементов технического творчества в учебный процесс через объединение конструирования и программирования в одном курсе (Электронный ресурс: Официальный сайт Тамбовского ОГБОУДО «Центра развития творчества детей и юношества» [режим доступа: http://dopobr.68edu.ru/proekty/obrazovatelnaya-robototexnika] 12.06.2015).

Еще одно определение предложено на сайте МАОУ Тогурской СОШ Колпашевского района Томской области: «Общеобразовательная робототехника – это инновационно-образовательный проект развития образования, направленный на внедрение современных научно-практических технологий в учебный процесс. В основе работы заложен принцип «от идеи к воплощению»: современные технологии, соединенные проектной и практико-ориентированной деятельностью с нацеленностью на результат» (Электронный ресурс: Официальный сайт МАОУ Тогурской СОШ Колпашевского района Томской области [режим доступа: http://kolp-tnschool.edu.tomsk.ru/index.php?id=369&Itemid=82&option=com_content&view=article] 12.06.2015).

На наш взгляд наиболее емкое определение понятия образовательной робототехники дал Максим Васильев, президент Российской ассоциации образовательной робототехники и руководитель программы «Робототехника: инженерно-технические кадры инновационной России». Он считает что: «Робототехника – одно из самых передовых направлений науки и техники, а образовательная робототехника – это новое междисциплинарное направление обучения школьников, интегрирующее знания о физике, мехатронике, технологии, математике, кибернетике и ИКТ, и позволяющее вовлечь в процесс инновационного научно-технического творчества учащихся разного возраста. Она направлена на популяризацию научно-технического творчества и повышение престижа инженерных профессий среди молодежи, развитие у молодежи навыков практического решения актуальных инженерно-технических задач и работы с техникой» (Электронный ресурс: Официальный сайт Российская ассоциация образовательной робототехники [режим доступа: http://raor.ru/about/] 12.06.2015).

Опираясь на изученные определения и собственный опыт работы в области образовательной робототехники, приходим к выводу, что образовательная робототехника – это совокупность педагогически адаптированной междисциплинарной системы знаний в области робототехники и учебных средств развития инженерно-технического творчества учащихся.

В мировой системе образования робототехника функционирует уже более 15 лет. Интенсивное развитие образовательной робототехники началось с появления в 1998 г. специализированных робототехнических наборов компании LEGO под названием LEGO Mindstorms с программируемым блоком RCX. В 2006 г. начался выпуск второго поколения LEGO Mindstorms с блоком NXT, а в 2013 г. третьего поколения с блоком EV3. На сегодняшний день в продаже имеется более десятка робототехнических конструкторов различных производителей для различного возраста школьников и студентов. Современные линейки конструкторов HUNO, БРИКС, ЛАРТ, ROBOROBO и многие другие позволяют увеличивать разнообразие курсов, как по возрастным параметрам, так и по содержательным. Более того, намечаются тенденции перехода образовательной робототехники на новый уровень, когда предпочтение отдается не готовым наборам для конструирования, а происходит самостоятельная сборка моделей из различных компонент.

В последние годы заметно возросла активность российских школьников в робототехническом творчестве. Робототехника в отечественном образовании рассматривается как одно из эффективных направлений подготовки молодежи в области технического моделирования и конструирования.

В 2008 году стартовала Программа «Робототехника: инженерно-технические кадры инновационной России», которая нацелена на вовлечение детей и молодежи от 8 до 30 лет в техническое творчество, воспитание инженерной культуры, выявление и продвижение перспективных инженерно-технических кадров. Движущий механизм Программы – система инженерно-технических соревнований, завершающихся Всероссийским робототехническим фестивалем «РобоФест», который одновременно является национальным отборочным этапом для ряда крупнейших международных робототехнических состязаний: FIRST, WRO, ABU ROBOCON, ELROB. Реализация Программы вызвала рост интереса абитуриентов к подготовке по инженерным специальностям.

Программа разработана по трем направлениям:

- общая робототехника (8-17 лет) Задачей этого направления является вовлечение школьников в научно-техническое творчество, повышение общей технической грамотности и ранняя профориентация в системе общего образования;

- профессиональная робототехника (14-30 лет). Данное направление является дополнением к действующей системе профессионального образования в технической сфере и предполагает доступ к передовым технологиям, практикой их применения;

- инновации и предпринимательство (16-30 лет). Здесь организуется содействие в реализации молодежных инновационных и предпринимательских инициатив; обеспечении самозанятости молодежи в сфере высоких технологий, создании бизнесов в сфере высоких технологий.

Образовательная робототехника успешно развивается во многих регионах России. Среди них – Московская область, Санкт-Петербург, Архангельск, Новосибирск, Челябинск, Томск и многие другие.

Проблемы образовательной робототехники обсуждаются на многочисленных семинарах, конференциях и форумах, проходящих в различных регионах Российской Федерации.

История образовательной робототехники в Томском государственном педагогическом университете ведет свой отсчет с 2010 года. Инициативная группа преподавателей кафедр информатики и информационных технологий физико-математического факультета под руководством доцента кафедры информационных технологий Лободы Ю.О. разработала и начала реализацию программы кружковой работы со школьниками в области образовательной робототехники. Занятия проводились на базе наборов LEGO Mindstorms с блоком NXT. Школьники, участвовавшие в работе кружка, неоднократно становились участниками, призерами и победителями соревнований по робототехнике, таких как: соревнования и выставка роботов "РобоROOM-2011"; Зимняя РобоШкола-2012 на базе ОГКОУ «Томский физико-технический лицей»; Межрегиональная научно-практическая конференция школьников «Я изучаю природу»; Всероссийская научно-практическая конференция школьников «Юные дарования»; Всероссийская конференция-конкурс исследовательских работ школьников «Юные исследователи - российской науке и технике» и др.

Позже работа с детьми продолжилась на базе Центра дополнительного физико-математического и естественнонаучного образования ФМФ ТГПУ. Основным координатором работ стала Нетесова О.С., старший преподаватель кафедры информатики ФМФ ТГПУ.

В кружковой работе активно принимают участие не только преподаватели, но и студенты. Интерес студентов к образовательной робототехнике значителен. На физико-математическом факультете разработан и реализуется курс «Образовательная робототехника» в рамках подготовки бакалавров по направлению 09.03.03 Информационные системы и технологии (направленность: Информационные технологии в образовании), в рамках подготовки магистров по направлению 44.04.01 Педагогическое образование (направленность: Информатика в образовании). Разработан и реализуется курс «Организация дополнительного образования детей по робототехнике» для бакалавров по направлению 44.03.05 Педагогическое образование (профиль: Дошкольное образование и дополнительное образование).

Кроме того, в рамках деятельности Центра дополнительного физико-математического и естественнонаучного образования ФМФ ТГПУ ведется работа по реализации курсов повышения квалификации в области образовательной робототехники. За время реализации курсов их слушателями стали учителя школ и преподаватели дошкольных образовательных учреждений г. Томска, Томского района, г. Колпашево, г. Северска, г. Стрежевого и др.

Материалы, наработанные в рамках реализации образовательной робототехники в ТГПУ, легли в основу данного сборника.

В заключении отметим, что образовательная робототехника позволяет решать следующие педагогические задачи:

1. развитие экспериментальных умений и навыков; формирование умений и навыков в сфере технического проектирования, моделирования и конструирования;
2. демонстрация роли физики, информатики в современном мире;
3. расширение и углубление межпредметных знаний;
4. демонстрация современного направления развития инженерных наук, ориентация на профессии инженерного профиля;
5. повышение познавательного интереса, развитие мотивации к изучению предметного содержания.

В процессе изучения образовательной робототехники могут быть использованы следующие формы работы:

1) урочные формы работы;

2) элективные курсы, клубная и кружковая формы работы;

3) исследования, проектная работа, участие в конкурсах, включая дистанционные и сетевые формы.

Описанию наиболее эффективных форм работы в области образовательной робототехники посвящен данный сборник учебно-методических материалов.

Часть I

Теоретические аспекты преподавания образовательной робототехники

Модель реализации курса робототехники для школьников

О.С. Нетесова

Томский государственный педагогический университет

Образовательная робототехника – одно из нововведений дополнительного образования в России, но уже сейчас можно отметить значительную массовость курсов связанных с тематикой робототехники для учащихся разного возраста. Однако, большинство школьников осознанно приступают к изучении основ робототехники в 5-6 классах, поэтому актуальность данной модели очевидна.

Курс робототехники является одним из самых сложных для учащихся, поэтому не все, кто желает его посещать могут достигнуть высоких результатов.  Но, не смотря на различия в способностях, принимать необходимо на курсы всех желающих. Если же спрос превышает предложение, то можно организовать конкурсный отбор. Необходимо так же помнить, что в течение прохождения курса часть ребят отсеется. Это объясняется тем, что избирая курс, учащиеся сотрудничают с руководителем до тех пор, пока это общение вызывает у них интерес и приносит удовлетворение.

При формировании учебных групп удобнее руководствоваться не только возрастными категориями, но и уровнем подготовленности учащихся. Например, составить две группы из учащихся 7-9 классов, разделив их на подготовленных и начинающих. К подготовленным учащимся, можно отнести тех, кто разбирается в механической составляющей конструкции и умеет составлять алгоритм для указанного исполнителя с целью решения поставленной задачи.

Пример тестовых заданий для определения уровня подготовленности учащихся к прохождению курса робототехники может быть таким:

1. В каком возрасте проявился интерес к конструированию?
2. Если расстояние одинаковое, какое колесо сделает больше оборотов большое или маленькое?
3. Вера съела вдвое меньше Светы. Витя съел вдвое меньше, чем Вера. Сколько мороженого съел каждый, если всего они съели 21 порцию мороженого?
4. Мачеха послала Золушку на рынок. Дала ей девять монет: из них 8 настоящих, а одна фальшивая – она легче, чем настоящая. Как найти ее Золушке за два взвешивания?
5. Однажды на лестнице Гарри Потер нашел странный свиток. В нем было записано сто утверждений:

«В этом свитке ровно одно неверное утверждение»

«В этом свитке ровно два неверных утверждения»

«В этом свитке ровно три неверных утверждения»

…………………………………………………………

«В этом свитке ровно сто неверных утверждений»

Есть ли среди этих утверждений верные, и если да, то какие?

134067172. Двое часов начали и закончили бить одновременно. Первые бьют через каждые 2с, вторые - через каждые 3с. Всего было насчитано 13 ударов. Слившиеся удары воспринимаются как один. Сколько времени часы били?

134067240. Как описать правило перехода дороги с помощью слов: ЕСЛИ, ТО и ИНАЧЕ?

134067308. Какие вопросы вызвали затруднение?

Сформированные группы  могут состоять из 8-12 человек, разбитых на пары или тройки. Это связано с особенностью видов деятельности на занятиях и ограничением материальных возможностей (количеством наборов конструкторов).

Одним из целесообразных методов, используемых на занятиях робототехники это метод проектов. Метод проектов – рациональное сочетание теоретических знаний, их практического применения в решении конкретных проблем окружающей действительности. Он позволяет определять цели и последовательность изучения курса индивидуально как для команды, так и для каждого отдельного учащегося.

В рамках метода проектов на занятиях робототехники целесообразно развивать следующие компетентности по Дж. Равену:

1. тенденция к более ясному пониманию ценностей и установок по отношению к конкретной цели;
2. уверенность в себе;
3. адаптивность: отсутствие чувства беспомощности;
4. внимание к проблемам, связанным с достижением поставленных целей;
5. самостоятельность мышления, оригинальность;
6. критическое мышление;
7. готовность решать сложные вопросы;
8. исследование, окружающей среды для выявления ее возможностей и ресурсов (как материальных, так и человеческих);
9. готовность полагаться на субъективные оценки и идти на умеренный риск;
10. готовность использовать новые идеи и инновации для достижения цели;
11. установка на взаимный выигрыш и широта перспектив;
12. настойчивость;
13. оптимальное использование ресурсов;
14. отношение к правилам как указателям желательных способов поведения;
15. способность принимать решения и нести ответственность за них;
16. способность к совместной работе ради достижения цели;
17. способность слушать других людей и принимать во внимание их мнения.

Технические требования для проведения занятий курса: компьютерный класс на 10-12 слушателей, компьютер учителя, не менее 4-х базовых наборов конструкторов LEGO Mindstorms NXT 2.0 или EV3, дополнительные датчики.

Пример учебного плана курса «Робототехника»

Цель:  Изучение основ конструирования и программирования мобильных роботов.

Категория слушателей: учащиеся 6-11 классов средних образовательных учреждений.

Срок обучения:  128 часов на учебный год  

Форма обучения: очная

Режим занятий:   4 час в неделю

Литература:

1. Равен, Дж. Компетентность в современном обществе / Дж. Равен. – Москва: Когито-Центр, 2002. – 396 с.
2. Нетесова О.С. Методические особенности реализации элективного курса по робототехнике на базе комплекта LEGO Mindstorms NXT 2.0 / О.С. Нетесова // Информатика и образование -2013. - № 7. - С. 74-76.
3. Официальный сайт Lego Mindstorms NXT [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://mindstorms.lego.com/ (дата обращения: 21.05.2013).

Модель внедрения элементов робототехники
в образовательный процесс школы

Т.Т. Газизов, О.С. Нетесова, А.Н. Стась

Томский государственный педагогический университет

В настоящее время на рынке труда одними из самых востребованных являются инженерные кадры высокого профессионального уровня, поэтому необходимость популяризации профессии инженера очевидна. Быстро растущая потребность создания роботизированных систем, используемых в экстремальных условиях, на производстве и в быту, предполагает, что даже обычные пользователи должны владеть знаниями в области робототехники. Изучение таких знаний позволит учащимся получить опыт познавательной и творческой деятельности; понять смысл основных научных понятий и законов физики, усвоить взаимосвязи между ними. При этом особая роль отводится школьной робототехнике [1]. В связи с этим нужна новая модель внедрения элементов робототехники в образовательный процесс. Несмотря на явную актуальность этой тематики, в настоящее время наблюдается информационный дефицит у учащихся. Средством восполнения информационного дефицита у учащихся в общеобразовательных учреждениях становятся элективные курсы, которые играют важную роль в профессиональном самоопределении старшеклассников. Подобные курсы связаны с удовлетворением индивидуальных потребностей каждого учащегося, его склонностями и интересами [2]. Именно поэтому эффективность использования элективных курсов при обучении робототехники достаточно велика. Процесс реализации элективного курса может быть реализован разными методами. В данной работе предлагается рассмотреть основные методы и создать на их основе новый комбинированный метод и апробировать его на одном из разделов разработанного элективного курса.

Цель работы – создать новую модель внедрения элементов робототехники в образовательный процесс, отличающуюся от существующих наличием уникального элективного курса и комбинированного метода её реализации, включающего метод проектов, метод портфолио, метод взаимообучения, модульный метод, метод проблемного обучения.

Содержание тем элективного курса по конструированию и программированию роботов зависит от материальной базы. Одной из таких материальных баз может стать комплект конструктора Lego Mindstorms NXT 2.0, в состав которого входят такие основные элементы, как блок NXT, сервомоторы и датчики (два датчика касания, ультразвуковой датчик и датчик цвета/света) [3]. Для расширения комплекта можно использовать ресурсный набор, состоящий из дублирующих и дополнительных деталей. Программное обеспечение для комплектов Lego Mindstorms NXT 2.0 представлено широким спектром сред программирования. В состав самого комплекта уже входит оригинальная графическая среда программирования NXT-G (рис. 1), позволяющая вовлечь в конструирование и программирование роботов даже учащихся начальных классов. Среда программирования Robolab (рис. 2) также может быть использована при работе с учащимися младших классов. А среды программирования RobotC (рис. 3), NXC и LabVIEW (рис. 4) рассчитаны на учащихся от 14 лет и старше [1].

Ниже представлен пример учебного плана элективного курса по конструированию и программированию роботов первого года обучения (автор – ассистент кафедры информатики ФМФ ТГПУ О.С. Нетесова). Цель курса – изучение основ конструирования и программирования роботов на базе комплекта Lego Mindstorms NXT 2.0. Категория слушателей – учащиеся 6–11-х классов средних образовательных учреждений. Срок обучения – 128 ч на учебный год. Форма обучения – очная. Режим занятий 4 ч в неделю. Курс включает 7 разделов:

1. Введение в робототехнику. Понятие робот. Этапы развития робототехники. Классификация робототехнических конструкций. Основные элементы современных конструкций роботов и их функциональное назначение.
2. Знакомство с конструктором LEGO Mindstorms NXT 2.0. Блок NXT и его функции. Динамик. Экран. Датчики (касания, ультразвуковой, цвета/света). Порты подключения и соединительные кабели. Принципы крепления деталей конструктора.
3. Основы конструирования. Ножницы и механический манипулятор. Механическая передача. Редуктор. Сервопривод. Одномоторная и полноприводная тележки. Тележка с изменением передаточного отношения.
4. Дополнительные датчики и возможности их использования в конструкции роботов. Датчик освещенности. Датчик цвета. Датчик звука. Датчик температуры. Датчик угла наклона. Гироскопический датчик и инфракрасное излучение.
5. Автономное программирование. Понятие алгоритма. Понятие программы. Линейный алгоритм. Постусловие и цикличность. Описание блоков автономного алгоритма. Алгоритм движения по кругу, вперед назад, по квадрату и «восьмеркой». Запуск и отладка программы.
6. Программирование в среде NXT-G. Стартовое окно Lego Mindstorms NXT. Интерфейс программы. Главное меню. Панель команд. Настройка параметров команд. Запуск и отладка программы. Ветвление (блок принятия решения). Цикл с параметром. Цикл с постусловием. Цикл и прерывание. Подпрограмма. Работа с переменными. Использование блока «случайное число».
7. Решение прикладных задач. Конкурсы, проводимые в России и за рубежом, и их регламент. Подготовка роботов к соревнованиям: движение по черной линии, движение по инверсной линии, кегельринг, лабиринт, лабиринт с препятствиями, сумо, ступеньки, сортировка. Моделирование, конструирование и программирование роботов по заданным функциональным возможностям.

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

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 [4]. Использование метода проектов позволяет развивать познавательные и творческие навыки учащихся при разработке конструкций роботов по заданным функциональным особенностям для решения каких-либо социальных и технических задач. Самостоятельная работа над техническим проектом дисциплинирует учащихся, заставляет мыслить критически и дает возможность определить учащемуся свою роль в команде. Работа над проектом разработки модели робота предполагает два взаимосвязанных направления: конструирование и программирование, таким образом, учащийся имеет возможность самостоятельного выбора сферы деятельности.

По мнению И.А. Фатеевой, «портфолио» является достаточно важным проектом в процессе обучения, т.к. во время его разработки обучающийся осмысливает свои достижения, осознает возможности и формирует собственное отношение к получившимся результатам [5]. 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 учащихся. 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 [6]. 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, учащиеся с удовольствием делятся своими знаниями с теми, кто испытывает затруднения при решении подобных задач. Таким образом, может сложиться ситуация, в которой учащиеся обучают самого учителя, что положительно влияет как на самооценку учащихся, так и на отношения с учителем.

П.А. Юцявичене отмечает, что сущность метода модульного обучения состоит в том, что обучающийся более самостоятельно может работать с предложенной ему индивидуальной программой, включающей в себя целевой план действий, банк информации и методическое руководство по достижению поставленных дидактических целей [7]. В основе инвариантных программ, являющихся важным компонентом модульного обучения, лежат модули, представляющие собой профессионально значимые действия (учебные элементы). Достоинствами модульной системы являются гибкость, вариативность, возможность ее адаптации к изменяющимся условиям [8]. Таким образом, целесообразно содержание элективного курса по конструированию и программированию роботов разбить на следующие модули: основы конструирования, программирование и решение прикладных задач. Формирование структуры модулей может иметь циклический характер, т.е. повторение тематики модулей через короткие промежутки времени (от недели до 2 мес.) или длинные промежутки времени (в пределах учебного года). В темах конструирования и программирования одного временного периода удобно рассматривать задачи единых проектов, чтобы у учащихся 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 [9]. 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 учащихся, 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 [10]. Активизируя творческое и критическое мышление, учащиеся способны оптимизировать собственное решение задачи.

В результате анализа рассмотренных методов был предложен комбинированный метод, представляющий совокупность нескольких методов обучения. Использование этого метода в учебном процессе для реализации элективного курса конструирования и программирования роботов позволило создать новую модель внедрения элементов робототехники в образовательный процесс. На сегодня данная модель состоит из двух модулей.

Модуль 1: элективный курс (является дополнением к основному курсу и дает возможность углубить знания учащегося в интересном для него направлении).

Модуль 2: комбинированный метод (объединяет преимущества метода проектов, метода портфолио, метода взаимообучения, модульного метода, метода проблемного обучения). В результате использования данной модели были организованы и проведены следующие мероприятия:

1. «Зимняя роботошкола», Томский физико-технический лицей. Целевая аудитория: 3–7-е классы.
2. Элективный курс «Робототехника», Томский физико-технический лицей. Целевая аудитория: 7-е и 8-е классы (две возрастные группы).
3. Курсы повышения квалификации для учителей «Основные концепции образовательной робототехники», Томский государственный педагогический университет. Целевая аудитория: научно-педагогические кадры общего образования г. Северска.
4. «Летняя школа по физике–2013», направление «Робототехника», Центр дополнительного физико-математического и естественнонаучного образования ТГПУ. Целевая аудитория: учащиеся среднего звена общеобразовательных учреждений.

Таким образом, в данной работе рассмотрены особенности преподавания элективного курса «Конструирование и программирование роботов» в общеобразовательной школе. Авторами предложена новая модель внедрения элементов робототехники в образовательный процесс и представлены результаты её использования на примере учебных учреждений Томской области. На сегодня эта модель включает только два модуля, но может быть расширена в будущем дополнительными модулями, например за счет использования технологических карт и индивидуальных образовательных траекторий.

Литература:

1.  Филиппов, С.А. Робототехника для детей и родителей / С.А. Филиппов.  – Санкт-Петебург: Наука, 2011. – С. 263.

2.  Загвязинский, В.И. Теория обучения: Современная интерпретация: учеб. пособие для вузов / В.И. Загвязинский. – 3-е изд., испр. – Москва: Академия, 2006. – С. 192.

3.  Официальный сайт Lego Mindstorms NXT [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://mindstorms.lego.com/ (дата обращения: 24.05.2013).

4.  Современные педагогические и информационные технологии в системе образования: учеб. пособие / Е.С. Полат, М.Ю. Бухаркина. – 3-е изд., стер. – Москва: Академия, 2010. – С. 368.

5.  Фатеева И.А. Метод «портфолио» как приоритетная инновационная технология в образовании: преемственность между средней школой и вузом / И.А. Фатеева, Т.Н. Канатникова // Молодой ученый. – 2012. – №12. – С. 526–528.

6.  Дьяченко, В.К. Сотрудничество в обучении / В.К. Дьяченко. – Москва: Просвещение, 1991. – С. 192.

7. Юцявичене, П.А. Теория и практика модульного обучения / П.А. Юцявичене. – Каунас, 1989. – С. 272.

8. Данильсон, Т.С. Модульно-деятельностный подход в обучении физике / Т.С. Данильсон, Е.А. Румбешта / Т.С.Данильсон // Вестник Том. гос. пед. ун-та. – 2010. – № 10. – С. 35–38.

9. Оконь, В. Основы проблемного обучения / пер. с польск. – Москва: Просвещение, 1968. – С. 208.

10. Технология прямого поиска при решении задач прикладной математики / В.А. Архипов, С.С. Бондарчук, И.Г. Боровской, А.А. Шелупанов // Вычислительные технологии. – 1995. – Т. 4, № 10. – С. 19.

Рабочая программа по внеурочной деятельности
«В мире робототехники» (5-6 класс)

О.С. Нетесова

Томский государственный педагогический университет

Пояснительная записка.

Программа разработана на основе Федерального государственного образовательного стандарта основного общего образования (приказ Мин. обр. и науки РФ от «17» декабря 2010 г. № 1897), Примерных программ внеурочной деятельности (начальное и основное общее образование), с учетом Фундаментального ядра содержания общего образования и Концепции духовно-нравственного развития и воспитания личности гражданина России.

Цель учебной программы: повышение интереса школьников к фундаментальным физико-математическим и естественнонаучным дисциплинам, развитие творческого потенциала, инженерного мышления и авторской позиции ребёнка через разработку и создание собственных  робототехнических конструкций, обучение основам алгоритмизации и программирования с использованием робота Lego Mindstorms NXT.

Задачи учебной программы:

• развивать творческие способности и логическое мышление обучающихся;
• развивать умение выстраивать гипотезу и сопоставлять с полученным результатом;
• развивать умения работать по предложенным инструкциям для сборки моделей;
• развивать умения творчески подходить к решению задачи;
• развивать применение знаний из различных областей знаний;
• содействие в формировании целостного представления о мире, основанного на приобретенных знаниях, умениях и способах деятельности;
• приобретение опыта исследовательской и проектной деятельности в области робототехники, опыта познания и самопознания;
• развивать логическое мышление, пространственное воображение, словарный запас технической направленности и интерес к инженерным робототехническим специальностям;
• воспитывать умение аргументировано доказывать свою точку зрения и навыки работы в команде;
• содействие в формировании устойчивого интереса к техническому творчеству.

Ведущая педагогическая идея, положенная в основу программы заключается в создании необходимых условий для развития возможностей школьников в области технического творчества, моделирования и программирования роботов на базе специального оборудования и проведении предпрофильной подготовки учащихся, выбравших техническое направление.

Образовательная робототехника – одно из нововведений дополнительного образования в России. Изучение курса робототехники позволяет учащимся в увлекательной форме за короткий промежуток времени освоить элементы мехатроники, искусственного интеллекта, алгоритмизации и программирования, а так же развивать творческий потенциал и навыки работы в команде. Учащиеся курса «В мире робототехники» проявляют осознанный интерес к таким общеобразовательным предметам как физика, математика и информатика.

Курс рассчитан на 72 часа. Реализуется в течение учебного года. Занятия проводятся один раз в неделю. Продолжительность каждого занятия – 2 академических часа.

Программа рассчитана на детей 12-13 лет (учащихся 6 классов).

Место проведения занятий: аудитории и лаборатории корпусов № 2 и № 2Б ТГПУ (Центр дополнительного физико-математического и естественнонаучного образования ТГПУ).

Содержание, методы и формы обучения.

Содержание программы подобрано с учетом возрастных особенностей обучающихся и ориентировано, прежде всего, на удовлетворение естественного детского любопытства в процессе познания и желания «пощупать» все своими руками, поэкспериментировать. Поэтому большая часть времени уделяется практической деятельности школьников – конструированию и моделированию механизмов и мобильных роботов на базе  конструктора LEGO Mindstorms NXT 2.0. Основной акцент делается на активные формы обучения (игровая деятельность, беседа, соревнование, творческая лаборатория и т.п.). Практическая работа осуществляется в парах или небольших группах. Реализация программы базируется на принципах развивающего обучения, деятельностного подхода, проблемно-поисковых методах обучения. В процессе обучения активно используются мультимедийные средства обучения, разнообразные средства наглядности, демонстрационное и лабораторное оборудование.

Психолого-педагогические принципы, на основе которых построено содержание программы.

Принцип согласованности требований в части отражения новых ценностных ориентиров образования; направленности на достижение предметных, метапредметных и личностных результатов обучения; выстраивания деятельностной парадигмы обучения; формирования социальных компетенций обучающихся и т.д.

Принцип научности, отражающий тенденции современного научного знания с акцентом на изучении способов получения, анализа и интерпретации информации.

Принцип концептуальности и комплексности, представляющий структурные компоненты Примерных программ как систему функционально связанных между собой элементов.

Принцип последовательности и систематичности, обеспечивающий последовательную (непрерывную) логику разворачивания содержания образования, движение от частного к общему.

Принцип доступности, при котором представление содержания в рамках программы осуществляется с учетом дифференцированного подхода (в том числе уровневой дифференциации) и вариативности системы освоения учебного материала (включая способы деятельности); следования логике от известного к неизвестному, от легкого к трудному и определяется не упрощением материала, подлежащего усвоению, а предоставлением систем поиска и освоения (постижения) нового знания; доступность базируется на организации познавательной деятельности, сообразной зоне ближайшего развития ребенка.

Принцип сознательности и активности, предполагающий определение и отражение условий, способствующих формированию активного отношения обучающихся к поставленным учебным задачам, в т.ч. возможность постановки собственных задач, выход за рамки алгоритма и «учебной заданности».

Принцип связи теории и практики, рассматривающий практику как форму применения теории, а практическую применимость — не только как критерий обученности, но и как инструмент обучения.

Принцип природосообразности, дающий представление о возрасте не только как биологическом, но и как о социальном и культурозависимом феномене.

Ожидаемые результаты обучения по программе внеурочной деятельности «В мире робототехники»:

• повышение интереса обучающихся к техническому творчеству;
• активизация познавательной деятельности обучающихся в робототехники;
• совершенствование представления обучающихся о роботизированных системах и принципах их конструирования;
•  владение терминологией в рамках изученных разделов образовательной робототехники.

Формы подведения итогов работы.

• Тестирование (входное, текущее)
• Зачёты (в форме защиты проектов, участия в соревнованиях, выставках и конкурсах)
• Решение задач на конструирование и программирование роботов на базе конструктора Lego Mindstorms NXT 2.0.

Содержание программы (72 ч.)

Календарно-тематическое планирование

Информационно – методическое обеспечение курса

1. Филиппов, С. А. Робототехника для детей и родителей. / С. А. Филиппов – Санкт-Петербург: Наука, 2011. – С. 263.
2. Официальный сайт Lego Mindstorms NXT [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://mindstorms.lego.com/ - свободный
3. Робототехника. Инженерно-технические кадры инновационной России [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://robosport.ru/ - свободный.

Материально-техническое обеспечение курса

Программа реализуется с использованием мультимедийного оборудования и  конструктора LEGO Mindstorms NXT 2.0.

Адаптивная методика оценки знаний по основам робототехники

О.С. Нетесова

Томский государственный педагогический университет

Современное поколение является свидетелем стремительного развития науки и техники. За последние триста лет человечество прошло путь от простейших паровых машин до мощных атомных электростанций, овладело сверхзвуковыми скоростями полета, поставило себе на службу энергию рек, создало огромные океанские корабли и гигантские землеройные машины, заменяющие труд десятков тысяч землекопов.

Эволюция современного общества и производства вызвала возникновение и развитие нового класса машин – роботов и соответствующего научного направления – робототехники, как прикладной науки, занимающейся разработкой автоматизированных технических систем.

Современный уровень развития робототехники позволяет ставить и решать задачи создания новых устройств, которые освободили бы человека от необходимости следить за производственным процессом и управлять им, т. е. заменили бы собой оператора, диспетчера и т.д.

В настоящее время образовательная робототехника приобретает все большую значимость и актуальность. Обучаемый должен ориентироваться в окружающем мире как сознательный субъект, адекватно воспринимающий появление нового, умеющий ориентироваться в окружающем, постоянно изменяющемся мире, готовый непрерывно учиться.

В ходе освоения знаний по основам робототехники, за счет максимального сближения учебной и познавательной деятельности возрастают познавательные потребности обучающегося. Судить об этом можно на основе наблюдений за динамикой детского отношения к процессу познания и по росту успешности основной учебной деятельности. Занятия направлены не только на то, чтобы расширить кругозор обучающегося, но и развивать его познавательные способности. Включаясь в процесс самостоятельной добычи и обработки новой информации, обучающийся не только приобретает новые знания, но и осваивает механизмы их самостоятельного получения.

Начиная с истоков применения компьютеров в учебном процессе, особое внимание уделялось контролю знаний. Технические средства обучения, а затем и компьютеры в первую очередь использовались именно для проверки знаний учащихся [1]. И до настоящего времени, несмотря на бурное развитие обучающих систем и других форм компьютерного обучения, контролирующие (тестирующие) программы составляют половину имеющихся в сети Интернет программ учебного назначения (универсальные и специализированные обучающие системы, электронные энциклопедии, обучающие игры и т.д.) [1]. Проблемы компьютерного контроля знаний (КЗ) обычно рассматриваются в двух аспектах: методическом и техническом. К методическим аспектам относятся: планирование и организация проведения контроля; определение типов вопросов и отбор заданий для проверки знаний обучаемых; формирование набора вопросов и заданий для опроса; определение критериев оценки выполнения каждого задания и контрольной работы в целом и др. К техническим аспектам относятся: автоматическое формирование набора контрольных заданий на основе выбранного подхода; выбор и использование в системе контроля параметров КЗ; выбор алгоритмов для оценки знаний учащихся. Поэтому вопросы компьютерного КЗ интересуют многих ученых, как педагогов, так и специалистов в области информационных технологий. За последние тридцать лет были изучены различные виды контроля; определены более десяти типов вопросов, их компоненты и метаданные, используемые, как правило, при формировании набора контрольных заданий; разработаны математические методы оценки знаний учащихся  и различные методы проведения контроля [2-4].

Таким образом, необходимо отметить, что существует ряд интересных разработок, посвященных различным аспектам контроля знаний и основанных на современных достижениях науки и компьютерной техники. В то же время, формирование набора заданий для КЗ осуществляется, обычно, случайным образом; иногда учитывая параметры заданий; и лишь в отдельных случаях используется адаптивная выдача контрольных заданий на базе модели обучаемого.

В настоящей статье делается попытка систематизировать и классифицировать применяемые методы проведения контроля и модели оценивания знаний обучаемых на основе модели адаптивного КЗ.

Профессором Л.А. Растригиным было предложено рассматривать процесс обучения как процесс управления сложной системой. Аналогично можно представить и процесс управления адаптивным контролем знаний (рис. 1).

Рис. 1. Модель адаптивного контроля знаний

Блок «Алгоритм контроля» выполняет следующие функции: анализ деятельности обучаемого (проверка правильности его ответов и выполняемых действий); управление процессом контроля знаний на основе выбранного метода; определение результатов контроля, которое обычно сводится к выставлению оценки обучаемому.

База знаний (БЗ) содержит методы и/или модели процесса контроля, а также совокупность знаний предметной области. База данных (БД) включает наборы вопросов и задач, предназначенных для проверки знаний обучаемого и/или данные для формирования заданий. Контрольные задания могут также генерироваться автоматически на основе БЗ. База данных и база знаний совместно с моделью обучаемого образуют репозиторий системы контроля.

Модель обучаемого включает разнообразную информацию об обучаемом: предысторию обучения; результаты текущей работы (тип выполненных заданий, время выполнения заданий, число обращений за помощью и т.д.); личностные психологические характеристики (тип и направленность личности, репрезентативную система, способность к обучению, уровень беспокойства-тревоги, особенности памяти и др.); общий уровень подготовленности и другие [5].

Построитель вопросов и задач используется для формирования и выдачи обучаемому очередного задания (вопроса или задачи). Контроль знаний осуществляется следующим образом: обучаемый выполняет предложенное задание, и результат его работы помещается в модель обучаемого. Блок «Алгоритм контроля» на основе анализа ответа обучаемого, целей контроля Z и используемого метода проведения контроля, учитывая внешние ресурсы R1 (например, возможности системы контроля) и внутренние ресурсы обучаемого R2 (например, время контроля), а также состояние среды Dx, определяет параметры задания, которое должно быть предложено обучаемому. Построитель вопросов и задач, получив от «Алгоритма контроля» данные о параметрах следующего задания, выбирает из БД и/или БЗ необходимую информацию I, формирует текст задания и выдает его обучаемому. В простейшем случае работа этого блока сводится к выбору нужного вопроса или задачи из базы данных. При некоторых видах контроля (например, при текущем КЗ или самопроверке) может быть предусмотрена обратная связь К, которая состоит в выдаче комментария на ответ обучаемого.

Таким образом, для управления адаптивным контролем знаний необходимо наличие: методов и моделей организации (проведения) контроля; моделей определения и оценки знаний, умений и навыков обучаемого по результатам выполнения контрольных заданий [5-6].

Методы проведения контроля и методы оценивания тесно взаимосвязаны. В общем случае любая модель выставления оценки может быть использована при любом методе проведения КЗ, за исключением моделей на основе вероятностных критериев, которые предназначены лишь для частично адаптивных и адаптивных методов организации контроля. С другой стороны, простейшую модель выставления оценки и модель, учитывающую время ответов, целесообразно применять только совместно с неадаптивными методами КЗ. Таким образом, при адаптивном контроле знаний рекомендуется использовать модели на основе вероятностных критериев, алгоритме основанном на вычислении оценок (АВО) или уровней усвоения, а также метод линейно-кусочной аппроксимации.

По нашему мнению, в современные адаптивные системы обучения и контроля знаний следует включать несколько различных методов и моделей, чтобы преподаватель имел возможность выбрать метод проведения контроля и модель выставления оценки, отвечающие целям контроля и наиболее подходящие для отдельного или группы обучаемых.

Общие принципы составления тестов с использованием разветвленного алгоритма адаптивного контроля.

Разработка хорошей системы тестирования это очень трудоемкий процесс, требующий четкой постановки задач пошагового алгоритма, и полного описания требований к элементам теста. Перед началом работы необходимо определиться со структурой теста, а также с типом и видом тестовых заданий. Тест может быть составлен из вопросов закрытого типа с множественным выбором вариантов ответа.

Следующим этапом при разработке системы тестирования становится уточнение разветвленного алгоритма Нормана Кроудера для использования его в условиях адаптивного контроля. Требуется проработка переходов от задания к заданию и определение уровней сложности вопросов, согласно разработанной схеме разветвленного алгоритма тестирования (Рис. 2).

Рис. 2. Схема разветвленного алгоритма тестирования

Третий уровень сложности является средним уровнем. Если в процессе решения был получен правильный ответ, то учащийся переходит к заданиям более высокого уровня — четвертого. Если ученик не справляется с заданием среднего уровня, то переход осуществляется к более простым заданиям, решив которые учащийся вновь возвращается на средний уровень нового блока. Если у учащегося возникают трудности при решении заданий четвертого уровня, то ему дается возможность восполнить пробел в знаниях, решив задание второго уровня. После чего он переходит на третий уровень нового блока. Если трудностей при решении не возникло, то переход осуществляется к более сложному – пятому уровню. В данной схеме разветвленного алгоритма тестирования возможны только такие переходы между уровнями.

Рис. 3. Возможные пути прохождения блока

Количество блоков определяет количество прохождения цикла, состоящего из трёх вопросов, согласно схеме.

При составлении каждого тематического теста определялся тип центрального вопроса, а также прописывались навыки, которые предполагает проверять данный тест.

Следующим шагом является определение параметров изменения уровня сложности заданий, в соответствие с этими параметрами описывалось изменение заданий на каждом уровне.

В процессе разработки системы тестирования с использованием разветвленного алгоритма адаптивного контроля необходимо придерживаться следующих принципов:

1. Тестовые задания должны быть однозначны и жестко формализованы. Формализация дает возможность определить понятия узкого и широкого тестов. Тест называется узким, когда выбран один типовой вопрос, который не меняется от блока заданий к блоку заданий. Широкий тест состоит из разных типов центрального вопроса. Широкие тесты могут составляться из узких.

2. Простота и сложность теста зависят от количества критериев (проверяемых навыков). Простой тест проверяет 1-3 критерия, сложный — более 3 критериев. Первым критерием всегда служит проверка уровня развития понятийного аппарата учащегося. Количество понятий ограничено темой. Каждое понятие должно быть отражено в вопросах, при этом количество вопросов на одно понятие не ограничено. Анализ развития понятийного аппарата учащегося описывается составителем теста. Второй и последующие критерии отвечают развитию навыков практической работы и также ограничиваются темой теста.

3. Параметры изменения уровня сложности определяются разработчиком теста и соответствуют критериям теста. Третий уровень сложности должен отвечать типу центрального вопроса. Данный уровень рассчитан на оценку «удовлетворительно». Оценку «хорошо» учащийся может получить, решая задания четвертого уровня сложности. Для того чтобы получить «отлично» ученику необходимо решать не только задания третьего и четвертого уровней сложности, но и пятого — высшего уровня.

Литература:

1. Brusilovsky, P., Miller P. Web-based testing for distance education / P. Brusilovsky, P. Miller // WebNet'99. ngs of AACE World Conference of the WWW and Internet. – Honolulu. -  HI. – 1999. P. 149 – 154 c.
2. Беспалько, В. П. Слагаемые педагогической технологии / В.П. Беспалько. – Москва: Педагогика, 1989. – С. 192.
3. Зайцева, Л.В. Некоторые аспекты контроля знаний в дистанционном обучении /Л.В. Зайцева // Сборник научных трудов 4-й международной конференции Образование и виртуальность. – 2000. – Харьков – Севастополь: УАДО, 2000. - С. 126-131.
4. Зайцева, Л.В., Прокофьева, Н.О. Проблемы компьютерного контроля знаний / Л.В. Зайцева, Н.О. Прокофьева // Proceedings. IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies (ICALT 2002). 9-12 September 2002. Kazan, Tatrstan, Russia, 2002. – P. 102-106.
5. Зайцева Л.В. Модели и методы адаптации к учащимся в системах компьютерного обучения / Л.В. Зайцева // Educational Technology & Society. – 2003. - Nr. 6(3). – C.204-212.
6. Растригин, Л.А., Эренштейн, М.Х. Адаптивное обучение с моделью обучаемого. /  Л.А. Растригин, М.Х. Эренштейн. -  Рига: Зинатне, 1986. – С. 160.