Секция № 7

Педагоги общеобразовательных учреждений

Робототехника как средство развития

инженерного мышления школьников

Учитель информатики

МБОУ «Школа № 27» г. о. Балашиха

За последние годы успехи в робототехнике и автоматизированных системах изменили личную и деловую сферы нашей жизни. Сегодня промышленные, обслуживающие и домашние роботы широко используются в транспорте, в исследованиях Земли и космоса, в хирургии, в военной промышленности, при проведении лабораторных исследований, в сфере безопасности, в массовом производстве промышленных товаров и товаров народного потребления. Роботы играют всё более важную роль в жизни, служа людям и выполняя каждодневные задачи.  В связи с этим значительно увеличился интерес к образовательной робототехнике. Робототехника в образовании — это междисциплинарные занятия, интегрирующие в себе науку, технологию, инженерное дело, математику, основанные на активном обучении учащихся. Робототехника представляет учащимся технологии 21 века, способствует развитию их коммуникативных способностей, развивает навыки взаимодействия, самостоятельности при принятии решений, раскрывает их творческий потенциал.

То есть, акцент делается на внедрение исследовательских и проектных методов, вовлекающих школьников в практическую и научно – исследовательскую деятельность. Исследование занимает центральное место в образовании, это возможность осваивать не суммы готовых знаний, а методы овладения новыми знаниями в условиях стремительного увеличения информации и информационных технологий в современном мире.

До недавнего времени робототехника развивалась, в основном, в качестве внеклассной формы работы. Но возможности роботов этим не ограничиваются, и многое учителя, которые заметили связь робототехники со своим учебным предметом, пытаются использовать их на своих уроках.

В соответствии с требованиями ФГОС основного общего образования, обучающийся должен владеть универсальными учебными действиями, способностью их использовать в учебной, познавательной и социальной практике, уметь самостоятельно планировать и осуществлять учебную деятельность, создавать, применять и преобразовывать знаки и символы, использовать информационно-компьютерные технологии.

Технологии образовательной робототехники способствуют эффективному овладению обучающимися универсальными учебными действиями, так как объединяют разные способы деятельности при решении конкретной задачи. Использование конструкторов значительно повышает мотивацию к изучению отдельных образовательных предметов на ступени основного общего образования, способствует развитию коллективного мышления и самоконтроля.

В связи с этим можно определить следующие педагогические цели использования робототехники в преподавании математики и информатики:

1) демонстрация возможностей робототехники как одного из ключевых направлений научно-технического прогресса;

2) демонстрация роли математики и информатики в проектировании и использовании современной техники;

3) повышение качества образовательной деятельности:

- углубление и расширение предметного знания,

- развитие экспериментальных умений и навыков,

- совершенствование знаний в области программирования,

- формирование умений и навыков в сфере технического проектирования, моделирования и конструирования;

4) развитие у детей мотивации изучения предмета, в том числе познавательного интереса;

5) усиление предпрофильной и профильной подготовки учащихся, их ориентация на профессии инженерно-технического профиля.

Изучение робототехники на уроках информатики позволяет решать задачи, которые стоят перед информатикой, как учебным предметом. А именно, рассмотрение линии алгоритмизация и программирования, исполнители, основы логики и логические основы компьютера.

Lego-робот представляет собой конструктор, который поможет в рамках изучения учебного предмета понять основы робототехники, наглядно реализовать сложные алгоритмы, рассмотреть вопросы, связанные с автоматизацией производственных процессов и процессов управления. Робот рассматривается в рамках концепции исполнителя, которая используется в курсе информатики при изучении программирования. Однако в отличии от множества традиционных учебных исполнителей, которые помогают обучающимся разобраться в довольно сложной теме, Lego-роботы действуют в реальном мире, что не только увеличивает мотивационную составляющую изучаемого материала, но вносит в него исследовательский компонент.

Мы начали знакомиться с основами робототехники, используя конструктор Lego Mindstorms NXT и роботы mOway, в направлениях:

    исследовательского проектирования во внеурочной деятельности; использование роботов Lego и mOway непосредственно на уроках (в частности в 9 классе) при изучении темы: «Основы алгоритмизации и программирования».

Исследовательская деятельность создает благоприятные условия для самообразования и профессиональной ориентации. Активизируя мыслительную деятельность, исследование способствует раскрытию личностных качеств школьников и развитию их эмоциональной сферы.

Используется образная среда программирования, в которой вместо имен команд, операторов и процедур используются картинки. Есть возможность записи и анализа показания датчиков. Создание программы управления роботом при использовании Lego NXT очень похоже на создание блок-схемы. Программист создает схему поведения робота с помощью имеющихся блоков и задает характеристики его поведения. Данная среда наглядна и очень проста в использовании, что позволяет быстро освоить ее учениками с любым уровнем подготовки.

I. На первоначальном этапе учащиеся начинают свою практическую деятельность в изучении робототехники с небольших исследовательских проектов (проект шаблон).

Работа над проектом «по образцу» является подготовкой к более сложным, по своей структуре, проектам. В данной работе учащиеся знакомятся:

    с Lego-конструктором, работая с его основными деталями: балками, шестеренками, датчиками, сервомоторами, блоком NXT; с программным обеспечением, пробуя создавать простейшие программы для своих моделей. Работая в стандартной палитре, на которой расположены наиболее часто используемые блоки (блок движения, блок аудио, блок отображения, блок паузы).

Примером таких проектов является: «Hammer Car», «Segway», «Scorpion» и др. Данные модели представлены непосредственно компанией Lego, что позволяет учащимся пройти первый этап знакомства с Lego - конструктором. Здесь происходит овладение навыками начального технического конструирования, развития мелкой моторики, изучение понятий конструкции и ее основных свойств (жесткости, прочности, устойчивости), навык взаимодействия в группе.

II. Вторым этапом практической деятельности, является проект с элементом исследования. На данном этапе реализуется элемент экспериментально-исследовательская деятельность в области программирования. Примером таких проектов является: «Dog Sled Team», «Puppy», «Mouse Trap» и др. Здесь учащиеся так же конструируют, обращая внимание на особенности соединения деталей, на возможности данной модели, которые в дальнейшем будут реализовываться при программировании. Если на первом этапе они программировали конструктор, используя базовую конструкцию следование, то на данном этапе работают с базовой конструкцией ветвление и цикл. Например, в модели «Dog Sled Team», учащиеся могут исследовать возможность работу блока «движения» и сервоприводов, блок «цикла» и «звука», а так же последовательное и параллельное выполнение этих действий. Таким образом, учащиеся могут проводить экспериментальное исследование, выдвигая свои идеи (гипотезы), которые в течение занятий подтверждаются, либо опровергаются. Данная деятельность позволяет им понимать разницу между виртуальным и реальным исполнителем, а так же формирование исследовательских навыков, например формулировка цели, задачи и гипотезы.

III. Исследовательский проект, является заключительным этапом практической деятельности учащихся. Для реализации данного проекта, учащимся подаются несколько идей (тем) исследования, и они выполняют исследования опираясь на основные этапы :

1. Обозначение темы проекта.

2. Цель и задачи представляемого проекта.

3. Разработка механизма.

4. Составление программы для работы механизма.

5. Тестирование модели, устранение дефектов и неисправностей.

6. Представление проекта.

Примером такого исследовательского проекта, может являться проект «Сортировщик» (см. рис. 3), где учащиеся могут сконструировать данную модель и запрограммировать ее опираясь на предыдущие и новые знания. На данном этапе были изучены дополнительные блоки в полной палитре, такие как математический блок и логический. Роль учителя на данном этапе проявляется в консультации учащихся по конкретным вопросам или затруднениям.

В данный момент мы разрабатываем следующий исследовательский проект «Спирограф», который симулирует рисование сложных повторяющихся геометрических узоров. Сложность состоит в том, чтобы правильно скоординировать работу двух сервомоторов, направляющих рисующее перо. Мы также используем математические и логические блоки в палитре.

Особое внимание в учебном процессе следует уделять изучению раздела «Алгоритмы и элементы программирования». Это объясняется образовательным потенциалом данного раздела в формировании интеллектуальных способностей, качеств мышления, способов деятельности, которые необходимы учащимся для успешной учебной деятельности не только в программировании, но и в других предметах.

К метапредметным результатам освоения программирования относят:

    формирование алгоритмического стиля мышления; умение применять методы программирования к решению задач из других областей знания.

Следует отметить, что программирование является одним из самых сложных разделов информатики. Школьная практика показывает, что по сравнению с другими темами при изучении программирования у учащихся резко снижается успеваемость. Неуспехи учащихся в программировании влекут за собой потерю интереса к информатике как предмету, плохое эмоциональное состояние, интеллектуальную пассивность.

Особенности образовательной робототехники, влияющие на учебную успешность:

    среды управления роботами (Microsoft Robotics Studio, среды предоставляемые с конкретными роботами, например Parallax Boe-Bot, Lego Mindstrorm) поддерживают популярные языки программирования (С#, Visual Basic), которые имеют практическую значимость для будущей профессиональной деятельности; роботехнические конструкторы дают возможность учащимся манипулировать не только виртуальными, но и реальными объектами. Это имеет немаловажное значение для успешного освоения учебного материала учащимися с разными ведущими каналами восприятия. Обработка информации с помощью датчиков и настройка датчиков дают учащимся представление о различных вариантах понимания и восприятия мира живыми системами; виртуальные среды (например, Visual Simulation Environment) позволяют не только управлять запрограммированными роботами, но и непосредственно создавать окружающие предметы. Таким образом, если в классе учащиеся с разными интересами (компьютерная графика, дизайн, программирование), можно объединять их в группы и разделять обязанности – кто-то программирует робота, кто-то создает окружающую среду. Коллективная работа позволяет учащимся получать навыки сотрудничества при разработке проекта, что особенно актуально в настоящее время.

Перечисленные особенности согласуются с положенным в основу образовательных стандартов второго поколения системно-деятельностным подходом, предполагающим переход от:

    изолированного от жизни изучения системы научных понятий, составляющих содержание учебного предмета, к включению содержания обучения в контекст решения учащимися жизненных задач; индивидуальной формы усвоения знаний к признанию решающей роли учебного сотрудничества в достижении целей обучения.

С нашей точки зрения, наиболее эффективным является использование элементов робототехники при изучении учебного материала содержательной линии «Алгоритмы и элементы программирования».

Программирование, во-первых, является объективно сложным предметом, во-вторых, учащиеся слабо мотивированы на изучение программирования. Введение элементов робототехники позволит заинтересовать учащихся, разнообразить учебную деятельность, использовать групповые активные методы обучения.

Далее я представлю краткое описание урока на тему: «Линейные алгоритмы».

Пример 1. Реализация линейного алгоритма при помощи собранной модели Лего робота и программного обеспечения
Lego Mindstorms NXT 2.0.

Учащимся предлагается для знакомства среда программирования NXT-G, в которой с помощью специальных блоков программы можно составлять алгоритмы, выполняемые ЛЕГО - роботом.

Учащимся дается возможность удостовериться в правильности составленных алгоритмов для реального исполнителя: демонстрируется модель заранее запрограммированного робота, который выполняет действие по алгоритму. 

Шаги алгоритма изображаются блоками, которые перемещаются по принципу «перетащи и брось» на рабочую область.

Пример 2. Реализация линейного и циклического алгоритмов при помощи роботов mOway.

Например, робот будет выполнять алгоритмы движения по траектории  правильных фигур.

Что такое робот mOway?

mOway - это маленький программируемый автономный робот.

Робот mOway оснащен рядом датчиков, с помощью которых он ориентируется в окружающей среде; наличие двигателя позволяет перемещаться по полу. Все эти периферийные устройства соединены с микроконтроллером, который управляет действиями робота.                                 1. Датчики линии

2. Датчики препятствий

3. Световой датчик

4. Разъем расширения

5. Светодиоды

6. Динамик

7. Микрофон

8. Акселерометр

Построение алгоритмов для формального исполнителя. Программируется робот через среду Scratch. Scratch — это полноценный визуальный фреймворк, построен по принципу конструктора : сначала нужно изучить, какие «блоки» из каких «меню» выполняют нужные функции, а затем можно комбинировать их в необходимой последовательности.
Такой принцип «конструктора» очень нагляден.

СКИ робота mOway.

Упражнение 1. Передвижение с помощью радиоуправления

Каждый раз, когда мы нажимаем клавиши направления на клавиатуре, Scratch передает команду движения роботу mOway. Например, стрелка «вверх» означает команду «вперед», получив которую робот продвигается вперед. Стрелка «вниз» означает остановку робота. По аналогии стрелки «вправо» и «влево» означают поворот робота на 90є в соответствующую сторону.

Задание для самостоятельной работы: С помощью клавиш управления курсором, продемонстрируйте движения робота по траектории квадрата используя web-камеру.

Упражнение 2. Автоматизация

Запрограммировать робота таким образом, чтобы траекторией его движения стал квадрат в автоматическом режиме.

Для этого с помощью блока “передать ” в секции контроля “Контроль” роботу передаются следующие команды:

Робот движется вперед в течение 2 секунд, затем поворачивает на 90є направо.

Задание для самостоятельной работы: Повторением этих команд дорисовать квадрат, добавляя паузу в 1 секунду после каждого поворота для того, чтобы у робота хватило времени повернуть на 90є.

Если все учащиеся запрограммируют робот, используя линейный алгоритм, учитель должен попросить упростить запись алгоритма, используя блок "повторить", таким образом,  получив циклический алгоритм.

Упражнение 3. Математический блок. Углы правильных многоугольников

Меру внутренних углов правильных многоугольников можно найти по формуле        , где п — это количество сторон.

Например, для правильного треугольника внутренний угол равен 

Для нахождения угла поворота робота (внешний угол правильного многоугольника) используй формулу: . Для треугольника:

Упражнение 5. Исследование

Задание для самостоятельной работы: Рассчитать углы поворота робота для построения правильных двенадцати угольника, двадцати четырех угольника, сорока восьми угольника. Запрограммировать робот. Произвести демонстрацию. Исследовать траекторию движения робота. Сделать вывод.

Особенность предлагаемого подхода изучения робототехники в том, что он может быть реализован в рамках существующих учебных планов. Далее, после знакомства с основами робототехники школьники могут выбрать элективный курс по данному направлению для более глубокого изучения.

Робототехника является интересной для учащихся с точки зрения новизны, актуальности содержания, способствует развитию алгоритмического мышления, умению применять свои навыки для решения проблем реального мира. Использование элементов робототехники при обучении программированию способствует повышению уровня мотивации учащихся к предмету, более легкому пониманию принципов действия алгоритмических конструкций, содействует развитию умений самостоятельно и творчески думать.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!