Анализ результативности применения образовательной робототехники в процессе формирования умения решать конструкторско-технологические задачи у младших школьников

уделяется вопросам импортозамещения. Для развития промышленности и экономики необходимо вносить изменения в систему обучения будущих кадров, готовых работать в современных, изменяющихся условиях и уметь решать сложные задачи оперативно и результативно. В контексте данных запросов общества особое внимание сегодня уделяется вопросам технологической подготовки обучающихся, направлению, предполагающему освоение особенностей конструкторско-технологической, инновационной деятельности. В работах Д.Ю. Чупина отмечается, что включение современных ИКТ-средств в учебный процесс на ранних этапах обучения позволяет усложнять содержание, распределять учебные задания на разноуровневую подготовку и возможности обучающихся в старших классах и решать вопросы ранней профориентации актуальным профессиям. Таким образом, обучающиеся получают возможность переходить от уровня обычного пользователя к уровню разработчиков, создателей различных продуктов, крайне необходимых для экономического развития страны в XXI в. (Чупин, 2017; Чупин, 2018). Технологическое образование активно расширяется в реализации и охватывает урочную, внеурочную деятельность, а также дополнительное образование. Создание новых центров детского творчества и развития технической направленности по всей стране призвано решать вопросы государственной политики в обеспечении импортозамещения и конкурентоспособности страны на мировой экономической арене и научно-технологической политики. В последние годы технологическое образование является приоритетом образовательной и научно-технической политики страны. В контексте возникающих проблем и приоритетных задач государства следует подчеркнуть необходимость формирования у обучающихся конструкторско-технологических умений уже с начальной школы. Важную роль в решении проблем раннего технологического образования обучающихся, формировании компонентов технологической грамотности играет предметная область «Технология». По мнению В.В. Тарапаты, «предметная область “Технология” в современном понимании должна стать проекцией естественно-научного, математического и информационного образования; формировать у учащихся практические навыки в непосредственном единстве с изучением учебных предметов естественно-научного цикла». Также он считает, что робототехника может составлять до 50 % урочного времени предмета «Технология»1. На сегодняшний день образовательная область «Технология» является мощным механизмом интеграции, позволяющим синтезировать абсолютно все области знания обучающегося в учебном процессе, включая проектнопоисковые и практические виды деятельности, раскрывая способы их применения в различных областях практической деятельности человека и обеспечивая прагматическую (прикладную) направленность общего образования (Волкова, 2005).

Одними из приоритетных результатов освоения предметной области «Технология» определяются следующие:

• знакомство с жизненным циклом продукта и методами проектирования, решения изобретательских задач ;

• овладение опытом конструирования и проектирования ;

• базовые навыки применения основных видов ручного инструмента как ресурса для решения технологических задач , в том числе в быту;

умение использовать технологии программирования, обработки и анализа больших массивов данных и машинного обучения и др.²

Следует отметить, что почти во всех задачах уделяется внимание формированию умений решать те или иные виды задач в ходе конкретного вида деятельности, конструкторско-технологической деятельности .

В работах зарубежных исследователей отмечается необходимость развития дизайнерского и конструкторского мышления у младших школьников через изучение всех основных дисциплин начального звена (Aflatoony, Wakkary, 2015; Beneke, Michaelene, 2009; Vande Zande et al., 2015). Авторы полагают, что именно данные виды мышления позволяют обучающемуся успешно выполнять все виды задач, с которыми он сталкивается вне зависимости от того, относится дисциплина к техническим видам или нет. Развитие данных видов мышления возможно только в случае погружения обучающегося в творческую проектную деятельность, также авторы отмечают необходимость постоянного обучения педагогов работе с современными технологиями и особенностями их применения в учебном процессе.

Проанализировав точки зрения учченых, мы приходим к выводу, что решение данных и других задач возможно только в том случае, когда реализация технологического образования носит комплексный характер: созданы необходимые условия для обучающихся (современные образовательные среды, включающие новые средства обучения), методически подготовленные педагоги и выстроенная взаимосвязь между урочной и внеурочной программной составляющей.

Г.С. Альтшуллер, говоря о сущности технологической задачи, отмечает, что в процессе их решения необходимо акцентировать внимание на анализе основных технологических параметров будущего изделия: учете внутренних и внешних особенностей объекта, и на основе этих данных проектировании последовательности действий и способов его эксплуатации (Альтшуллер, 1979). Раскрывая сущность конструкторской задачи, следует обратится к определению, данному З.С. Сазоновой. Под этим видом задач она подразумевает умственный процесс экспериментального подбора деталей конструкции с учетом составных частей механизмов, соединений, передач на примере знакомых и доступных для понимания обучающихся конструкций или объектов действительности (Сазонова, 2010).

Таким образом, можно предположить, что конструкторско-технологическая задача – это система заданий, поставленных и решаемых в учебной деятельности с целью конструирования моделей технических устройств через последовательность шагов и этапов, приводящих к получению запланированного результата. Решение конструкторско-технологических задач включает составление технической документации – эскизов, технических рисунков, чертежей или схем, и на их основе получение готового продукта из соответствующих материалов в рамках конструкторско-технологической деятельности (Абрамовских, Асланова, 2020). Одним из современных средств обучения, позволяющих включать задания технического характера с возможностью решения разных видов конструкторско-технологических задач, кейсов и ситуаций, является образовательная робототехника, которая на сегодняшний день считается одним из самых востребованных направлений дополнительного образования. Так, Т.В. Никитина подчеркивает потенциал внедрения робототехники в образовательную деятельность: «…Посредством включения робототехнических решений, доступных для реализации в образовательном учреждении, в такие предметы, как математика, информатика, физика, биология, экология, химия, удается развивать познавательный интерес и мотивацию к учению и выбору инженерных специальностей... развить творческий потенциал подростков и юношества в процессе конструирования и программирования роботов… 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.)»1. Обучение с применением средств образовательной робототехники позволяет обучающемуся решать конкретные, проблемные ситуации, возникающие в ходе выполнения различных практических работ. Основополагающим таких действий, безусловно, является его теоретическая база, которая подтверждает многодисциплинарность данной технологии, поскольку включает в себя знания из многих других областей наук.

Таким образом, формирование у обучающихся младшего школьного возраста умения решать конструкторско-технологические задачи – это не только составляющая успешной конструкторско-технологической деятельности, но и глобальная задача, ведущая за собой формирование высокоинтеллектуальной, конкурентоспособной личности, так необходимой для современной экономики и промышленности.

Представленные теоретические положения об особенностях формирования умения решать конструкторско-технологические задачи у младших школьников легли в основу разработки курса внеурочной деятельности по образовательной робототехнике для обучающихся начальных классов «Модулируем мир: робототехника». Программа носит технический характер, разделена на 3 года обучения (2–4 класс, 170 ч.) и предполагает модульное деление. Занятия проводились 1 раз в неделю (во 2 классе – 34 ч.) и 2 раза в неделю (в 3–4 классе – 68 ч.) по 40 мин. Основными конструкторами для работы служили LEGO WeDo 2.0, VEX IQ. Экспериментальная работа по апробации данного курса проводилась на базе МБОУ «Гимназия имени Ф.К. Салманова» и МБОУ «СОШ № 19» г. Сургута. Работа состояла из констатирующего, формирующего и контрольного этапов эксперимента. Средний возраст испытуемых на начало эксперимента составлял 7–9 лет. В эксперименте были задействованы ученики начальных классов обеих школ, учителя начальных классов и педагоги дополнительного образования, а также родители обучающихся.

Отличительной особенностью данной программы является ее модульность и направленность образовательного процесса на формирование у обучающихся технологических понятий, умений конструкторско-технологической деятельности, творческих способностей. В результате освоения учебного материала обучающиеся решают конструкторско-технологические задачи, со- здают творческие, социально-значимые модели роботов, учатся презентовать и преобразовывать продукт своей конструкторско-технологической деятельности. Итогом деятельности обучающихся являются робототехнические конструкции, выставки, технические, исследовательские проекты, участия в соревнованиях по робототехнике и, несомненно, опыт, полученный в ходе решения различного вида задач. В каждом модуле предполагается освоение базовых понятий, создаются условия для определения обучающимися замысла модели робота, определение темы, идеи, сверхзадачи, изучение и подбор материала для будущей конструкции, создание плана работы, программирования устройства. Содержание модулей в течение каждого года обучения усложнялось дополнением новых и изменением в содержании основных. Так, основными модулям, которые присутствовали на протяжении всех лет обучения, были «Знакомство с миром робототехники», «Конструирование», «Основы программирования», «Соревновательная робототехника». В 3 и 4 классе к данным модулям были добавлены еще 2: «3D-моделирование» и «Работа с кейсами». Остановимся подробнее на содержании каждого из них.

В первом модуле «Знакомство с миром робототехники» (2 класс – 8 ч.; 3–4 класс – 6 ч.) особое внимание уделяется изучению основных понятий в робототехнике, ее истории, возможностям, достижениям в данной области и подчеркивается необходимость развития этого направления. Такими темами в модуле были «Правила работы с конструктором и электрическими приборами конструктора LEGO WeDo, Vex IQ», «Робототехника в России и в других странах мира», «Современные устройства – роботы?» и т. д. С каждым годом содержание модуля усложняется, и если материал во втором классе носит ознакомительный характер, то в 3 и 4 классах обучающиеся анализируют на основе своего опыта другие идеи, проекты в научно-технической области, оценивают результаты и созданные технологии, предлагают новые идеи в развитии областей применения робототехники, вступают в дискуссии, размышляют и готовятся к технической реализации своих замыслов. Кроме того, здесь мы изучаем разновидности существующих конструкторов, говорим о программном обеспечении, изучаем детали конструктора и их назначение, анализируем схемы к конструкторам и апробируем взаимообратный процесс: создание своих инструкций роботов, выделение этапов работы. Это очень важный модуль, поскольку именно здесь обучающиеся знакомятся с технической составляющей конструкторского процесса: зарождением замысла, его осмыслением, редакцией, выбором материала для работы.

Во втором модуле «Конструирование» (2 класс – 12 ч., 3–4 класс – 26 ч.) происходит апробация замысла и демонстрация полученных знаний об особенностях конструкторов, предлагаемых для работы. Одними из тем модуля были «Мотор и ось», «Работа зубчатых колес», «Снижение скорости, увеличение скорости», «Изготовление мельницы» и т. д. В данном модуле обучающиеся сталкиваются с различного рода проблемными ситуациями, поскольку не всегда запланированная или разработанная схема приводит к идеальному результату. Такая проблемно-поисковая форма работы, в которую погружается младший школьник, позволяет ему отслеживать свои успехи и достижения на протяжении всех основных этапов творческой, конструкторско-технологической деятельности. Групповые и парные формы работы позволяют не только быстро и сплоченно достигать результата, но и объективно оценивать свою деятельности и ее роль в совместной работе. Обучающиеся, погружаясь в конструкторскую деятельность, знакомятся с понятием и компонентами робототехнического механизма, особенностями создания конструкций с механизированными частями, подбором необходимых деталей для конструирования робота со сложным механизмом и привязкой их к работе контроллера, для создания роботов по инструкции и без инструкции с механизированной сложной системой.

Третий модуль «Основы программирования» (2 класс – 10 ч., 3–4 класс – 18 ч.) направлен на знакомство с особенностями программного обеспечения самого конструктора («Создание модели с датчиком наклона», «Сравнение работы двух и более механизмов в одном изделии», «Измерение основных показателей более сложного программирования изделия» и т. д.) и самостоятельное программирование, построение конструкций таким образом, чтобы механизм можно было привести в действие либо через программу, либо через управляемый пульт робота, а также на изучение особенностей программирования в среде RobotC и Lego Wedo.

Четвертый модуль – «Соревновательная робототехника» (2 класс – 4 ч., 3–4 класс – 8 ч.). Обучающиеся знакомятся с направлениями соревновательной робототехники и, выбирая одно из них, работают над созданием разных роботов с учетом всех требований соревнований. Во 2 классе это знакомство с направлениями соревнований, просмотр различных роликов выступающих, обсуждение, знакомство с нормативами соревнований. В следующие годы обучения ученики готовятся к соревнованиям индивидуально или в группах, выбирая направление.

Кроме основных были упомянуты еще 2 очень важных модуля, отсутствующие во 2 классе. Это «3D моделирование», которое предполагает знакомство и работу с виртуальной средой Lego Digital Designer и цифровой платформой Mecabricks.com. Стоит обратить внимание обучающихся на то, что замысел и идею можно реализовать не только в виде описанных этапов, наглядной схемы и реально созданной конструкции, но и в виде модели на 30-макете, что является особенно важным в условиях формирования технологической грамотности младших школьников, поскольку развитие пространственного и алгоритмического мышления является одним из важных результатов, который необходимо сформировать у младших школьников, чему может способствовать работа в таких средах.

Еще одним модулем является «Работа с кейсами», где каждый ученик или команда, в зависимости от содержания кейса, получает индивидуальную кейс-задачу, необходимую для решения. Разбор разных задач позволяет проанализировать и взглянуть на одну и ту же задачу с разных позиций и возможных путей ее решения. В 3-4 классе на изучение данных модулей отводится 8 ч.

В процессе обучения младших школьников большое внимание уделялось планированию последовательных по своей тематике и усложнению занятий, предполагающих построение конкретного конструкторско-технологического изделия, разработке проекта по определенной заданной теме с целью развития умения решать разного типа конструкторско-технологические задачи. Важно, чтобы это были взаимосвязанные и вытекающие друг из друга занятия, а не отдельные мероприятия. Применялись следующие типы конструкторско-технологических задач: моделирование, решение задач на деконструирование, переконструирование и собственно конструирование. Применение конструкторских наборов в процессе формирования умения решать конструкторско-технологические задачи предполагало не просто «шаблонное» конструирование по схеме. Робототехника подразумевает творческую работу с получением новых знаний и опыта как в конструировании, так и в программировании. Поэтому было важно погрузить обучающихся в сравнительную работу, предполагающую выделение конструкторских и технологических особенностей изделия, знакомство с программным обеспечением и создание собственных алгоритмов работы робота, решение возникающих проблем, планирование как индивидуальной, так и групповой работы. Тематика самих занятий была разнообразной и включала знакомство с инженерными профессиями (инженер-строитель, проектировщик, конструктор и т. д.), особенностями их деятельности, с профессиональными инструментами, спецификой построения чертежей, технических паспортов проектов и т. д., знакомство с функциями современных роботов в промышленности, медицине, быту, программированием, 30-моделирование и т. д. Охват большого спектра тем, рассматриваемых в рамках данного курса в течение 3 лет, позволил познакомить обучающихся с решением каждого из видов задач полноценно с поэтапным усложнением, что является особенно важным в процессе успешного формирования данного умения у младших школьников.

Анализ результатов опытно-экспериментальной работы осуществлялся средствами диагностики уровня сформированности у младших школьников умения решать конструкторско-технологические задачи с учетом его структуры, которые представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Критерии, показатели и методики оценки уровня сформированности у младших школьников умения решать конструкторско-технологические задачи

Критерии	Диагностические показатели	Методика оценки
Мотивационноценностный	Уровень проявления заинтересованности в конструкторско-технологической деятельности	Авторская методика «Оценка конструктивной деятельности»
Когнитивный	Знания об особенностях конструкторско-технологической деятельности	Тест механической понятливости Беннета
Операционнотехнологический	Владение навыками и умениями для выстраивания алгоритма проектирования и реализации конструкторско-технологической деятельности	Тест пространственного мышления (И.С. Якиманская, В.Г. Зархин и Х.-М.Х. Кадаяс)
Рефлексивнооценочный	Навык самоконтроля и самооценки выполняемой деятельности	Методика измерения самооценки Дембо - Рубинштейна (вариант, адаптированный для младших школьников)

Умение решать конструкторско-технологические задачи представляет собой единство критериев (мотивационно-ценностного, когнитивного, операционно-технологического, рефлексивнооценочного), а их показатели позволяют выявить уровень его развития. Критерии проявляются на репродуктивном, репродуктивно-поисковом, поисково-творческом уровнях.

Поисково-творческий уровень - высокая заинтересованность и демонстрация знаний в конструкторско-технологической деятельности. Действия носят творческий характер, обучающемуся важно демонстрировать новый продукт, акцентируя внимания на индивидуальных особенностях. Не испытывает затруднений в выстраивании алгоритма проектирования и реализации конструкторско-технологической деятельности, навык самоконтроля выражен ярко, в ходе выполнения заданий контролирует и оценивает действия самостоятельно по заданным критериям. Самостоятельно исправляет допущенные погрешности.

Репродуктивно-поисковый уровень - проявляет интерес к конструкторским заданиям, демонстрирует знания и навыки владения работы с конструктором. Действия носят поисковый, иногда творческий характер. Испытывает затруднения в выстраивании алгоритма проектирования и реализации конструкторско-технологической деятельности, навык самоконтроля выражен на среднем уровне, эпизодично, в ходе выполнения заданий редко обращается за помощью к педагогу.

Репродуктивный уровень - низкое проявление заинтересованности и знаний в конструкторско-технологической деятельности. Действия носят шаблонный характер. Испытывает значимые затруднения в выстраивании алгоритма проектирования и реализации конструкторско-технологической деятельности, навык самоконтроля слабо выражен, в ходе выполнения заданий постоянно нуждается в помощи педагога.

Анализ итоговых результатов, полученных на контрольном этапе эксперимента, позволил сделать вывод о положительной динамике сформированности умения решать конструкторско-технологические задачи у младших школьников, что подробно представлено в таблице 2.

Таблица 2 - Сравнительные результаты уровней сформированности умения решать конструкторско-технологические задачи у младших школьников на констатирующем и контрольном этапах эксперимента, %

Уровни сформированности умения решать конструкторско-технологические задачи	Констатирующий эксперимент	Контрольный эксперимент	Результаты статистического анализа динамики показателей
Экспериментальная группа
Репродуктивный	64,75 (35)	35,2 (19)	2,359 **
Репродуктивно-поисковый	27,75 (15)	29,6 (16)	0,111 *
Поисково-творческий	7,5 (4)	35,2 (19)	2,369 **
Контрольная группа
Репродуктивный	46,44 (27)	43,0 (25)	0,248 *
Репродуктивно-поисковый	37,84 (22)	43,0 (25)	0,403 *
Поисково-творческий	15,72 (9)	14,0 (8)	0,115 *

Примечания:" - р < 0,01; * - р < 0,05, где ф *кр. = 1,64 при р < 0,05, ф кр. = 2,31 при р < 0,01.

На констатирующем этапе было принято решение, что для получения более точных результатов эксперимента в качестве экспериментальной группы будет выбрана группа обучающихся с более низкими показателями в уровнях развития.

Обобщая сравнительные результаты в экспериментальной и контрольной группах на констатирующем и контрольном этапах, следует отметить следующее: в экспериментальной группе обучающиеся с репродуктивным уровнем снизились на 29,55 %. Количество обучающихся с показателями поисково-творческого уровня увеличилось на 27,7 %. При этом в меньшей степени рост показателей был выявлен в репродуктивно-поисковом уровне, что говорит о том, что основная часть положительной динамики связана с положительными изменениями в поисково-творческом уровне. Изменения произошли также в контрольной группе, но незначительные. Все показатели изменились в единичных значениях.

Применение критерия ф * - угловое преобразование Фишера - для сравнения изучаемых показателей у обучающихся до и после формирующего этапа эксперимента свидетельствует о статистической достоверности описанных выше выводов. Так, эмпирическое значение критерия превышает критическое при р < 0,01 и позволяет принять альтернативную статистическую гипотезу для показателей репродуктивного и поисково-творческого уровней обучающихся экспериментальной группы (ф *эмп. = 2,359 и ф *эмп. = 2,369 соответственно). Эмпирические же значения критерия для показателей репродуктивного, репродуктивно-поискового и поисково-творческого уровней обучающихся контрольной группы (ф *эмп. = 0,248, ф *эмп. = 0,403, ф *эмп. = 0,115 соответственно) находятся в зоне незначимости и говорят об отсутствии изменения показателей.

Полученные данные позволяют утверждать, что непрерывная и комплексная работа с включением образовательной робототехники во внеурочные занятия должна предполагать знакомство младших школьников с разными видами конструкторско-технологических задач. Формирование умения решать данные задачи возможно в случае, если педагог поэтапно знакомит обучающихся с особенностями конструктора, включает обучающихся в проектно-поисковую деятельность с применением разных видов задач, в том числе творческое конструирование с элементами программирования, и полноценно использует потенциал робототехнических наборов, в том числе и 3О-моделирующие среды.

Вместе с тем результаты диагностического исследования демонстрируют определенный спектр проблем в сформированности как отдельных критериев, так и в целом умения решать конструкторско-технологические задачи у обучающихся как экспериментальной, так и контрольной групп. К таковым относятся низкая мотивация обучающихся к конструкторско-технологической деятельности; применение шаблонных форм работы педагогами, не предполагающими проблемнопоисковую работу; отсутствие индивидуального подхода в процессе разработки заданий; отсутствие комплекса конструкторско-технологических задач разного уровня, предполагающих постепенное усложнение и тем самым овладение новыми навыками; однообразие форм и приемов работы с конструктором, использование неполного потенциала образовательных конструкторов.

Таким образом, следует заключить, что формирование умения решать конструкторско-технологические задачи у младших школьников является одной из проблемных и в то же время очень актуальных задач в работе педагога в рамках современного технологического образования. Полученные результаты подтверждают значимость образовательной робототехники как эффективного средства обучения, позволяющего успешно формировать умение решать конструкторско-технологические задачи у обучающихся начальной школы.