Использование робототехники при изучении естественнонаучных дисциплин в школе

Переход общества от индустриального к информационному повлек серию изменений, одно из них – использование роботов практически во всех областях человеческой деятельности, в которых человек попытался создать себе автоматического помощника. Анализ прогнозов развития информационного общества подтверждает гипотезу о том, что уже в ближайшем будущем развитие роботов значительно изменит образ жизни человека, требуя от человека нового уровня мышления, проектирования и обслуживания производственных и социально-экономических процессов. По мнению экспертов, в ближайшее время в робототехнике произойдут революционные изменения, и роботы станут общедоступным ресурсом, каковым в настоящее время являются компьютеры и смартфоны. Уже стали привычными домашние роботы, роботы в медицинских учреждениях, поездах и магазинах. Современному человеку приходится программировать бытовых роботов, например, выбирая последовательность действий стиральной машины, мультиварки, микроволновой печи или при записи телепередачи с телевизора. Бесспорно, каждый современный автомобиль оснащен роботизированными системами.

Вопросам включения в содержание образования основ робототехники во всем мире уделяется достаточно много внимания, особенно в аспекте инженерной подготовки молодого поколения, привлечения молодежи к научно-исследовательской и проектной деятельности [2].

Робототехника – прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем и являющаяся важнейшей технической основой роста производства [6].

В связи с этим перед сферой образования встает задача включения робототехники в образовательные системы различных уровней. Так изучение робототехники тесно связано с изучением в начальной школе математики, окружающего мира, в основной и средней школе – геометрии, информатики и ИКТ, физики, химии, ОБЖ.

Наибольшее распространение в школах получили конструкторы LEGO [7]. Как отмечает Д.И. Вахрушев, успешному использованию LEGO-конструкторов в образовательном процессе способствуют такие особенности, как:

• –    универсальность (возможность использования в начальном, основном и среднем общем образовании);

• –    метапредметность (использование при организации освоения содержания естественнонаучных дисциплин);

• –    дидактическая направленность (работа с конструкторами развивает у всех участников образовательного процесса творческих, исследовательских, нешаблонных способов решения инженерных, проектных или исследовательских задач) [1].

Федеральные государственные образовательные стандарты основного и среднего общего образования (ФГОС ООО и ФГОС СОО) определяют необходимость встраивания робототехники в различные составляющие образовательного процесса: выполнение предметных проектов; подготовка и проведение демонстрационного эксперимента; создание экспериментальных установок для лабораторных и исследовательских работ [4, 5].

Исходя из анализа имеющегося опыта, были выделены следующие направления использования роботов в преподавании естественно-научных дисциплин: робот как

• 1)    объект изучения: изучение принципа работы элементной базы робота, функции и границы применимости робота в современных научных исследованиях, роль роботов в производственном проектировании (например, на физике – изучение физических принципов работы датчиков, двигателей и других систем конструктора);

• 2)    средство измерения в традиционном эксперименте (использование датчиков базового конструктора и дополнительных видов датчиков (Vernier, HiTechnic и др.) как измерительных систем при проведении эксперимента с последующей обработкой и фиксацией его результатов);

• 3)    средство постановки автоматизированного эксперимента (роботизированный эксперимент с комплексным использованием двигателей, систем оповещения, датчиков из комплекта робототехнического конструктора);

• 4)    средство учебного моделирования и конструирования (проведение проектно-исследовательских и конструкторских работ с использованием образовательной робототехники; техническая модернизация существующих устройств; проектирование новых роботизированных устройств).

Например, робототехнические конструкторы можно использовать для организации практических работ по физике. Так, структура практической работы по теме «Измерение скорости» (физика, 7 класс) включает теоретическую часть (равномерное прямолинейное движение; величины, характеризующие движение, скорость как векторная величина; единицы измерения; единицы измерения в системе СИ), непосредственное выполнение работы (создание модели робота на колесах – трех (или четырех) колесной тележки; составление программы для измерения скорости движения (см. рис.); проверка правильности выполнения программы (проверка того, что робот едет по прямой траектории, «не виляет»; что на экране показывается значение скорости робота); сбор данных в ходе экспериментирования и их фиксация в обобщающей таблице) [3].

Рис. Фрагмент программы для измерения скорости движения

Приведем пример задания по сбору данных при экспериментировании:

• 1.    Соберите трёхколесную тележку с двумя моторами B и С.

• 2.    Время движения робота: 5 секунд.

• 3.    Запустите робота. Каково значение скорости на экране робота (см/с)?

• 4.    Возьмите рулетку (или линейку) и измерьте расстояние, пройденное роботом за 5 с.

• 5.    С помощью калькулятора вычислите скорость робота. Чему равна вычисленная вами скорость движения робота?

• 6.    Сравните эту скорость с значением скорости, которую вы зафиксировали на экране монитора блока EV3.

• 7.    Сформулируйте и запишите гипотезу о причинах отличия результатов:

• 8.    Выполните пункты 2–7 еще 2 раза и результаты запишите в таблицу.

  № опыта	Пройденное расстояние, (см)	Время движения, (с)	Скорость робота на экране блока EV3, (см/с)	Вычисленная скорость, (см/с)
  1		5
  2		5
  3		5

• 9.    Вычислите среднее арифметическое значение скорости по формуле:

• 10.    Выполните измерения скорости робота для четырех значений мощности мотора. Результаты запишите в таблицу:

  № опыта	Мощность мотора, (%)	Пройденное расстояние, (см)	Время движения, (с)	Скорость робота на экране блока EV3, (см/с)	Вычисленная скорость, (см/с)
  1	25		5
  2	50		5
  3	75		5
  4	100		5

• 11.    Сделайте вывод: как зависит скорость движения робота от мощности мотора?

_V1 + V2+V3

^Vcp ~        Э

, где V1, V2, V3 – значения скорости.

Таким образом, использование робота (трех или четырехколесная тележка с двумя моторами) позволяет формировать опыт конструирования технических устройств и проведения исследования, предполагающего сбор и обработку данных.

Изучение тем «Электромагнитное поле» и «Электромагнитная индукция» проводится обычно в 11 классе с использованием традиционного лабораторного оборудования: постоянные магниты, амперметры, вольтметры, катушки индуктивности и др. Учащимся предлагается выполнить задания по сборке различных установок для демонстрации процессов и явлений, соответствующих теме. Следует отметить, что наглядность таких установок не высока; классическое оборудование не позволяет смотреть на получаемые результаты измерений в динамике, велики временные затраты на ручную обработку полученных данных.

Использование робототехнических конструкторов в сочетании с современными электронноцифровыми лабораториями (ЭЦЛ) для разработки лабораторной установки, применяемой для изучения явления электромагнитной индукции, позволяет не только продемонстрировать протекающие в катушке процессы, но и организовать исследование того, как и почему протекают эти явления, а также самостоятельное формулирование законов и правил на основе результатов исследования.

Учитывая простую интеграцию датчиков “Vernier” с электронными конструкторами “LEGO Mindstorms NXT”, мы предлагаем использовать указанное оборудование для разработки ус- тановки, позволяющей выяснить, каким образом магнитное поле воздействует на катушку. Установка представляет собой катушку с сердечником, закрепленную на платформе. Около одного из концов катушки движется постоянный магнит, направленный к катушке северным полюсом. За движение магнита отвечает сервомотор, работой которого управляет программа. К концам катушки подключен датчик разности потенциалов, а у противоположного от магнита конца сердечника находится датчик магнитного поля. Робот с фиксируемой частотой (значение выводится на экране блока NXT) подносит магнит к сердечнику и удаляет его, следовательно, на катушку действует переменное магнитное поле, которое вызывает движение электронов, направление которого описывается правилом Ленца. Таким образом, можно предположить, что при отведении и приближении магнита направления тока будет изменяться. Результаты измерений по проверке гипотезы обрабатываются программой для сбора и анализа данных “Logger Lite”, которая выводит данные в табличной и графической формах.

Применение конструкторов “LEGO” при изучении биологии можно осуществить, например, при изучении скелета, предложив задание по конструированию и изучению принципа его действия.

Приведем пример организации моделирования и исследования классического пищевого условного рефлекса. Осуществляется сборка робота «Собаки» (EV3) с датчиками цвета и расстояния; разрабатывается программа позволяющая «собаке» реагировать на включенный источник света около датчика цвета (анализируется каким раздражителем условным или безусловным выступает в данном случае свет) или на поднесенный муляж кости, поднесенный со стороны датчика расстояния (анализируется каким раздражителем выступает муляж кости, т. е. пища); проводится серия экспериментов по реагированию на свет и муляж кости с описанием наблюдений и выявлением условий для формирования условного рефлекса; далее предлагается изменить условия влияния раздражителей: света и муляжа кости, направляя свет на датчик цвета и не поднося муляж кости, повторив данные действия несколько раз (анализируются изменения в рефлексе).

Уроки астрономии могут приобрести исследовательскую составляющую, если использовать образовательные робототехнические наборы для проектирования и сборки астрономических моделей. Например, движение планет вокруг звезд.

При изучении экологических тем на уроках химии возможно внедрение в проектную деятельность робототехники. Например, проект по экологии окружающей среды может быть направлен на конструирование робота, осуществляющего чистку водоема или сбор мусора вдоль автомобильных дорог.

Опыт показывает, что внедрение робототехники в образовательный процесс способствует развитию универсальных учебных действий, предметных и метапредметных компетенций, развивает опыт включения в продуктивное взаимодействие, самостоятельность при принятии решений, раскрывает творческий потенциал обучающихся. Учащиеся лучше понимают принципы действия различных явлений, процессов и механизмов в условиях технического конструирования и исследовательской деятельности.

Важнейшей отличительной особенностью ФГОС является их ориентация на результаты образования, которые формируются на основе системно-деятельностного подхода. Мы исходим из того, что такую стратегию обучения легко реализовать в образовательной среде “LEGO”.