Методика формирования готовности будущего учителя информатики к обучению робототехнике

В настоящее время робототехника как актуальная область науки является одним из востребованных направлений в современном мире. Это связано с появлением множества автоматических устройств и возросшей потребностью с их помощью в упрощении и сокращении рутинных функций человека во всех сферах деятельности. С роботизацией повседневной жизни человека возникают новые профессии, связанные с программированием и разработкой и созданием робототехнических систем. Для того чтобы будущий специалист мог выбрать профессию, связанную с областью робототехники, формировать навыки инженерного, алгоритмического, логического мышления следует еще со школьного образования.

Под робототехникой будем понимать перспективное междисциплинарное направление в науке, ориентированное на создание роботов и робототехнических систем для замены человека в разных сферах. С появлением конструкторов Lego в России и курсов для педагогов по использованию оборудования демонстрация возможностей конструктора увеличивается; еще с 2000-х годов начинается активное участие школьников в образовательных соревнованиях по робототехнике, а после 2014 года наблюдается рост числа соревнований. В это же время робототехника внедряется в школы в качестве кружковой и внеурочной деятельности, но возникают сложности, связанные с отсутствием методического материала для обучения, самих робототехнических конструкторов в школах, неопределенностью места робототехники в конкретных предметах школьной программы (информатика, технология), в программе школьного курса информатики, а самое главное – наблюдается общая неготовность учителей информатики к обучению робототехнике.

Однако в 2019 году, согласно приказу Министерства просвещения РФ от 3 сентября 2019 г. №465, был утвержден перечень средств обучения и воспитания, в том чис ле базовый робототехнический набор, относящийся к дополнительному вариативному

оборудованию предмета «Технология», необходимый для реализации образовательных программ начального общего, основного общего и среднего общего образования, что отражено и в обновлении федерального образовательного стандарта (ФГОС) 2021 года, в котором робототехника выступила одним из модулей предмета «Технология».

В свою очередь обучение школьников робототехнике связано и с предметом «Информатика», так как речь идет не только о необходимости собрать робототехнический конструктор, но и запрограммировать работу робота. Раздел «Робототехника» в школьном курсе информатики может быть посвящен изучению основных понятий, связанных с разработкой (моделирования, конструирования и программирования) робототехнических систем. Это влечет за собой изменения, касающиеся пересмотра и модернизации отдельных содержательных линий курса информатики, а, следовательно, и изменения ФГОС, регулирующие содержание образования по информатике. Однако пока робототехника не представлена в явном виде в ФГОС по информатике, но предметные результаты, заявленные в 2021 году, например, направлены на формирование представлений о сферах профессиональной деятельности в области информатики, которые, конечно же, включают современные профессии, связанные с робототехникой.

В настоящее время имеется ряд исследований, посвященных вопросам возможности обучения робототехнике на уроках информатики, проанализируем их.

Л.Л. Босова, Н.Н. Самылкина предлагают интегрировать изучение программирования и робототехнических платформ на уроках информатики по пяти основным темам: робототехника (на трех платформах), визуальное и объектно-ориентированное программирование, трехмерное и имитационное моделирование, отдельные вопросы информационной безопасности, введение в искусственный интеллект [1].

В своих исследованиях Н.Н. Самылкина представляет компоненты робототехники отдельным блоком: сферы применения робототехники, автономные роботы, конструирование, моделирование, алгоритмы управления, программирование роботов, испытание, эксперимент, анализ результатов.

Е.В. Филимонова в исследовании рассматривает реализацию системы задач из УМК И.Г Семакина и др. для программирования робота LEGO MINDSTORMS EV3, где робот выступает в качестве исполнителя [6].

К.Ю. Поляков, Е.А. Еремин рекомендуют использовать специализированные виртуальные среды по робототехнике при изучении содержательной линии «Алгоритмизация и программирование».

В авторской программе Л.Л. Босовой, А.Ю. Босовой «Информатика. 7–9 классы» в теме «Алгоритмы и программирование» представлена тема «Робототехника. Управление роботом».

Анализ различных исследований в этой области позволяет сделать вывод, что в курсе информатики тема «Робототехника» может представляться интеграцией разных содержательных линий, таких как «Информация и информационные процессы», «Алгоритмизация и программирование», «Формализация и моделирование», «Социальная информатика», при изучении которых могут рассматриваться различные понятия робототехники. Например, для линии «Алгоритмизация и программирование» это будут такие понятия, как «алгоритм», «исполнитель алгоритма», «различные формы записи алгоритмов», «алгоритмические конструкции», «логические значения и операции», «языки программирования и основные алгоритмические структуры, связанные с программированием роботов». Для линии «Социальная информатика» это могут быть такие понятия, как «информационное общество и профессии, связанные с робототехникой», «информационная безопасность при взаимодействии человеко-машинных систем» и т.д.

В настоящее время можно отметить разработку методических пособий, связанных с обучением робототехнике (Д.И. Павлов, М.Ю. Ревякин, Л.Л. Босова, Д.Г. Ко- посов) и направленных на использование при изучении курса технологии и во внеурочное время.

Но, в целом, отметим, что явно просматривается тенденция внедрения робототехники в качестве формирующейся содержательной линии в курс информатики, а, следовательно, будущему учителю информатики необходимо быть готовым к обучению робототехнике в школе. Таким образом, в области теории и методики обучения и воспитания (информатика) возникает проблема разработки методики формирования готовности будущего учителя информатики к обучению робототехнике. Такую подготовку необходимо начинать в педагогическом университете при обучении будущих учителей информатики, причем как в предметных, так и в методических дисциплинах, что основано на модернизации методической системы обучения информатике, которая, согласно М.П. Лапчику, И.Г. Семакину, Е.К. Хеннеру, интенсивно развивается [2].

В основе любой методики обучения как отрасли педагогической науки, проектирующей процесс обучения, лежит методическая система, отражающая цели, содержание, методы, средства и формы обучения (А.М. Пышкало, Е.А. Ракитина, А.А. Кузнецов, Т.К Смыковская [4], Н.В. Софронова [5] и др.), меняющиеся с течением времени.

Чтобы будущий учитель в процессе обучения в педагогическом университете мог в дальнейшем строить свою профессиональную деятельность с учетом внедрения робототехники в школьный курс информатики, необходимо создать условия, в ходе которых будет формироваться готовность будущего учителя информатики к обучению робототехнике.

Анализ ряда психолого-педагогических работ (В.А. Сластенин, С.С. Кашлев, Г.М. Коджаспирова, В.А. Якунин, Е.А. Леванова, М.И. Дьяченко, Ю.С. Пономарева) позволяет рассматривать готовность будущего учителя информатики к обучению робототехнике как систему качеств личности, интегрирующую в себе профессионально значимые знания, умения применять на практике полученные знания, рефлексию собственных и учебных возможностей и профессиональное совершенствование в области робототехники как стремительно развивающегося направления информатики и методики обучения данному разделу. Данная система качеств может быть представлена в виде совокупности следующих составляющих:

• 1.    Когнитивная – знания об особенностях робототехники как научного направления; знание ключевых понятий робототехники («робот», «манипулятор», «система программного управления», «управляющая программа», «информационная система» и т.д.); знания об образовательных робототехнических конструкторах, основных блоках управления, технологиях сборки роботизированных систем, используемых при обучении робототехнике; знания в области программирования, алгоритмического языка и визуальных сред, представления о комплексе взаимосвязанных методов, средств и форм обучения формирующейся линии робототехники.

• 2.    Деятельностная – умения собирать роботизированные системы, умение создавать модели и программировать роботов с учетом особенностей различных конструкторов и среды программирования соответственно; умение использовать робототехнические средства и специализированные программы; умение организовывать совместную работу, проектную и исследовательскую деятельности в области робототехники; умение выстраивать межпредметные связи информатики с математикой, технологией, физикой при работе с робототехническим конструктором; умения разрабатывать авторскую методическую систему обучения информатике в школе.

• 3.    Рефлексивная – заинтересованность в развитии своей информационной компетентности в области робототехники и методики ее преподавания; стремление к непрерывному самообразованию, саморазвитию и самообучению в области робототехники; рефлексия собственных учебных и профессиональных возможностей и достигнутых результатов при освоении робототехники и методики обучения ей.

Сам процесс формирования такого рода готовности студентов – будущих учителей информатики, видимо, должен пройти через несколько этапов. Так, в данном исследовании будем опираться на разработанную и апробированную нами этапную модель процесса формирования готовности будущего учителя информатики к обучению робототехнике на факультете математики, информатики и физики в ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный социально-педагогический университет», включающей три последовательных этапа, взаимосвязанных между собой:

• 1.    Мотивационный заключается в формировании у будущего учителя информатики заинтересованности и мотивации в изучении области робототехники и особенностей обучения ей школьников;

• 2.    Технологический заключается в формировании у студентов специфичных компетенций, связанных с областью робототехники;

• 3.    Методический заключается в получении опыта построения авторской методики обучения робототехнике и создания методических материалов.

В основу определения целевого, содержательного и процессуального (методы, средства и формы обучения) компонентов разрабатываемой в исследовании методики формирования готовности будущего учителя информатики к обучению робототехнике в школе положена описанная выше модель данной готовности (составляющие) и процесса ее формирования.

Представим выделенные компоненты методической системы обучения на различных этапах процесса формирования данной готовности с учетом специфики каждого из них.

• 1.    Мотивационный этап.

Целевой компонент направлен на формирование у студента заинтересованности и мотивации личности в изучении области робототехники и ее преподавании школьникам, внутренних осознанных мотивов к изучению основных понятий робототехники и ее становлении как научного направления, понимания важности данного направления для современного общества.

Содержательный компонент связан с включением в содержание дисциплин предметной подготовки студентов новых тем, знакомящих их с робототехникой как современным научно-техническим направлением. Например, в содержание курса «Информационные технологии» (1 семестр, 4 з.е.) включается тема «Робототехника как перспективное направление развития информатики»; курса « ИКТ и медиаин-формационная грамотность» (2 семестр, 3 з.е.) тема – «Программное обеспечение для робототехнических систем»; курса «Программирование» (1–2 семестр, 5 з.е.) – «Визуальные среды программирования учебных роботов»; курса «Высокоуровневые методы программирования» (3 семестр, 3 з.е.) – «Объектно-ориентированные текстовые среды программирования учебных роботов». Кроме того, первоначальное знакомство с робототехническими наборами и комплектами может быть осуществлено в ходе учебной (проектной) практики (4 семестр), где студентами могут быть выполнены проекты робототехнической направленности (например, разработка прототипа робота – домашнего помощника).

Процессуальный компонент связан с использованием таких методов и форм работы, при которых студенты вовлечены в дискуссию, позволяющую сформировать личную позицию по отношению к робототехнике и ее влиянию на сферы деятельности человека, например:

• •    подготовка докладов на темы «Этапы развития роботов», «Языки программирования для управления роботами», «Среды визуального программирования для управления роботами»;

• •    подбор видеофрагментов на тему ««Перспективы развития робототехники»;

• •    проведение дискуссий (возможно, в онлайн-формате или дистанционно) по темам «Роботы: опасности и перспективы», «Востребована ли робототехника в профессиях?», «Зачем современному учителю нужна робототехника».

• 2.    Технологический этап.

Отметим, что представленные темы могут быть включены в занятия существующего тематического планирования. Кроме того, отдельные виды работ, например, подготовка докладов или подбор видеофрагментов, могут быть реализованы за счет часов, выделенных для самостоятельной работы студентов.

Целевой компонент направлен на формирование у студентов компетенций по владению конструкторскими навыками, навыками программирования, знаниями основных алгоритмов реального времени для учебных роботов, знаниями основных особенностей конструирования и программирования роботов для решения олимпиадных заданий.

Содержательный компонент осуществляется в процессе изучения следующих дисциплин и включением в них новых тем: для курса «Компьютерные сети» (5 семестр, 2 з.е.) – «Протоколы взаимодействия робототехнических систем»; для курса «Современные языки программирования» (7 семестр, 2 з.е.) – «Использования языка Python для программирования учебных роботов»; для курса «Использование ИКТ в образовании» (8 семестр, 2 з.е.) – «Использование робототехнических наборов при изучении математики, информатики и физики»; для курса «Архитектура компьютера» (7 семестр, 3 з.е.) – «Устройство робототехнического микроконтроллера»; для курса «Основы искусственного интеллекта» (7 семестр, 3 з.е.) – «Использование в робототехнических наборах модуля компьютерного зрения».

Процессуальный компонент предполагает использование таких методов и форм работы, при которых студенты реализуют деятельность, направленную на формирование ключевых компетенций в области робототехники (программирование и конструирование учебных роботов, выбор оптимальной конструкции, оптимизация алгоритмов и т.д.). Например:

• •    лабораторные работы «Сравнение микроконтроллеров BasicATOM, VEX и Lego EV3», «Состав и устройство платы Arduino», «Использование языка Python для управления роботом Robomaster S1», «Программирование светодиодов в среде Arduino», «Настройка и обучение модуля технического зрения»;

• •    индивидуальные или групповые проекты по темам «Взаимодействие робототехнических систем» (например, систем VEXIQ или EV3), «Групповое взаимодействие роботов Robomaster S1», «Робототехнический набор как средство визуализации математических понятий» (физических, информатических).

• 3.    Методический этап.

Отметим, что данный этап может быть также представлен на курсах по выбору робототехнической направленности, например, «Образовательная робототехника» или «Соревнования по образовательной робототехнике». В этом случае необходимо обратить внимание студентов на единообразие многих сред программирования учебных роботов; раскрыть вопросы организации изучения робототехники в школе и дополнительном образовании школьников; организовать работу по изучению интеллектуальных модулей робототехнических систем (например, модуля технического зрения или модуля интернета вещей).

Целевой компонент направлен на получение студентами опыта построения авторской методики обучения данному разделу через разработку уроков, внеклассных мероприятий и их апробацию в ходе педагогической практики.

Содержательный компонент осуществляется в процессе изучения следующих дисциплин и включением в них новых тем: в курс «Методика обучения информатике» (7 и 8 семестры,10 з.е) – тема «Робототехника как формирующаяся содержательная линия курса информатики в школе»; в курс «Пропедевтический курс обучения информатике» (10 семестр, 2 з.е.) – тема «Особенности обучения робототехнике в начальной школе»; в курс «Методика обучения информатике на углубленном уровне» (10 семестр, 2 з.е.) – тема «Методика подготовки к соревнованиям по образовательной робототехнике»; в курс «Электронные образовательные ресурсы в обучении информатике» (9 семестр, 3 з.е.) – тема «Анализ электронных образовательных ресурсов для поддержки изучения робототехники»; в курс «Социальная информатика» (9 семестр, 2 з.е.) – тема «Опасности и польза человеко-машинного взаимодействия». Кроме того, содержание производственной практики по информатике (9 семестр) дополняется заданием проведения внеклассного мероприятия робототехнической тематики.

Процессуальный компонент заключается в использовании следующих учебных задач:

• •    анализ образовательных стандартов, рабочих программ и учебников на предмет представления робототехники на разных уровнях школьного образования (представление в виде презентаций);

• •    анализ используемого программного обеспечения и возрастных особенностей изучения робототехники на разных уровнях школьного образования;

• •    анализ и разработка электронных образовательных ресурсов, поддерживающих изучение робототехники;

• •    разработка внеклассных мероприятий, посвященных этическим и правовым аспектам робототехники;

• •    проведение внеклассного мероприятия по робототехнике в ходе педагогической практики с предоставлением материалов.

Для поддержки реализации разработанной нами методики формирования готовности будущего учителя информатики к обучению робототехнике создается дистанционный курс «Обучение робототехнике в школе» на платформе электронного обучения ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный социально-педагогический университет»*, содержащий материалы по представленным выше дисциплинам. Его разработка обусловлена необходимостью интеграции содержания различных дисциплин и заданий для достижения целостности процесса формирования готовности.

Таким образом, нами разработана модель готовности будущего учителя информатики к обучению робототехнике, представленная тремя компонентами (когнитивный, деятельностный, рефлексивный), и этапная модель методики такой готовности, где на каждом из этапов раскрываются особенности целевого, содержательного и процессуального компонентов.