Модель формирования готовности будущего учителя информатики к обучению робототехнике

Развитие информационных технологий порождает потребность в возникновении новых направлений в науке, одним из которых выступает робототехника. Согласно указу Президента РФ «О Стратегии развития информационного общества в Российской Федерации на 2017–2030 годы», в целях обеспечения условий для формирования в Российской Федерации общества знаний одним из основных направлений развития российских информационных и коммуникационных технологий является робототехника [7].

Робототехника как междисциплинарная наука представляет собой важнейшую основу развития современного общества, позволяющую в безопасных условиях повысить качество и уровень производительности труда человека за счет автоматизации его рутинных видов деятельности. На сегодняшний день отмечается высокая потребность робототехнических компаний в сотрудниках, что влечет за собой необходимость подготовки таких специалистов, начиная с уровня основного общего образования в школе, а это значит, что востребованы учителя информатики, готовые к обучению школьников робототехнике, проведению профориентационной работы с учащимися в данном направлении.

Анализ современной существующей образовательной практики показывает, что с учетом имеющейся материально-технической оснащенности общеобразовательной школы робототехника приоритетно изучается во внеурочной деятельности (кружки, соревнования и олимпиады, кванториумы и технопарки) и в рамках курса «Технология»; при этом просматривается тенденция интеграции такого подхода с обучением и в рамках школьного курса информатики.

В работах Н.Н. Самылкиной, Л.Л. Босовой, А.В. Шпак, И.А. Калинина, Ю.Л. Хо-тунцева, Е.В. Филимоновой, А.А. Темербековой рассматриваются вопросы внедрения робототехники в содержание курса информатики в школе, что обусловлено имеющимся общим понятийным аппаратом, возможностью учителя информатики обучать про

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА граммированию, наглядно демонстрируя принципы работы программируемого робота, мотивируя школьников на будущий выбор профессии, связанной с робототехникой.

Вместе с тем пока остаются недостаточно исследованными в теории и методике обучения (Информатика, уровень высшего образования) вопросы формирования готовности будущего учителя информатики к обучению робототехнике. Не выявлены сущность и структура такой готовности, критерии и уровни ее формирования, не определены этапы процесса ее формирования у студентов – будущих учителей информатики в педагогическом вузе. В результате этого цель нашего исследования заключается в разработке модели формирования готовности будущего учителя информатики к обучению робототехнике и базирующейся на ней адекватной методики формирования такой готовности.

В педагогике исследователи (К.М. Дурай-Новикова, В.А. Сластенин, М.И. Дьяченко, Л.А. Кандыбович и др.) рассматривают «готовность» как совокупность качеств личности. Так, в работе Н.В. Нижегородцевой отмечается, что «готовность к обучению» развивается в процессе подготовки будущего учителя через формирование готовности к профессиональной деятельности, зависящей от индивидуальных особенностей личности [2]. В структуре готовности к обучению как свойства индивидуальности будущего учителя выделяются качества, оказывающие эффективное влияние на профессиональную педагогическую деятельность: качества, определяющие отношение к профессиональной деятельности, представления о целях и содержании своей будущей профессии, ее способах выполнения; качества способствующие восприятию необходимой профессионально-педагогической и методической информации, а также умения планирования своей профдеятельности и ее рефлексии. В определении понятия «готовность к деятельности» подчеркивается, что готовность есть качество личности, проявляющееся в интересе, наличие знаний в данной области, владение технологиями организации, самооценки и самоанализа получаемого результата. Ученые при определении понятия готовность к профессиональной деятельности рассматривают ее структуру и выделяют компоненты такой готовности (например, мотивационный, ориентационный, когнитивный, психологический и т.д.).

Для определения сущности и структуры готовности будущего учителя информатики к обучению робототехнике в рамках разрабатываемой нами модели обозначим следующие ориентиры.

Понятие «робот» как элемент содержания предмета «Информатика и информационно-коммуникационные технологии (ИКТ)» профильного уровня впервые упоминается в государственном образовательном стандарте (ГОС) среднего (полного) общего образования 2004 года [9].

В ФГОС по информатике 2010 года робототехника отражена в рамках освоения содержательной линии «Алгоритмизация и программирование», при изучении которой анализируются системы команд и отказов учебных роботов; описываются учебные исполнители и задачи по управлению ими; составляются, записываются и анализируются алгоритмы в зависимости от исходных данных; рассматриваются следующие основные понятия: «исполнитель», «алгоритм», «алгоритмический язык», «управление», «компьютер и управляемый им исполнитель», «программа» [8].

В ФГОС по информатике 2021 года представления о робототехнике отражены в предметных результатах и заключаются в формировании представлений о сферах профессиональной деятельности, связанных с информатикой, программированием и современными информационно-коммуникационными технологиями, основанными на достижениях науки и IТ-отрасли, а значит являющимися необходимыми и в робототехнике.

Необходимо отметить, что проблемы в формировании готовности будущего учителя информатики к обучению робототехнике в школе связаны и с неопределенностью места робототехники в учебной плане школы (предлагается изучать робототехнику на уроках технологии и информатики, частично математики и физики, а также во внеуроч- ной деятельности – кружки, олимпиады, кванториумы и др.). При этом актуальные федеральные государственные образовательные стандарты (ФГОС) по этим предметам не всегда содержат в явном виде робототехнику. Сложность проявляется и в том, что в курсе информатики робототехника представляется интеграцией разных содержательных линий («Информация и информационные процессы», «Алгоритмизация и программирование», «Формализация и моделирование», «Социальная информатика»).

Отметим и недостаточность разработок в области учебно-методического обеспечения процесса обучения робототехнике в школе.

В настоящее время в федеральном перечне учебников имеется учебно-методический комплекс (УМК) для начальной школы, посвященный изучению робототехники, а именно УМК «Робототехника» 2–4 классы (в 4 частях) авторов Д.И. Павлова, М.Ю. Ревякина под редакцией Л.Л. Босовой. Авторы делают основной упор на развитие первоначальных представлений о механике и робототехнике, знакомя учащихся с основными компонентами механики и особенностями их применения, строя содержание курса на основе метапредметности. Учащиеся знакомятся с робототехническим набором WeDo 2.0., с базовыми приемами программирования, позднее осваивают проектирование и элементы ТРИЗ [3].

Д.Г. Копосовым представлены учебные пособия по робототехнике, где учащиеся 5–8 классов знакомятся с робототехническим конструктором Spike, базирующемся на языке Scratch; учащиеся 8–11 классов работают с практическими задачами, связанными с программным управлением квадрокоптерами с помощью языка программирования Python; для учащихся 9–11 классов автором выпущено учебное пособие «Робототехника на платформе Arduino», где представлена практическая реализация П-, ПД- и ПИД-регуляторов для смоделированного, собранного и запрограммированного на языке С++ робота.

К.Ю. Поляков и Е.А. Еремин придерживаются мнения о необходимом развитии робототехники именно в рамках школьного курса информатики, поэтому разработали учебно-методические пособия, а также специализированные виртуальные среды для школьного курса информатики, размещенные на сайте robotics/ и предполагающие изучение языка управления роботами с помощью тренажеров. На сайте имеется теория, практические работы, методические рекомендации, а также примеры программ. Есть возможность загрузки и проверки своей программы и трассы для робота, что позволяет проверить работу программы в кратчайшие сроки [5].

В методическом пособии «Информатика. Базовый уровень» для 7–9 классов к учебникам Л.Л. Босовой, А.Ю. Босовой представлена тема «Управление», в которой содержатся два параграфа: «Управление. Робототехника», «Знакомство с учебной средой разработки программ управления движущимися роботами», что связано с обновлением ФГОС ООО, открытием новых перспектив развития курса информатики и пересмотром подходов к обучению информатике [1].

Возникающие потребности в методическом сопровождении учителя информатики в обучении робототехнике требуют разработки методических пособий. В.В. Тарапата, Н.Н. Самылкина разработали методическое пособие «Робототехника в школе: методика, программы, проекты» для учителей 5–9 классов, в котором раскрываются особенности изучения образовательной робототехники в школе, а также представлены примерные рабочие программы в зависимости от выбранного для обучения робототехнического конструктора [6].

Необходимо отметить, что в современной образовательной практике с учетом обновленных ФГОС 3-го поколения с 1 сентября 2022 г. робототехника предлагается к изучению в рамках обязательного модуля дисциплины «Технология» в 5–9 классах, что, по мнению многих исследователей, вызывает сомнение, так как изучение робототехники

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА требует не только умений по сборке робота, но и знаний, практики по его программированию, что логично рассматривать в курсе информатики.

На основе вышеописанного анализа можно сделать вывод, что основные понятия, необходимые для изучения робототехники, важно рассматривать сегодня в курсе информатики в рамках интеграции содержательных линий: «Информация и информационные процессы», «Алгоритмизация и программирование», «Формализация и моделирование». При этом «Робототехника» до сих пор не представлена в явном виде как содержательная линия.

Однако уже просматривается тенденция становления содержательной линии «Робототехника» как обособленной в курсе информатики в школе, а, следовательно, необходима соответствующая подготовка будущего учителя информатики в педагогическом вузе и формирование его готовности к обучению робототехнике. Робототехника направлена на решение важнейших образовательных и развивающих задач курса информатики (развитие первоначальных знаний о робототехнике и ее конструкторах, развитие разного вида мышлений при создании и программировании роботов, развитие основ научного мировоззрения). Сложность ее изучения обусловлена необходимостью опоры на межпредметные связи с физикой, математикой, технологией, использованием неустоявшегося категориально-понятийного аппарата.

Вместе с тем, важными предпосылками решения проблемы формирования готовности будущего учителя информатики к обучению робототехнике в школе на сегодняшний день выступают возрастание оснащенности школ робототехническими комплектами, постоянное усовершенствование робототехнических наборов, усовершенствование и разнообразие тем и заданий олимпиад по робототехнике, и в тоже время массовая неготовность учителей к обучению робототехнике.

Суммируя все вышесказанное , будем 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 учебных возможностей и профессиональное совершенствование в области робототехники как стремительно развивающегося направления информатики и методики обучения робототехнике. Данная система качеств может быть представлена в виде совокупности следующих составляющих, определяющих структуру готовности:

• 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, создавать модели и программировать роботов с учетом особенностей различных конструкторов и сред программирования соответственно; умение использовать робототехнические средства и специализированные программы; умение организовывать совместную работу, проектную и исследовательскую деятельности школьников в области робототехники; умение выстраивать межпредметные связи информатики с математикой, технологией, физикой при обучении робототехнике; умения разрабатывать авторскую методическую систему обучения робототехнике в школе.

• 3.    Рефлексивная – заинтересованность в рассмотрении вопросов влияния робототехники на сферы деятельности человека, культуру, мировоззрение; понимание этических и юридических вопросов использования роботов в обществе; 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.

При этом формирование готовности будущего учителя информатики к обучению робототехнике проходит следующие уровни своего становления: низкий, средний и высокий.

Охарактеризуем низкий уровень готовности, проявляющийся в отсутствии знаний об основных особенностях робототехники как научного направления; ключевых понятиях робототехники; об образовательных робототехнических конструкторах, технологиях их сборки и программирования; базовых знаний в области традиционных подходов к построению методики обучения робототехнике; незаинтересованности в рефлексии собственных учебных и профессиональных возможностей в этой области, в непрерывном самообразовании.

С редний уровень готовности будущих учителей информатики к обучению робототехнике проявляется в частичных и фрагментарных знаниях об особенностях робототехники как научного направления; ключевых понятий робототехники («робот», «управляющая программа» и т.д.); знаниях об образовательных робототехнических конструкторах и технологиях их сборки, программирования; умениях создавать и программировать роботов с учетом особенностей различных конструкторов и сред программирования соответственно; поверхностной заинтересованности в рассмотрении вопросов влияния робототехники на различные сферы деятельности человека, а также этических и юридических вопросов использования роботов в обществе; слабые представления о комплексе взаимосвязанных методов, средств и форм обучения формирующейся линии робототехники; вынужденном согласии с необходимостью непрерывной рефлексии своих профессиональных возможностей и усилий по самообразованию в области робототехники и методики ее преподавания.

Высокий уровень готовности будущих учителей информатики к обучению робототехнике проявляется в полноте знания особенностей робототехники как научного направления; о ключевых понятиях робототехники («робот», «манипулятор», «система программного управления», «управляющая программа», «информационная система» и т.д.); распространенных образовательных робототехнических конструкторах, основных блоках управления, технологиях сборки роботизированных систем; знаний в области программирования, алгоритмического языка и визуальных сред; умений собирать роботизированные системы; создавать модели и программировать роботов с учетом особенностей различных конструкторов и сред программирования соответственно; использовании робототехнических средств и специализированных программ; глубоком понимании вопросов влияния робототехники на сферы деятельности человека, культуру, мировоззрение, а также этических и юридических вопросов использования роботов в обществе; целостности представлений о комплексе взаимосвязанных методов, средств и форм обучения формирующейся линии робототехники; организации совместной работы, проектной и исследовательской деятельности школьников в области робототехники; умении выстраивать межпредметные связи информатики с математикой, технологией, физикой при обучении робототехнике; умении разрабатывать авторскую методическую систему обучения робототехнике в школе; потребности в многоаспектном анализе и рефлексии собственных учебных и профессиональных возможностей, достигнутых результатов в этой области.

Сам процесс формирования такого рода готовности студентов – будущих учителей информатики в педагогическом вузе должен проходить через несколько этапов с учетом динамического характера формирования [4]. Так, в данном исследовании будем

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА 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» (ВГСПУ), включающую три последовательных этапа, взаимосвязанных между собой.

Мотивационный заключается в формировании у будущего учителя информатики заинтересованности и мотивации в освоении области робототехники и особенностей обучения ей школьников. Реализуется через такие дисциплины в подготовке студентов, как «Информационные технологии» (1 семестр, 4 з.е.), «ИКТ и медиаинформационная грамотность» (2 семестр, 3 з.е.), «Программирование» (1–2 семестр, 5 з.е.), «Высокоуровневые методы программирования» (3 семестр, 3 з.е.), а также в ходе учебной (проектной) практики (4 семестр).

Технологический заключается в формировании у студентов специфических компетенций, связанных с технологиями создания и программирования роботов. Реализуется через такие дисциплины в подготовке студентов, как «Компьютерные сети» (5 семестр, 2 з.е.) , «Современные языки программирования» (7 семестр, 2 з.е.), «Использование ИКТ в образовании» (8 семестр, 2 з.е.), «Архитектура компьютера» (7 семестр, 3 з.е.), «Основы искусственного интеллекта» (7 семестр, 3 з.е.) . Данный этап может быть также представлен курсами по выбору робототехнической направленности, например, «Образовательная робототехника» или «Соревнования по образовательной робототехнике» .

Методический заключается в получении опыта построения авторской методики обучения робототехнике и создания методических материалов. Реализуется через такие дисциплины в подготовке студентов, как «Методика обучения информатике» (7 и 8 семестры, 10 з.е), «Пропедевтический курс обучения информатике» (10 семестр, 2 з.е.) , «Методика обучения информатике на углубленном уровне» (10 семестр, 2 з.е. ), «Электронные образовательные ресурсы в обучении информатике» (9 семестр, 3 з.е.), «Социальная информатика» (9 семестр, 2 з.е.); а также в ходе производственной практики по информатике (9 семестр).

При подготовке будущих учителей информатики на факультете математики, информатики и физики в ВГСПУ в течение ряда лет апробируется разработанная нами методика формирования готовности будущего учителя информатики к обучению робототехнике; проводится уточнение ее целевого, содержательного и процессуального компонентов. В основу данной методики положена представленная выше модель формирования рассматриваемой готовности, описывающая ее сущность и структуру, уровни и критерии формирования, а также этапы процесса формирования в педагогическом вузе.