Система учебных и проектно-конструкторских заданий «Микропроцессорные платформы в проектно-исследовательской деятельности естественнонаучного профиля» для студентов педвузов

Подготовка молодого поколения, готового и способного обеспечить технологический суверенитет страны, – остроактуальный запрос российского общества. Для его удовлетворения необходима перестройка всех уровней системы образования, прежде всего, педагогического, направленного на подготовку учителей естественнонаучных и технологических дисциплин. Современные учителя физики, химии, биологии, технологии, информатики должны быть способны формировать у школьников мультидисци-плинарное научное знание, функциональную грамотность и STEM-компетенции, а для этого необходимо, чтобы они сами ими владели.

Поиском эффективных инновационных решений в области педагогического естественнонаучного образования занимаются многие педагоги высшей школы (Д.Е. Еремин [8], М.А. Картавых [10], Е.В. Лизунова [14], О.А. Таганова [18] и др.). Одно из активно разрабатываемых направлений связано с разработкой методических аспектов подготовки учителей к применению цифровых лабораторий (Е.А. Джалмухамбето-ва [7], Н.Г. Кудрявцев [13], Ф.Э. Эсетов [20] и др.) и микропроцессорных платформ с открытой архитектурой (В.А. Векслер [3], С.Ю. Глазов [5; 22], П.С. Ивлев [9], С.А. Погожих [16] и др.). Это особенно важно в условиях интенсивной цифровизации науки, культуры и производства, подготовить к которой молодое поколение обязаны современные учителя.

В ответ на современные вызовы в сфере педагогического образования в Волгоградском государственном социально-педагогическом университете реализуется проект «Разработка и апробация образовательной модели подготовки будущих учителей естественнонаучных дисциплин к применению микропроцессорных платформ». Он направлен на обогащение профессиональных компетенций студентов естественнонаучных профилей проектными и исследовательскими умениями, связанными с созданием

цифровых лабораторий, автоматизации учебного эксперимента, разработки робототехнических устройств, конструирования элементов Интернета вещей. Проект также предполагает развитие у студентов методических компетенций, связанных со способностью организовывать и сопровождать образовательный процесс, направленный на формирование у школьников естественнонаучной грамотности, STEM-компетенций и гибких навыков.

Основу разрабатываемой модели составляет система учебных и проектно-конструкторских заданий «Микропроцессорные платформы в проектно-исследовательской деятельности естественнонаучного профиля» . Несмотря на многообразие пособий по микропроцессорным платформам с открытой архитектурой и созданию на их основе различных проектов (М. Банци [1], А.В. Белов [2], В.А. Петин [15], А.Я. Суранов [17] и др.), использовать их в качестве дидактических материалов для обучения студентов – будущих учителей естественнонаучных дисциплин затруднительно. Содержание пособий, во-первых, ограничено описанным набором монтажных схем и скетчей для стандартных проектов. Во-вторых, учебный компонент пособий адресован в основном школьникам, изучающим робототехнику, или новичкам-любителям, самостоятельно осваивающим микропроцессорные технологии, он линеен и не может адаптироваться под запрос конкретного читателя. В-третьих, отсутствуют пособия, направленные на обучение технологии Ардуино учителей естественнонаучных дисциплин. В-четвертых, во многих пособиях есть неточности и ошибки как в описаниях, так и в скетчах, что делает невозможным их воспроизведение в реальных проектах. Выявленные проблемы делают актуальной и целесообразной работу по созданию системы учебных и проектно-конструкторских заданий «Микропроцессорные платформы в проектно-исследовательской деятельности естественнонаучного профиля» (далее – система заданий) для студентов педвузов.

Методологической основой для разработки системы заданий является интеграция современных педагогических технологий – «модульное обучение» (Б. Скинер [24], Н.Е. Качура [11] и др.), «перевернутый класс» (Д. Бергман и А. Самсу [21] и др.), «межпредметная интеграция» (Я.А. Коменский [12], И. Гербарт [4], К.Д. Ушинский [19] и др.), «коллаборативное обучение» (A. Леувен и Ж. Жанссен [23] и др.), а также авторской технологии «кейс-проект-конструктор» (С.Ю. Глазов, Ю.С. Понамарева и В.Л. Усольцев [6] и др.).

Содержательной основой для разработки системы заданий является модульная коллекция кейсов , систематизированных в 3 группы: «Датчики, элементы и модули», «Датчиковые и модульные системы» и «Микропроцессорные устройства».

Кейсы «Датчики, элементы и модули» содержат информацию о конкретных типах электронных датчиков и модулей, в которых представлено базовое содержание: устройство датчика (или модуля), технические характеристики, принцип действия, рекомендации по сборке устройства на разных платах Ардуино, примеры скетчей с пошаговым описанием программного алгоритма для задач разного уровня сложности, алгоритмы и результаты калибровки датчиков. Например, кейс «Датчики температуры и влажности» содержит следующие материалы: «Датчик температуры и влажности DHT11», «Датчик температуры DS18B20», «Реакция микропроцессорной системы на показания датчиков», «Калибровка датчика температуры», «Техпаспорт датчика DS18B20» и др., а также заархивированные библиотеки, необходимые для работы с датчиками, и скетчи для конкретных проектов.

Кейсы «Датчиковые и модульные системы» включают описания датчиковых систем (например, кейс «Цифровая лаборатория по термодинамике», в котором представлен результат объединения самостоятельных датчиков температуры DS18B20 и давления BMP180) и систем, в которых компонуются различные датчики и модули Ардуи-но (например, кейс «Отображение информации. Индикаторы», в котором рассмотре- 51

на система из дисплея OLED_I2C и комбинированного датчика влажности и температуры DHT11). Содержанием кейсов является оригинальное описание технологии объединения датчиков и / или модулей технически (на одной плате Ардуино) и программно (управление одним скетчем), а также система отсылок к материалам кейсов первой группы (технические характеристики датчиков и модулей, правила их подключения к разным платам, инструкции по калибровке, стандартные библиотеки Ардуино и др.).

Кейсы «Микропроцессорные устройства» состоят из описания технологии разработки устройств из различных компонентов Ардуино. Например, кейс «Набор “Танцующий робот-Панда” на Ардуино», кроме стандартного описания комплектации робототехнического набора LAFVIN 4-DOF и примера скетча, управляющего движением робота, имеет рекомендации (в виде монтажных схем и комментированных скетчей) по расширению функционала робота за счет оснащения датчиками климат-контроля, датчиками препятствия, LCD-экраном, пьезодинамиком, системой управления через Bluetooth и пр.

Коллекция кейсов является открытой системой. Она пополняется за счет материалов, добавляемых авторами проекта «Разработка и апробация образовательной модели подготовки будущих учителей естественнонаучных дисциплин к применению микропроцессорных платформ», а также материалов, разработанных обучающимися в процессе выполнения проектно-конструкторских и научно-исследовательских заданий. Все кейсы коллекции доступны для ознакомления и использования не только участниками проекта (преподавателями и студентами естественнонаучных профилей), но и учителям-предметникам, заинтересованными в освоении микропроцессорных технологий, и школьникам, выполняющим научно-исследовательские проекты, связанные с разработкой и применением микропроцессорных устройств.

Коллекция кейсов представляет собой верифицированный контент. Достоверность и оригинальность теоретических материалов, работоспособность и безопасность монтажных схем, отсутствие ошибок в программном коде скетчей проверяются экспертизой специалистов в области физики, информатики, методики преподавания естественнонаучных дисциплин.

За счет этих свойств коллекция кейсов становится гибким инструментом для создания заданий по общей теме «Микропроцессорные платформы в проектно-исследовательской деятельности естественнонаучного профиля» для различных групп обучающихся (не только студентов, но и школьников и учителей) разного уровня подготовленности. При этом задания понимаются не как отдельные упражнения, которые закрепляют теоретические знания и тренируют практические умения, и не как линейная система усложняющихся заданий, которая «наращивает» знания и умения, а как целостная, многоуровневая, нелинейная сеть упражнений, формирующая индивидуальные образовательные траектории в зависимости от потребностей каждого обучающегося.

Общим подходом к структурированию системы заданий является модульно-иерархический, в соответствии с которым учебные и проектно-конструкторские задания группируются в три модуля.

Модуль 1 «Знакомство с основами работы Ардуино» составляют учебные задания с подробным учебно-методическим сопровождением. Задания направлены на ознакомление обучающихся с технологией Ардуино, включая основы программирования в среде Arduino IDE, и получение репродуктивного опыта создания измерительных, управляющих и контролирующих устройств на основе пошаговых инструкций, точных монтажных схем и готовых скетчей. Задания представлены в традиционной форме описания лабораторных работ естественнонаучного содержания и сгруппированы по тематическому принципу: «Подключение микроконтроллера и проверка его работоспособности», «Подключение светодиодов. Звуковая индикация. Пьезодинамик», «Ультразвуковой датчик. Определение расстояния до объекта», «Датчик температуры и влажности.

Строки», «Отображение информации. Индикаторы. Работа со строками», «Реакция микропроцессорной системы на изменения показаний датчиков. Ветвления», «Кнопка. Логические структуры», «Электромагнитное реле», «Инфракрасный датчик препятствия. Циклы», «Хранение данных. Списки», «Сервопривод».

Выполняя задания модуля 1, обучающиеся, имеющие низкий уровень подготовки в области микропроцессорных технологий, формируют систему базовых понятий, умений и навыков, необходимую для решения конкретных конструкторских заданий (модуль 2) и выполнения определенных исследовательских задач (модуль 3). Для обучающихся, имеющих опыт работы с микроконтроллером Ардуино, задания этого модуля являются актуализирующими и закрепляющими. В качестве учебных им предлагаются дополнительные задания, в которых требуется интерпретировать имеющиеся базовые знания и умения. Например, в теме «Подключение светодиодов» одним из основных заданий является «Создание модели трехсекционного светофора на основе предложенных монтажной схемы и скетча», а дополнительным заданием – «Создание модели трехсекционного светофора, работающего в предложенном режиме».

Важнейшим условием для эффективного выполнения учебных заданий является предварительная теоретическая подготовка обучающихся по технологии «перевернутый класс», в соответствии с которой учебный процесс разбивается на два этапа – самостоятельная домашняя подготовка по новой теме (на основе предоставленных учебных и дополнительных материалов) и аудиторная практическая работа по созданию микропроцессорных устройств под руководством педагога.

Модуль 2 «Учебные проекты» составляют задания проектного типа, нацеленные на разработку микропроцессорных устройств для стандартных ситуаций учебного эксперимента по естественнонаучным дисциплинам (демонстрационные опыты, лабораторные работы, практикумы, экспериментальные задачи и учебно-исследовательские проекты). Например, «Цифровая лаборатория для демонстрационного химического эксперимента», «Цифровой дозатор для химических реакций», «Цифровая лаборатория для проверки закона Ома на участке цепи», «Установка для исследования адиабатного процесса», «Контейнер для сбора и хранения биоматериала», «Автоматический полив растений в кабинете биологии», «Метеостанция для кабинета географии», «Цифровой датчик для исследования магнитного поля Земли», «Автоматический шлагбаум на радиоуправлении», «Елочная гирлянда, управляемая Bluetooth» и др.

Главная цель учебных проектов – закрепить опыт, сложившийся у обучающихся при выполнении учебных заданий (модуль 1), и сформировать у них устойчивый навык применения различных датчиков и электронных компонентов Ардуино в естественнонаучном эксперименте и простейших проектах, что необходимо для выполнения проектно-конструкторских и научно-исследовательских заданий (модуль 3).

Для поддержания «запаса интереса» у обучающихся и персонализации учебного контента, учитывающих индивидуальные потребности и уровень знаний каждого студента, задания проектов сгруппированы в несколько блоков. По содержанию задания разделены на «рекомендованные» (предлагаются преподавателем) и «свободные» (выбираются самостоятельно из коллекции кейсов). По уровню сложности – на «базовые» (предполагают выполнение стандартных лабораторных работ и типовых проектов естественнонаучного содержания с использованием готовых цифровых устройств, созданных другими обучающимися в модуле 3) и «продвинутые» (предполагают самостоятельную сборку цифровых устройств на основе подробного технического и методического описания).

Выполняя учебные проекты, студенты – будущие учителя приобретают не только практический опыт создания микропроцессорных устройств, но и методический опыт в области учебного эксперимента. При этом они осуществляют опытную проверку материалов, входящих в общую коллекцию кейсов.

Модуль 3 «Исследовательские и конструкторские проекты» составляют проектно-конструкторские и исследовательские задания естественнонаучного содержания, требующие создания оригинальных цифровых приборов и лабораторий для выполнения исследовательских проектов («Исследование влияния внешних условий на рост растений», «Исследование влияния примесей на физические свойства воды», «GPS-трекинг для полевых практик» и др.); IoT–объектов различного назначения (климат-контроль, умная теплица, умный аквариум, умная система освещения, умный медицинский термометр и др.); роботизированных установок для демонстрационного и лабораторного эксперимента с возможностью удаленного доступа («Установка с удаленным доступом для исследования абсолютно упругого и неупругого столкновения шаров», «Роботизированный дозатор для проведения химических реакций» и др.); роботов разной конструкции (мобильных, манипуляционных и мобильно-манипуляционных), а также систем автоматизации сбора, накопления и представления экспериментальных данных («Автоматизация установки для исследования факторов, влияющих на скорость химических реакций», «Создание автоматической системы сбора данных при исследовании фазовых переходов» и др.).

Выполнение таких заданий требует обращения обучающихся к опыту, накопленному в процессе выполнения учебных заданий (модуль 1) и учебных проектов (модуль 2), который реализуется уже на уровне научно-технического творчества и изобретательства. Выполненный проект обязательно должен быть описан теоретически, технически и методически и представлен в форме кейса, дополняющего и развивающего общую коллекцию кейсов «Микропроцессорные платформы в проектно-исследовательской деятельности естественнонаучного профиля». Это важная составляющая профессиональной компетентности современного учителя естественнонаучных дисциплин, который должен быть способен и готов не только сам осуществлять научно-исследовательскую и проектную деятельность, но и организовывать и сопровождать такую деятельность учащихся.

Выполнение заданий всех модулей возможно индивидуально, однако большей эффективности подготовка обучающихся к применению микропроцессорной техники достигает в коллаборативном взаимодействии, так как оно обеспечивает не просто совместное выполнение заданий, а расширение естественнонаучного кругозора участников проектной группы за счет интерактивного общения, обмена опытом и идеями. Проектные группы могут быть формальными (создаваться по решению или рекомендации руководителя) и неформальными (студенты объединяются на основе интереса к конкретному проектно-исследовательскому заданию). По типу организации коммуникации между участниками проектные группы могут быть очными (реализуют проект во время очных занятий и встреч) и сетевыми (команда участвует в процессе работы над проектом дистанционно с помощью коммуникационных технологий без привязки к конкретному учебному занятию). Коллаборация может формироваться не только из студентов – будущих учителей естественнонаучных дисциплин, информатики, математики и технологии, но и включать учителей-предметников, школьников, студентов других вузов, специалистов из разных сфер.

Описанная система учебных и проектно-конструкторских заданий «Микропроцессорные платформы в проектно-исследовательской деятельности естественнонаучного профиля» легко адаптируется под разные запросы и условия. На ее базе разработаны и внедрены в образовательный процесс ВГСПУ:

• 1)    факультативный учебный курс «Лаборатория Ардуино», предназначенный для снижения порога вхождения обучающихся в микропроцессорные технологии с возможностью конструирования контента с разным уровнем сложности и детализации;

• 2)    отдельные работы лабораторных практикумов по базовым предметам (физике, химии, биологии, информатике) с использованием микропроцессорных устройств, соз-

• данных студентами в рамках индивидуальных семестровых заданий, курсовых работ и выпускных квалификационных работ;

• 3)    коллекция кейсов для новых образовательных пространств (в частности, для Лаборатории Академического Кванториума ВГСПУ «Микропроцессорные платформы в проектно-исследовательской деятельности естественнонаучного профиля»), которые работают по принципу makerspaces, предоставляя доступ широкому кругу заинтересованных лиц (студентам, преподавателям вузов, школьникам, учителям и др.) к информационным и материально-техническим ресурсам, необходимым для разработки оригинальных инновационных проектов с использованием микропроцессорных технологий;

• 4)    база тем, идей и замыслов для научно-исследовательских проектов, выполняемых учащимися сетевых естественнонаучных классов ВГСПУ, что является апробаци-онной и стажировочной площадкой, на которой студенты – будущие учителя оттачивают практические навыки разработки микропроцессорных устройств для конкретных исследовательских проектов, а также формируют методический опыт обучения школьников основам разработки микропроцессорных устройств и опыт сопровождения проектно-исследовательской деятельности.

Апробация системы учебных и проектно-конструкторских заданий «Микропроцессорные платформы в проектно-исследовательской деятельности естественнонаучного профиля» прошла успешно. В эксперименте приняли участие 130 студентов и магистрантов Института математики, информатики и физики ВГСПУ, а также 32 учителя и 40 учащихся из разных школ г. Волгограда и области. Его результаты показали положительную динамику формирования у всех обучающихся компетенций в области разработки и применения микропроцессорных технологий.

Созданные дидактические средства (учебный курс, учебные тексты, кейсы, проектно-исследовательские задания и др.) могут использоваться студентами педвузов, обучающимися по направлению «Педагогическое образование» профили «Физика», «Биология», «Химия», «География», «Естествознание», «Информатика», «Математика», «Технология»; преподавателями педвузов, ведущими дисциплины предметного и методического блоков; учителями-предметниками, школьниками, методистами и сотрудниками Технопарков, Кванториумов, Точек роста, IT-кубов, STEM-лабораторий и других центров выявления и поддержки одаренных детей.