Робот как идеальное средство обучения информатике
Андреева Ольга Алексеевна,
учитель информатики, методист
ГБОУ лицей №329
Невского района Санкт-Петербурга
Невского района Санкт-Петербурга
В современной школе осваивается новое средство обучения – робототехнические конструкторы для создания моделей роботов. Их появление в школе обусловлено «роботизацией» жизненного пространства, промышленной и деловой сферы, появлением новых профессий на рынке труда. Роботы привносят в школу технологии XXI века, способствуют популяризации инженерных профессий, повышают интерес молодежи к техническим наукам.
Какие образовательные и воспитательные задачи роботы помогают решать учителю? Это, во-первых, реализация системно-деятельностного подхода в обучении, во-вторых, формирование универсальных учебных действий, в-третьих, расширение возможностей для использования современных технологий обучения: технологии проектного обучения, технологии развития критического мышления, игровой технологии. Это решение задач в соответствии с ФГОС
Робот как средство обучения интегрирует предметные знания нескольких учебных дисциплин.
Предмет «Математика»: задача расчета траектории движения робота требует знания свойств пропорции, знания формулы длины окружности, умения выполнять действия с углами.
Предмет «Физика»: для построения модели робота надо применять знания по темам механика, кинематика, физические методы изучения природы, электротехника и другие.
Предмет «Технология»: образовательная робототехника встраивается в разделы «Машины и механизмы», «Графическое представление и моделирование», «Электротехнические работы», проектная деятельность.
Предмет «Информатика»: управление роботом осуществляется на основе собранной с помощью датчиков информации об окружающем мире и в соответствии с исполняемой роботом программой.
Таким образом, занятия робототехникой интегрируют знания нескольких образовательных областей естественных наук, инженерии и технологии. Такой подход к обучению получил название STEM- образование (от англ. S – science, T – technology, E – engineering, M – mathematics) и является одним из передовых образовательных трендов в мире.
Опираясь на опыт проведения курсов «Конструирование роботов» для 5-х классов и «Управление роботом» для 6-х классов в формате внеурочных занятий, могу утверждать, что следующие способности, навыки и умения ученика являются базовыми для успешных занятий робототехникой:
Какие образовательные и воспитательные задачи роботы помогают решать учителю? Это, во-первых, реализация системно-деятельностного подхода в обучении, во-вторых, формирование универсальных учебных действий, в-третьих, расширение возможностей для использования современных технологий обучения: технологии проектного обучения, технологии развития критического мышления, игровой технологии. Это решение задач в соответствии с ФГОС
Робот как средство обучения интегрирует предметные знания нескольких учебных дисциплин.
Предмет «Математика»: задача расчета траектории движения робота требует знания свойств пропорции, знания формулы длины окружности, умения выполнять действия с углами.
Предмет «Физика»: для построения модели робота надо применять знания по темам механика, кинематика, физические методы изучения природы, электротехника и другие.
Предмет «Технология»: образовательная робототехника встраивается в разделы «Машины и механизмы», «Графическое представление и моделирование», «Электротехнические работы», проектная деятельность.
Предмет «Информатика»: управление роботом осуществляется на основе собранной с помощью датчиков информации об окружающем мире и в соответствии с исполняемой роботом программой.
Таким образом, занятия робототехникой интегрируют знания нескольких образовательных областей естественных наук, инженерии и технологии. Такой подход к обучению получил название STEM- образование (от англ. S – science, T – technology, E – engineering, M – mathematics) и является одним из передовых образовательных трендов в мире.
Опираясь на опыт проведения курсов «Конструирование роботов» для 5-х классов и «Управление роботом» для 6-х классов в формате внеурочных занятий, могу утверждать, что следующие способности, навыки и умения ученика являются базовыми для успешных занятий робототехникой:
- хорошо развитая мелкая моторика,
- пространственное воображение,
- умение строить объемную модель по схеме,
- развитое абстрактное мышление,
- наличие навыков коммуникативного взаимодействия.
В начале занятий робототехникой необходимо ввести некоторые технические термины и инженерные понятия (ось, балка, шестерня, передача, центр тяжести, рычаг, сенсор, мотор, частота вращения и т. п.). Для этого рекомендую использовать «Тест Беннета» с портала nazva.net. Тест представляет собой подборку задач на механическую понятливость, в которых рассматриваются элементы и принципы работы самых обыденных устройств – велосипеда, автомобиля, вентилятора, механических часов. Далее по мере углубления в тему будут полезны материалы курса «Инженерное дело» от портала Лекториум, который рассказывает о сути инженерной деятельности, о работе инженеров разных специальностей, предлагает выполнить интересные практические задания.
Каждая робототехническая задача – это в меньшей или большей степени проектная работа, состоящая из двух неразрывных частей:
Каждая робототехническая задача – это в меньшей или большей степени проектная работа, состоящая из двух неразрывных частей:
- конструирование робота,
- создание программы для управления роботом.
Последовательность этапов работы может соответствовать образовательной технологии проектной деятельности:
- Постановка задачи, планирование работы.
- Формирование группы.
- Обмен идеями, мнениями внутри группы.
- Формулировка вспомогательных задач (подзадач).
- Определение сроков работы.
- Проектирование.
- Анализ содержания работы.
- Поиск и отбор информации.
- Реализация идей на практике.
- Анализ отрицательных результатов (если есть).
- Обращение за помощью (если надо).
- Обобщение.
- Описание пути достижения результата.
- Обобщение новых знаний и умений.
- Планирование дальнейших действий.
Задача учителя – пройти с учеником этот путь, не страхуя от неудач, но предупреждая разочарование из-за возможных трудностей. Очень важно организовать занятия так, чтобы дети сами открывали для себя новое посредством значимой для себя деятельности.
Как робот помогает изучать информатику? Укажу лишь несколько тем информатики, на которых базируется робототехника.
Тема «Файлы и файловая система».
В распоряжении школьника оказался микрокомпьютер LEGO®NXT из образовательного набора LEGO Mindstorms NXT Education. Управление его файловой системой происходит стандартными командами, но поскольку объем памяти не велик, контроль нужного и ненужного требуется вести постоянно. Для того, чтобы озвучить действия робота, вывести на дисплей картинку, пополнить библиотеку рабочих программ, необходимо оперировать базовыми понятиями информатики: файл, тип файла, путь к файлу, меню, папка.
Тема «Информационные процессы», «Кодирование информации».
Робототехнический набор снабжен датчиками, которые регистрируют звуковую, тактильную и видеоинформацию. После оцифровки информация может быть отображена на экране дисплея. Специальная функция микрокомпьютера даёт возможность экспериментировать с датчиками, моторами, используя готовые к запуску программы. После проведения серии экспериментов с датчиками возникает понимание: почему ультразвуковой датчик расстояния работает медленнее, чем инфракрасный датчик освещенности, как звук превращается в цифровой код и так далее. Исследование информационных процессов и принципов кодирования информации дает более глубокое понимание сути информационных технологий.
Тема «Коммуникационные технологии».
Микрокомпьютер LEGO®NXT поддерживает технологию беспроводной связи. При помощи функции Bluetooth можно установить беспроводное соединение между микрокомпьютером NXT и другими устройствами, обладающими устройством Bluetooth, например, с другими NXT, с мобильными телефонами или с компьютерами. Установив соединение Bluetooth, возможно: загружать программы с компьютера дистанционно; отправлять программы с других устройств (не с компьютера), в том числе и с NXT; отправлять программы как на отдельные NXT, так и на их группы. Эта технология дает возможность управлять роботом с помощью мобильного телефона.
Темы «Алгоритмы. Исполнитель алгоритмов», «Среда программирования».
Для начального знакомства с роботом можно осуществлять прямое программирование блока NXT без обращения к компьютеру. Прямо на экране дисплея по шаблону из пяти команд можно составить простую программу и зациклить ее. Однако без знания базовых алгоритмических конструкций и освоения среды программирования не обойтись. Именно возможность программирования робота делает его универсальным исполнителем, способным решать разнообразные задачи. Начинать осваивать технологию программирования следует с визуальных сред программирования, далее переходя к более мощным и современным событийно-ориентированным средам.
Таким образом, робототехника востребует базовые знания информатики, а неиссякаемое желание ученика сделать своего робота «лучшим» подталкивает его к освоению новых знаний.
Почему же робота можно назвать идеальным средством обучения? Потому что это средство дает возможность создать среду обучения, которая востребует естественные стремления ребенка играть, творить, общаться со сверстниками. Итак, можно выделить преимущества робототехники как средства обучения:
• Усвоение знаний происходит в процессе игры.
• Конструирование робота предлагает свободу творчества.
• Стремление совершенствовать свою работу есть у большинства учеников.
В качестве примера хочу привести модель «Робота-разносчика бесплатных угощений», созданного учеником 6 класса в рамках курса «Программирование роботом» на внеурочных занятиях. Робот собран из набора LEGO MINDSTORMS NXT Education 9797 по стандартной модели Альфарекс 1.0, и дополнен датчиком цвета для индикации состояния робота и лотком для угощений.
Цель работы – реализовать модель походки человека, насколько это возможно при имеющихся ресурсах. Движением каждой ноги управляет мотор и механический узел из шестеренок и рычагов. Один рычаг перемещает ногу вверх-вниз, другой продвигает ее вперед. При этом корпус отклоняется в сторону опорной ноги, за счет чего робот сохраняет равновесие. Такая походка называется «шаркающей»
Отдельный мотор управляет датчиком расстояния и руками-рычагами, на которых закреплены датчик касания и датчик цвета. Лоток для угощений закреплен неподвижно.
Робот запрограммирован на выполнение роли разносчика, например, бесплатных угощений, по следующему алгоритму поведения. Робот сопровождает свое движение по прямой фразой: «Я – робот Альфарекс, угощаю бесплатно!» Человек, желающий вступить в контакт с роботом, может остановить его жестом. После останова робот произносит фразу: «Угостись и нажми кнопку!». Взяв конфету, человек в знак благодарности должен нажать на кнопку один раз. Через три секунды после останова робот продолжит свое движение. Когда угощения закончатся (робот запрограммирован на конкретное количество конфет на лотке), робот попрощается, загорится красный сигнал индикатора, робот остановится.
Программа для управления роботом написана в среде NXT Programming 2.0.
В программе использованы конструкции:
Как робот помогает изучать информатику? Укажу лишь несколько тем информатики, на которых базируется робототехника.
Тема «Файлы и файловая система».
В распоряжении школьника оказался микрокомпьютер LEGO®NXT из образовательного набора LEGO Mindstorms NXT Education. Управление его файловой системой происходит стандартными командами, но поскольку объем памяти не велик, контроль нужного и ненужного требуется вести постоянно. Для того, чтобы озвучить действия робота, вывести на дисплей картинку, пополнить библиотеку рабочих программ, необходимо оперировать базовыми понятиями информатики: файл, тип файла, путь к файлу, меню, папка.
Тема «Информационные процессы», «Кодирование информации».
Робототехнический набор снабжен датчиками, которые регистрируют звуковую, тактильную и видеоинформацию. После оцифровки информация может быть отображена на экране дисплея. Специальная функция микрокомпьютера даёт возможность экспериментировать с датчиками, моторами, используя готовые к запуску программы. После проведения серии экспериментов с датчиками возникает понимание: почему ультразвуковой датчик расстояния работает медленнее, чем инфракрасный датчик освещенности, как звук превращается в цифровой код и так далее. Исследование информационных процессов и принципов кодирования информации дает более глубокое понимание сути информационных технологий.
Тема «Коммуникационные технологии».
Микрокомпьютер LEGO®NXT поддерживает технологию беспроводной связи. При помощи функции Bluetooth можно установить беспроводное соединение между микрокомпьютером NXT и другими устройствами, обладающими устройством Bluetooth, например, с другими NXT, с мобильными телефонами или с компьютерами. Установив соединение Bluetooth, возможно: загружать программы с компьютера дистанционно; отправлять программы с других устройств (не с компьютера), в том числе и с NXT; отправлять программы как на отдельные NXT, так и на их группы. Эта технология дает возможность управлять роботом с помощью мобильного телефона.
Темы «Алгоритмы. Исполнитель алгоритмов», «Среда программирования».
Для начального знакомства с роботом можно осуществлять прямое программирование блока NXT без обращения к компьютеру. Прямо на экране дисплея по шаблону из пяти команд можно составить простую программу и зациклить ее. Однако без знания базовых алгоритмических конструкций и освоения среды программирования не обойтись. Именно возможность программирования робота делает его универсальным исполнителем, способным решать разнообразные задачи. Начинать осваивать технологию программирования следует с визуальных сред программирования, далее переходя к более мощным и современным событийно-ориентированным средам.
Таким образом, робототехника востребует базовые знания информатики, а неиссякаемое желание ученика сделать своего робота «лучшим» подталкивает его к освоению новых знаний.
Почему же робота можно назвать идеальным средством обучения? Потому что это средство дает возможность создать среду обучения, которая востребует естественные стремления ребенка играть, творить, общаться со сверстниками. Итак, можно выделить преимущества робототехники как средства обучения:
• Усвоение знаний происходит в процессе игры.
• Конструирование робота предлагает свободу творчества.
• Стремление совершенствовать свою работу есть у большинства учеников.
В качестве примера хочу привести модель «Робота-разносчика бесплатных угощений», созданного учеником 6 класса в рамках курса «Программирование роботом» на внеурочных занятиях. Робот собран из набора LEGO MINDSTORMS NXT Education 9797 по стандартной модели Альфарекс 1.0, и дополнен датчиком цвета для индикации состояния робота и лотком для угощений.
Цель работы – реализовать модель походки человека, насколько это возможно при имеющихся ресурсах. Движением каждой ноги управляет мотор и механический узел из шестеренок и рычагов. Один рычаг перемещает ногу вверх-вниз, другой продвигает ее вперед. При этом корпус отклоняется в сторону опорной ноги, за счет чего робот сохраняет равновесие. Такая походка называется «шаркающей»
Отдельный мотор управляет датчиком расстояния и руками-рычагами, на которых закреплены датчик касания и датчик цвета. Лоток для угощений закреплен неподвижно.
Робот запрограммирован на выполнение роли разносчика, например, бесплатных угощений, по следующему алгоритму поведения. Робот сопровождает свое движение по прямой фразой: «Я – робот Альфарекс, угощаю бесплатно!» Человек, желающий вступить в контакт с роботом, может остановить его жестом. После останова робот произносит фразу: «Угостись и нажми кнопку!». Взяв конфету, человек в знак благодарности должен нажать на кнопку один раз. Через три секунды после останова робот продолжит свое движение. Когда угощения закончатся (робот запрограммирован на конкретное количество конфет на лотке), робот попрощается, загорится красный сигнал индикатора, робот остановится.
Программа для управления роботом написана в среде NXT Programming 2.0.
В программе использованы конструкции:
- линейная для перемещения робота;
- с ветвлением для проверки условий «Есть ли клиент?», «Факт контакта установлен?», «Угощение закончилось?»;
- повторение цикла общения и угощения.
Для подсчета количества выданных угощений ведется подсчет нажатий на кнопку датчика касания (факт состоявшегося контакта человек-робот). Условие завершения цикла – все угощения розданы (значение счетчика равно количеству конфет на лотке). Зеленый цвет индикатора - угощения есть, красный цвет – угощения закончились.
Работа с комментариями автора проекта представлена на видеопортале Youtube по ссылке https://www.youtube.com/watch?v=qHF7aVtqUxs.
Введение курса робототехники позволяет решить целый спектр задач, в том числе создает условия для развития и самовыражения подростка, организует досуг детей и подростков с использованием современных информационных технологий, способствует выявлению одаренных детей в области технического конструирования.
Список использованной литературы
Работа с комментариями автора проекта представлена на видеопортале Youtube по ссылке https://www.youtube.com/watch?v=qHF7aVtqUxs.
Введение курса робототехники позволяет решить целый спектр задач, в том числе создает условия для развития и самовыражения подростка, организует досуг детей и подростков с использованием современных информационных технологий, способствует выявлению одаренных детей в области технического конструирования.
Список использованной литературы
- Копосов Д. Г. Технология. Робототехника. 5 класc: учебное пособие / — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2017.
- Копосов Д. Г. Технология. Робототехника. 6 класc: учебное пособие / — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2017.
- Филиппов С.А. Уроки робототехники. Конструкция. Движение. Управление. / — М.: Лаборатория знаний, 2017.
