Реализация проекта 'Экоград' с применением робототехнического комплекта Lego Mindstorms EV3 в основной школе
РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЕКТА «ЭКОГРАД» С ПРИМЕНЕНИЕМ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО
КОМПЛЕКТА LEGO MINDSTORMS EV3 В ОСНОВНОЙ ШКОЛЕ
СОДЕРЖАНИЕ
робототехника
дидактический образовательный
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1.
НАУЧНО - ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА «ЭКОГРАД» В ОСНОВНОЙ ШКОЛЕ
.1 Роль и
место робототехнических комплектов в ООО
.2
Характеристика проекта «Экоград»
.3 Анализ
используемых робототехнических комплектов для реализации проекта «Экоград»
ГЛАВА 2.
МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА «ЭКОГРАД» С ПРИМЕНЕНИЕМ LEGO MINDSTORMS EV3 В ОСНОВНОЙ ШКОЛЕ
.1 Разработка
электронной поддержки образовательного процесса по робототехнике для
обучающихся 7-9 классов
.2
Организация образовательного процесса по реализации проекта «Экоград»
.3 Результат
апробации разработанной методики обучения робототехнике в 7 - 9 классах с
использованием комплекта Lego Mindstorms EV3
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК
ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
Робототехника является одним из важнейших направлений научно -
технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий
соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта. Сферы применения роботов
различны: медицина, оборонно-промышленный комплекс, строительство, геодезия,
метеорология и т.д. Очень многие процессы в жизни человек уже и не мыслит без
робототехнических устройств (мобильных роботов): робот для всевозможных детских
и взрослых игрушек, робот - сиделка, робота - домработница и т.д. Роботы
становятся неотъемлемыми объектами современного мира. Специалисты, обладающие
знаниями в этой области, становятся все более востребованными. О необходимости
сфокусироваться на таком направлении как робототехника и подготовке
соответствующих специалистов говорится в целом ряде различных документов [23,
25, 29]
В связи с большим темпом развития робототехники в обществе -
образовательная робототехника, под которой понимается междисциплинарное
направление обучения школьников, интегрирующее знания о физике, технологии,
математике, кибернетике и информатике, и позволяющее вовлечь в процесс
инновационного научно-технического творчества учащихся разного возраста, уже
сегодня приобретает все большую значимость и актуальность [5].
В ряде публикаций, отмечается, что изучение робототехники целесообразно
организовывать в тесной связи с математикой, естественнонаучными дисциплинами,
технологией и, конечно же, информатикой [24, 29].
Обучающие функции робототехнических комплектов состоят, в том, что
школьники, занимаясь робототехникой, осваивают новый и важный пласт современной
технической культуры: приобретают современные политехнические знания и умения,
овладевают соответствующими техническими и технологическими концепциями.
Занятия по информатике, на которых изучаются вопросы алгоритмизации,
информационные основы управления, как ни какая другая школьная дисциплина,
закладывает основы в обучении школьников робототехнике. При этом, использование
роботов на занятиях по информатике, позволит не только сформировать
определенные умения, но и показать практическую значимость полученных знаний и
умений, в том числе, и в ходе выполнения различных проектных работ.
Возможность рассмотрения вопросов робототехники на занятиях по
информатике нашла отражение в примерной основной образовательной программе
основного общего образования, где робототехника представлена отдельным блоком в
основном содержании учебного предмета «Информатика» [24].
Для введения робототехники в основное общее образование, с нашей точки
зрения, интерес представляет проект «Экоград», позволяющий познакомить
обучающихся с основами проектирования и конструирования для выполнения
конкретных задач, возникающих в жизни.
К сожалению, имеющиеся для проекта «Экоград» материалы (рекомендации по
сборке роботов и программы) возможно применить для нового комплекта,
поставляемого в настоящее время в образовательные учреждения, являющегося
усовершенствованной линейкой образовательных комплектов и обладающего рядом
преимуществ - лишь частично. При этом, разработанные электронные
образовательные ресурсы для проекта «Экоград», позволили бы реализовать
знакомство обучающихся с деталями конструктора LEGO, моторами, датчиками, интерфейсом и возможностями
приложения LEGO MINDSTORMS EV3, готовя ребят к дальнейшей работе с робототехническими
комплектами.
Многие аспекты методической системы обучения информатике отражены в
работах А.А. Кузнецова, С.А. Бешенкова, В.С. Леднева и др.
Вопросы проектной деятельности рассматриваются в работах Т.Б. Захаровой,
И.Д. Чечель и др. Вопросы образовательной робототехники отражены в работах
следующих исследователей: М.Г. Ершова, Н.Н. Самылкиной, К.А. Вегнера, С.А.
Филиппова, М.В. Васильева, В.В. Тарапаты, A. Carberry, M. Bers, Ch. Rogers и др. В большинстве случаев внимание
уделяется вопросам организации робототехнического творчества учащихся в
дополнительном образовании.
В целом, анализ научно-методических работ показал, что сегодня уже не
подвергается сомнению, что робототехника должна занимать особое место в
содержание основного общего образования. При этом большими возможностями для
изучения робототехники обладает проект «Экоград». Однако как показал анализ
литературы, пока нет четко обоснованных подходов построения методики изучения
вопросов робототехники. Нужны дополнительные исследования в этом направлении.
Это обстоятельство определяет проблему, поставленную в данном исследовании.
Таким образом, можно сказать, что проблема эффективной организации
образовательного процесса в проекте «Экоград» с применением комплекта LEGO MINDSTORMS EV3 в основной школе продолжает оставаться актуальной.
Целью данного исследования является разработка и обоснование подхода,
позволяющего более эффективно организовать образовательный процесс в проекте
«Экоград» с применением комплекта LEGO MINDSTORMS EV3 в 7-9 классах.
Объект исследования - изучение робототехники на базе проекта «Экоград» в основном
общем образовании.
Предметом исследования являются особенности организации образовательного
процесса в проекте « Экоград» с применением комплекта LEGO MINDSTORMS EV3 в 7-9 классах.
Изложенная выше цель является основанием для определения задач
исследования:
1. Изучить роль и место робототехнических комплектов в основном
общем образовании.
2. Охарактеризовать проект «Экоград» и выявить дидактический
потенциал проекта в изучении робототехники в основной школе.
3. Провести анализ использования робототехнических комплектов для
реализации проекта «Экоград».
4. Разработать электронную поддержку образовательного процесса по
робототехнике для обучающихся 7 - 9 классов.
5. Определить подходы в организации образовательного процесса по
реализации проекта «Экоград».
6. Провести апробацию разработанной методики обучения робототехнике
в 7 - 9 классах с использованием комплекта LEGO MINDSTORMS EV3.
Новизна и
теоретическая значимость исследования заключается в следующем:
1. Выявлен дидактический потенциал проекта «Экоград» в изучении
робототехники в основной школе.
2. Разработана электронная поддержка образовательного процесса
по робототехнике для обучения 7 - 9 классов.
3. Предложены подходы к организации образовательного процесса по
реализации проекта «Экоград».
Наряду с этим, исследование обладает практической значимостью,
которая выражается в том, что разработанные ресурсы могут быть использованы
учителями при обучении робототехнике.
Апробация и внедрение результатов исследования. Материалы исследования обсуждались
на заседаниях кафедры теории и методики обучения информатике (Москва,
2015-2016) и на Международной научно-практической интернет-конференции (Москва,
2016).
Внедрение результатов исследования было осуществлено в 2015г. в ГБОУ СОШ
№1231 в 7 классах.
Публикации. Отдельные вопросы содержания выпускной квалификационной
работы отражены в публикации «Некоторые аспекты обучения школьников
робототехнике» [18].
ГЛАВА 1. НАУЧНО-ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА
«ЭКОГРАД» В ОСНОВНОЙ ШКОЛЕ
1.1 Роль и
место робототехнических комплектов в ООО
Во все времена научная и производственная деятельность человека
определялась, с одной стороны, потребностью развития и усовершенствования
общественного производства как базы для достижения экономического могущества, с
другой - необходимостью исследования и освоения новых нетрадиционных
пространств и сфер деятельности.
Сегодня робототехника очень плотно вошла в жизнь человека. Главным
фактором развития робототехники в современном обществе является развитие
больших производств и необходимость в большом количестве рабочей силы. Роботы
сегодня почти полностью заменяют человека в разных областях.
Все разрабатываемые человеком механизмы призваны, в первую очередь,
существенно облегчить его жизнь. В медицинской сфере идет активная разработка
микророботов, которые в последующем могут быть погружены в организм человека
для проведения лечения. В Японии уже активно используются прототипы людей для
работы в больницах медработниками. Предполагается, что в скором будущем они
даже смогут поднимать и переносить больных. Сегодня роботы данного типа могут
распознавать лица и хорошо реагируют на голос.
О необходимости сфокусироваться на таком направлении как робототехника и
подготовке соответствующих специалистов говорится в целом ряде различных
документов, таких как: Стратегия развития отрасли информационных технологий в
Российской Федерации на 2014 - 2020 годы и на перспективу до 2025 год; Прогноз
научно-технологического развития Российской Федерации на период до 2030 года (в
которых говорится о том, что робототехника является одним из приоритетных
направлений исследований и разработок в области информационных технологий);
Приказ Минтруда России от 02.11.2015 N 831 «Об утверждении списка 50 наиболее востребованных на рынке труда,
новых и перспективных профессий, требующих среднего профессионального
образования» [23, 24, 29].
В связи с быстрым темпом развития робототехники в обществе -
образовательная робототехника, под которой понимается междисциплинарное
направление обучения школьников, интегрирующее знания о физике, технологии,
математике, кибернетике и информатике, и позволяющее вовлечь в процесс
инновационного научно-технического творчества учащихся разного возраста, уже
сегодня приобретает все большую значимость и актуальность [5].
В основной школе, учащиеся уже готовы к восприятию робототехники как
серьезной науки, готовы к решению технических задач в силу устойчивой
подготовки и освоению некоторых необходимых тем по математике. Учащиеся готовы
к логическому и творческому мышлению более серьезно, чем в начальной школе. Так
как самые сложные задачи, которые решаются в робототехнике - это
конструкторские и программистские, то интегрируясь в информатику основной
школы, робототехника создаст благодатную почву для изучения алгоритмизации,
упрощая понимание основ алгоритмических конструкций и приемов программирования.
Позволит подготовить обучающихся основной щколы к изучению языков
программирования, пониманию процессов моделирования, грамотно использовать
средства информационных технологий в учебной деятельности.
Отдельные аспекты введения робототехники в общее образование освещены в
работах Н.Н. Самылкиной, С.А. Филиппова, М.В. Васильева, В.В. Тарапаты , К.А.
Вегнера, М.Г. Ершова и др. В ряде публикаций, отмечается, что изучение
робототехники целесообразно организовывать в тесной связи с математикой,
естественнонаучными дисциплинами, технологией и, конечно же, информатикой. [5,
6, 11, 12, 13, 28, 30, 34] Организация занятий по робототехнике в
образовательном учреждении подразумевает: развитие научно-технического
творчества; внедрение научно- практических технологий в образовательный
процесс; популяризация инженерной профессии; развитие робототехники в мире.
В связи с появлением новых возможностей в организации учебного процесса с
использованием роботов выделяются следующие компоненты образовательного
процесса, в которых появляется робототехника:
1. Элективные курсы и кружковая формы работы.
2. Исследования, проектная работа, участие в конкурсах, включая
дистанционные и сетевые формы. При этом, школьник должен иметь возможность самоопределиться
в выборе уровня знакомства с робототехникой. Либо ему будет достаточно базового
уровня, либо он будет знакомиться с робототехникой по расширенному или углублѐнному
варианту, выбирая элективные курсы, проектную деятельность и другие формы.
В практической деятельности преподаватели выделяют виды проектной
деятельности учащихся на занятиях по робототехнике, а именно [20, 21]:
1) создание нового робота или модернизация имеющегося
(конструктивные, элементные и программные обновления) для решения исследовательской
или прикладной учебной задачи на базе типовых образовательных наборов по
робототехнике;
2) создание нового робота или его модернизация для решения
исследовательской или прикладной учебной задачи на основе:
а) самостоятельной разработки новых датчиков и других систем робота,
расширяющих возможности его практического применения;
б) использование робота совместно с другими техническими системами, в том
числе оборудованием школьного кабинета информатики, математики, физики,
технологии.
Основными плюсами образовательной робототехники являются:
1. Популярность робототехники среди школьников и молодежи с
каждым годом. Она позволяет детям в увлекательной форме познавать законы
физики, математики, информатики, развивать пространственное мышление, логику,
учиться работать в команде. Робототехника вовлекает ребенка в мир творчества,
дает стимул для получения новых знаний. Она поощряет детей мыслить творчески,
анализировать, критически относиться к своей работе.
2. Курс робототехники отвечает требованиям федеральных
стандартов второго поколения, одним из которых является деятельностный подход в
образовании, ставящий главной целью развитие личности учащегося. Робототехника
направлена на формирование творческой личности, живущей в современном мире
компьютерных технологий.
3. В отличие от множества виртуальных учебных исполнителей
(Черепаха, Чертежник), и которые помогают обучающимся изучить тему
«Алгоритмизация», роботы реальны, что не только увеличивает мотивационную
составляющую изучаемого материала, но и вносит в него исследовательский
компонент.
Образовательная робототехника:
· позволяет: повысить мотивацию у учащихся, углубить и
расширить предметные знания, совершенствовать знания в технической области,
сформировать умения и навыки в сфере технического проектирования, моделирования
и конструирования, усилить профильную подготовку учащихся и их ориентацию на
профессии инженерно- технического уровня и др.
· способствует достижению планируемых результатов освоения
основной образовательной программы:
1. НОО [32]:
- воспитание и развитие качеств личности, отвечающих
требованиям информационного общества, инновационной экономики, задачам
построения демократического гражданского общества на основе толерантности,
диалога культур и уважения многонационального, поликультурного состава
российского общества;
- активное использование речевых средств и средств
информационных и коммуникационных технологий для решения коммуникативных и
познавательных задач;
- использование различных способов поиска (в справочных
источниках и открытом учебном информационном пространстве сети Интернет),
сбора, обработки, анализа, организации, передачи и интерпретации информации в
соответствии с коммуникативными и познавательными задачами и технологиями
учебного предмета; в том числе умение вводить текст с помощью клавиатуры,
фиксировать (записывать) в цифровой форме измеряемые величины и анализировать
изображения, звуки, готовить свое выступление и выступать с аудио-, видео- и
графическим сопровождением; соблюдать нормы информационной избирательности,
этики и этикета;
2. ООО [32 ]:
- формирование и развитие компетентности в области
использования информационно-коммуникационных технологий;
- понимание роли информационных
процессов в современном мире;
- получают представление об основных информационных процессах в
реальных ситуациях;
- формирование информационной и алгоритмической культуры;
формирование представления о компьютере как универсальном устройстве обработки
информации; развитие основных навыков и умений использования компьютерных
устройств;
- формирование представления об основных изучаемых понятиях:
информация, алгоритм, модель - и их свойствах;
- развитие алгоритмического мышления, необходимого для
профессиональной деятельности в современном обществе; развитие умений составить
и записать алгоритм для конкретного исполнителя; формирование знаний об
алгоритмических конструкциях, логических значениях и операциях; знакомство с
одним из языков программирования и основными алгоритмическими структурами -
линейной, условной и циклической;
- формирование навыков и умений безопасного и целесообразного
поведения при работе с компьютерными программами и в Интернете, умения
соблюдать нормы информационной этики и права.
3. СОО [33]:
- готовность и способность к самостоятельной информационно-
познавательной деятельности, включая умение ориентироваться в различных
источниках информации, критически оценивать и интерпретировать информацию,
получаемую из различных источников;
- умение использовать средства информационных и
коммуникационных технологий в решении когнитивных, коммуникативных и
организационных задач с соблюдением требований эргономики, техники
безопасности, гигиены, ресурсосбережения, правовых и этических норм, норм
информационной безопасности
- сформированность основ логического, алгоритмического и
математического мышления;
- сформированность представлений о роли информатики в
современном обществе, понимание основ правовых аспектов использования
компьютерных программ и работы в Интернете;
- сформированность представлений о влиянии информационных
технологий на жизнь человека в обществе; понимание социального, экономического,
политического, культурного, юридического, природного, эргономического,
медицинского и физиологического контекстов информационных технологий;
- сформированность представлений о роли информации и связанных
с ней процессов в окружающем мире;
- владение навыками алгоритмического мышления и понимание
необходимости формального описания алгоритмов;
- владение умением понимать программы, написанные на выбранном
для изучения универсальном алгоритмическом языке высокого уровня; знанием
основных конструкций программирования; умением анализировать алгоритмы с
использованием таблиц;
- владение стандартными приѐмами написания на
алгоритмическом языке программы для решения стандартной задачи с использованием
основных конструкций программирования и отладки таких программ; использование
готовых прикладных компьютерных программ по выбранной специализации;
- сформированность представлений о компьютерно-математических
моделях и необходимости анализа соответствия модели и моделируемого объекта
(процесса); о способах хранения и простейшей обработке данных; понятия о базах
данных и средствах доступа к ним, умений работать с ними;
- владение компьютерными средствами представления и анализа
данных;
- сформированность базовых навыков и умений по соблюдению
требований техники безопасности, гигиены и ресурсосбережения при работе со
средствами информатизации; понимания основ правовых аспектов использования
компьютерных программ и работы в Интернете.
Использование робототехнических комплексов способствуют формированию
регулятивных УУД.
1. Способность к целеполаганию.
Учащийся учится ставить цель и, удерживая еѐ на протяжении всего
занятия, достигает необходимого результата. Самостоятельно разрабатывая
собственного робота, он учится ставить перед собой учебную задачу.
2. Развитие способности к планированию.
Поставив перед собой цель, учащийся составляет план деятельности по
моделированию своего робота или изменению уже готового. Он учится работать по
готовым инструкциям (возможно входящим в комплект конструктора), и по схемам,
разработанным учителем. Указания по выполнению плана могут быть как письменными
или графическими, так и устными. Помимо этого, работая в команде, надо уметь
правильно распределить обязанности между всеми участниками процесса.
3. Развитие способности к прогнозированию.
Школьник учится прогнозировать результаты своей деятельности, выбирая
различные способы выполнения одного и того же задания, так как, изменяя схему
или последовательность сбора модели, используя разные детали, ученик получает
различные варианты одного и того же робота.
4. Формирование действия контроля.
Выполнив задание, учащийся получает готовую модель и имеет возможность
самостоятельно проверить правильность еѐ выполнения. Тем самым
формируется умение контролировать и оценивать учебные действия в соответствии с
поставленной задачей и условиями еѐ реализации, указанное в числе
метапредметных результатов обучения.
5. Формирование действия коррекции.
Обнаружив недочѐты в своей работе, школьник имеет возможность
внести коррективы на любой стадии сборки модели. Он учится критично относиться
к результатам своей деятельности и деятельности окружающих. Если модель робота
не выполняет запланированные функции, значит, на какой-то стадии работы
допущена ошибка, которая требует исправления. В итоге происходит формирование
умения понимать причины успеха/неуспеха учебной деятельности и способности
действовать даже в ситуациях неуспеха.
6. Развитие способности к оценке.
Учащийся получает возможность сравнивать свою модель с моделями
одноклассников, а значит, оценить уровень выполнения своей работы: сложность,
функциональность, внешнюю эстетичность, рациональность робота. При этом ребѐнок
учится объективно оценивать результат не только своей, но и чужой деятельности.
На основе полученных результатов он может сделать выводы об уровне своих знаний
и умений.
7. Формирование саморегуляции.
Процесс сборки модели требует терпения и самообладания. Если по каким-то
причинам школьнику приходится делать работу сначала, ему нужно приложить
некоторое волевое усилие для успешного устранения недочѐтов. При общении
с напарниками по заданию ребѐнку необходим самоконтроль, поскольку в ходе
планирования или выполнения модели у детей могут возникать разногласия. Таким
образом происходит формирование навыков сотрудничества со взрослыми и сверстниками
в разных ситуациях, развитие умений не создавать конфликтов и находить выходы
из спорных ситуаций.
О необходимости создания российской конкурентоспособной детской и
образовательной робототехники, ориентированной на выполнение дидактических
задач говорит, утвержденный в 2016 году, профессиональный стандарт «Специалист
по проектированию детской и образовательной робототехники» [26].
В Федеральной целевой программе развития образования на 2016 - 2020 годы
говорится о реализации модели сетевого взаимодействия общеобразовательных
организаций, организаций дополнительного образования, и др. организаций в сфере
робототехники; а также, об обеспечении поддержки всероссийских и
межрегиональных мероприятий (конкурсов, фестивалей, мастер-классов), в том
числе в области научно- технического творчества (робототехники) учащихся [31].
Так же существует «Резолюция от 23 января 2015 года №ДМ-П8-300», в
которой председатель правительства Дмитрий Анатольевич Медведев дает поручение
главам министерств и в частности министру образования и науки России Дмитрию
Викторовичу Ливанову: «Минобрнауки России (Д.В.Ливанову) оказать содействие в
реализации проектов автономной некоммерческой организации «Агентство
стратегических инициатив по продвижению новых проектов» в части:
- формирования попечительского совета программы «Робототехника:
инженерно-технические кадры для инновационной России», а также проведения
финального этапа олимпиады по робототехнике на площадке всероссийского
робототехнического фестиваля «Робофест»;
- методической и организационной поддержки проекта по подготовке
проектно-ориентированных инженерных команд для нужд системообразующих отраслей
промышленности «Технопрорыв»;
- информационной поддержки проектов в сфере онлайн-образования».
Возможность рассмотрения вопросов робототехники на занятиях по
информатике нашла отражение в ПООП ООО, где робототехника представлена
отдельным блоком в основном содержании учебного предмета «Информатика» [24].
Отметим, что информатика в 5-6 классах представлена в ООП в вариативной части,
а в 7-9 классах в инвариантной части.
В ПООП ООО блок «Робототехника» отражается следующим образом:
Робототехника - наука о разработке и использовании автоматизированных
технических систем. Автономные роботы и автоматизированные комплексы.
Микроконтроллер. Сигнал. Обратная связь: получение сигналов от цифровых
датчиков (касания, расстояния, света, звука и др.
Примеры роботизированных систем (система управления движением в
транспортной системе, сварочная линия автозавода, автоматизированное управление
отопления дома, автономная система управления транспортным средством и т.п.).
Автономные движущиеся роботы. Исполнительные устройства, датчики. Система
команд робота. Конструирование робота. Моделирование робота парой: исполнитель
команд и устройство управления. Ручное и программное управление роботами.
Пример учебной среды разработки программ управления движущимися роботами.
Алгоритмы управления движущимися роботами. Реализация алгоритмов "движение
до препятствия", "следование вдоль линии" и т.п.
Анализ алгоритмов действий роботов. Испытание механизма робота, отладка
программы управления роботом Влияние ошибок измерений и вычислений на
выполнение алгоритмов управления роботом.[24]
В связи с близостью содержания и объектов изучения таких предметов как
информатика, физика, технология с робототехникой, можно рассматривать возможные
варианты встраивания робототехники в содержания этих предметов.
Основными плюсами изучения робототехники на занятиях по информатике
являются:
- визуализация исполнителей в развитии алгоритмического
мышления (программирование и управление существующим объектом).
- робот - как информационная модель на уроках информатики, где
учащиеся имеют возможность познакомиться с основными принципами управления, в
том числе построенном на обратной связи.[8]
Применение робототехнических комплектов на занятиях позволяют обучающимся
раскрывать свои творческие способности, навыки сотрудничества и работы в
команде, позволяет им производить анализ своей деятельности, возможность
самостоятельного приобретения, переноса и интеграции знаний полученных на
занятиях, формирование и оценку навыка разрешения проблем/проблемных ситуаций,
требующие принятия решения в ситуации неопределѐнности.
С каждым годом робототехнические решения становится все востребованнее, а
их основные возможности приумножаются. Это одно из направлений, которое
способно объединить в себе большинство основных школьных предметов, таких как
математика, физика, информатика, биология, химия и тд, а так же реализовать
межпредметные связи в соответствии с ФГОС ООО. Оно способно сформировать у
обучающихся живой интерес к инженерно - техническим специальностям и развить их
познавательную активность. Учащийся должен владеть универсальными учебными
действиями: уметь самостоятельно планировать и осуществлять учебную
деятельность, создавать, применять и преобразовывать знаки и символы, активно
использовать информационно-коммуникационные технологии в своей деятельности.
Сегодня робототехникой учащиеся занимаются как на уроках так и во
внеурочное время, а так же на курсах по выбору. В рамках занятий дети учатся
программированию, отладке программ и тестирование их уже на самих роботах.
Такого рода занятия очень важны для всестороннего развития ребенка.
Конструирование, моделирование, программирование роботов в комплексе с
использованием информационно-коммуникационных технологий, как правило,
отличается высокой степенью творчества, самостоятельности, соперничества,
коммуникации в группе. У учащихся формируются компетенции, необходимые
современному школьнику. Среди них предметные, метапредметные, коммуникативные и
др.
Основанием для любого движения к развитию в технологическом или
образовательном направлении является технологическая задача, которая в свою
очередь складывается из стремления решить поставленную задачу, получить
теоретические знания, привлекая при этом знания, полученные на других школьных
предметах. С другой стороны это направленность учащегося представлять свои
инженерные решения в результате выполнения проектных работ. Это направление
является полноценным пространством для развертывания личной образовательной
траектории учащегося, таким образом взаимообогащается сплавом теории и практики
на стыке перспективных областей знаний. Это является актуальным особенно в
настоящий момент, когда в нашей стране прикладываются целенаправленные усилия
по переводу развития технологий на инновационные рельсы.
«Образовательная робототехника - это междисциплинарное направление
обучения школьников, интегрирующее знания о физике, технологии, математике,
кибернетике и информатике, позволяющее вовлечь в процесс инновационного
научно-технического творчества учащихся разного возраста. Она направлена на
популяризацию научно- технического творчества и повышение престижа инженерных
профессий среди молодежи, развитие у молодежи навыков практического решения
актуальных инженерно-технических задач и работы с техникой».[5]
Следует заметить, что образовательная робототехника, как педагогическая
технология, основывается на использовании предметов школьной программы. Для
решения конкретной задачи, а именно - разработки, проектирования и создания
робота необходимо интегрировать в одном процессе когнитивные достижения ряда
дисциплин, преподаваемых в учебных заведениях (математика, физика, химия,
информатика, технология, и др.). При этом у учащегося:
- формируется чѐткая связь между вышеуказанными
дисциплинами;
- возникает понимание смысла обучения;
- формируется умение достигать конкретного результата;
- через участие в роботехнических соревнованиях, возникает
понимание конкурентной способности идей и решений.
Обучающиеся, попадая в ситуацию, когда теоретические знания оказываются
востребованными без временного интервала, активно и самостоятельно восполняет
их недостаток, и эти знания усваиваются им гораздо прочнее, чем при
традиционном когнитивном подходе. Знания, таким образом, становятся «живыми»,
интересными для учащихся
Анализируя вышеизложенное можно сделать следующие выводы:
1. Робототехника является одним из важнейших направлений научно -
технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий
соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта. Сферы применения роботов
различны. Специалисты, обладающие знаниями в этой области, становятся все более
востребованными. О необходимости сфокусироваться на таком направлении как робототехника
и подготовке соответствующих специалистов говорится в целом ряде различных
документов
2. В связи с большим темпом развития робототехники в обществе -
образовательная робототехника уже сегодня приобретает все большую значимость и
актуальность. Робототехника в образовании позволяет сформировать у учащихся
навыки программирования, стимулирует интерес к технике и конструированию,
способствует развитию логического и алгоритмического мышления. Позволяет
сформировать у школьников информационную компетентность, создает в урочной и
внеурочной деятельности по информатике развивающую образовательную среду, учит
использовать полученные при изучении других предметов знания. Дает возможность
для создания проектов, способствуют освоению и соблюдению норм общения,
поведения, работы в команде, созданию положительной мотивации и стремлению к
успеху.
3. Робототехника на занятиях по информатике позволяет
визуализировать исполнителей (программирование и управление существующим
объектом). Так же робот является информационной моделью, где учащиеся имеют
возможность познакомиться с основными принципами управления, в том числе
построенном на обратной связи (учащийся - робот, робот - учащийся).
1.2 Характеристика проекта
«Экоград»
Проект Экоград - эффективный проект для знакомства с робототехникой в
основной школе. Он представляет собой тематический набор, состоящий из
стандартных деталей LEGO, где основной
задачей является строительство зданий в энергоэффективном городе и
программирование роботов для выполнения определенных задач. В набор входят
шесть тренировочных полей, которые предназначены для развития навыков
программирования в соответствии с тренировочными заданиями и 1365 LEGO - деталей для сборки моделей для
тренировочного поля. Рабочие поля и сами модели создают образовательную среду
повышенной мотивации, способствующую совершенствованию навыков
программирования, а так же развитию навыков преодоления общетехнических
проблем. Велики и дидактические преимущества его использования - наглядность,
легкость в отладке, акцент именно на создании алгоритмов, а не изучении
синтаксиса языка, мотивированность в постановке задач, творческих подход к
решению поставленных задач и многое другое. Они гарантируют развитие
алгоритмического мышления. Плюсом именно такого знакомства с робототехникой
является возможность применения полученных учащимися знаний на практике, а
именно на таких предметах как информатика, математика, технология, физика и др.
Она позволяет углубить уже имеющиеся знания и раскрыть потенциал учащихся.
Набор «Экоград» создает среду проблем для школьников, которое они должны
решить при помощи роботов. В процессе конструирования роботов у детей
развивается целый ряд навыков. Набор LEGO можно использовать на большинстве школьных
предметов:
1. На уроках информатики появляется возможность проектирования,
программирования, навыков чтения двумерных схем и графических блоков
программирования, навык анализа результатов, испытания и доработки уже готовых
проектов, развития навыков работы в творческом коллективе.
2. На естественно научных предметах ученики могут изучать такие
понятия как скорость, трение, принципы работы простых машин и механизмов,
развития навыков исследования и тестирования, прогнозирования, сбора и анализа
результатов.
3. На уроках математики в научных, технологических и технических
целях: измерения массы, скорости, расстояния, веса, возможность построения
графиков для прогнозирования показателей измерений, сведение данных в таблицы,
определения соотношений.
Проект «Экоград» рассчитан на 45 часов занятий, но предполагает
возможности расширения идей и творческих проектов учащихся, которые требуют
большего времени обучения. Для углубленного изучения, программирования и
тестирования роботов наиболее подходящей формой обучения являются сдвоенные
занятия.
Для разделения уровня сложности, в наборе предусмотрены три уровня
сложности:
1. Обучающиеся решают проблему управления движением роботов.
2. Обучающиеся решают проблему, задействовав датчики.
3. Датчики становятся обязательным для решения проблемы
(продвинутый уровень).
На каждом уровне учащиеся получают набор обязательных правил, миссию, которую
необходимо выполнить и систему оценок, которые после окончания работы, учитель
проставляет в оценочный лист. Набор дает возможность обучающимся раскрыть свои
творческие и инженерные способности.
Предложенные уровни сложности позволяют реализовать основные принципы
обучения алгоритмизации (программированию):
- от простого к сложному, что подразумевает постепенное
усложнение задач;
- новизна, где каждая новая задача вносит какой-то новый
элемент знаний (новая команда, новый прием программирования);
- наследование, при котором каждая следующая задача требует
использования знаний, полученных при решении предыдущих задач [17].
Для каждой миссии существует руководство по выполнению заданий, сборке
робота, его программированию и использованию насадок. Предложенный робот всегда
создается при помощи только базового набора. После окончательной сборки,
пособие предлагает готовую программу, которую необходимо загрузить в блок NXT при помощи кабеля USB и затем запустить, поставив готового
работа на стартовую позицию.
Объекты на тренировочном поле (Рис.1) собираются аналогично, при помощи
подробных схем, шаг за шагом, при помощи деталей LEGO MINDSTORMS NXT. Всего на карте их шесть: ветровая турбина, солнечная
панель, дымовая труба, дамба, сортировочная отходов, Экоград.
Рис.1
Соответственно миссий, которые предлагаются к выполнению, тоже шесть:
1. Запуск ветровой турбины
Рис. 2
Уровень 1: задача робота состоит в том, чтобы запустить ветровую турбину(
Рис.2). Робота необходимо собрать согласно подробной схеме сборки, программу
загрузить в блок NXT и установить
робота на стартовую площадку(базу), обозначенную на карте белым продолговатым
квадратом, с соответствующей разметкой . В момент запуска турбины,
высвобождается «энергетический элемент», его можно подобрать рукой.
Уровень 2: задача остается прежней - запуск ветровой турбины, но
«энергетический элемент» должен быть подобран и доставлен на базу самим
роботом. Задача усложняется тем, что необходимо продумать робота и
дополнить программу таким образом, чтобы он мог осуществить захват и доставку
элемента на базу.
Уровень 1 и Уровень 2 оставляют учащемуся возможность на совершение
ошибки или погрешности при выполнении миссии.
Уровень 3: является идентичным Уровню 2, но предполагает обязательное
использование датчиков.
2. Установка солнечной панели
Рис.3
Уровень 1: Основной задачей робота является установка солнечной панели
(Рис.3.) на крышу дома. Робота необходимо собрать согласно подробной схеме
сборки, программу загрузить в блок NXT и установить робота на стартовую площадку(базу), обозначенную на карте
белым продолговатым квадратом, с соответствующей разметкой .Высвобождаемый
«энергетический элемент» можно подобрать руками.
Уровень 2: задача остается прежней - установка солнечной панели, но
«энергетический элемент» должен быть подобран и доставлен на базу самим
роботом. Задача усложняется тем, что необходимо продумать робота и дополнить
программу таким образом, чтобы он мог осуществить захват и доставку элемента на
базу.
Уровень 3: является идентичным Уровню 2, но предполагает обязательное
использование датчиков.
3. Сортировка отходов
Рис. 4
Уровень 1: основной задачей робота является в сборе и сортировке
городского мусора( Рис. 4) , путем установки желтой мусорной корзины на желтый
контейнер для отходов, а черную мусорную корзину на черный контейнер дл
отходов. Робота необходимо собрать согласно подробной схеме сборки, программу загрузить
в блок NXT и установить робота на стартовую
площадку(базу), обозначенную на карте белым продолговатым квадратом, с
соответствующей разметкой. Высвобождаемый «энергетический элемент» можно
подобрать рукой.
Уровень 2: задача остается прежняя - сбор и сортировки городского
мусора, путем установки желтой мусорной корзины на желтый контейнер для
отходов, а черную мусорную корзину на черный контейнер для отходов.
Высвобождаемый «энергетический элемент» должен быть доставлен на базу самим
роботом, но не должен оставаться там. Усложнением здесь является то, мусорные
корзины устанавливаются в отведенные для них места в произвольном порядке.
Уровень 3: задача остается прежняя - сбор и сортировка городского
мусора, путем установки желтой мусорной корзины на желтый контейнер для
отходов, а черную мусорную корзину на черный контейнер дл отходов.
Высвобождаемый «энергетический элемент» должен быть доставлен на базу самим
роботом, но не должен оставаться там. На данном уровне обе мусорные корзины и
оба контейнера для отходов устанавливаются в произвольном порядке.
4. Закрытие дамбы
Рис. 5
Уровень 1: основной задачей робота является в нахождении и установке
блок для дамбы в проем дамбы (Рис. 5). Блок дамбы на протяжении выполнения
задания находится в неизменном положении в отведенном для него месте, положение
проема в дамбе так же менять запрещается. Робота необходимо собрать согласно
подробной схеме сборки, программу загрузить в блок NXT и установить робота на стартовую площадку (базу),
обозначенную на карте белым продолговатым квадратом, с соответствующей
разметкой. Высвобождаемый «энергетический элемент» можно подобрать рукой.
Уровень 2: задача остается прежняя - нахождение и установка блока для
дамбы в проем дамбы. Высвобождаемый «энергетический элемент» должен быть
доставлен на базу самим роботом.
Уровень 3: задача остается прежняя - нахождение и установка блока дамбы
в проем дамбы. Высвобождаемый «энергетический элемент» должен быть доставлен на
базу самим роботом. На данном уровне блок дамбы устанавливается в произвольное
положение, но в пределах отведенного для него места, а проем в дамбе
устанавливается в произвольное положение.
5. Установка новой дымовой трубы
Рис. 6
Уровень 1: основной задачей робота в подъеме новой белой дымовой трубы и
сбивании старой черной дымовой трубы (Рис. 6). Робота необходимо собрать
согласно подробной схеме сборки, программу загрузить в блок NXT и установить робота на стартовую
площадку(базу), обозначенную на карте белым продолговатым квадратом, с
соответствующей разметкой. Высвобождаемый «энергетический элемент» можно
подобрать рукой.
Уровень 2: задача остается прежняя - подъем новой белой дымовой трубы и
сбивание старой черной дымовой трубы. Высвобождаемый «энергетический элемент»
должен быть доставлен на базу самим роботом.
Уровень 3: является идентичным Уровню 2, но предполагает обязательное
использование датчиков.
6. Энергосбережение «Экограда»
Рис. 7
В данной миссии разработчики ставят единственную задачу, не имеющую
уровней сложности: роботу необходимо поместить не менее четырех собранных на
поле «Энергетических элементов» и поместить их в обойму красного цвета, после
чего сдвинуть обойму, толкнув ее вперед, что приведет в действия механизм
активации Экогорода.
В результате выполнения миссий, Обучающиеся получают баллы, которые в
дальнейшем учитель вписывает в оценочные листы. Качественное и безошибочное
выполнение заданий дает учащемуся возможность получить максимальный бал за
выполнение миссии - 10 баллов.
Разработчики предлагают следующие возможные усложнения миссий:
1. Ограничение времени (установление временных рамок, в пределах
которых ученики должны выполнить задание);
2. Назначить датчик (усложнить миссию, разрешив использовать
только определенные датчики или комбинацию датчиков.);
3. Ограничить набор LEGO - деталей (установить определенное количество деталей, которые могут
использоваться для построения робота.)
В заключении разработчики предлагают детям попробовать самостоятельно
изучить вопросы, связанные с обеспечением экологической чистоты природы в их
городе и обдумать все возможные средства борьбы с загрязнениями природы. Перед
учениками ставится задача провести собственную исследовательскую работу и привести
конкретные предложения по превращению своей школы, района и страны в
экологически чистую зону.
Задачи миссий позволят рассмотреть с ребятами такие вопросы как:
конструирование робота, обратная связь: алгоритм управления движущимися
роботами, реализация алгоритмов «движение до препятствия», «следование вдоль
линии», система команд робота, автономные роботы и автоматизированные системы,
получение сигналов от цифровых датчиков(касания, расстояния, света, звука и
др.), ручное и программное управление роботом и др.
Проанализировав возможности и задачи проекта «Экоград», можно сказать,
что он позволяет существенно повысить мотивацию учащихся, организовать их
творческую и исследовательскую работу. А также позволяет школьникам в форме
познавательной игры узнать многие важные идеи и развивать необходимые в
дальнейшей жизни навыки. Дополнительные элементы, содержащиеся в каждом наборе
конструкторов, позволяет создать модели собственного изобретения в том числе и
для проекта «Экоград».
Кроме того, учащимся позволяют постигать взаимосвязь между различными
областями знаний.
Положительными аспектами проекта являются: интересные и несложные в
сборке модели для выполнения миссий, которые при запуске на тренировочном поле,
дают ясное представление о работе механических конструкций, о силе, движении и
скорости; возможность введения школьников в программирование и развитие у них
инженерных наклонностей, что в дальнейшем хорошо отразится на их умственных и
творческих способностях.
Отрицательными аспектами проекта являются:
· недоработка его третьего уровня сложности во всех миссиях.
Уровень 3 можно доработать с точки зрения использования не только одного
датчика как разработчики предлагают во 2 уровне, а использовать несколько
датчиков одновременно при выполнении миссии;
· адаптированность только под набор LEGO MINSTORMS NXT и несовместимость с другими наборами не только
деталями, но и возможностями ПО.
1.3 Анализ
используемых робототехнических комплектов для реализации проекта «Экоград»
На сегодняшний день существует множество образовательных
робототехнических комплектов, используемых в общем образовании. Одними из
наиболее используемых образовательных робототехнических комплектов считаются
комплекты компании LEGO. Сейчас
разрабатываемые ими наборы используются для профессионального педагогического
применения.
Образовательная продукция компании LEGO выпускается под брендом LEGO Education. Отличительной особенностью
продукции LEGО Education от традиционных конструкторов Lego является сфера использования
продукта: детские сады, школы и другие учреждения. Роботы, созданные на основе Mindstorms, применяются на уроках информатики,
математики, физики, химии, технологии в школе.
Сегодня у компании LEGO
существует три образовательных набора LEGO MINSTORMS:
1. LEGO MINDSTORMS NXT 1.0 (дата выпуска, 2006 год)
2. LEGO MINDSTORMS NXT 2.0 (дата выпуска, 2009 год)
3. LEGO MINDSTORMS EV3 (дата выпуска, 2013 год)
LEGO MINDSTORMS NXT является основной базой для
реализации проекта «Экоград». Именно для этого набора были созданы схемы
подробной сборки роботов для выполнения миссий и соответствующие программы на
специальном программном обеспечении.
Рис. 8
В образовательный набор NXT(
Рис.8) входят :413 элементов Lego Technic,
программируемый блок, 3 мотора,4 датчиков ( освещенности, расстояния, касания,
ультразвуковой), микрофон, аккумуляторная батарея для робота, коробка под
элементы и детали.
«Мозгом» ПервоРобота является микрокомпьютер LEGO MINDSTORMS NXT (Рис.9),
который дает нам возможность делать робота программируемым, интеллектуальным,
способным принимать решения.
Рис.9 программируемом блоке есть четыре кнопки:
1. Оранжевая - включить/ввести/выключить
2. Две светло-серые стрелки - навигация, влево/вправо
1. Темно-серая - очистить/вернуться Так же есть 7 входных
портов: A, B, C - для
подключения электромоторов или ламп. 1, 2, 3, 4 - для подсоединения датчиков.
- порт дает нам возможность при помощи USB кабеля загрузить программы из программного
обеспечения в память микрокомпьютера или выгрузить данные робота в память
компьютера. Для связи компьютера и программируемого блока мы можем использовать
беспроводную связь Bluetooth.
Программировать можно и при помощи микрокомпьютера (Рис. 10). Данный вид
программирования удобен для составления простых программ.
Рис. 10 В образовательном наборе NXT 4 датчика:
1. Датчик касания.
Рис. 11.
Датчик (Рис. 11) похож на кнопку и является переключателем. Его можно запрограммировать
таким образом, что его действия будут зависеть от того, нажата кнопка датчика
или отпущена
2. Датчик освещенности.
Рис. 12
Датчик (Рис.12)
позволяет роботу различать
яркость
разноцветных объектов и определять
освещено ли помещение,
в котором находится робот. Способен
работать в двух режимах: измерение отраженного света
и окружающего освещения
3. Датчик звука
(микрофон).
Рис. 13
Датчик (Рис.13) позволяет определить уровень шума в дБА - это те звуки,
которые могут слышать уши человека и дБ - все звуки, включая те, которые не
улавливает человеческое ухо как слишком высокие, так и слишком низкие. Может
измерять уровень звукового давления вплоть до 90 дБ, что можно сравнить с шумом
бензокосилки. Показания датчика показываются на экране микрокомпьютера в
процентах от максимального уровня.
4. Датчик расстояния\
Рис.14
Датчик (Рис.14), которые делает робота «зрячим», позволяет ему «видеть» и
различать объекты. Он измеряет расстояние путем подсчета времени, необходимого
звуковой волне для того, чтобы достичь цели и, отражаясь от нее, вернуться
обратно. Датчик способен измерять расстояние как сантиметрах, так и в дюймах с
точностью +/-3 см. Есть недочеты в том, что скорость распознавания предмета
зависит от его плотности, например объекты изготовленные из мягкой ткани или
имеющие криволинейную поверхность, он распознает с трудом.
Возможность двигаться, роботу дают три одинаковых мотора в комплекте
(Рис.15.).
Рис.15
Каждый из них оснащен датчиком оборотов, что позволяет более точно
управлять роботом. Так же он позволяет проводить измерения в градусах (полный
оборот равен 360 градусов, +/-1 градус). Скорость его в среднем составляет
около 150 об/мин.
С LEGO MINDSTORMS NXT поставляется графическая среда программирования на
базе LabView - NXT G. Она поддерживает операционные системы Windows и Mac. Программное обеспечение очень простое и рассчитано
на учащихся, не обладающих специальными знаниями программирования. В среде NXT G каждый блок программирования представляется в виде
графического блока. Графические блоки перетягиваются на рабочее поле и плотно
соединяются между собой, образую целостную логическую цепочку.
Поле для работы и создания программ в ПО NXT G выглядит следующим образом (Рис.16):
Рис 16
1. Самоучитель Robot Educator. Здесь можно найти инструкции по
сборке и программированию.
2. Мой портал. Отсюда можно попасть на официальный
сайт Lego. Скачать дополнительные инструменты,
загрузить программы и получить всю необходимую информацию.
3. Панель инструментов. Необходима для быстрого вызова
часто используемых команд
4. Рабочее поле. Область экрана, предназначенная для
составления программ. Нужно перетащить блоки из палитры на рабочее поле и
выстроить из них программу.
5. Окно подсказок. Контекстные подсказки.
6. Карта рабочего поля. Предназначена для перемещения по
рабочему полю используя полосу прокрутки, а для получения общего вида - карту
рабочего поля.
7. Палитра команд. Все блоки команд при помощи которых
создаются программы.
В NXT-G реализован визуальный способ проектирования программ, что
очень удобно для обучения. Программа составляется из блоков. Каждый блок
представляет различные типы действий. Блоки можно настраивать. Все блоки
организованы и представлены в трѐх палитрах программирования (Рис.17) -
"Common" (Общая), "Complete" (Полная) и "Custom" (Пользовательская).
Одновременно можно работать только с одной палитрой. Блоки имеют различную
окраску, которая зависит от функционального назначения блока. Блоки,
функциональное назначение которых, похоже, окрашены одинаково. Например, все
блоки, которые отвечают за выполнение некоторого действия (Action), окрашены зелѐным цветом, а
блоки, которые отображают текущие значения датчиков - жѐлтым цветом. Цветовая окраска позволяет
легко находить нужные блоки в палитре.
Рис.17
8. Панель конфигурации. Каждый блок имеет панель
конфигураций, который позволяет описать команду, которую выполняет блок. Панель
помогает показать что должно быть на входе и что на выходе.
9. Пульт управлении. Кнопки помогают загрузить программы
или их части в микрокомпьютер NXT и
изменять его настройки.
10. Окно NXT. Всплывающее окно которое отображают информацию о
памяти микрокомпьютера и соединения
Все программы, которые разработчики предлагают для использования на
тренировочном поле «Экоград», написаны с помощью программного обеспечения NXT G, а подробные схемы сборки роботов собраны при помощи
образовательного базового набора LEGO MINDSTORMS NXT.
LEGO MINDSTORMS EV3, усовершенствованный
робототехнический образовательный комплект, который значительно отличается от LEGO NXT. Их различия можно заметить во внешнем виде деталей,
микрокомпьютере и самые большие изменения произошли в программном обеспечении.
LEGO MINDSTORMS EV3 - это третье поколение
робототехнических конструкторов серии LEGO MINDSTORMS.
Сердцем набора является программируемый интеллектуальный микрокомпьютер EV3, контролирующий работу моторов и
датчиков. Моторы и датчики как внешне, так и с точки зрения функциональности
претерпели изменения и стали функциональнее своих предшественников. Самые
значительные изменения рассмотрим подробнее. Новый набор также поддерживает
беспроводные протоколы связи Wi-Fi (предыдущий набор не имел такой
функции) и Bluetooth.
Базовый образовательный набор EV3 включают в себя:
1. Микрокомпьютер EV3 (Рис.18)
– Автоматически определяет и управляет датчиками и моторами
– Имеет четыре порта для подсоединения моторов( A, B, C,D) и четыре порта для подсоединения
датчиков( 1, 2,3,4). Не сложно заметить, что данный блок имеет больше кнопок
навигации чем у NXT (у него их
было всего 4), для большей удобности программирования вручную.
Рис.18
– Шесть удобных кнопок навигации и световой индикатор состояния
микрокомпьютера. У микрокомпьютера NXT , было всего 4 кнопки навигации и отсутствовал световой индикатор.
- Работает на свободно распространяемой операционной системе Linux
– Воспроизводит звуки и изображения, имеет встроенные светодиоды с
возможностью управления, как и NXT.
– Возможность программирования и регистрации данных
непосредственно на микрокомпьютере EV3, аналогично NXT.
– Встроенный Bluetooth контроллер
– Поддержка Wi-Fi, является новой функцией
относительно набора предшественника.
2. Большой и средний моторы.(Рис. 19)
Рис. 19
– Встроенный датчик вращения
– Точность измерения до 1 градуса
– Автоматическая идентификация
– Работает со скоростью 240-250 об/мин,.(средний мотор)
Данные датчики были почти полностью обновлены производителем, как внешне
так и внутренне. В наборе-предшественнике среднего мотора не существовало
вообще (напомню, что больших моторов было три). Моторы стали более мощнее и на
порядок точнее относительно моторов предыдущего набора.
3. Ультразвуковой датчик (Рис.20)
Рис. 20
– Измеряет расстояния.
– Определяет наличие объектов.
– Автоматическая
идентификация.
Данный датчик не
изменил своего прямого назначения относительно своего предшественника, кроме
внешнего вида. Автоматическая
идентификация означает, что микрокомпьютер, при подключении данного датчика
автоматически определяет что это за датчик. Аналогично работает программное
обеспечение.
4. Датчик цвета (Рис.21)
Рис. 21
– Определяет цвета
– Измеряет степень освещенность, рассеянный свет
и отраженный свет
– Автоматическая идентификация.
Данный датчик не изменил своего прямого назначения
относительно своего предшественника, кроме внешнего вида. Автоматическая
идентификация означает, что микрокомпьютер, при подключении данного датчика
автоматически определяет что это за датчик. Аналогично работает программное
обеспечение.
5. Гироскопический датчик (Рис.22).
Рис. 22
-Измеряет углы наклона
– Измеряет скорость вращения в градусах в секунду
– Автоматическая идентификация. Новый датчик, которого не было в
наборе предшественнике. Он значительно расширяет возможности роботов, дает ему
возможность производить более точные измерения.
6. Датчика касания 2шт (Рис 23)
Рис. 23
– Три режима действия.
– Датчик фиксирует нажатие, отсутствие нажатия, считает количество
нажатий.
- Автоматическая идентификация.
Датчик остался внешне прежним и ничем не отличается от датчика касания в
наборе NXT. Появились новые возможности
подсчета количества нажатий.
Программное обеспечение, которое является хорошим помощником для работы с
образовательными комплектами, оптимизировано для работы на уроках и учитывает
все последние тенденции в создании интуитивно понятных интерфейсов
пользователя.
– Легко учиться и использовать в экспериментальной деятельности
– Интуитивное программирование с помощью графических программных
блоков
– От самых простых до сложнейших программ
– Полное руководство для педагога
ПО LEGO MINDSTORMS EV3 возможность создавать программы, перетаскивая программные
блоки (с палитр программирования, расположенных в нижней части экрана) в
область программирования. Когда программные блоки находятся близко друг к
другу, они автоматически склеиваются (Рис.24). При запуске программы
программные блоки будут запускаться в том порядке, в котором они отображаются
на экране, слева направо.
Рис.24
В среде NXT-G каждая команда роботу представлена в виде графического
блока. Пример команды для мотора - включить мотор на 3 секунды или включить
мотор на 4 оборота. Это значительно увеличивает объем работы в процессе
программирования. В версии программного обеспечения для EV3 каждый блок имеет множество
параметров, которые обучающийся может задать используя вкладки, а не
достраивать их отдельно, для задания параметра.
Минусами старого набора LEGO MINDSTORM NXT являются:
– Основными функциями ПО является только создание программ, их
отладка и передача в микрокомпьютер NXT;
– Из-за небольшого количества портов для датчиков, затруднение
вызывает какая-либо доработка моделей. Подводя итоги можно сделать вывод, что
реализация проекта «Экоград» при помощи LEGO MINDSTORMS EV3 имеет свои плюсы и является эффективнее относительно своего
предшественника:
– Комплект LEGO MINDSTORMS EV3 способен дать больше возможностей
роботам на тренировочном поле экологического города с помощью новых датчиков, WI-FI соединения и инфракрасного пульта, способного привести
робота в движения дистанционно.
– ПО LEGO MINDSTORMS EV3 дает возможность для работы с проектами, пошаговым их
созданием и представлением при помощи удобного интерфейса.
– В EV3 блоки
программирования логически разделены и имеют больше параметров, которые можно
изменять.
Но при этом, имеющиеся для проекта «Экоград» материалы (рекомендации по
сборке роботов и программы) возможно применить для нового комплекта,
поставляемого в настоящее время в образовательные учреждения, являющегося
усовершенствованной линейкой образовательных комплектов и обладающего рядом
преимуществ - лишь частично.
ГЛАВА II. МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РЕАЛИЗАЦИИ
ПРОЕКТА «ЭКОГРАД» С ПРИМЕНЕНИЕМ LEGO MINDSTORMS EV3
2.1 Разработка электронной поддержки образовательного
процесса по робототехнике для обучающихся 7 - 9 классов
Программное обеспечение LEGO MINDSTORMS EV3 обеспечивает доступ к учебным
материалам, программированию, регистрации данных. Оно предлагает руководство по
сборке роботов и программы к ним, конструкторские идеи и немного занимательных
статей о роботах и их возможностях, областях их наибольшего применения. Помимо
работы с готовыми инструкциями и возможностью программирования на графическом
языке программирования, ПО дает возможность пользователю создавать свой
контент, для размещения персональных проектов. Обучающие имеют возможность
создавать страницы с описаниями, фотографиями, видео и даже инструкциями по
сборке. Каждая страница может иметь разное расположение и автоматически
выполнять ряд действий, например, открывать определенные программы или обращать
внимание на определенный программный блок.
Наличие таких ресурсов, содержащих, например: видео с
демонстрацией выполнения задания роботом, пошаговую инструкцию к сборке такого
робота, базовую программу, позволит существенно повысить мотивацию учащихся на
занятиях, организовать творческую деятельность.
Разработка электронных образовательных ресурсов - образовательных
ресурсов, представленных в электронно-цифровой форме и включающих в себя структуру,
предметное содержание и метаданные о них [8], невозможна без выработки и
соблюдения комплекса требований к качеству ЭОР. Более того, соблюдение таких
требований является основополагающим элементом общей технологии создания ЭОР.
О требованиях к ЭОР говорится в работах таких ученых, как Григорьев С.Г.,
Гриншкун В.В., Босова Л.Л. и др. Так, в работе Босовой Л.Л. выделены следующие
требования [4]: с содержательно - методической точки зрения ЭОР должны:
1. Соответствовать основным дидактическим принципам (научность,
доступность, наглядность и т.д).
2. Соответствовать возрастным особенностям обучаемых
(соответствие тем и учебных заданий возрасту обучаемых; соответствие темпа
подачи учебного материала индивидуальным особенностям обучаемых за счет наличия
и возможности регулировки или пошагового предоставления учебного материала;
приемлемость требований к уровню технической подготовки обучаемых).
3. Обеспечивать возможность индивидуализации образования
(наличие в содержании компонентов, обеспечивающих реализацию уровневой
дифференциации - несколько уровней сложности, соответствующих уровням усвоения
учебного материала; наличие возможности изменения последовательности подачи
материала на разных этапах).
4. Обладать направленностью на достижение новых образовательных
результатов (формирование общеучебных умений и компетенций; развитие умений
работы с информацией - поиск, оценка, отбор и организация информации; выборка
навыков проектной деятельности и экспертной оценки результатов накопленного
материала; формирование навыков исследовательской деятельности, включающих
проведение реальных экспериментов; развитие навыков самостоятельного изучения
материала и оценки результатов совей деятельности; умение принимать решение в
нестандартной ситуации; формирование навыков работы в группах).
5. Иметь методическую поддержку. дизайн - эргономической точки зрения
ЭОР должны:
1. Основываться на технологических решениях, адекватных решаемым
педагогическим задачам.
2. Полностью использовать возможности компьютера в обработке и
представлении информации там, где это необходимо с точки зрения взаимодействия
с пользователем (качество воспроизведения).
3. Удовлетворять требованиям качества экранного дизайна
(четкость представления текста и графики; соответствие цветовых, текстовых,
звуковых решений, информационной насыщенности экранов эргономическим
требованиям, учитывающим возрастные психолого- педагогические особенности
учащихся).
4. Обладать удобным интерфейсом, что предполагает ясность
диалога( возможность легко понять основы функционирования ресурса).
5. Гибкость диалога (возможность пользователя приспособить
диалог под свои потребности).
6. Легкость обучения и использования (возможность освоения
интерфейса в процессе работы за счет помощи обработки всевозможных ошибок
пользователя).
7. Надежность (защита данных, устойчивость к ошибкам обучаемого,
наличие защиты от некорректных действия).
8. Обеспечивать высокую степень адаптации к учебному процессу.
С нашей точки зрения ЭОР, разработанные на базе LEGO MINDSTORMS EV3 по аналогии с предлагаемыми разработчиками ресурсами,
позволят реализовать как содержательно-методические, так и
дизайн-эргономические требования. В частности, такие ресурсы будут обладать
удобным и знакомым обучающимся интерфейсом, реализовывать легкость обучения и
использования за счет удобного интерфейса, надежностью и др.
По аналогии со структурой разработанных ресурсов, содержащих видео
движется роботов, последовательные инструкции по сборке роботов, и готовые
программы, которые остается только загрузить в программируемый микрокомпьютер EV3, ЭОР в поддержку проекта «Экоград»
будут содержать эти же блоки.
Разработка ЭОР начинается лишь после того, как подготовленный заранее
робот был протестирован педагогом.
Описание разработки электронной поддержки образовательного процесса по
робототехнике для обучающихся 7-9 классов, на примере миссии «Активация
Экогорода» проекта «Экоград»
1. Подготовка
отдельных блоков ЭОР «Экогород»
В данной миссии разработчики ставят единственную задачу: роботу
необходимо поместить не менее четырех собранных на поле «Энергетических
элементов» и поместить их в обойму красного цвета, после чего сдвинуть обойму,
толкнув ее вперед, что приведет в действия механизм активации Экогорода.
За основу в проектах была взята база, которую предлагает разработчик LEGO MINDSTORMS EV3. Она достаточно удобная в сборке и не требует большого
количества времени для программирования, что очень удобно использовать в
условиях введения в робототехнику.
Создание последовательной инструкции по сборке.
Для создания последовательной инструкции по сборке робота было
использовано программное обеспечение LEGO Digital
Designer - это бесплатный виртуальный
конструктор моделей, благодаря которому можно собирать реалистичные трехмерные
модели роботов. Данное программное обеспечение позволило создать качественные
изображения пошаговой сборки роботов.
Создание видео. На данном этапе происходит создание видео, на котором
робот выполняет запуск «Экогорода», а также его редактирование, при
необходимости.
Создание изображения готовой программы, собранной при помощи блоков
программирования в отдельной вкладке «Project».
2. Добавление содержания
Программное обеспечение LEGO MINDSTORMS EV3 дает возможность дополнить уже
существующий материал своими конструкторскими идеями.
Открыв ПО LEGO MINDSTORMS EV3, перед пользователем открывается окно, слева у которого
меню, а правая и центральная часть демонстрируют пользователю содержание меню.
Рис.25
Для создания ресурса необходимо воспользоваться вкладкой Файл/ Новый
проект. (Рис.25)Открыв вкладку «Программа», появляется чистый холст, который
заполняется необходимыми для проекта данными.
Для начала редактирования контента необходимо выбрать инструмент открытия
редактора контента 
, а затем выбрать режим редактирования
.
В правой части экрана появляется шаблон, в который пользователь сможет
добавить изображения поэтапной сборки, видео и текст. (Рис.26)
Рис.26
Режим редактирования позволяет просмотреть или редактировать ваше
действие (Рис.27)
Рис.27
1. Заголовок страницы
2. Предыдущая страница
3. Номер текущей страницы
4. Номер текущей страницы
5. Следующая страница
6. Область страницы
7. Имя страницы: Используется для связи между слайдами
8. Кнопка «Показать предыдущую страницу» (видима только при
использовании нескольких страниц)
9. Кнопка «Показать следующую страницу» (видима только при
использовании нескольких страниц)
10. Действие на странице
. Действие на странице
. Эскизы страниц
. Добавить страницу
. Удалить страницу
. Перемещение страницы вверх
. Перемещение страницы вниз
Согласно уже заданным разработчиками правилам, каждый проект начинается с
видео работы уже запрограммированного робота.
Для добавления видео, необходимо выбирать
инструмент 
и добавить уже отснятый и отредактированный материал, на
котором робот выполняет запуск «Экогорода» (у пользователя есть возможность
загружать видео формата AVI, MP4, MPEG, MOV, VOB, MTV, MP3 и
др.) (Рис.28)
Рис.28
В верхней части существует поле, которое заполняется названием проекта, в
нашем случае «Экогород».
На следующем этапе создается новая страница ресурса.
В нижней левой части контента находится инструмент «+», предлагающий
выбрать множество различных шаблонов новой страницы, в зависимости от
необходимого функционала и содержания. Так как эта страница будет наполнена
инструкцией по сборке, то выбирается пустой шаблон, который будет располагаться
первым в списке шаблонов. (Рис.29).
Рис.29
После выбора пустого шаблона предлагается выбрать вариант наполнения страницы(видео, изображение и
т.д). Выбираем опцию 
«Инструкция по сборке» и загружаем туда необходимые
изображения. Последовательность их не важна в самом начале, потому что в
дальнейшем будет возможность после добавления всего необходимого материала
изменить ее при помощи стрелок навигации, которые располагаются в нижней части
рабочей зоны экрана.(Рис.30)
Рис.30
Далее согласно уже существующим правилам добавляется изображение готовой
программы, собранной при помощи блоков программирования в отдельной вкладке «Project». После запуска ресурса учащимися им
будет необходимо самостоятельно собрать программу с помощью блоков
программирования, расположенных в нижней части окна. Рабочую программу можно
добавить в проект как при помощи скриншота программы, так и при помощи
прикрепления уже сохраненной программы с определенным названием. (Рис.31)
Рис.31
Завершающий этап проекта - изображение робота в собранном виде, как
результата проделанной работы (форматы изображения могут быть различными : BMP, JPEG, EPS, PNG и др.). По уже изложенной выше
схеме, мы добавляем изображение в проект (Рис.32).
Рис.32
Сохраняем работу при помощи 
в
верхней части контента и даем название «Экогород». Ресурс готов.
Разработанные электронные ресурсы:
1. Реализуется наглядность за счет наличия видео,
непосредственно демонстрирующего, что требуется в задании на первом этапе при
выполнении миссии, пошаговых инструкций к сборке робота, изображения программы,
которую ребятам необходимо собрать; материал в ресурсе представлен
последовательно, позволяет организовать самостоятельную работу на уроке, ученик
становится сознательным и активным участником образовательного процесса;
выполнение заданий с помощью ресурса, возможность использовать готовую
программу на первом этапе, а в дальнейшем ее корректировка - демонстрирует
связь теории с практикой и др.
2. Соответствует индивидуальным особенностям обучаемых за счет
наличия и возможности регулировки или пошагового предоставления учебного
материала;
3. Обеспечивает возможность индивидуализации образования
(наличие в содержании компонентов, обеспечивающих реализацию уровневой
дифференциации - несколько уровней сложности в данном случае наличие миссий,
отличающихся по уровню сложности)
4. Обладает направленностью на достижение новых образовательных
результатов (получение навыков проектной деятельности и экспертной оценки
результатов накопленного материала (обучающиеся самостоятельно конструируют и
оформляют проект на основе базовых знаний); формирует навыки исследовательской
деятельности, включающее проведение реальных экспериментов (у обучающихся есть
возможность собрать робота, запрограммировать его и представить в виде
отчетного проекта с помощью ПО); развивает навыки самостоятельного изучения материала
и оценки результатов совей деятельности (ПО визуально очень простое и доступное
для понимания каждому учащемуся); формирование навыков работы в группах
(создавать проекты обучающиеся могут в группах) [4]
С дизайн - эргономической точки зрения данное ЭОР удовлетворяет следующим
требованиям:
1. Полностью использует возможности компьютера в обработке и
представлении информации там, где это необходимо с точки зрения взаимодействия
с пользователем (качество воспроизведения видеофайлов, добавляемых в проект)
2. Удовлетворяет требованиям качества экранного дизайна
(четкость представления текста и графики; соответствие цветовых, текстовых,
звуковых решений, информационной насыщенности экранов эргономическим
требованиям, учитывающее возрастные психолого- педагогические особенности
учащихся 7-9 классов)
3. Обладает удобным интерфейсом, что предполагает ясность
диалога (у обучающихся есть возможность легко понять основы функционирования
ресурса)
4. Имеет гибкий диалог (обучающийся имеет возможность
приспособить контент под свои потребности (а именно проекты))
5. Легкость обучения и использования (быстрое освоения
интерфейса в процессе работы)
6. Обеспечение высокой степени адаптации к учебному процессу.
2.2
Организация образовательного процесса по реализации проекта «Экоград»
За основу организации образовательного процесса по реализации проекта
«Экоград» взята программа предлагаемые разработчиками и представленные с
использованием набора комплекта LEGO MINDSTORMS NXT и программного обеспечения NXT-G:
1. Знакомство с содержанием набора, рассмотрение его
функциональных характеристик, объектов:
· Сбор объектов экологического города согласно инструкциям и
расстановка их на тренировочном поле;
· Знакомство с набором LEGO MINDSTORMS NXT: набор деталей, характеристики и основные функции
датчиков и моторов( разработчики предлагают изучение датчиков и моторов путем
выполнения микромиссий, в которых учащийся имеет возможность изучить их
функционал и понять принцип действия:
o Движение вперед (использование основных моторов)
o Обнаружение касания (использование датчика касания, как
средства взаимодействия с окружающей средой касаясь ее)
o Определение расстояния (взаимодействие робота с окружающей
средой , обнаружение объектов не касаясь их)
o Обнаружение черты, реакция на цвет, движение по линии
(использование датчика освещенности для обнаружения объекта(черты), путем
распознавания ее яркости и цвета.) и др.
Для каждой из этих микромиссий в соответствующем программном обеспечении
к проекту предлагается инструкция по сборке базы, подключению датчиков и
готовые программы, которые необходимо запустить на микрокомпьютере. В конце
выполнения каждого из заданий проводится рефлексия и определяются результаты
освоения темы. Разработчики предоставляют бланки, в которых учащиеся фиксируют
результаты тестирования программы, результат выполнения дополнительных заданий,
которые заключаются в корректировки программ и калибровке датчиков.
2. Сбор роботов согласно предложенным инструкциям и
программирование путем передачи готовой программы в микрокомпьютер NXT.
Для каждой миссии необходимо собрать новую модель робота, которая
совершенствуется в соответствии с уровнем сложности. Подробное описание уровней
сложности и содержания миссий были описаны в первой главе.
3. Завершающая стадия проекта акцентируется на творческом поиске
новых возможностей построенного робота, доработке его конструкций и программ
для достижения более сложных целей.
Реализовывая проект «Экоград» с помощью робототехнического комплекта LEGO MINDSTORMS EV3 и разработанных электронных ресурсов можно внести
корректировки и сформулировать следующие задачи для миссий уровня 2 и 3:
1. Запуск ветровой турбины.
Уровень 2: Запуск ветровой турбины, но «энергетический элемент» должен
быть подобран и доставлен на базу самим роботом (уровень считается
засчитанным, если робот донес элемент до базы не уронив его, используя
захватывающий элемент)
Уровень 3: Необходимо запустить ветровую турбину, обязательно
используя в конструкции робота гироскопический датчик, для того чтобы робот
подъехал к объекту строго под определенным углом и запуск ветровой турбины
осуществился быстро и точно.
2.