Исследование параметрического стаблизатора напряжения. МД_Использование робототехнического набора Arduino при изучении. Программа Естественнонаучное образование
 Скачать 2.12 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН АКТЮБИНСКИЙ РЕГИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ.К.ЖУБАНОВА Кафедра общей физики Магистерская диссертация Использование робототехнического набора Arduino при изучении физики Работу выполнил: студент группы М122 направление подготовки 44.04.01 «Педагогическое образование» магистерская программа «Естественнонаучное образование» Иванов Петр Васильевич Руководитель: доцент кафедры общей физики Соколов Денис Александрович г.Актобе- 2022 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ГЛАВА 1. Теоретические аспекты применения образовательной робототехники в обучении физике 1.1 Робототехника как область технических инноваций в реализации технической направленности образования в средней школе 1.2. Состояние проблемы применения образовательной робототехники в учебном процессе по физике в средней школе 1.3. Робототехника как компонент содержания технического обучения в средней школе. Междисциплинарная образовательная программа по робототехнике 1.4. Модель обучения робототехнике в курсе физики средней школы. Предметный модуль междисциплинарной образовательной про граммы по робототехнике (физика) ГЛАВА 2. Методика применения образовательной робототехники в обучении физике 2.1. Робот как объект изучения в курсе физики средней школы... 2.2 Робот как инструмент познания в учебном процессе по физике 2.2.1. Применение образовательной робототехники в учебном физическом эксперименте 2.2.2. Робототехника в научно-техническом исследовании и организации технического творчества учащихся 2.3. Образовательная робототехника в учебном процессе по физике как средство обучения, развития и воспитания учащихся 2.4. Применение робототехники в учебной, исследовательской и проектной деятельности учащихся по физике 2.5. Методическое сопровождение и дидактическое обеспечение применения робототехники в обучении физике. Учебные модули по образовательной робототехнике ГЛАВА 3. Содержание и методика проведения опытно-поисковой работы 3.1. Цели, содержание и методика опытно-поисковой работы 3.2. Результаты опытно-поисковой работы и их интерпретация. Внедрение результатов исследования Заключение Библиографический список Введение Актуальность исследования. На настоящем этапе экономического развития нашей страны обеспечению современного производства квалифицированными инженерными кадрами уделяется особое внимание. Система общего образования призвана сделать свой вклад в решение этой важной задачи, в том числе за счет усиления технической направленности содержания предметных курсов и внеурочной работы с учащимися. В контексте нового социального заказа идет процесс обновления парадигмы технического образования (А.В. Литвинцева, С.А. Новоселов, Н.В. Попкова, В.Н. Эверстова). Меняются подходы к его организации. Претерпевают изменения структура, содержание, методы и организационные формы реализации технической направленности обучения в рамках различных учебных предметов, в том числе при обучении физике (И.В. Ильин, Е.Ю. Левченко, В.В. Ларионов, А.М. Мехнин, Е.В. Оспенникова, А.П. Усольцев, Т.Н. Шамало и др.). Содержание технического образования должно обогатиться изучением научных основ «несущих производств» (С. Ю. Глазьев) нового технологического уклада общества. Роботостроение является одним из таких производств. Благодаря широкой сфере влияния робототехники на жизнедеятельность общества и нарастающим масштабам ее внедрения в социальную среду изучение этой области знания приобретает особое значение. Является важным формирование у каждого человека следующего за IT-компетентностью уровня технической культуры, определяемого условиями его жизни в роботизированной техносреде. В этой связи изучение основ робототехники должно стать одним из необходимых элементов содержания современного технического образования, в том числе в средней школе. Применение робототехники в практике учебно-воспитательной работы средней школы – новое направление в теории и методике технического образования. Обучение учащихся моделированию и сборке простейших роботов с применением специальных учебных конструкторов связывается в педагогических исследованиях с понятием «образовательная робототехника». Отечественные разработки в этом направлении пока немногочисленны (А.П. Алексеев, Л.Г. Белиовская, А.Н. Боголюбов, Д.М. Гребнева, Д.А. Каширин, Д.Г. Копосов, А.В. Литвин, А.С. Филиппов, В.Н. Халамов и др.). Следует отметить в этой связи работы зарубежных авторов (A. Carberry, T. Ford, N. Perova, Ch. Rogers, B. Nyuton, M. Predko и др.). В большинстве случаев внимание уделяется вопросам организации робототехнического творчества учащихся в дополнительном образовании. Задачи включения робототехники в систему общего образования, в том числе в учебный процесс по физике, рассматриваются пока лишь в начальной стадии своей постановки и описания отдельных приемов реализации. Анализ состояния проблемы внедрения робототехники в учебную и внеурочную деятельность учащихся в средней школе позволил выявить следующие противоречия: – на социально-педагогическом уровне: между потребностью отечественной индустрии в устойчивом наращивании кадрового потенциала современного роботостроения и уровнем подготовки учащихся по данному направлению, не обеспечивающим необходимые условия для решения этой задачи; – на научно-педагогическом уровне: между возможностью усиления технической направленности предметных курсов за счет включения в их содержание элементов робототехники и сложившейся практикой ее преимущественного изучения в системе дополнительного образования, что обусловлено отсутствием в педагогической науке моделей применения робототехники в условиях основного и среднего общего образования; – на научно-методическом уровне: между необходимостью формирования у учащихся начальных знаний и опыта учебной деятельности по робототехнике как востребованной составляющей содержания технического обучения в курсе физики и традиционной организацией учебного процесса, для которого не разработана методика применения робототехники в предметном обучении. Важность разрешения данных противоречий определяет актуальность настоящего исследования и позволяет сформулировать его проблему: как с целью реализации технической направленности курса физики в средней школе организовать обучение по предмету с применением элементов образовательной робототехники? В соответствии с указанной проблемой сформулирована тема исследования– «Использование робототехнического набора Arduino при изучении физики». Объект исследования: процесс обучения физике в средней школе. Предмет исследования: применение элементов образовательной робототехники как средства реализации технической направленности обучения физике. Цель исследования: научное обоснование, разработка и реализация методики обучения физике в средней школе с применением элементов образовательной робототехники как средства обеспечения технической направленности учебного процесса по предмету. Гипотеза исследования: полнота овладения политехническими знаниями и умениями при изучении физики, интерес к физике и ее техническим приложениям, а также готовность учащихся к выбору в старшей школе профильного уровня обучения по предмету повысятся, если в содержание технического обучения в курсе физики включить элементы робототехники и использовать их в учебном процессе в качестве: – объекта изучения, обеспечивающего усвоение учащимися научных основ современной техники; – инструмента познания в составе методов научного и научно-технического исследования в области физики и ее технических приложений; – средства обучения, способствующего обогащению и углублению знаний технических приложений физики, расширению предметной основы работы учащихся с объектами техники и формированию у них умений учебной, исследовательской и проектной деятельности технической направленности. В соответствии с целью и гипотезой исследования были сформулированы его основные задачи: Определить направления развития содержания технического обучения в курсе физики средней школы на основе анализа нормативных документов и научно-методической литературы, а также изучения и обобщения опыта технической подготовки, учащихся по предмету, включая область технических инноваций. Изучить состояние проблемы применения робототехники в системе общего образования. Обосновать необходимость и возможность изучения элементов робототехники в курсе физики средней школы как важной составляющей содержания технического обучения по предмету. Разработать модель обучения физике с применением элементов робототехники, раскрывающую основные направления ее использования на занятиях по предмету и во внеурочной работе. Разработать методику обучения физике с применением элементов робототехники, обеспечивающую рост качества усвоения знаний и умений учащихся в области технических приложений физики, интереса к изучению физики и техники, а также готовности учащихся к сознательному выбору профильного уровня изучения данного предмета в старшей школе. Доказать в опытно-поисковой работе результативность предложенной методики применения образовательной робототехники в учебном процессе по физике в средней школе. Методологические основы исследования составляют работы по философии и социологии техники (В.Г. Горохов, А.В. Литвинцева, Н.В. Попкова, М. Хайдеггер), основам теории технического обучения (П.Р. Атутов, В.Е. Медведев), развитию технического творчества (С.А. Новоселов, А.И. Половинкин), теории управления процессом усвоения знаний (Н.Ф. Талызина); развитию познавательных интересов учащихся (А.Г. Здравомыслов, И.Я. Ланина, Г.И. Щукина), формированию готовности к выбору профиля обучения (И.Ю. Гутник, Э.Ф. Зеер, Е.А. Климов, Е.М. Павлютенков, А.П. Тряпицына, С.Н. Чистякова), методологии педагогических исследований (В.И. Загвязинский, В.С. Леднев, Д.И. Фельдштейн) и статистической обработки их результатов (М.И. Грабарь, О.Ю. Ермолаев, К.А. Краснянская, Б.Е. Стариченко). Теоретические основы исследования составили работы в области проектирования учебного процесса по физике (Е.В. Оспенникова, Н.С. Пурышева, А.В. Усова, А.А. Шаповалов), теории и практики профильного обучения физике (О.Ф. Кабардин, В.А. Орлов, Н.С. Пурышева, Н.М. Шахмаев), методики технической подготовки при обучении физике в средней школе (С.Н. Бабина, А.Т. Глазунов, И.В. Ильин, Г.П. Стефанова), развития инновационного мышления учащихся (А.П. Усольцев, Т.Н. Шамало), методики и техники учебного физического эксперимента (П.В. Зуев, В.В. Майер, А.В. Усова, Т.Н. Шамало), организации технического творчества и проектно-ориентированной деятельности по физике (В.Б. Гундырев, В.Е. Казенас, В.В. Ларионов, В.Г. Разумовский). Методы исследования: эмпирические– анализ нормативных документов по технической подготовке учащихся средней школы и опыта работы учителей по ее обеспечению, анкетирование и опрос субъектов образовательного процесса, педагогическое наблюдение и опытно-поисковая работа, систематизация и обобщение педагогических фактов; теоретические– анализ теоретических моделей обучения, выявление противоречий теоретического знания в области технического обучения, выдвижение гипотез и моделирование учебного процесса, обеспечивающего политехническую подготовку учащихся в сфере технических инноваций. Этапы исследования (2020–2022 гг.). На первом этапе (2020 г.) был выполнен анализ философской, научно-технической и психолого-педагогической литературы по проблеме исследования, определены его методологические и теоретические основы. Дано обоснование необходимости включения элементов робототехники в содержание учебного процесса по физике как его технической составляющей, определены подходы к решению этой задачи. Сформулированы цели, определены объект, предмет, гипотеза и задачи исследования. Разработан и проведен констатирующий этап опытно-поисковой работы. На втором этапе (2021 г.) разрабатывались содержание метапредметной и предметной составляющих программы обучения основам робототехники в средней школе как междисциплинарной области технического знания, модель и методика применения робототехники в учебном процессе по физике, вариативные практики обучения, методические и дидактические материалы для сопровождения учебного процесса. В поисковом эксперименте были выполнены апробация и корректировка модели, методики и дидактического обеспечения применения робототехники в обучении физике. На третьем этапе (2022гг.) было организовано проведение формирующего эксперимента с целью проверки справедливости гипотезы исследования. По завершению исследования выполнены обработка, анализ и обобщение полученных результатов, сформулированы выводы. Экспериментальная база исследования. Опытно-поисковая работа проводилась на базе СШ № 56 г. Актобе и Центра инновационных технологий Актюбинского регионального университета им.К.Жубанова. Научная новизна исследования: 1. В отличие от ранее выполненных исследований (Л.Г. Белиовская, Д.А. Каширин, Д.Г. Копосов, А.С. Филиппов, В.Н. Халамов), в которых на конкретных примерах демонстрируются возможности использования учебных наборов по робототехнике на занятиях по физике в средней школе, в настоящей работе впервые рассматривается применение робототехники в учебном процессе по физике в качестве необходимой составляющей содержания технического обучения по предмету. 2. Определено содержание элементов робототехники в курсе физики, включающее: а) изучение физических основ функционирования элементной базы робототехники (систем управления, систем исполнения и систем обратной связи); б) освоение роботизированного физического опыта (наблюдения, эксперимента) как метода научного познания; в) применение роботов в изучении объектов техники, натурное и виртуальное моделирование робототехники-объектов как методы научно-технического исследования в области технических приложений физики. Разработана методика обучения физике с применением элементов робототехники, в составе которой выделены три составляющие: робототехники как объект изучения, робототехники как инструмент познания, робототехники как средство обучения. Определены структура и содержание методической и дидактической поддержки применения робототехники в учебном процессе по физике, включающей: а) систематизирующие таблицы по изучению научных основ элементной базы робототехнических объектов в разделах и темах школьного курса физики; б) демонстрационный физический робототехники-эксперимент и учебные робототехники-демонстрации в области технических приложений физики; в) лабораторный физический робототехники-эксперимент, ориентированный на различные уровни самостоятельности учащихся; г) учебные задания и проекты по моделированию и проектированию робототехники-устройств как технических приложений физики; д) учебные инструкции и управляющие программы, е) учебные фото- и видеоматериалы. Теоретическая значимость работы: Обоснованы необходимость и возможность применения в учебном процессе по физике в средней школе элементов робототехники как составляющей содержания технического обучения, обеспечивающей углубление и расширение предметной основы формирования политехнических знаний и умений учащихся, развитие у них интереса к физике и технике, ориентацию на инженерно-технические профессии, в том числе связанные с роботостроением. Сформулированы требования к разработке моделей внедрения элементов робототехники в предметное обучение. Определено место курса физики в реализации предложенной в настоящем исследовании междисциплинарной образовательной программы по робототехнике для средней школы. Разработана трехкомпонентная модель обучения физике с применением элементов робототехники, в рамках которой робототехника определена: а) как область современного технического знания, демонстрирующая роль физической науки в развитии роботостроения; б) как инструмент познания в составе методов научного и научно-технического исследования; в) как средство обучения, расширяющего предметную основу формирования у учащихся политехнических знаний и организации учебной технической деятельности. Сформулированы условия организации учебного процесса по физике с применением элементов робототехники: – распределенное поэлементное включение робототехники в содержание курса физики на основе принципов дополнения или равноценного дидактического замещения; – обеспечение трехкомпонентной структуры методики обучения по предмету с применением элементов робототехники; – осуществление межпредметных связей; – методическая и дидактическая поддержка применения робототехники в учебном процессе; – соответствие уровня сложности элементной базы конструкторов, программного и дидактического обеспечения учебной робототехники зоне ближайшего развития учащихся; – вариативность практики обучения робототехники, обеспечивающая учет уровня и профиля образовательной подготовки учащихся, их интереса и готовности к технической деятельности; – взаимосвязь учебной и внеурочной предметной деятельности по робототехнике с соревновательным и конкурсным движениями. Практическая значимость. Результаты исследования доведены до уровня практического применения и внедрены в учебный процесс средней общеобразовательной школы. Разработаны: 1)методические материалы для учителя физики: междисциплинарная образовательная программа по робототехнике для средней школы и ее предметная составляющая, направленная на применение элементов робототехники в учебном процессе по физике; методические рекомендации по реализации трехкомпонентной модели применения робототехники в обучении физике; методические таблицы «Изучение научных основ элементной базы робототехнических объектов в разделах и темах школьного курса физики»; модели робототехники-установок для демонстрационного эксперимента и цифровые методические модули «Демонстрационный роботизированный физический эксперимент»; 2) дидактические материалы для учащихся средней школы: робототехники-установки для лабораторного эксперимента; цифровые дидактические модули «Лабораторный роботизированный физический эксперимент», включающие учебные фото- и видеоматериалы, материалы для самостоятельной работы трех уровней сложности, управляющие программы, задания и проекты для учебной и внеурочной работы по физике; 3) программа и учебно-методическое обеспечение курса по выбору «Лабораторный практикум по физике с применением образовательной робототехники». Достоверность результатов исследования обеспечена всесторонним анализом поставленной проблемы, применением современных методов научного исследования, тщательностью проведения опытно-поисковой работы и достаточностью для выявления педагогических закономерностей объема экспериментальных данных, применением статистических методов обработки результатов экспериментального обучения, доказательством их воспроизводимости. Апробация и внедрение результатов исследования. Результаты исследования обсуждались на региональных, международных семинарах и конференциях. На защиту выносятся следующие положения: В содержание обучения физике с целью реализации его технической направленности должны быть включены элементы робототехники. Это определяется местом роботостроения в системе несущих производств нового технологического уклада общества, его ролью в формировании современной техносреды, а также необходимостью решения средствами различных учебных предметов, в том числе физики, важных социально-педагогических задач: а) обучения и воспитания будущих потребителей услуг роботизированной среды, б) пропедевтики подготовки будущих производителей роботизированных систем (инженеров-исследователей, инженеров-конструкторов, инженеров-технологов) и профессиональной ориентации учащихся на инженерно-технические специальности, в том числе связанные с робототехники-инжинирингом. Предметом изучения в курсе физики должны стать следующие элементы робототехники: а) физические основы функционирования элементной базы робототехники-устройств (систем исполнения, систем управления и систем обратной связи); б) роботизированные физические наблюдения и эксперименты как инструменты современной методологии научного познания; в) натурное и виртуальное моделирование роботов, их применение в изучении объектов техносреды как методы исследования в области технических приложений физики. Методика организации учебного процесса по физике с применением элементов робототехники должна базироваться на трехкомпонентной модели обучения: робототехники как объект изучения, робототехники как инструмент познания, робототехники как средство обучения. Применение робототехники в обучении физике должно быть направлено на обогащение содержания предметной области технического обучения: расширение и углубление политехнических знаний по физике, обновление содержания технической деятельности по предмету (учебной, исследовательской и проектной) и состава политехнических умений. 4. Необходимо обеспечить вариативность практики обучения физике с применением робототехники, что обусловлено разнообразием видов и уровней сложности технической деятельности в этой области. Избранная практика обучения в дополнение к основному курсу может включать: а) элективные курсы и практикумы по физике с применением робототехники; б) межпредметные элективные курсы и практикумы по робототехнике; в) домашнюю работу; г) внеурочную работу по предмету и на межпредметной основе; д) организацию участия школьников в олимпиадном, конкурсном и соревновательном движениях по робототехнике. 5. Результативность обучения физике с использованием робототехники выражается в росте качества знаний и умений учащихся в области технических приложений физики, интереса к изучению физики и ее применений в технике, готовности к выбору в старших классах профильного уровня освоения предмета, а также в становлении у них осознанных профессиональных устремлений. |