Исследование параметрического стаблизатора напряжения. МД_Использование робототехнического набора Arduino при изучении. Программа Естественнонаучное образование
 Скачать 2.12 Mb.
|
|
Динамика развития интереса учащихся основной школы к изучению современной техники (данные на конец учебного года, % от числа учащихся в каждой параллели)
 Рис. 19. Динамика изменения числа учащихся основной школы со средним и высоким уровнями интереса к изучению современной техники (данные на конец учебного года, % от числа учащихся в каждой параллели) Для экспериментальных групп учащихся исследовалась динамика развития их интереса к изучению робототехники как области прикладного технического знания по физике. Для учащихся основной школы интерес к изучению робототехники (средний и высокий уровни) составлял в первый год обучения (7 класс) - 15,4%, во второй год обучения (8 класс) - 23,1% третий год обучения (9 класс) - 48,1%. Важно отметить положительную динамику развития интереса учащихся экспериментальных классов к технической творческой деятельности, в том числе по робототехнике (с 12 % до 21 %). В данной выборке испытуемых выделилась достаточно большая группа школьников 7-8 классов (28 человек), занимающаяся робототехникой на постоянной основе. Команды школьников из экспериментальных классов приняли участие в 12 соревнованиях по робототехнике городского, краевого и всероссийского уровней (см. приложение 6). 2. Динамика усвоения знаний и умений политехнической направленности. • Полнота усвоения понятий о технических объектах. Усвоение принципа действия технического устройства. Результаты диагностики полноты усвоения учащимися технических понятий представлены в таблице 15. Таблица 15. Динамика изменения полноты усвоения технических понятий, включая принцип действия технического объекта
Оценка достоверности различий данных результатов в контрольных и экспериментальных группах проверялась с помощью коэффициента χ2 Пирсона. Исходные данные по количеству правильных ответов, данных каждым школьником, были распределены на три уровня: низкий (1-2 правильно освещенных пункта обобщённого плана), средний (3-4 пунктов) и высокий (5-7 пунктов. Значения коэффициента χ2 Пирсона приведены в таблице 16. Во всех параллелях в экспериментальных классах полнота усвоения технических понятий достоверно выше, чем в контрольном классе. Таблица 16. Значения коэффициента χ2 Пирсона для оценки значимости различий полноты усвоения технических понятий, включая принцип действия технического объекта
•Репродуктивные умения в постановке физического эксперимента. Результаты диагностики представлены в таблице 17. Таблица 17. Динамика изменения коэффициентов полноты освоения действий по проектированию установки для лабораторного эксперимента (репродуктивная деятельность)
Оценка достоверности различий проведена с помощью коэффициента χ2 Пирсона. Исходные данные по количеству правильно выполненных действий каждым школьником были в каждом классе распределены на три уровня: низкий (1-2 правильно выполненных действия ОП), средний (3-5 правильно выполненных действия ОП) и высокий (6-8 правильно выполненных действий ОП). Коэффициент χ2 Пирсона вычислялся для контрольного и экспериментального класса в каждой параллели (см. табл. 18). Таблица 18. Значения коэффициента χ2 Пирсона для оценки значимости различий умения учащихся контрольной экспериментальной групп проектировать установку для лабораторного эксперимента (репродуктивная деятельность)
В 7 классе, несмотря на более высокие показатели в экспериментальной группе по отношению к контрольной, статистическая достоверность различия не подтверждается. В последующие годы обучения (в 8-х и 9-х классах) в экспериментальной группе уровень проектирования установки для лабораторного эксперимента становится достоверно выше, чем в контрольной. •Умение проектировать новый физический эксперимент (отбирать оборудование и осуществлять сборку экспериментальной установки). Результаты диагностики представлены в таблице 19. Таблица 19. Динамика изменения коэффициентов полноты освоения действий по проектированию нового физического эксперимента
Оценка достоверности различий проверялась с помощью коэффициента χ2 Пирсона. Значения коэффициента приведены в таблице 20. Таблица 20. Значения коэффициента χ2 Пирсона для оценки значимости различий умения учащихся контрольной экспериментальной групп проектировать установку для лабораторного эксперимента (самостоятельное проектирование)
Во всех трёх параллелях полнота освоения действий по проектированию нового физического эксперимента в экспериментальной группе достоверно выше, чем в контрольной. • Полнота усвоения понятий о робототехнических устройствах, оценка усвоения принципа действия элементной базы роботизированной установки (только для экспериментальных классов). Обучение в экспериментальной группе осуществлялось с применением образовательных наборов по робототехнике Lego Mindstorms. Учащиеся осваивали азы робототехники как составляющей политехнической подготовки по основному курсу физики, в рамках курса по выбору «Лабораторный физический эксперимент с применением робототехники», а также в ходе индивидуальной проектной деятельности, в том числе при подготовке к соревнованиям и конкурсам. С целью выявления уровня полноты усвоения учащимися понятий элементной базы робототехники им было предложено раскрыть содержание 2-3 понятий о технических объектах, входящих состав какого-либо робота. Описание необходимо было дать по обобщенному плану (см. п. 3.1.). Диагностика осуществлялась по завершению учебной темы, в рамках которой данные объекты рассматривались как примеры технических приложений физики (7 класс - робототехнический пневматический привод, червячная передача; 8 класс - термоэлектрический датчик температуры, шаговый электродвигатель; 9 класс - ультразвуковой датчик расстояния, зубчатая передача. Расчеты средних значений коэффициентов полноты усвоения технических понятий для учащихся 7-9 классов представлены в таблице 21. Оценка достоверности различий результатов в 7-х и 8-х классах определялась с помощью G-критерия Знаков. Условия применения данного метода выполняются полностью: выборки зависимые, имеют одинаковый объём, количество испытуемых находится в допустимом диапазоне (5-300). Таблица 21. Динамика изменения коэффициентов полноты усвоения понятий элементной базы робототехники
Из 49 школьников 27 улучшили свой результат, 7 ухудшили результат, 15 человек показали результат на том же уровне. Типичный сдвиг (Gт = 27) больше нетипичного сдвига (Gн = 6), что тоже является условием использования метода. Количество ненулевых сдвигов составило - 33. Этому числу соответствует критическое значение G0jo5 = 11 по таблице критических значений G-критерия Знаков при уровне значимости 0,05. При сравнении нетипичного сдвига с критическим значением делаем вывод о том, что Gн < G0jo5, что подтверждает гипотезу о том, что преобладание типичного сдвига не является случайным. Таким образом, G-критерий Знаков подтверждает статистически значимый результат положительной динамики роста полноты усвоения понятий элементной базы робототехники в экспериментальных классах. В 9 классах процент школьников, с более высоким коэффициентом полноты усвоения понятий элементной базы робототехники вновь повышается. Около трети девятиклассников экспериментальной группы продемонстрировали высокий уровень полноты усвоения понятий элементной базы робототехники (К≥0,71). •Умение самостоятельно выполнять роботизированный физический эксперимент. Характеристика уровней самостоятельности учащихся в проектировании и проведении роботизированного эксперимента представлена в п.2.5. Учащимся в ходе диагностики предлагалось спроектировать и выполнить роботизированный эксперимент на максимально возможном для них уровне самостоятельности. Приведем примеры лабораторных заданий, связанных с постановкой роботизированного физического эксперимента: 7 класс – измерение скорости равномерного движения (время движения робота измеряется встроенным таймером, а расстояние датчиком расстояния); 8 класс – определение фокусного расстояния линзы и ее увеличения (робот с установленной линзой медленно движется до момента получения чёткого изображения источника света на экране; остановка робота осуществляется оператором; расстояние от источника до линзы и от линзы до экрана измеряется датчиками расстояния); 9 класс – определение ускорения движения шарика по наклонной плоскости (время движения шарика измеряется встроенным таймером; запуск таймера происходит при запуске шарика удерживающим устройством; в конце жёлоба устанавливается датчик касания или освещенности, который «останавливает» таймер; пройденное расстояние измеряется датчиком расстояния). Во всех заданиях требовался вывод на экран монитора значения искомой величины. Указанные задания носят повышенный уровень сложности и ориентированы на комплексное применение знаний и умений в области физики, математики, информатики и технологии. Результаты диагностики представлены в таблице 22. Таблица 22 Динамика изменения уровня самостоятельности учащихся в проектировании лабораторного роботизированного эксперимента
Оценка достоверности различий результатов в 7-х и 8-х классах определялась с помощью G-критерия Знаков. Из 49 школьников 17 улучшили свой результат (с первого уровня до второго и со второго до третьего), 4 ухудшили результат, 28 человек выполнили работу на том же уровне. Ти пичный сдвиг Gт = 17, нетипичный сдвига Gн = 4. Количество ненулевых сдвигов составило – 21. Этому числу соответствует критическое значение G0,05 = 6 по таблице критических значений G-критерия Знаков при уровне значимости 0,05. При сравнении нетипичного сдвига с критическим значе нием делаем вывод о том, что Gн < G0,05 , что подтверждает гипотезу о том, что преобладание типичного сдвига не является случайным. Таким обра зом, G-критерий Знаков подтверждает статистически значимый результат положительной динамики роста уровня самостоятельности при выполнении лабораторного роботизированного эксперимента в экспериментальных классах. В 9 классах процент школьников, выполняющих работу на втором и третьем уровне самостоятельности, ещё несколько повышается. Наряду с комплексным и весьма сложным заданием по проведению роботизированного эксперимента учащимся экспериментальной группы было предложено задание по проектированию компонента робототехнического устройства в виде датчика или устройства управляющего воздействия. Выполнение этого задания относится фактически к изобретательской деятельности. Для его выполнения учащимся не только необходимо хорошо знать основы физики, но обладать технической смекалкой, позволяющей им сообразить, каким образом известные им явления и законы физики могут быть использованы для обеспечения функционала роботизированной конструкции. Подобные задания, учащиеся периодически выполняли в рамках элективного курса «Лабораторный физический эксперимент с применением робототехники», а также в ходе индивидуальной проектной работы при подготовке к соревнованиям и конкурсам по образовательной робототехнике. Ниже приведены примеры датчиков и управляющих конструкций, которые могут быть предложены учащимся для самостоятельной разработки: 1) датчик потока воздуха (датчик ветра) на базе датчика освещённости или датчика расстояния (наиболее удачный вариант такого датчика был использован для контроля работы парогенератора в роботизированной модели АЭС, см п. 2.4); 2) джойстик на базе одного или двух шаговых электродвигателей (управляющее действие зависит от угла поворота оси двигателя, контролируемого встроенным датчиком угла поворота); 3) устройство для сравнения теплопроводности жидкостей на базе датчика температуры; устройство для определения скорости объекта (радар); устройство для запуска и остановки колебаний тела на нити; устройство для регулировки жёсткости пружины (устройство изменения длины рабочей части пружины); маятник с устройством для обнаружения резонанса (на базе стандартных датчиков из набора Lego Mindstorms); 6) устройство для регулирования длины нитяного маятника; 7) устройство для раскачивания маятника. Диагностика качества выполнения подобных заданий представлена в таблице 23. Таблица 23. Динамика изменения умения проектировать компоненты робототехнических устройств
Оценка достоверности изменений в уровне качества выполнения заданий проводилась с помощью G-критерия Знаков. Анализ исходной таблицы данных даёт следующие результаты: типичный сдвиг Gт =11, нетипичный сдвиг GН = 2, количество ненулевых сдвигов n = 13, критическое значение G0,05= 3. При сравнении нетипичного сдвига с критическим значением делаем вывод о том, что Gн < G0,05 , что подтверждает гипотезу о том, что преобладание типичного сдвига не является случайным. Таким образом, G-критерий Знаков подтверждает статистически значимый результат положительной динамики роста достижений учащихся экспериментальных классов в проектировании компонентов робототехнического устройства. 3. Готовность к выбору профильного уровня обучения физике в старшей школе. По результатам формирующего этапа опытно-поисковой работы была дана оценка готовности учащихся 9 классов к выбору профильного уровня изучения физики. Оценивался также и уровень готовности учащихся к выбору профильного уровня изучения технологии. Важно отметить, что как следствие применения разработанной в настоящем исследовании методики обучения в 2014 г. впервые в школе была сформирована группа профильного изучения физики в составе 11 школьников десятых классов (22,45 % от общего количества). В эту группу вошли 9 школьников экспериментальных классов. Группа технологического профиля была сформирована в составе 19 школьников, из них 10 человек прошли обучение в экспериментальных классах. Таким образом, из контрольной группы выбор в пользу профильного уровня обучения по физике и технологии сделали 11 учащихся, а из экспериментальной группы 19 учащихся. В 2015 году выбор девятиклассников распределился следующим образом: 20 человек выбрали профильный уровень обучения физике (14 из экспериментальной группы и 6 из контрольной), а профильный уровень обучения технологии – 15 человек (5 из экспериментальной группы и 10 из контрольной). Всего за два года обучения 65 школьников сделали выбор в пользу профильного уровня обучения физике и технологии (38 учащихся из экспериментальной группы и 27 – из контрольной). Сравнивалось распределение учащихся контрольных и экспериментальных групп по уровням готовности к данному выбору. Данные представлены в таблице 24. Оценка достоверности различий между контрольной и экспериментальной группами определялась на основе расчетов коэффициента χ2 Пирсона (см. табл. 25). Таблица 24. Сравнительная оценка готовности учащихся 9 классов к выбору профильного уровня обучения физике и технологии
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||