Исследование параметрического стаблизатора напряжения. МД_Использование робототехнического набора Arduino при изучении. Программа Естественнонаучное образование
 Скачать 2.12 Mb.
|
|
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ РОБОТОТЕХНИКИ В ОБУЧЕНИИ ФИЗИКЕ 1.1. Робототехника как область технических инноваций в реализации политехнической направленности образования в средней школе Подготовка будущих инженеров и квалифицированных рабочих – значимый фактор роста уровня социально-экономического развития нашей страны. В этой связи обеспечение политехнической направленности образования является на сегодня одним из важных направлений деятельности современной средней школы. Направления и содержание политехнического образования существенно обновляются. Если еще несколько десятилетий назад выпускнику средней школы достаточно было овладеть некоторой совокупностью технических знаний и умений, то в настоящее время он должен обладать весьма высоким уровнем общей технической культуры, которая определяет его готовность к жизнедеятельности в условиях сложной и быстро изменяющейся техносреды. В настоящее время идут процессы анализа и обновления парадигмы политехнического образования. Методологической основой ее становления являются работы по философии и социологии техники (Н.А. Бердяева [71], Т. Имамичи [58], Л. Мамфорда [90], М. Хайдеггера [151] и др.). В работах Г.С. Альтшуллера [5], П.Р. Атутова [8], В.И. Белозерова [14], А.А. Воронина [27], В.В. Добрынина [37], А.В. Литвинцевой [82], Ю.С. Мелещенко [193], И.А. Негодаева [104], А.И. Половинкина [124; 125], Н.В. Попковой [126], А.Г. Спиркина [144], В.С. Степина [148] и др. раскрываются разные грани феномена техники как продукта человеческой цивилизации и перспективы ее развития. Авторы обращают внимание на решение проблемы формирования технической культуры обучаемых и необходимость их техносо-циализации в ходе образовательного процесса. В этой связи принцип политехнизма в обучении справедливо рассматривается как « … система регулятивов (требований), направляющих деятельность учителя на формирование у учащихся технической культуры (технической грамотности и компетентности) как основы их адаптации к современной техносреде и последующей интеграции в техносоциум» [55, с. 77]. В исследованиях отмечается важность исследований роли обобщенного, в том числе метатехнического знания, в формировании их технической культуры. Вооружение учащихся наряду с конкретными техническими знаниями и умениями обобщенными ЗУН, включая метатехническое знание (МТЗ), является на сегодня ключевой идеей обновленной парадигмы политехнического образования. Это объясняется тем, что обобщенные представления о техномире имеют особую социальную ценность (И.В. Ильин, Е.В. Оспенникова) [55, с. 7]. МТЗ – это система знаний о техносфере (ее элементах и их взаимосвязи), особенностях функционирования, факторах и закономерностях развития, методологии научно-технического исследования [Там же, с. 51]. На основе МТЗ у учащихся формируются комплексное осмысление проблем развития техники в ее взаимодействии с природой и обществом, приходит понимание масштабов ее влияния на настоящее и будущее цивилизации, развивается техническое мышление нового типа, складываются в сознании верные ориентиры жизнедеятельности в современной техносреде [57, с.112]. Формирование технических знаний (конкретных, обобщенных) является базовым направлением политехнического образования учащихся в средней школе. Оно должно сопровождаться приобретением учащимися опыта работы с различными объектами техники. Школьники должны овладеть практическими умениями в решении простейших технических задач. Является важным приобретение опыта творческой технической деятельности (исследовательской, проектной, проектно-исследовательской). Не менее важно создание полноценной учебной инфраструктуры для технического творчества обучаемых. Новые подходы к содержанию и методике политехнического образования учащихся средней школы и студентов, в том числе при их обучении физике, обозначены в работах С.Н.Бабиной [9; 180; 168], А.А.Быкова [20], В.Г. Жданова [45, 46], П.В. Зуева [10], И.В.Ильина [55], В.В. Ларионова [78], Е.Ю. Левченко, А.М. Мехнина [95; 96], С.А.Новоселова [106], Е.В. Ос-пенниковой [56; 113; 130], В.Г. Разумовского [134; 136], Г.П. Стефановой [149], Т.Д. Селиховой [141], О.В. Сергеева [142], А.Н. Финагиной [167], С.Д.Ханина [117], Н.А. Шайденко [176], Т.Н. Шамало [178], В.Н. Эверстовой [185] и др. В исследованиях справедливо отмечается, что « … классическая редакция принципа уже не в полной мере соответствует обновленным задачам политехнической подготовки учащихся. … Имеет смысл более глубокая дифференциация содержания и направлений политехнического обучения и построение обновленной системы требований к организации учебного процесса» [55, с. 76]. На современном этапе развития системы общего образования успешность реализации политехнической направленности обучения определяется решением трех основных задач: 1) формирование полноценной учебной техносреды, включая ее материально-техническую, организационно-методическую и дидактическую составляющие; 2) развитие технической грамотности учащихся (системы технических знаний - конкретных, обобщенных), а также умений и навыков выполнения отдельных видов технической деятельности; 3) формирование у них технической компетентности (готовности к решению задач, связанных с использованием знаний основ наук и их технических приложений в повседневной и трудовой деятельности; учет в данной деятельности системы взаимодействий «общество (человек) +* техника +* природа», а также их возможных следствий) [130, с. 99]. Указанные задачи должны быть конкретизированы в отношении учебного процесса по каждому предмету. Для этого необходимо определить основные компоненты предметной модели политехнического обучения. К ним относятся: условия обучения (предметная учебная техносреда), содержание учебного процесса (система предметных политехнических ЗУН), ор- ганизация обучения (его методы, средства, формы, вариативные практики) и результаты (личностные, метапредметные и предметные). Содержание составляющих обновленной модели политехнического обучения, обеспечивающей реализацию политехнической направленности учебного процесса по физике, разработано в исследовании И.В. Ильина [55, с. 78-81]. В настоящей работе мы руководствуемся предложенным И.В. Ильиным подходом к реализации политехнической направленности обучения физике в средней школе. В рамках новой парадигмы политехнического образования И.В. Ильиным и Е.В. Оспенниковой разработана обобщенная модель учебного процесса по освоению прикладного технического знания в курсе физики средней школы (конкретного, обобщенного, в том числе метатехнического), раскрывающего научные основы «несущих производств» сложившегося (актуального) технологического уклада общества. Это, по мнению авторов, базовое направление реализации принципа политехнизма. Наряду с ним должны быть реализованы и дополнительные направления. Одним из важнейших факторов их определения являются технические инновации, реализуемые в социуме [130]. Знакомство учащихся с техническими инновациями на занятиях по физике позволяет им осознать роль науки в развитии современной техники. Возможно освоение учащимися на доступном для них уровне не только концептуальной, но и процессуальной составляющей инновационной технической деятельности. На важность изучения в школе перспективных направлений развития техники указывает Э.А. Аринштейн. Автор отмечает необходимость скорейшего преодоления «пропасти», сложившейся между школьной физикой и научными основами современной техники [6]. Приоритетные направления развития науки и технических инноваций в Российской Федерации определены Указом Президента России от 07 июля 2011 г. № 899 "Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических тех нологий Российской Федерации" [110]. К таким направлениям технологического развития отнесена в числе прочих р о б о т о т е х н и к а . Роботостроение как самостоятельная отрасль производства сформировалось еще в двадцатом столетии. В настоящее время эта отрасль является одной из «несущих отраслей» пятого технологического уклада (С.Ю. Глазьев [100]). В мировой производственной практике робототехника переходит на принципиально новый технологический уровень развития [121], что является причиной ее активного внедрения не только в производство, но и культурную сферу жизнедеятельности общества. Преимущества робототехники очевидны, и это определяет высокий уровень заинтересованности мирового общества в ее продвижении на рынке. Состояние российского рынка IT-услуг и робототехники на сегодняшний день не является удовлетворительным. В частности, в «Стратегии развития отрасли информационных технологий в Российской Федерации на 2014-2020 и на перспективу до 2025 года» говорится о 0,6 % доле российской продукции в сфере информационных технологий от мирового рынка IT. Доля российского рынка промышленной робототехники еще меньше – 0,17% [128]. Актуальность развития отечественной робототехники становится наиболее понятной на фоне общемировых тенденций развития: сегмент промышленной робототехники растёт на протяжении нескольких лет в среднем за год на 8,4 %, а сервисной робототехники на 16,5%. В настоящее время в мире годовое производство промышленных роботов составляет порядка 10 миллиардов долларов в год. Наибольший спрос на промышленных роботов составляет сектор автомобилестроения, электроники и электротехники. Прогнозируется быстрый рост рынка сервисных роботов. К приоритетным в этой направлении относятся сектор медицины, сельское хозяйство и военная промышленность [Там же, с. 14] (подробнее об общемировых тенденциях развития роботостроения см. Приложение 1). По мнению большинства экспертов, динамичное развитие отечественного роботостроения возможно только при условии целенаправленной государственной политики, направленной на его поддержку. Роботостроение относится к исключительно наукоемкой отрасли производства. Успехи в ее развитии существенно зависят от успехов в других областях технического знания, а также достижений в области фундаментальных наук. Перед отечественным инженерным корпусом ставится задача на основе современных достижений науки и техники обеспечить интенсификацию исследований в сфере роботостроения, включая изучение взаимодействия робототехнических комплексов и человека, создание новых интегрированных сенсоров и сенсорных сетей, разработку новых человеко-машинных интерфейсов, в том числе новых методов использования жестов, зрения, голосовых интерфейсов для управления компьютерными и робототехнически-ми системами и др. [150, с. 33-35]. Достижение поставленных целей невозможно без подготовки соответствующих кадров: ученых, инженеров, квалифицированных рабочих. Эта подготовка должна осуществляться и в системе среднего образования. Проблемы профессионального технического образования и его пропедевтики в средней школе рассматриваются на правительственном уровне. В «Рекомендациях участников парламентских слушаний по теме «Развитие инженерного образования и его роль в технологической модернизации России» (от 12 мая 2011 года) поставлена задача формирования эффективной « …системы профессиональной ориентации и предпрофессиональной подготовки обучающихся в общеобразовательных учреждениях …». Обращается внимание на необходимость роста уровня довузовской физико-технической подготовки учащихся и повышения привлекательности инженерного образования [137, с.6-7]. Содержание политехнического образования молодежи должно обогатиться, прежде всего, изучением научных основ несущих производств нового технологического уклада общества. Роботостроение является одним из таких производств. Однако благодаря значительным масштабам внедрения и широкой сфере влияния робототехники на жизнедеятельность общества ее изучение имеет особое значение. Есть основания утверждать, что эта область знания должна стать одной из необходимых составляющих политехнического образования выпускников средней школы. Роботы (робототехнические системы) очень скоро станут неотъемлемыми объектами окружающей социум техносреды. Они будут такими же доступными, как сейчас компьютеры. Так, например, уже сегодня современный автомобиль включает в себя роботизированные системы (климат-контроль, роботизированные коробки передач, системы управления двигателем при автоматической парковке и пр.). Робототехника уже представлена в медицинских учреждениях, в поезде и магазине, на современной кухне, применяется в массовом производстве целого ряда товаров и услуг. Робототех-нические комплексы используются в исследовательской деятельности (для изучения планет, глубин океана, внутреннего строения человеческих органов, молекулярной структуры органических и неорганических веществ, включая наноуровень). Созданы робототехнические системы, моделирующие характеристики и принципы управления, соответствующие некоторым функциям человеческого тела. Развитие робототехники в ближайшем будущем приведет к значительным изменениям в образе жизни людей. Условия их жизнедеятельности станут не только более комфортными. От человека, существующего в новой среде, потребуется новый уровень мышления и поведения, готовность к обслуживанию современного робототехнического оборудования и его обновлению. В связи с этим в педагогической науке уже сейчас достаточно ярко обозначены две социально-педагогические проблемы, решение которых связывается со значительным социально-экономическим и политическим эффектами: 1) подготовка квалифицированных кадров для производства роботов и роботизированных систем; 2) формирование классов потребителей услуг роботизированной среды и развитие у них соответствующей социально-технологической культуры (М.Г. Ершов [195]). Педагогическое сообщество уже начало работу по решению этих проблем. В последние годы в отечественной системе образования робототехника (РТ) стала одним из самых популярных направлений политехнической подготовки учащихся. Популярность РТ обеспечивается высоким уровнем интереса молодежи к этой сфере технической деятельности. Преимущественно развивается практика применения робототехники в системе дополнительного образования, постепенно расширяется ее использование во внеурочной деятельности в средней школе. Однако следует отметить, что система дополнительного образования не может в достаточной мере обеспечить решение задач системной политехнической подготовки учащихся, связанных с формированием у них обновленной технической РТ-культуры. Должно быть организовано обучение робототехнике в рамках общего образования. С учетом мультидисциплинарности робототехники как области знания для решения этой задачи необходимо задействовать потенциал практически всех учебных предметов, в том числе физики. Важность подготовки наиболее способных учащихся и студентов в области робототехники обозначена на уровне Минобрнауки России. В 2015 г. создан Координационный совет по робототехнике, главной задачей деятельности которого является разработка механизмов подготовки высококвалифицированных кадров для данной отрасли производства и формирование предложений по совершенствованию нормативной правовой базы и научно-методического обеспечения внедрения в учебный процесс современных образовательных технологий по робототехнике. Итак, в настоящем параграфе дана общая оценка современного состояния отечественного роботостроения как отрасли производства, проанализированы тенденции мирового развития рынка робототехники. Дана характеристика робототехники как приоритетной области технических инноваций и мульти-дисциплинарной области технического знания. Раскрыта роль робототехники в реализации политехнической направленности образования учащихся средней школы и обоснована необходимость изучения ее элементов в базовых предметных курсах. 1.2. Состояние проблемы применения образовательной робототехники в учебном процессе по физике в средней школе Вопросы методики применения робототехники в предметном обучении, в том числе при обучении физике, еще только начинают обсуждаться в педагогических исследованиях. Рассмотрим наиболее значимые работы в этой области педагогического знания. Первые отечественные публикации по робототехнике для детей и юношества относятся к концу 70-х – началу 90-х годов XX века. В основном это научно-популярные издания (А.Н. Боголюбов, Д.А. Никитин (1989) [17]; И.И. Артоболевский, А.Е. Кобринский (1977) [7]; В.Н. Бусленко (1984) [19]; В.В. Мацкевич (1988) [92] и др.). Одно из первых учебных пособий по робототехнике появилось в конце XX века. Это пособие А.П. Алексеева, А.Н. Богатырева, В.А. Серенко «Робототехника» (1993), предназначенное для учащихся 8-9 классов средней школы [4]. В пособии дан теоретический материал и представлена система практических занятий по проектированию роботов. Пособие ориентировано на организацию факультативных занятий и кружковой работы по робототехнике. Ценность пособия состоит в том, что в нем представлен материал, который может быть использован в учебном процессе по физике с целью демонстрации ее роли в развитии роботостроения. Ценность пособия состоит в том, что в нем представлен материал, который может быть использован в учебном процессе по физике с целью демонстрации ее роли в развитии роботостроения. Так, например, в параграфе «Анатомия промышленного робота» дано подробное описание физических принципов функционирования роботов-манипуляторов и движущихся роботов. В параграфе «Приводы промышленных роботов» описаны физические основы работы пневматического, гидравлического и электрического приводов, а в качестве пояснения особенностей их работы приведены примеры соответствующих физических экспериментов. В пособии представлены сведения о датчиках некоторых видов и физических основах их работы, обсуждается работа механических передач и редукторов, электромеханических элементов (кнопок, переключателей), электрических схем логических элементов, электроизмерительных приборов, электромагнитных устройств, программируемых контроллеров. Дана характеристика системы управления учебным роботом 90-х гг. (электронных компонентов и узлов робота, реализуемых на разной элементной базе – от полупроводниковых приборов до микросхем). Рассматривается работа электроприводов учебного робота с числовым программным управлением (ЧПУ). В заключительной части пособия обсуждаются перспективы развития робототехники. В период 70-90 гг. XX столетия робототехника как предмет техническо го творчества детей не была особенно востребована. Это было связано во многом с отсутствием специального учебного оборудования по робототехни ке для детей и юношества. Развитие образовательной робототехники как объекта технического творчества учащихся началось с 1998 г. Этот период отмечен выпуском компанией LEGO специализированных робототехниче- ских наборов LEGO Mindstorms с программируемым блоком RCX. В 2006 г. и далее в 2013 г. появились наборы второго и третьего поколений: LEGO Mindstorms с блоками NXT и EV3 соответственно. На сегодняшний день на образовательном рынке представлено более десятка робототехнических конструкторов различных производителей. Идут процессы их массового внедрения в систему дополнительного образования. Робототехника как вид детского технического творчества становится востребованной во внеурочной работе и в средних общеобразовательных школах. Заметно увеличилось в последние годы число научно-популярных изда ний по робототехнике, преимущественно переводных (И. Александер, П. Барнетт, О.Бишоп, Дж. Вильяме, В.С. Гурфинкель, Ф. Жимарши, П. Марш, Б. Ньютон, М. Предко и др.) [15; 24; 103; 129; 109; 140; 189; 198 и др.]. Возросло число учебных и методических пособий, в том числе отечест венных авторов, поддерживающих распространение опыта организации ра боты учащихся с теми или иными робототехническими наборами [10; 19; 73; 76; 83; 170; 192, 194; 196; 200 и др.]. В научно-методических журналах поя вились статьи, в которых обсуждаются вопросы образовательной робото техники [3; 22; 42; 43; 44; 53; 81; 87; 101;105; 127; 165; 183 и др.]. Началась подготовка диссертационных исследований (О.С. Власова [25; 127], Д.М. Гребнева [32], М.Г.Ершов [39; 40; 41] и др.). Рассмотрим кратко содержание наиболее интересных научно-методических работ в области образовательной робототехники. Значительная часть публикаций связана с применением образовательной робототехники в курсе информатики. Это работы И.В. Шимова [183], К.А. Вегнера [22], Н. В. Лукьяновой [87], Л.Г. Белиовской [12], С.Я. Вязо-вов [28] и др. Имеется небольшое число публикаций, касающихся так или иначе применения робототехники в учебном процессе по физике. В работе Д.А. Каши-рина [65] рассматриваются возможности активизации исследовательской деятельности школьников в области изучения классической механики и основ магнетизма на основе применения робототехнических конструкторов. Каширин Д.А. отмечает, что конструктор «Технология и физика» (комплект Lego 9632) может быть использован в демонстрационном и лабораторном экспериментах, при решении экспериментальных задач и в организации проектной деятельности учащихся. Достаточно популярная и востребованная во многих регионах России книга А.С. Филиппова «Робототехника для детей и родителей» [166] посвящена проектированию и конструированию простейших роботов |