Исследование параметрического стаблизатора напряжения. МД_Использование робототехнического набора Arduino при изучении. Программа Естественнонаучное образование
 Скачать 2.12 Mb.
|
|
. В книге изложены основы проектирования и сборки роботов на основе конструктора Lego Mindstorms, программирования на языках NXT-G, Robolab и RobotC, а также элементы теории автоматического управления. А.С. Филиппов является автором и соавтором ряда учебных программ по робототехнике [86]. В программе одного их предлагаемых курсов предусмотрен ряд практических заданий по теме «Механика» с использованием конструктора «Технология и физика» и стандартного оборудования школьного кабинета физики. Целями курса являются повышение мотивации к изучению физики и профессиональная ориентация школьников на технические ВУЗы. Среди сообщества школьников, занимающихся робототехникой, и их преподавателей пользуется большим спросом практикум по робототехнике для 5-6 классов Д.Г. Копосова «Первый шаг в робототехнику» [73]. В пособии имеется полезная информация по физике. Дается описание физических принципов работы ряда датчиков, входящих в базовый набор Lego Mindstorms. Составлен ряд заданий по работе учащихся с конкретными видами датчиков. Прилагаются табличные данные по физике для сравнения (оценки) различных показаний датчиков. В пособии предлагаются проекты, которые необходимо выполнить школьникам для изучения принципов работы датчиков. Рассматриваются примеры нескольких проектов, моделирующих работу измерительных приборов (тахометра, измерителя громкости, измерителя освещённости, одометра, курвиметра, спидометра, дальномера). К пособию разработан вариант рабочей тетради. Работа учащихся с робототехническим набором Lego Mindstorms по материалам данного пособия будет обеспечивать в числе прочего пропедевтику изучения базового курса физики в 7-9 классах. Д.Г. Копосов в своих публикациях обращает внимание на роль робото-технического конструирования в формировании физического и инженерного мышления школьников. Автор разработал концепцию инженерной школы на базе робототехники и микроэлектроники, которая представлена на его персональном сайте «Начала инженерного образования в школе» [102]. Программа инженерной подготовки включает курсы по проектированию роботов на основе разных робототехнических наборов. Предполагается организация проектно-исследовательской деятельности учащихся по робототехнике в учебном процессе. Даются рекомендации и по организации кружковой работы со школьниками по робототехнике. В методических материалах Л.Г. Белиовской [13] раскрываются некоторые возможности использования конструктора LEGO Mindstorms NXT и ряда датчиков, совместимых с ним, в постановке физического эксперимента. Автор приводит примеры применения датчиков Vernier и самодвижущейся тележки, изготовленной на базе конструктора LEGO Mindstorms NXT, для экспериментального изучения некоторых физических явлений: трения, работы сил, магнитного поля полосового магнита и соленоида, индукции магнитного поля. Обсуждаются некоторые преимущества таких экспериментов: одновременная работа с несколькими датчиками, компьютерная обработка данных и визуализация результатов работы различными способами. В коллективной работе «Образовательная робототехника на уроках информатики и физики в средней школе» (В.Н. Халамов и др.) [169] представлены методические и дидактические материалы по использованию образовательной робототехники на уроках информатики в 5-6 классах и физики в 7-8 классах. Авторами подготовлены разработки фрагментов уроков к разделу «Механика» с применением робототехнических конструкторов, упражнения и задачи, а также тестовые задания к данным урокам. Представлены групповые и индивидуальные задания для самостоятельной творческой работы учащихся. Все задания являются достаточно простыми. Для их выполнения используется самодвижущаяся тележка, изготовленная с применением робототехнического конструктора LEGO Mindstorms. При выполнении заданий учащиеся традиционными способами измеряют время, пройденный путь, скорость движения робота-тележки, с помощью динамометра Бакушинского определяют значение силы буксируемого данной тележкой груза. При равноускоренном движении тележки измеряются мгновенная скорость и ускорение движения. В итоге учащимся предлагается рассчитать работу и мощность двигателя тележки-робота. После взвешивания тележки на весах может быть определен ее импульс. Отметим, что в данном пособии рассматривается применение лишь простейших элементов конструктора LEGO Mindstorms NХТ в обучении физике. Предложенные автором для использования в физическом эксперименте конструкции не являются по сути робототехническими системами. В некоторых публикациях представлены разработки отдельных уроков по физике с применением робототехнического оборудования. Так в статье А.В. Минкина [97] предлагается способ измерения ускорения свободного падения и автоматическое определение времени движения робота под действием нескольких сил. Учитель физики В.В. Абальмасов в своей методической разработке «Использование Lego Mindstorms Education EV3 на уроках физики» [1] приводит пример физического эксперимента по измерению коэффициента трения. В ряде работ обсуждаются общие педагогические аспекты внедрения образовательной робототехники в систему среднего образования. В статье Н.В. Петровской и А.В. Страхова «Образовательная робототехника: продуктивно-когнитивный подход» отмечается, что «… робототехника отражает все грани научно-технического творчества в настоящее время и является уникальной образовательной технологией, направленной на поиск, подготовку и поддержку нового поколения молодых исследователей с практическим опытом командной работы на стыке перспективных областей знаний» [123]. Авторы обсуждают вопросы соответствия данной технологии основным принципам дидактики, интеграции учебных дисциплин и выбора организационных форм учебного процесса при реализации образовательной программы «Робототехника». В статье П. В. Зуева и Е.С. Кощеевой [53] обозначены основные проблемы организации учебного процесса с использованием робототехники: отсутствие преемственности между ступенями образования, недостаточное взаимодействие педагогов основного и дополнительного образования, отсутствие в целом по стране преемственности в материальной базе и программном обеспечении робототехнического творчества молодежи, а также « … отсутствие четкой концептуальной, методологической, материально-технической и методической основы развития робототехники в нашей стране» [Там же, с. 60]. В работе приведены примеры реализации принципа преемственности на основе включения в образовательный процесс программных сред для программирования и моделирования автоматизированных технических систем. Публикация Е.Ю. Левченко и А.М. Мехнина «Формирование политехнической компетенции в процессе физико-технического творчества учащихся» [96] посвящена вопросам реализации компетентностного подхода в современном политехническом образовании. Авторы обращаются внимание на необходимость усиления практической составляющей программ обучения и важность развития физико-технического мышления учащихся. В итоге как одно из решений поставленной проблемы в статье предлагается программа дополнительного образования по физико-техническому творчеству «Лаборатория электроники и робототехники» для школьников 9-11 классов. Х.Х. Абушкин и А.В. Дадонова в статье «Межпредметные связи в робототехнике как средство формирования ключевых компетенций учащихся» [3] обращают внимание читателей на междисциплинарный характер деятельности учащихся в области робототехнического моделирования и конструирования. Подчеркивается в связи с этим возможность применения робототехники с целью формирования ключевых компетенций школьников. Перечислены виды деятельности школьников в процессе роботостроения, которые формируют ключевые компетенции: информационную, коммуникативную, учебно-познавательную. А.В. Литвин в статье «Педагогические и дидактические возможности образовательной робототехники» [81] раскрывает особенности включения наборов Lego Education и Lego Mindstorms в образовательное пространство школы, дан анализ межпредметных связей образовательной робототехники с общеобразовательными дисциплинами. Автор указывает, что, несмотря на эффективность робототехники как средства организации проектной и исследовательской деятельности студентов и школьников, « … проблема использования образовательной робототехники в учебном процессе остается недостаточно изученной». Диссертационных исследований по проблеме применения образовательной робототехники в системе основного и среднего общего образования нами пока не найдено. Частично эта проблема обсуждается в диссертации Д.М. Гребневой «Обучение школьников программированию на основе семиотического подхода. Работа направлена на совершенствование учебного процесса по информатике. Автор предлагает организовывать знаково-символическую деятельность в процессе программирования на современном, качественно новом уровне, а именно на базе аппаратно-программных средств робототехники [32]. В исследовании О.С.Власовой, посвященном активизации освоения младшими школьниками дисциплин естественнонаучного цикла в процессе технического конструирования, робототехника рассматривается как средство закрепления знаний по дисциплинам окружающий мир, математика, технология. Автором разрабатывается методика организации занятий с младшими школьниками техническим конструированием и робототехникой во внеурочное время [25; 127]. Диссертационное исследование Ю. А. Максаевой «Развитие одаренности детей дошкольного возраста средствами легоконструирования» затрагивает проблему развития технического творчества детей дошкольного творчества [89]. Отметим в заключении, что большинство отечественных учебно- методических изданий последних двух лет, согласно каталогу Всероссийского учебно-методического центра образовательной робототехники за 2013-2014 гг., ориентировано на дошкольное образование и начальную школу, обучение информатике в основной школе (в 5-6 классах), а также на дополнительное образование детей и подростков. Рассмотрим наиболее значимые результаты изучения особенностей применения робототехники в системе образования, выполненные зарубежными исследователями. В мировой образовательной практике робототехника как область изучения и проектной деятельности учащихся применяется уже около15 лет. Интерес к робототехнике, интегрирующей в себе науку, технологию, инженерное дело, математику (Science Technology Engineering Mathematics = STEM), непрерывно растет. Во многих ведущих странах реализуются национальные программы по развитию STEM-образования, в том числе и STEM-робототехники (наряду с соревновательной РТ). Известные компании, производственные и научные организации сферы высоких технологий занимаются разработкой и продвижением образовательных IT-проектов. Ряд фирм (LEGO, DFPobot, UCR, INEX и др.) выпускают образовательные робототехнические конструкторы на основе программируемых микроконтроллеров и микропроцессоров, разрабатывают специализированное программное обеспечение, которое может быть использовано не только для конструирования простейших роботов, но и для организации достаточно сложной исследовательской деятельности школьников и студентов. Обсуждение практики применения робототехнических конструкторов в школьном образовании за рубежом началось несколько раньше, чем в отечественной педагогической науке. Достаточно много публикаций относится к линейке LEGO Mindstorms (LEGO Mindstorms RCX, LEGO Mindstorms NXT, LEGO Mindstorms EV3), представленной сегодня на образовательном рынке. Выпуск каждого нового поколения конструкторов сопровождается изданием справочных и методических пособий. Следует отметить, что в пособиях последних лет [192; 193; 198 и др.] рассматриваются не только вопросы техники проектирования и программирования роботов, но и принципы функционирования отдельных элементов их конструкции, приводятся примеры выполнения учебных проектов, направленных на изучение закономерностей протекания различных явлений природы с применением конструкторов LEGO Mindstorms. По мере расширения практики применения оборудования LEGO Mindstorms в школьном образовании робототехника стала включаться в стандарты образования. Например, в перечень тем и изучаемого оборудования в образовательном стандарте штата Вирджиния США [199, с. 24] входит знакомство с датчиками, сервомоторами и двигателями LEGO, изучение методов исследования различных механизмов. Является обязательным участие школьников в соревнованиях по робототехнике. Зарубежными коллегами проводятся специальные исследования, связанные с применением РТ в учебном процессе. Из переводных изданий последних лет на отечественном рынке методической литературы по робототехнике известно пособие выпуска 2009 г. «Физические исследования с Vernier и LEGOMindstormsNХТ: лабораторные занятия по науке и технологиям, проектированию и математике с использованием датчиков Vernier» [165]. В книге представлены лабораторные работы по некоторым темам курса физики: «Силы», «Давление», «Электричество», «Магнетизм». Датчики Vernier, используемые в данных работах в паре с программным обеспечением микропроцессора NХТ, позволяют проводить весьма точные измерения, осуществлять мониторинг эксперимента, освобождая учащихся от кропотливой работы по наблюдению и отслеживанию показаний приборов, а также дают им возможность впоследствии визуализировать полученные данные в форме графиков и анализировать их. Следует отметить, что все манипуляции с экспериментальной установкой осуществляются учащимися вручную. Традиционным способом производится и запись данных в таблицы. В пособии помимо лабораторных работ представлены примеры проектов по применению робототехники в создании простых технических устройств, работающих на основе известных физических явлений (магнитоискатель, миноискатель, устройство слежения за источником света, диагностика аккумуляторной батареи). С точки зрения применения РТ в обучении физике представляет интерес учебное пособие «PhysicswithRobotics.AnNXTandRCXActivityGuide» (William Church, Tony Ford, Natasha Perova, 2009) [197]. LEGO-робототехника рассматривается в данной работе как технология изучения физики с целью пропедевтики и закрепления знаний школьников по данному предмету. В пособии представлено более 20 проектов по физике на базе конструктора LEGO Mindstorms NXT. Как приложение к данному пособию создан сайт, на котором были представлены электронная версия пособия и управляющие программы к проектам [Там же]. Этой же группой авторов в последующие годы была продолжена работа по подготовке методических рекомендаций по LEGO-робототехнике. В их совместной работе «PhysicsWithRoboticsUsingLEGO® MINDSTORMS® inHighSchoolEducation» [190] представлен обзор научных идей в направлении возможности использования активных форм изучения материала при использовании робототехнического оборудования, в частности при организации проектно-исследовательской деятельности учащихся. Подчеркивается дидактическая ценность квазинаучного метода исследования, поскольку в этом случае освоение нового материала осуществляется через возможность школьников столкнуться с научной проблемой, выдвинуть гипотезы, построить авторскую модель робота и получить результат. Авторы предлагают несколько проектов для учащихся, связанных с использованием LEGO Mindstorms NXT в курсе физики в средней школе. В статье описаны идеи и цели следующих экспериментальных проектов: равноускоренное движение, гармонические колебания, исследование звука. Авторы отмечают, что организация деятельности учащихся по проектированию робототехнических устройств в предметном обучении и распространение данной практики преподавания учебных курсов служит основой для объединения научных (квазинаучных) исследований и инженерного проектирования, а также достижения обучаемыми коммуникативных и личностных результатов. Вопросы применения робототехнических наборов LEGO Mindstorms, а также датчиков Vernier в инженерной подготовке и STEM-образовании обсуждается в работе «Hands On Physics with LEGO MINDSTORMS NXT: 10 Lessons for the Classroom» (Cole John, Amanda Terrell and Alicia Green) [191]. Авторами дано описание серии физических экспериментов с гироскопом и акселерометром. Представлено десять экспериментов, при выполнении которых учащиеся знакомятся c принципами работы и особенностями использования датчиков при диагностике различных движений, начиная с простых его видов и заканчивая сложными движениями в игровых ситуациях, когда датчики прикрепляются к телу человека. В 2014 г. была закончена четырёхлетняя работа крупнейшей в Европе научно-исследовательской организации FRAUNHOFER по разработке комплекта заданий "Физические эксперименты" с применением LEGO Mindstorms Education EV3. На официальном сайте «LEGO Education» размещено краткое описание данного продукта [70]. Комплект включает 14 проектов по генерации и потреблению энергии, изучению передачи тепла, определению точек кипения и таяния, определению сил и параметров движения, а также проекты по оптике, реализованных с помощью роботов LEGO Mindstorms. Экспериментальная работа по апробации комплекта охватывала значительную часть школ Европы и, по заявлению авторов, имела большой успех. В основе концепции данного продукта, по словам одного из его разработчиков М. Коррера (M. Korherr), лежит принцип интеграции содержания математики, информатики, естественных наук и техники (MINT). Анализ теории и практики применения образовательной робототехники в системе школьного образования позволяет сделать следующие выводы. 1. В педагогическом сообществе в России и за рубежом в целом сложилось понимание важности подготовки школьников в области робототехники. Даны социально-экономические и педагогические обоснования необходимости ос воения учащимися комплекса знаний по роботостроению, организации их ро- бототехнического творчества и становления у них практической готовности к выполнению в этой сфере различных технических проектов. 2. Образовательная робототехника справедливо рассматривается как « … новое междисциплинарное направление обучения школьников, интегрирую щее знания о физике, мехатронике, технологии, математике, кибернетике и ИКТ, и позволяющее вовлечь в процесс инновационного научно-технического творчества учащихся разного возраста». Ее назначение связывается « … с по пуляризацией научно-технического творчества и повышения престижа инже нерных профессий среди молодежи, развитие у молодежи навыков практического решения актуальных инженерно-технических задач и работы с техни кой» (Российская ассоциация образовательной робототехники: http://raor.ru/about/). Образовательная робототехника может рассматриваться не только как одно из направлений обучения школьников, но и как самостоя тельный учебный предмет, который может быть введен в учебный план сред ней общеобразовательной школы. Это новое направление профессиональной деятельности учителя-предметника (пока реализуемое отчасти во внеуроч ной работе с учащимися) и новая область научно-методического знания. Взгляд на образовательную робототехнику как средство формирования инженерного мышления школьников, развития их интереса к техническому творчеству, ориентации на выбор инженерных профессий и рабочих специальностей является на сегодня достаточно распространенным. Однако на основе этих воззрений преимущественно развивается практика применения робототехники в системе дополнительного образования. Это направление поддерживается подготовкой научно-популярных и учебных пособий, публикацией методических разработок для педагогов дополнительного образования. 3. Направления, методы и приемы применения робототехники в предмет ном обучении в средней школе пока не разработаны в полной мере. Это новое направление политехнического обучения, интегрирующее знания и опыт пре подавания целого ряда школьных предметов. В его разработке должны быть учтены специфика робототехнических устройств как нового объекта совре менной техносреды, возможности каждого учебного предмета в его освоении, особенности содержания образования разных уровней и профилей. 4. Разработка учебных и методических пособий, ориентированных на при менение РТ в учебном процессе, пока ограничена по своим масштабам. Их со держание связывается преимущественно с курсами информатики. Публика ции, посвященные применению робототехники в обучении физике (статьи, учебные пособия), являются на сегодня единичными. Несколько в большей мере уделяется внимание подготовке программ элективных курсов по робо тотехнике. Как правило, эти элективные курсы организуются как сопровожде- ние базовых курсов информатики и технологии. Практика применения робототехники в обучении физике (как в отечественной системе образования, так и за рубежом) представлена в основном выполнением учащимися проектов физико-технической направленности, реже постановкой физических экспериментов с применением наборов по робототехни-ческому конструированию. В методической литературе и на образовательных сайтах по робототехнике приводятся примеры некоторых проектов, а также отдельных физических экспериментов с применением различных элементов образовательных наборов по конструированию роботов. Диссертационные исследования, связанные с решением проблемы внедрения робототехники в образовательное пространство школы, находятся пока в своей начальной стадии. В публикациях авторов этих исследований освещается в основном конкретный опыт применения робототехники в образовательном процессе средней школы. В последнее время появились работы, в которых поднимаются общие педагогические и методические проблемы применения робототехники в предметном обучении и внеурочной работе со школьниками. Исследования зарубежных авторов в настоящее время по масштабам и темпам своего продвижения пока опережают отечественные разработки. Подготовка учебных и методических материалов ведётся в крупных научно-исследовательских центрах при университетах. Робототехника в зарубежных исследованиях, как правило, рассматривается как компонент более широкого направления в образовании – STEM-образования. 8. Содержание, методика и технологии применения робототехники в реализации политехнической направленности обучения в средней школе должны стать предметом систематических и целенаправленных исследова ний в отечественной педагогической науке. Важно найти эффективные ре шения применения РТ не только во внеурочной работе со школьниками, но и в учебном процессе. В связи с мультидисциплинарностью робототехники как области технического знания, необходимо раскрыть возможности каж дого учебного предмета в ее освоении учащимися. Изучение основ робототехники как направления технической инноватики должно быть встроено в программы основных учебных курсов (физики, информатики, математики, технологии и др.), включено в содержание курсов по выбору в основной и старшей школах, а также программы факультативных курсов и внеурочную работу с учащимися. В каждой средней школе с учетом ее профиля должна быть разработана и запущена к исполнению комплексная программа внедрения РТ в содержание политехнической подготовки школьников. Цель такой программы: формирование у выпускников школы необходимого уровня технической культуры для их эффективной жизнедеятельности в роботизированной техносреде ближайшего будущего. Итак, в настоящем параграфе дан обзор отечественных и зарубежных исследований по проблеме применения робототехники в учебном процессе, в том числе при обучении физике. Рассмотрены особенности внедрения робототехники в образовательное пространство средней школы. Сформулированы выводы, касающиеся состояния решения проблемы внедрения образовательной робототехники в предметное обучение, включая обучение физике. 1.3. Робототехника как компонент содержания политехнического обучения в средней школе. Междисциплинарная образовательная программа по робототехнике Развитие современной техносреды и изменения в технической деятельности социума определяют необходимость систематического обновления содержания школьного политехнического образования. Как отмечалось в п. 1.1. это обновление должно осуществляться в числе прочего и в направлениях технической инноватики. Одним из таких направлений является роботостроение, которое определяется в качестве «несущего» производства пятого технологического уклада общества. Образовательную робототехнику необходимо позиционировать как составляющую содержания политехнического обучения в средней школе. Вне дрение робототехники в предметное обучение и систему внеурочной образовательной практики будет способствовать обогащению и углублению знаний учащихся в сфере технических приложений основ наук, расширению предметной области их работы с объектами техники, более успешному формированию умений технической деятельности (учебной, исследовательской и проектной). Важными результатами этого процесса должны стать рост интереса школьников к изучению научных основ современной техники, процессов ее создания и эксплуатации, а также готовность ряда учащихся к сознательному выбору профильного уровня обучения по предметам естественнонаучного и технологического циклов. Еще одним значимым следствием является формирование у учащихся обобщенных представлений о техносреде ближайшего будущего, насыщенной роботизированными системами, и общих и конкретных регулятивах поведения и деятельности в данной среде. Необходимо сформулировать общую концепцию внедрения робототехники в систему среднего образования как составляющей его политехнического содержания. Ее основными идеями являются следующие утверждения: политехническая направленность предметного обучения в средней школе должна обеспечивать общеобразовательную подготовку будущих потребителей услуг роботизированной социальной среды и предпрофессиональную подготовку потенциальных производителей робототехники; в основе подготовки должна лежать междисциплинарная образовательная программа по робототехнике (МОПР), реализация которой осуществляется комплексом учебных предметов, курсами по выбору в основной школе и элективными курсами в старшей школе (предметными, межпредметными), а также системой внеурочной работы; определение структуры и содержания программы обучения должно базироваться на всестороннем анализе основных этапов становления роботостроения как отрасли производства и области научно-технического знания, сущности понятия «робот», места и роли робототехники в производственной и социальной сферах, ее видового разнообразия, научных основ и современных направлений развития роботостроения; 4) ключевыми принципами отбора материала для программы являются его полипредметная направленность и обеспечение формирования у уча щихся за счет реализации межпредметных связей целостности представле ний о робототехнике как мультидисциплинарном объекте техносреды, дос тупность освоения; 5) в структуре программы должна быть определена обобщенная (метатех- ническая) составляющая; 6) в рамках политехнической составляющей содержания отдельных учеб ных дисциплин необходимо сформировать предметные модули по образова тельной робототехнике и обеспечить их реализацию соответствующими сред ствами обучения, дидактическими и методическими материалами; следует обеспечить преемственность обучения на разных уровнях образования (в на чальной, основной и старшей школе). 7) важной является реализация связи учебной и внеурочной работы в об ласти робототехники, а также обеспечение участия школьников конкурсном и соревновательном движениях по РТ. Разрабатываемая образовательная программа относится к динамично изменяющемуся типу программ, что обусловлено высокими темпами развития робототехники как мультидисциплинарной области знания. Содержательным ядром данной программы является понятие «робот». Анализ различных толкований данного понятия [69; 107; 112 и др.] позволил нам принять в качестве рабочего в настоящем исследовании его следующее определение. Р о б о т – это автоматическое устройство, предназначенное для выполнения физических и интеллектуальных функций, наделенное способностью к адаптации и обучению в процессе активного взаимодействия с окружающей средой. Его дополнительными свойствами в зависимости от цели применения могут быть автономность, универсальность, биморфизм, в том числе антропоморфизм. В составе указанных признаков робота следует выделить необходимые и достаточные. К необходимым признакам робота как объекта техники относятся, на наш взгляд, автоматичность и адаптивность. Остальные признаки (автономность, универсальность, биморфизм, в том числе антропоморфизм) связываются с назначением робота и могут быть реализованными (или не реализованными, а так же реализованными частично) в зависимости от цели его применения и сложности поставленной задачи. Степень же адаптивности (обучаемости) робота, определяемая уровнем совершенства его «сенсорики» (числа и качества датчиков), а также управляющей программы (ее близости к реализации функций искусственного интеллекта), тоже попадает в группу достаточных признаков, хотя сам признак адаптивности относится к числу необходимых. Важно признать, что эволюция понятия «робот», связанная с развитием науки и техники, внедрением инновационных технологий производства, может привести к необходимости дальнейшего уточнения его содержания. Проектирование и создание роботов различных видов и назначения связано с работой специалистов в самых различных областях науки и техники, поэтому полноценное изучение робототехники возможно только на основе междисциплинарного подхода. Рассмотрим направления разработки междисциплинарной программы обучения и определим их образовательное назначение. 1. Этапы становления робототехники как области научного знания, сферы производства и потребления. Сведения из истории роботостроения. Источники робототехники: мифы, марионетки (куклы-андроиды), машины-автоматы, управляемые манипуляторы. Основные части робототехниче-ских конструкций. Факторы, определившие экономическую целесообразность и успехи становления роботостроения как отрасли производства. Три поколения промышленных роботов, их характеристика. О б р а з о в а т е л ь н о е н а з н а ч е н и е . Принцип историзма в изучении робототехники и фактические знания истории ее становления – важная методологическая и информационная основа понимания учащимися основ современного роботостроения и перспектив его развития. 2. Эволюция понятия «робот». История возникновения терминов «ро бот» и «робототехника» (К.Чапек, А.Азимов). Современные трактовки понятия «робот». Основные признаки робота как технического объекта (автоматич ность, адаптивность, автономность, универсальность, антропоморфизм). Необ ходимые и достаточные признаки понятия «робот». О б р а з о в а т е ль н о е н а зн а ч е н и е . Знание эволюции понятия «робот» и его современных толкований позволяют учащимся верно оценить функциональное назначение робототехники, осмыслить ключевые направления совершенствования роботов и роботизированных систем как активно развивающихся составляющих современной техносреды. 4. Видовое разнообразие роботов. Проблема классификации роботов. Основания классификации роботов: по областям применения; среде обитания (эксплуатации); функциональному назначению; уровню универсальности; степени подвижности; типу движителя; типу приводов; системе координат рабочей зоны (линейная, угловая); конструктивным особенностям технологического оборудования (например, по числу манипуляторов); типу источников первичных управляющих сигналов; типу системы управления; способу управления; типу базовых элементов систем управления; грузоподъемности; размеру; возможности реконфигурации и репликации и др. Биоморфные и антропоморфные роботы. Характеристика роботов различных видов. О б р а з о в а т е л ь н о е н а з н а ч е н и е . Знакомство учащихся с видовым разнообразием роботов позволяет им во всей полноте осознать назначение робототехники как объекта современной техносреды, открывает перед ними широкие перспективы самостоятельного изучения научных основ и технологий создания роботов различных видов, помогает сориентироваться в выборе направлений индивидуальной учебной и проектно-исследовательской деятельности в сфере образовательной робототехники. 3. Место и роль роботов в производственной и социальной сферах. Мировые тенденции в развитии роботостроения. Промышленные, сервисные и потребительские роботы. Сферы применения роботов: несовместимая с жизнью и опасная для здоровья природная и техногенная среда, в том числе технологически сложные, вредные и опасные для человека производства; военное дело: легкая промышленность; сельское хозяйство; транспорт; медицина; наука и система образования; торговля; охрана правопорядка; сфера обслуживания и социальные обеспечения; сфера досуга. Преимущества робота как элемента техносреды. Недостатки робототехни-ческих систем. Законы робототехники (А. Азимов, Ш.Я. Ноф [108]). Проблемы нормирования отношений «человек ↔ робот»: философский, социальный (в том числе, футурологический) и психологический аспекты. О б р а з о в а т е л ь н о е н а з н а ч е н и е . Формирование у учащихся понимания перспектив развития рынка труда в условиях масштабного технического перевооружения различных отраслей производства и социальной сферы на основе внедрения робототехнических систем является основой их сознательной ориентации в мире профессий ближайшего будущего. Обсуждение с учащимися философских, социальных, этических и психологических аспектов развития робототехники позволяет им осознать базовые регулятивы роботостроения и поведения человека в роботизированной тех-носреде. Это необходимо и будущим гуманитариям, и специалистам в области естественных наук и инженерии. 5. Научные основы и направления развития робототехники. Кибернетическая модель робота: система исполнения (манипулятор и/или ходовая часть); 2) система сбора данных (датчики); система управления (компьютер, среда программирования, управляющая программа). Элементная база робототехники и научные основы ее функционирования. Достижения различных областей науки и техники, способствующие разработке современных роботов: производство изделий точной механики, электротехники, электроники, оптики; создание новых композитных материалов; развитие технологий 3D и 4D-печати, в том числе на основе биоматериалов; разработка нейрокомпьютерных интерфейсов и сознание на их основе бионических систем; производство датчиков различных типов, в том числе биосенсоров; развитие технологий машинного зрения, обновление средств связи и развитие систем навигации; производство и совершенствование автономных источников энергии; развитие технологий программирования и обмена информацией, технологий виртуальной реальности для визуализации «восприятия и понимания мира» роботом; миниатюризация компьютерной техники и рост вычислительных мощностей ЭВМ; продвижение по пути создания искусственного интеллекта и т.д. Экономические, эргономические, социально-политические и психологические аспекты создания роботов и их систем. О б р а з о в а т е л ь н о е н а з н а ч е н и е . Обсуждение с учащимся научных основ роботостроения и перспектив его развития на основе современных достижений науки и техники способствует формированию у учащихся познавательных интересов в различных областях знания, а также интереса к открытиям, возникающим на «стыке» этих областей. Обращение к технологии проектирования и создания роботов может и должно быть тесно связано с освоением содержания школьных предметов и реализацией межпредметных связей. Итак, анализ вопросов истории роботостроения, понимание специфики роботов как объектов техники, знакомство с их видовым разнообразием, изучение кибернетических моделей роботов и научных основ функционирования их элементной базы, оценка перспектив развития и применения в социуме позволяют разработать междисциплинарную образовательную программу освоения основ робототехники в средней школе (подробнее о направлениях разработки приведенных выше составляющих программы см. приложение 2). Ее базовыми структурными компонентами должны стать: 1) сведения из истории развития роботостроения и его перспективы, место и роль робототехнических систем в современной техносреде; основы философии и методологии робототехники (общей, специальной): понятие «робот», отличительные признаки робота как объекта техники; виды роботов; законы робототехники; основные подходы к проектированию робототехнических систем: кибернетическая модель робота, элементная база робота и научные основы её функционирования, компьютерное и натурное моделирование роботов; 4) современные решения и технологии в области конструирования и программирования роботов: обеспечение манипуляций и таких свойств, как «осязание», «обоняние», «зрение», «слух», «речь», «память», «нервная система», искусственный интеллект; проектирование групповых роботов (распределенных робототехнических систем) и применение с целью организации их взаимодействия различных средств связи; моделирование и программное обеспечение поведения гуманоидных роботов (М.Г. Ершов [195]). Вклад в освоение данной программы может «внести» практически каждый учебный предмет. При освоении основ робототехники необходимы знания: технологии (прочность деталей и материалов, жёсткость конструкций, виды соединений и др.), физике (физические основы работы элементной базы технических систем робота), информатике (моделирование виртуального робота, программирование его функционала), математике (расчёты параметров движения, использование различных систем координат, работа с математическими функциями при программировании автоматизированных вычислений, анализ численных данных и графиков функций и др.), черчению (работа с инструкциями по сборке роботов, плоскими и объемными изображениями различных деталей конструкций роботов; 3D-конструирование и др.). На занятиях по робототехнике возможна подготовка межпредметных проектов, включающих в числе прочего знания по химии, биологии, географии. На сегодня известны примеры интеграции робототехники с гуманитарными областями знания и сферами деятельности (реконструкция исторических событий, исследование взаимодействий различных социальных групп, решение проблем социальной адаптации, оказание социальных услуг и т.д.). Муль-тидисциплинарность робота как объекта техники не только позволяет изучать основы робототехники в рамках различных школьных предметов, но составляет продуктивную основу реализации межпредметных связей. Реализация в школьной практике комплексной междисциплинарной программы освоения робототехники должна быть направлена, прежде всего, на обеспечение уровня развития технической культуры выпускников школы, необходимого для их эффективного существования в роботизированной технос-реде ближайшего будущего и предпрофессиональную подготовку учащихся, проявивших интерес к данной области техники и технического творчества. Итак, в данном параграфе сформулирована общая концепция применения робототехники в предметном обучении. Определено содержание междисциплинарной образовательной программы, дана характеристика ее основных структурных элементов, раскрыто их назначение в учебном процессе. Показано, что научные основы роботостроения могут и должны быть представлены в предметном обучении как значимая и неотъемлемая составляющая содержания его политехнического содержания. 1.4. Модель обучения робототехнике в курсе физики средней школы. Предметный модуль междисциплинарной образовательной программы по робототехнике (физика) Подходы к внедрению образовательной робототехники в учебно-воспитательный процесс средней школы могут быть различными. Исторически первым является введение в учебный план средней школы самостоятельного предмета «Робототехника», что уже сделано в некоторых странах. Это мультидисциплинарный предмет, изучение которого позволяет учащимся повторять, систематизировать, обобщать и использовать знания по разным предметам в процессе изучения и конструирования учебных моделей роботов. Возможен иной подход, а именно: изучение робототехники в структуре отдельных предметов как составляющей их политехнического содержания. С этой целью, как отмечалось в п. 1.3., должна быть разработана междисциплинарная образовательная программа по робототехнике. На основе данной программы в составе каждой учебной дисциплины выделяется соответствующий предметный модуль и выстраиваются его необходимые содержа тельные связи с другими предметными модулями. В рамках этого подхода элементы системы знаний по робототехнике могут быть включены не только в программы основных учебных курсов (физики, информатики, технологии, математики и др.), но и представлены в системе самостоятельных курсов по выбору и элективных курсов в основной и старшей школах, учтены в программах факультативных курсов и внеурочной работе учащихся. В настоящее время для российской системы образования в свете концепции модернизации политехнического обучения в средней школе является более продуктивным, на наш взгляд, второй из подходов. Для его реализации необходимо раскрыть возможности каждого учебного предмета в освоении основ робототехники. Содержание, методика и технологии применения образовательной робототехники в обеспечении политехнической направленности обучения по предмету должны стать объектом специальных педагогических исследований. На сегодня научно-методические исследования в направлении применения образовательной робототехники в предметном обучении находятся пока в своей начальной стадии (см. п. 1.2.). Их содержание связывается преимущественно с курсами информатики, технологии и лишь отчасти физики, химии, биологии. Методика внедрения робототехники в предметное обучение не вполне очевидна. В настоящей диссертации в рамках реализации второго образовательного подхода ставится задача разработки модели и методики обучения школьников основам робототехники в учебном процессе по физике. Основу решения этой задачи составляет система общих регулятивов, на которые следует ориентироваться, на наш взгляд, при разработке моделей внедрения робототехники в предметное обучение, а именно: 1) понимание необходимости освоения основ робототехники как условия адаптации учащихся в современной техносреде и их предпрофессиональной подготовки к выбору инженерно-технических специальностей в последующем образовании и трудовой деятельности; 2) важность разработки и внедрения в практику обучения не только естественнонаучной, математической и технологической, но и гуманитарной составляющей междисциплинарной программы, а именно вопросов философии и социологии робототехники как условия понимания ее назначения, общих тенденций развития и социальных следствий внедрения и распространения; понимание мультидисциплинарности робототехники как объекта изучения, что определяет необходимость согласованной разработки предметных программ обучения как условия качественного освоения данной области знания; соблюдение преемственности предметных учебных программ разных уровней образования; наличие в предметных программах обучения базовой и вариативной составляющих, обусловленное динамизмом роботостроения как области знаний и отрасли производства, высокими темпами его развития, расширением видового многообразия роботов и области их применения; 5) наличие содержательной и процессуальной компоненты в обучении робототехнике: а) обеспечение формирования системы базовых знаний (конкретных и обобщенных, в том числе метатехнических знаний); б) организация начальной практической подготовки учащихся по моделированию и конструированию простейших роботов, формирование обобщенных умений в проектной и проектно-исследовательской деятельности; создание условий для технического и дизайнерского творчества учащихся; дифференциация и индивидуализация обучения, выявление одаренных учащихся, их поддержка в рамках программ индивидуального развития; обеспечение содержательной связи учебного процесса по предмету и внеурочной работы по робототехнике; организация конкурсного и соревновательного движений, создание творческих коллективов учащихся, ориентация их командной деятельности на инновационные решения в области моделирования и конструирования роботов. Ниже на рис. 1 представлена разработанная в настоящем исследовании модель внедрения робототехники в учебно-воспитательный процесс средней школы как составляющей содержания политехнического обучения физике.  Рис. 1. Модель обучения физике с применением элементов робототехники как составляющей содержания политехнического обучения по предмету Рассмотрим особенности данной модели. I. Представленная модель отражает общую идею и источники формирования содержания политехнического обучения. В основе лежит социальный заказ общества в форме целей политехнического обучения. Применительно к учебному процессу по физике, организованному с применением образовательной робототехники, к ним относятся: демонстрация возможностей робототехники как направления технической инноватики в преобразовании современной техносреды, социально-экономические следствия ее внедрения; демонстрация роли физики как науки в развитии элементной базы робототехники и создании различных видов роботов; формирование представлений о роли робототехники в развитии физики как области научного знания, а также методики и технологии современных физических исследований (в частности, развитие представлений о современном физическом эксперименте как методе познания, формирование умений и навыков постановки роботизированного эксперимента); повышение качества обучения: расширение и углубление предметных знаний, их систематизация и обобщение; осознание взаимосвязи наук и учебных дисциплин (физики, математики, информатики, биологии, химии, технологии, обществознания, мировой художественной культуры и др.); понимание важности их комплексного применения в решении технических задач; совершенствование политехнической подготовки средствами образовательной робототехники: |