ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ РОБОТОТЕХНИКИ В РАЗВИТИИ СОВРЕМЕННОЙ ШКОЛЬНОЙ ИНФОРМАТИКИ

Статья опубликована в рамках: Международной научно-практической интернет-конференции «Актуальные проблемы методики обучения информатике и математике в современной школе» (Россия, г.Москва, МПГУ, 22 — 26 апреля 2019г.)

ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ РОБОТОТЕХНИКИ В РАЗВИТИИ СОВРЕМЕННОЙ ШКОЛЬНОЙ ИНФОРМАТИКИ

Сундукова Татьяна Олеговна,
кандидат педагогических наук, доцент,
Ваныкина Галина Владиславовна,
кандидат педагогических наук, доцент,
Тульский государственный педагогический
университет им. Л.Н. Толстого

Аннотация: Технология играет решающую роль в освоении школьниками навыков, составляющих ИКТ-компетенции. Среди наиболее востребованных направлений, предлагаемых для освоения в основной и средней школе, робототехника предоставляет учащимся возможности в разработке инновационных идей, развитии критического и аналитического мышления, формирования навыков проектирования и моделирования на более высоком уровне. Активное использование Lego Mindstorms в современных школах позволяет в инновационной форме строить траектории обучения программированию, моделированию, реализовывать проектные методики и выявлять склонности обучающихся к научной и исследовательской деятельности на ранних этапах. В данной статье рассматривается использование робототехники в школах в контексте образовательного инструмента, позволяющего учителям интегрировать новую технологию в учебную программу. Рассматриваются эффективные стратегии использования робототехники в качестве образовательного инструмента и влияние ее на метапредметные направления обучения, реализующие модель STEM.

Ключевые слова: образовательная робототехника, Lego Mindstorms, модель STEM.

Введение. Робототехника привлекала повышенный интерес учителей и исследователей как ценный инструмент для развития познавательных и социальных навыков у учащихся от дошкольного до старшего школьного возраста, а также для поддержки обучения в области математики, технологии, информатики и других школьных предметов, междисциплинарной учебной деятельности в течение последнего десятилетия [1]. Согласно [7], образовательная робототехника стала уникальным инструментом обучения, который может предложить практические инновационные мероприятия в привлекательной учебной среде, формируя интерес и желание постигать самостоятельно возможности конкретной среды, дополняя встраиваемыми технологическими и техническими совместимыми компонентами. Обзор литературы показал, что образовательная робототехника является активно развивающейся областью с высоким потенциалом существенного влияния на характер научно-технического образования на всех уровнях, от детского сада до университета [1]. На протяжении многих лет для повышения качества и расширения взаимодействия между пользователями и объектами робототехники был разработан ряд комплектов робототехнических конструкций для образовательных приложений [8].

Согласно [11], некоторые роботы имеют статическую морфологию (например, Furby), в то время как другие имеют переменную или динамическую (например, Lego® Mind-Storms™, Fischer Technic robot). Роботы с переменной морфологией дают пользователю возможность строить, планировать и программировать различные виды объектов робототехники, они были построены в соответствии с принципами обучения когнитивного развития. По мнению I. Harel и S. Papert, прочный и долговременный эффект усвоения новой информации достигается путем приобретения или конструирование знания путем наблюдения за воздействием своих действий на окружающий мир [9]. Конструктивистский подход способствует такому виду обучения, при котором педагог не передает информацию, а является скорее фасилитатором обучения, ведущим своеобразную рабочую группу, при этом учащийся увеличивает объем своих знаний и умений посредством манипулирования и построения физических объектов.

Многочисленные исследователи в зарубежной педагогической науке охарактеризовали робототехнику как образовательный инструмент, причем ряд публикаций посвящен использованию именно набора Lego Mindstorms на уровнях от начальной школы до университета. Согласно [3], в педагогических исследованиях есть сведения об улучшении показателей в математике, физике и инженерных науках в результате внедрения образовательных робототехнических проектов, большинство доказательств основано на отчетах учителей, достигающих положительных результатов через индивидуальные инициативы.

Согласно [10], робототехника предлагает специальные образовательные инструменты, потому что это многодисциплинарная область, включающая синтез многих технических тем, включая математику и физику, дизайн и инновации, электронику, информатику и программирование, психологию. Результаты исследований показали, что педагогическая ценность проектирования роботов заключается в том, чтобы организовать их управление, базируясь на имеющихся у проектировщика навыках, расширяя объем знаний на основе решения возникающих практических проблем (при этом поиск необходимой информации сводится к исследованию аналогичных ситуаций, а также к предложению и проверки собственных гипотез). Роботы в данном контексте являются мотивирующей технологией, потому что они логично построены, сложны в управлении на программном уровне и связаны с возрастающими потребностями человека.

Робототехника в образовании. Популярной и активно развивающейся моделью при проектировании образовательных траекторий в современной педагогике является STEM (S – science, естественные науки; T – technology, технологии; E- engineering, инженерное искусство; M – mathematic, математика) – это образовательный подход, который интегрирует науку, технологию, технику и математику в целостную парадигму обучения, основанную на реальном применении. Учитывая нынешний интерес школьников к STEM-образованию (в предпрофильном и профильном обучении), повышенное внимание уделяется привлекательности робототехники. По мнению A. Eguchi [6], образовательная робототехника является эффективным инструментом для обучения на основе проектов, где STEM, кодирование, компьютерное мышление и инженерные навыки интегрированы в один проект. Образовательная робототехника богата возможностями интеграции не только STEM, но и многих других дисциплин. Такой подход позволяет школьникам реализовать возможность поиска новых способов совместной работы для развития навыков сотрудничества, самовыражения с использованием технологического инструмента, решения практических проблем на основе критического и инновационного мышления.

Образовательная робототехника – это инструмент обучения, который формирует навыки учеников посредством практического обучения, обеспечивает повышение мотивации к получению новых знаний в силу практической природы и интеграции технологий [6]. Привлекательная среда обучения мотивирует школьников получать любые навыки и знания, необходимые им для достижения своих целей, чтобы завершить проекты, представляющие личный интерес, выступить на защите результатов своего труда с обоснованием актуальности и значимости [6]. Новаторские достижения педагогов в школах в течение последнего десятилетия показали, что дети с энтузиазмом участвуют в проектах робототехники, достигающих целей обучения и/или развития новых навыков. Интерес зарубежной педагогики к исследованию влияния робототехники на образовательный процесс был обусловлен, с одной стороны, растущими потребностями обучающихся в технологическом и техническом направлениях проектирования автоматизированных управляемых объектов, с другой – бурным развитием направлений научно-технического прогресса в области робототехники. Большинство опубликованных результатов исследований проводились на университетском образовании, однако, ряд экспериментов был выполнен на уровне средней и начальной школы. Роботы могут быть увлекательной платформой для изучения компьютеров, электроники, машиностроения и языков программирования. Исследователями было показано, что маленькие дети лучше справлялись с итоговыми контрольными заданиями после обучения, у учащихся начальной школы был выявлен больший интерес, когда изучение языка происходило с помощью робота по сравнению с альтернативными занятиями на основе образовательных аудиоматериалов и книг.

Теоретики образования, в частности, S. Papert [13], считают, что робототехника имеет огромный потенциал для повышения мотивации и улучшения качества преподавания в классе. Альтернативное мнение высказывают D. Williams, Y. Ma, L. Prejean, G. Lai, и M. Ford [14], утверждая, что существует ограниченное эмпирическое доказательство влияния робототехники на учебный план: необходимо проектировать встраивание робототехники в учебную программу, но не заменять содержание основных образовательных дисциплин. Современные тенденции, по мнению исследователей, таковы, что преподаватели начали генерировать идеи и разрабатывать мероприятия по включению робототехники в преподавание различных предметов, включая математику, науку и технику. Без исследований, подтверждающих прямое влияние инноваций на успеваемость обучающихся, робототехника может остаться модной и востребованной тенденцией в определенный временной интервал. Исследователи подчеркнули, что большая часть литературы по использованию робототехники в образовании носит описательный характер, основанный на отчетах учителей, достигающих положительных результатов с индивидуальными инициативами [14]. Многие исследователи считают, что робототехника обеспечивает колоссальный источник энергии, который может быть использован для мотивации обучения детей. По мнению J. Johnson [10], сначала необходимо понять, что именно робототехника может предложить педагогу, прежде чем делать выводы о ее эффективном влиянии на обучение по сравнению с традиционными подходами.

Согласно H. Altin и M. Pedaste [2], робототехника может использоваться для обучения исследованию и открытию, совместного обучения, решения проблем и обучения на основе проектов в образовании. Рассмотренные подходы должны быть переформулированы в контексте современного общества. Авторы предложили некоторые способы использования робототехники в качестве инструмента для изучения физики посредством экспериментов, которые настраиваются в соответствии с этапами обучения запросу (постановка исследовательских вопросов, гипотезирование, планирование экспериментов, сбор данных, анализ, делать выводы). Н. Altin и M. Pedaste рекомендовали, чтобы робототехника и изучение проблемных вопросов могли также использоваться и в других предметах модели STEM [2].

T.A. Mikropoulos и I. Bellou [14] отметили, что робототехника может использоваться в качестве инструментов разработки в образовании. Положительные результаты обучения в двух тематических исследованиях по физике и программированию показали, что образовательная робототехника может использоваться в качестве педагогических средств, поддерживающих построение знаний на базе проектирования значимых аутентичных проектов, обучения созданию модели реального мира в виртуальном пространстве, приобретая опыт разрешения когнитивных конфликтов и обучения путем рефлексии и сотрудничества.

Подходы к обучению, применяемые в робототехнике. Основными теориями образовательной робототехники являются когнитивизм и конструктивизм [1]. По словам Ж. Пиаже, манипулирование объектами является ключом для детей к построению своих знаний [13]. Роль педагогов состоит в том, чтобы предоставить детям возможность участвовать в практических исследованиях и предоставить детям инструменты для построения знаний во время занятий. Образовательная робототехника создает среду обучения, в которой дети могут взаимодействовать со своим личный пространством и работать с реальными задачами. Образование робототехники можно проследить в контексте конструктивизма. Конструкционизм основан на идее, что люди учатся лучше, когда они участвуют в планировании и строительстве реальных натурных объектов, которые важны лично для них и которые могут быть позитивно восприняты некоторым сообществом. Интеграция робототехники в образование может предоставить учащимся возможность развивать интерактивное мышление. В конструктивистской среде обучения школьники имеют возможность управлять своим обучением, развивать математические и научные навыки, понимать реальную связь между теорией и практикой, а также связать то, что они изучают в классе теоретически, с реальностью и практическим применением.

По мнению J.M. Chambers и M. Carbonaro [5], учителя могут проектировать деятельность с помощью робототехники, которая помогает школьникам исследовать новые концепции и новые способы мышления, развивать свою технологическую грамотность и инженерные навыки с помощью этих видов деятельности. Робототехника, используемая в качестве образовательного инструмента, может помочь будущим выпускникам школы развить знания и навыки, необходимые для выживания в постоянно меняющейся, взаимосвязанной эпохе информационного общества XXI века.

Технология Lego Mindstorms. Lego Mindstorms – это сборочный комплект, содержащий строительные блоки и программируемый блок управления, который позволяет создавать несколько роботов. Среди различных доступных моделей Ev3 специально сконструирован для реализации дидактических и воспитательных задач. Типовой стандартный набор включает все необходимые компоненты, чтобы начинать проектировать и создавать простые тактильные интерфейсы, включая датчики, моторы, регуляторы и широкий ассортимент механических компонентов (компоненты в форме шестерен, поясов, валов, колес и разъемов). Стандартный набор Mindstorms также включает в себя четыре датчика, которые используются в роботизированных устройствах: сенсорные, звуковые, световые и инфракрасные датчики. Сенсорный датчик представляет собой переключатель для обнаружения контакта или выполнения управляющей программы. Звуковой датчик представляет собой микрофон, который может использоваться для обнаружения или записи звуков. Датчик света используется для различения света, темноты (необходим для программирования реакции на препятствия). Инфракрасный датчик измеряет расстояние до объекта и может быть использован, чтобы избежать препятствий, следовать цели и обнаружить движение. Основным компонентом в системе Lego является модуль Ev3, представляющий собой небольшой компьютер, который управляет двигателями и датчиками робота, позволяя ему передвигаться самостоятельно. Lego Mindstorms позволяет пользователям собирать роботов, программировать движение, интерфейсные датчики и двигатели, не фокусируясь на технических деталях. Процесс сборки и работы робота предполагает базовое понимание физических и конструктивных принципов и элементарных навыков программирования.

В процессе исследования A. M. Brandt и M. B. Colton [4] сделали вывод, что Lego Mindstorms подходит для использования в образовательных учреждениях на основании сформулированных критериев соответствия дидактическим задачам системы образования.

  • Многозадачность: конструкторская система позволяет обучающимся проектировать, строить и программировать различные по структуре и назначению объекты путем использования готовых типовых алгоритмов или описаний, которые могут быть положены в нестандартный проект как составные компоненты. Многозадачный характер структурных компонентов, отличающийся совместимостью отдельных элементов и узлов Lego, позволяет школьникам проектировать, строить и тестировать, не требуя специальных научных знаний и навыков сборки.
  • Образовательная привлекательность: конструкторы Lego Mindstorms становятся популярными у детей, которые привыкли взаимодействовать в игровой форме с другими механическими устройствами. Школьники стремятся получить практический опыт в сборке различных деталей и создании движущегося устройства, управляемого с помощью программных средств, доступных обучающимся. Результатом такой работы является объект, отражающий реальные трудозатраты, предназначенный для решения поставленных учащимися задач. Робот также может быть усовершенствован, протестирован в режиме реального времени, что повышает его привлекательность для разработчиков и мотивирует школьников на приобретение новых знаний.
  • Соответствие востребованным социальным компетенциям: комплект Lego Mindstorms включает в себя все необходимые компоненты для создания разнообразных роботов с использованием датчиков, двигателей и программируемых устройств, которые управляют движением и реакцией робота. Промышленная робототехника реализует производство автоматизированных устройств, опираясь на те же этапы разработки проектов, которые изучаются школьниками. Востребованность инженеров в области робототехники создает у школьников привлекательность осваиваемого направления и открывает конкурентоспособные возможности в перспективе.

Выводы. Разработчики стандартов в области среднего и профессионального образования учитывают, что робототехника – перспективная платформа для обучения навыкам XXI века. Решение роботизированных задач создает инновации, креативность и навыки решения практикоориентированных задач у школьников, а впоследствии студентов, осваивающих инженерные направления подготовки. Робототехника неявно интегрируется в несколько учебных предметов, именно поэтому школьники должны изучать и применять свои знания в области науки, техники, математики и компьютерного программирования, опираясь на единое образовательное метапредметное ядро. Воспитательная значимость проектирования роботов заключается в том, что обучающиеся испытывают положительные эмоции, работают вместе командой, формируют и развивают собственные коммуникативные навыки взаимодействия, при этом обучение происходит естественно. В зарубежной образовательной практике робототехника признана популярным способом заинтересовать маленьких детей наукой, математикой, техникой и технологиями.

На международном уровне создаются движения, повышающие мотивированность у школьников и студентов в освоении робототехники. Всемирная олимпиада роботов (World Robot Olympiad – WRO) – это событие, которое объединяет молодых людей всего мира в соревновательное взаимодействие, являющееся сочетанием науки, техники и образования и позволяющее молодым людям реализовать возможность развиваться через различные роботизированные задачи и состязания. Программа робототехники направлена на совершенствование научно-технических, инженерно-математических навыков и знаний школьников и студентов, при этом основное внимание уделяется развитию их навыков и способностей к решению практических задач, творчеству, инновациям и сотрудничеству, к конкурентоспособному будущему.

ЛИТЕРАТУРА:

  1. Alimisis D. Educational robotics: Open questions and new challenges //Themes in Science and Technology Education, 2013. Т. 6. №. 1. С. 63-71.
  2. Altin H., Pedaste M. Learning approaches to applying robotics in science education //Journal of baltic science education, 2013. Т. 12. №. 3. С. 365-377.
  3. Bers M. U., Portsmore M. Teaching partnerships: Early childhood and engineering students teaching math and science through robotics //Journal of Science Education and Technology, 2005. Т. 14. №. 1. С. 59-73.
  4. Brandt A. M., Colton M. B. Toys in the classroom: LEGO MindStorms as an educational haptics platform //2008 symposium on haptic interfaces for virtual environment and teleoperator systems. IEEE, 2008. С. 389-395.
  5. Chambers J. M., Carbonaro M. Designing, developing, and implementing a course on LEGO robotics for technology teacher education //Journal of Technology and Teacher Education, 2003. Т. 11. №. 2. С. 209-241.
  6. Eguchi A. Educational robotics for promoting 21st century skills //Journal of Automation Mobile Robotics and Intelligent Systems, 2014. Т. 8. №. 1. С. 5-11.
  7. Eguchi A. What is educational robotics? Theories behind it and practical implementation //Society for information technology & teacher education international conference. – Association for the Advancement of Computing in Education (AACE), 2010. С. 4006-4014.
  8. Eguchi A., Reyes J. Engage and motivate non-computer science major undergraduates using educational robotics //Society for Information Technology & Teacher Education International Conference. – Association for the Advancement of Computing in Education (AACE), 2008. С. 2572-2576.
  9. Harel I. E., Papert S. E. – Ablex Publishing, 1991. 518 с.
  10. Johnson J. Children, robotics, and education //Artificial Life and Robotics, 2003. Т. 7. №. 1-2. С. 16-21.
  11. Lund H. H., Pagliarini L. Edutainment robotics: Applying modern ai techniques.// International Conference on Autonomous Minirobots for Research and Edutainment, AMIRE, 2001. С. 572-584.
  12. Mikropoulos T. A., Bellou I. Educational robotics as mindtools //Themes in Science and Technology Education, 2013. Т. 6. №. 1. С. 5-14.
  13. Papert S. Mindstorms: Children, Computers, and Powerful Ideas, NY, New York: Basic Books, 1993. 238 с.
  14. Williams D. C., Ma Y., Prejean L., Ford M. J., Lai G. Acquisition of physics content knowledge and scientific inquiry skills in a robotics summer camp //Journal of research on Technology in Education, 2007. Т. 40. №. 2. С. 201-216.
avatar
  Подписаться  
newest oldest most voted
Уведомить о
Надежда Николаевна

Добрый день! Скажите, пожалуйста, робототехника, с вашей точки зрения средство обучения или образовательная технология?

Галина Ваныкина
Галина Ваныкина

Здравствуйте, Надежда Николаевна! На наш взгляд, в широком смысле робототехника рассматривается как автономное направление в цифровом образовании (как программирование, информационные технологии), интегрирующее в свое образовательное пространство знания других научных дисциплин (физика,математика, техника, информатика, программирование и т.д.). Одной из образовательных технологий робототехники-дисциплины выступает робототехника-технология, которая использует специфические средства обучения.