Инновационный опыт реализации проектных-исследовательских технологий в робототехнике

Автор: Королева Татьяна Николаевна, педагог дополнительного образования.
Организация: МБУ ДО "Центр детского (юношеского) технического творчества" Ленинского района г. Барнаула, Алтайский край.
Статья раскрывает инновационный опыт реализации проектных технологий в техническом творчестве учащихся на базе учреждения дополнительного образования Центра детского (юношеского) технического творчества г. Барнаула.
Робототехника является одним из важнейших направлений научно - технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта.
Образовательная робототехника выступает как самостоятельная дисциплина, являющаяся образовательным компонентом общего и среднего образования. Выражая общие идеи, она пронизывает содержание многих других предметов и, следовательно, становится дисциплиной обобщающего плана. Основное назначение курса "Робототехника" состоит в выполнении социального заказа современного общества, направленного на подготовку подрастающего поколения к полноценной работе в условиях глобальной информатизации всех сторон общественной жизни. Гармонично вписывается в систему предпрофессиональной подготовки детей к инженерным специальностям в системе дополнительного образования.

Образовательная программа дополнительного образования детей объединения «Робототехника» разработанная мной, является авторской программой по техническому направлению, реализуемой на базе ЦД(Ю)ТТ г. Барнаула.

Содержание и структура программы «Робототехника» направлена на формирование устойчивых представлений о робототехнических устройствах как едином изделии определенного функционального назначения и с определенными техническими характеристиками.

Цель образовательной программы «Робототехника» заключается в том, чтобы научить ребят грамотно выразить свою идею, спроектировать ее техническое и программное решение, реализовать ее в виде модели, способной к функционированию.

Такие знания и умения вызывают у детей желание двигаться по пути открытий и исследований, а любой признанный и оцененный успех добавляет уверенности в себе. Обучение происходит особенно успешно, когда ребенок вовлечен в процесс создания значимого и осмысленного продукта, который представляет для него интерес. Важно, что при этом ребенок сам строит свои знания, а педагог в образовательном процессе выступает тьютором.

Содержание практических работ и виды проектов могут уточняться, в зависимости от наклонностей учащихся, наличия материалов, средств и другого.

По виду деятельности проекты можно классифицировать следующим образом [5]:
1. Исследовательский (порождает новое востребованное и употребляемое знание).
2. Инженерно-конструкторский (создает новый инженерный продукт или технологию).
3. Организационный (создает новую практику, бизнес, управляющую структуру).

Образовательная робототехника создает благоприятную среду для создания инженерно-конструкторских проектов. Таких примеров можно привести достаточно много. Вот некоторые примеры из моей практики. "Робот-пожарный", "Робот-уборщик", "Робот-помощник учителя", "Электронный сейф", "Автоматическая кормушка", "Беспилотная картофелепосадочная машина" и другие. Данные проекты были выполнены обучающимися на занятиях и во внеурочное время и представлены широкому кругу лиц для обсуждения и выявления степени значимости. Проекты получили высокие оценки экспертного сообщества, а ребята - подтверждение значимости своего инженерного продукта и стремление к дальнейшему воплощению новых замыслов.

Исследовательские проекты всегда относились к наиболее сложным видам деятельности, так как требовали достаточно пристального внимания к проблеме, применения комплекса исследовательских методик, совершенствования аналитических способностей учащихся, временных ресурсов и др.
Под научным исследованием понимают один из видов познавательной деятельности в ходе которой осуществляется выработка новых научных знаний (энциклопедия Брокгауза Ф. А., Ефрона И. А.). При этом научное исследование характеризуется объективностью, воспроизводимостью, доказательностью, точностью.

Под учебным исследованием понимается, на первый взгляд, то же самое. Разница заключается в том, что учебное исследование, "учит" способам нахождения "нового", а научное исследование его находит.

Для успешного осуществления учебно-исследовательской деятельности в ходе работы над проектом, обучающиеся должны овладеть следующими действиями:
• постановкой проблемы и аргументированием её актуальности.
• формулировкой гипотезы исследования и раскрытием замысла-сущности будущей деятельности.
• планированием исследовательских работ и выбором необходимого инструментария и методов исследования.
• проведения исследования с обязательным поэтапным контролем и коррекцией результатов работ.
• оформлением результатов учебно-исследовательской деятельности как конечного продукта.
• представление результатов исследования широкому кругу заинтересованных лиц для обсуждения и возможного дальнейшего практического использования.

Реализация учебно-исследовательской деятельности обучающихся в рамках курса "Робототехника" предполагает два основных направления:
1. Исследования, осуществляемые в рамках других предметных областей, но требующие для их реализации технического инструментария, который может быть реализован в рамках курса.
2. Исследования, целью которых является сборка инженерной модели, реализующей конкретные манипуляции.

Примером исследовательского проекта второго типа может служить исследовательский проект "Автоматизированная система регулирования освещенности", выполненный обучающимся нашего Центра.

Потребность в создании автоматизированной системы возникла из необходимости тщательного ухода за орхидеями на подоконнике. Известно, что орхидеи любят свет, однако боятся прямых солнечных лучей. Сложность заключалась в том, что утром, уходя из дома не всегда точно получается спрогнозировать погоду на день. И орхидеи могут получить солнечный ожег, либо не получить достаточно света.

На окне была закреплена рулонная штора-жалюзи, которая закрывалась и открывалась вручную. Тогда возникла идея автоматизировать этот процесс. А именно, создать автоматическое устройство включения шторы и фитолампы в зависимости от уровня освещенности за окном из Lego Mindstorms EV3.

Работа проходила в несколько этапов.
1. Исследование уровня освещенности в зависимости от времени суток двумя способами: с помощью люксметра и датчика цвета Лего.
2. Анализ и сопоставление полученных измерений с данными из Атласа орхидей.
3. Подбор порога срабатывания датчика цвета, работающего в режиме "Освещенность".
4. Определение продолжительности светового дня.
5. Создание конструкции автоматического устройства закрывания-открывания шторы в зависимости от уровня освещенности за окном.
6. Создание конструкции автоматического устройства включения-выключения искусственного освещения в зависимости от продолжительности светового дня.

Устройство активируется путем включения блока EV3 и запуска программы (в 7 часов утра). Датчик цвета реагирует на освещенность за окном и подает сигналы микроконтроллеру со скоростью 1 кГц\сек. Если освещение ниже заданного порога значения, то штора открыта. Как только начинает светить яркое солнце и значение освещенности достигает заданного порога значения, штора закрывается. Закрытие шторы происходит при помощи мотора. Когда солнце садится или заходит за тучи, датчик снова срабатывает, посылает сигнал EV3, включается мотор, штора открывается. Если значение освещенности меньше минимально допустимого значения и с момента включения прошло менее 12 часов, включается светодиодная фитолампа.

Зарядное устройство подключается к аккумулятору LegoMindstormsEV3 с одной стороны и к сети электропитания – с другой. Что обеспечивает бесперебойную работу устройства.

В ходе работы над проектом, обучающийся расширил свой кругозор. Выявив, что мир орхидей очень разнообразен, существует множество их видов и для выращивания в комнатных условиях, необходимо соблюдать ряд условий. Одним из главных является освещение. Узнал, что свет неоднороден по своему составу. Наибольшее значение для растений имеют красные и оранжевые лучи, которые служат основными поставщиками энергии для фотосинтеза. Кроме них в фотосинтезе участвуют синие и фиолетовые лучи; они же играют большую роль в процессах, управляющих развитием растений. Не менее важны для растений и другие составляющие солнечного спектра. Лишь желтые и зеленые лучи обладают минимальной физиологической активностью.

В результате практической работы обучающимся была достигнута цель исследовательского проекта – создана оптимальная световая среда посредством автоматического устройства закрывания-открывания шторы и включения-выключения фитолампы. Устройство оказалось работоспособным и вполне отвечает заявленным потребностям в уходе за растениями.

И что важнее всего для самого ребенка-это то, что он помог маме в повседневных её заботах.
Работа устройства наглядно представлена в виде дополнительного сетевого демонстрационного материала на сайте Ютуб в доступе по ссылке:


.
Работа была представлена на Краевой научно-практической конференции "Будущее Алтая" и заняла 1 место, а также 3 место Всероссийского конкурса исследовательских проектов "Ученые будущего".
Для ученика проект – это возможность максимального раскрытия своего творческого потенциала. Это деятельность, которая позволяет проявить себя индивидуально или в группе, попробовать свои силы, приложить свои знания, принести пользу, показать публично достигнутый результат. Это деятельность, направленная на решение интересной проблемы, сформулированной самими учащимися. Результат этой деятельности – найденный способ решения проблемы – носит практический характер и значим для самих открывателей.

А для педагога учебный проект – это интегративное дидактическое средство развития, обучения и воспитания, которое позволяет вырабатывать и развивать специфические умения и навыки проектирования: проблематизация, целеполагание, планирование деятельности, рефлексия и самоанализ, презентация и самопрезентация, а также поиск информации, практическое применение академических знаний, самообучение, исследовательская и творческая деятельность.

Актуальность и своевременность внедрения проектных технологий в техническом творчестве учащихся очевидна. Техническое образование учащихся востребовано в любом возрасте: это формирование и развитие у дошкольников любознательности, смекалки и трудолюбия, в начальном и среднем школьном возрасте — исследовательских и конструкторских навыков, у старшеклассников — целеустремленности, инженерной мысли, созидательной деятельности [4]. Тем самым приводя ребят к выбору технических ВУЗов и инженерных профессий, что так необходимо Алтайскому краю и стране.
Литература:
1. Каширин Д. А., Федорова Н. Д. Основы робототехники 5-6 класс.- Курган: ИРОСТ, 2013.- 240 с., ил.
2. Каширин Д. А., Федорова Н. Д., Ключникова М. В. Курс "Робототехника": внеурочная деятельность, 2-е изд, доп, перер, методические рекомендации для учителя/ Курган: ИРОСТ, 2013.- 80 с.
3. Пахомова Н. Ю. Метод учебного проекта в общеобразовательном учреждении: Пособие для учителей и студентов педагогических вузов. — 3-е изд, исп. и доп. — М.: АРКТИ, 2005. — 112 с. (Метод. библиотека).
4. Проектно-ориентированное обучение (Электронный ресурс Института образования BIE).
5. Федосеев А. И. Детско-взрослые проекты: жизненный цикл проекта.- Кружковое движение, Московский Политех

Рекомендуем посмотреть:

Робототехника в детском саду Творческий проект в старшей группе. «Все профессии нужны, все профессии важны. Дизайнер» Дополнительная общеобразовательная программа технической направленности для детского сада. Старшая г Проект в детском саду. Робототехника