Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретико-методические основы освоения робототехники в рамках общего образования 14-66
1.1. Анализ отечественного и зарубежного опыта освоения робототехники и ее использования для решения образовательных задач 14-34
1.2. Освоение робототехники в рамках общеобразовательного курса информатики и во внеурочной деятельности 34-46
1.3. Формирование универсальных учебных действий во внеурочной деятельности по информатике 46-66
Выводы по главе 1 67-68
Глава 2. Методика формирования универсальных учебных действий во внеурочной деятельности по информатике с использованием робототехники 69-107
2.1. Содержание и структура методики использования робототехники для формирования УУД во внеурочной деятельности по информатике 69-86
2.2. Оценка эффективности методики формирования УУД с использованием робототехники. Анализ экспериментальной работы 86-107
Выводы по главе 2 107
Заключение 108-110
Список литературы 111-132
Приложения 133-161
- Анализ отечественного и зарубежного опыта освоения робототехники и ее использования для решения образовательных задач
- Формирование универсальных учебных действий во внеурочной деятельности по информатике
- Содержание и структура методики использования робототехники для формирования УУД во внеурочной деятельности по информатике
- Оценка эффективности методики формирования УУД с использованием робототехники. Анализ экспериментальной работы
Анализ отечественного и зарубежного опыта освоения робототехники и ее использования для решения образовательных задач
Робототехника — это наука, которая одновременно опирается на механику, электронику, программирование, искусственный интеллект. Преимущественная задача робототехники заключается в создании автоматизированной техники. Робот представляет собой трехмерную техническую систему, которая обладает измерениями, свойственными для любого живого существа. Данная машина может в некоторых сферах деятельности заменять людей или помогать им в решении тех или иных задач.
Робот, активно взаимодействующий с окружающей средой, в общем виде должен содержать следующие подсистемы: управляющую, информационно-измерительную (сенсорную), систему связи, исполнительную (моторную).
Внедрение в образовательный процесс Федеральных государственных стандартов второго поколения, ориентированных на применение системно деятельностного подхода, позволяет организовать в рамках внеурочной деятельности обучающихся пятых-девятых классов изучение образовательной робототехники с использованием широкого спектра учебно-лабораторного оборудования, включающего, в том числе, и комплекты конструкторов роботов. Это формирует у обучающихся комплекс универсальных учебных действий.
Появление конструкторов Lego MindStorm и других платформ, позволяющих создавать учебные роботы, стало импульсом для развития образовательной робототехники в начале XXI века. В 2001 году во Франкфурте был проведен первый симпозиум по данному направлению в рамках IAIS. С 2005 года уже ежегодно проходят конференции и мастер-классы по использованию роботов при обучении языкам программирования.
В различных организационных формах развивается образовательная робототехника в странах Европы, США и Японии в виде внеурочных занятий в образовательных организациях различного уровня, а также на занятиях в частных клубах и на курсах, организованных фирмами-разработчиками робототехнического оборудования. Регулярно проводятся соревнования роботов, мастер-классы и другие мероприятия с использованием возможностей сети Интернет и робототехнического оборудования.
Названные соревнования часто проходят на школьном или на университетском уровне. Самые известные международные соревнования роботов, разработанных школьниками, это соревнования – Robo Cup Junior, FIRST Lego League, Robo Cup, Euro Bot и некоторые мероприятия, организованные Международной ассоциацией разработчиков роботов (FIRA). При этом участвующие в образовании роботы в большей степени связаны с исследованиями, а не с образовательным процессом.
Существует много локальных соревнований, которые способствуют решению специализированных задач или региональные версии существующих соревнований с другими названиями. Примером такого местного соревнования в федерации NRW Германии является zdi-Roboterwettbewerb. На основе FIRST Lego League ежегодно проводятся восемь соревнований. Участниками соревнований являются команды различных университетов Германии. Многие соревнования роботов используются фирмами-производителями для продвижения своих продуктов и различных устройств и не имеют каких-либо конкретных целей и задач, связанных с образованием. Участниками подобных соревнований являются компании и исследовательских институты.
В Европе для определенной группы обучающихся проходят курсы, разработанные поставщиками определенной модели роботов, например, курсы для девочек Roberta Initiative. Данные курсы ориентированы на школьников и учителей и проводятся, как правило, после школьных занятий. В Германии наблюдается повышенное внимание к курсам робототехники со стороны научных центров таких как Heinz-Nixdorf-Museumsforum Paderborn, Deutsches Museum (Бонн), Odysseum (Кельн) или TUMLab (Мюнхен). Стоит отметить, что некоторые элементы курсов робототехники появляются в основных программах некоторых школ Германии.
Каждое соревнование роботов или мероприятия, проводимые сетевыми сообществами (например, Scuola di Robotica в Италии), создают сети активных, включенных в исследовательскую или опытно-конструкторскую деятельность людей, занимающихся образовательной робототехникой. Как нам представляется, эти сообщества обладают большим методическим потенциалом, который может быть реализован при синхронизации их деятельности.
На указанных конференциях часто демонстрируются результаты, достигнутые отдельными учреждениями при реализации проектов на основе робототехники. Авторы этих проектов, как правило, являются специалистами в области информатики и робототехники. Однако, специалисты в области психологии и педагогики в этих конференциях практически не принимали участия.
Отметим, что предложенные подходы не объдинены общей методологией и развиваются, преимущественно, в рамках отдельных коллективов разработчиков.
Большинство материалов, которые представлены в сборниках конференций, содержат технические описания платформ робототехнического оборудования. Как правило, организаторы конференций оринтируются на конкретного производителя робототехнического оборудования.
Проиллюстрируем сделанные выше выводы примерами публикаций, посвященных образовательной робототехнике. Они позволяют увидеть общие тренды и перспективы развития этого направления. В работе ««Representative examples of implementing educational robotics in school based on the constructivist approach. In SIMPAR Workshop on Teaching with robotics: didactic approaches and experiences»[181] авторы на имеющемся опыте показывают, как робототехника может успешно интегрироваться в классно-урочную систему. Более того, эксперты предлагают ряд решений для организации эффективного образовательного проекта в рамках учебного занятия. Данная публикация содержит комплекс общих идей для создания и реализации роботехнических проектов в сфере образования, однако в ней нет конкретных рекомендаций, как организовать проектую деятельность в тех или иных условиях.
В публикации «Robotics Exhibits for Science Centres. SomePrototypes. volume 33 of Communications in Computer and Information Science» [189], разработчики рассказывают о принципе использования роботизированной техники на площадках научно-экспериментального центра для массовой популяризации возможностей робототехники. В частности, демонстрируются возможности использования робототехники в процессе познания, показывается удаленный контроль и взаимодействие робототехнических устройств друг с другом. Вся методика демонстрационной работы хорошо проработана, но образовательные возможности этого подхода, все же представляются ограниченными.
Авторы работы «Some didactic problems of teaching robotics» [195] акцентируют внимание на так называемой навигационной теории, используемой в преподавании робототехники, которая включает ряд аспекетов обмена информацией между робототехническими устройствами. Авторы рассказывают о методике освоения робототехники в различных по наполнению и уровню подготовки группах обучающихся и особенностях реализации в этих группах проектной деятельности.
Анализ приведенных (и других) публикаций позволил сделать вывод, что использование робототехники в образовательных системах Японии, Соединенных Штатов Америки и странах Европы преследует, прежде всего, коммерческие цели продвижения того или иного робототехнического продукта. Как следствие, это приводит к тому, что освоение робототехники осуществляется без собственной методологической основы и без привязки к другим общеобразовательным предметам.
Как нам представляется, в методическом плане наибольший интерес представляет опыт университетов и школ Южной Кореи по освоению предмета «Информатика». Рассмотрим более подробно содержание обучения и организацию учебного процесса по двум темам «Программирование» и «Алгоритмизация».
Тема «Алгоритмы» учебного пособия «Расту вместе с Персональным компьютером» (авторы: Ким Тьхан Ги, Ким Хван, Ю Сын Хан, Ким Хё Бэ, Ма Дэ Сон, Хан Бён Нэ, Чон Ин Ги) изучается в течении восьми часов. В ней подробно рассматривается задача управления автоматизированным устроством с помощью специальной системы команд. Рассказывается также о самом понятии «алгоритм» и приводятся наиболее простые алгоритмические конструкции.
Сначала обучающиеся, применяя команды окрашивания и перемещения, создают алгоритмические конструкции для окрашивания конкретных клеток поля квадратной формы так, чтобы получился указанный в задании рисунок. Знакомясь с формальными исполнителями «Пингвин», «Улитка», «Пылесос», обучающиеся южно-корейских школ изучают особенности и принцип работы самых простых и распространенных алгоритмов. По сути, данная тема представляет собой введение в алгоритмизацию [50].
Формирование универсальных учебных действий во внеурочной деятельности по информатике
Акцентирование внимания на образовательных результатах – отличительная особенность Федеральных государственных образовательных стандартов второго поколения. При этом в Стандарте обозначены также инструменты, с помощью которых эти результаты достигаются.
В документах, сопровождающих ФГОС, важное место занимает «Фундаментальное ядро содержания общего образования», которое включает в себя подраздел «Универсальные учебные действия» (УУД) [159]. Именно УУД и являются основными инструментами достижения предметных, метапредметных и личностных образовательных результатов, сформулированных в ФГОС.
Понятие УУД отражает реалии образования в современном информационном (а теперь и цифровом) социуме. Данный термин может пониматься по-разному.
1. В общем смысле понятие «УУД» означает «способность обучаться», то есть умение субъекта самосовершенствоваться и развиваться посредством интенсивного и полностью осознанного усвоения конкретного опыта извне [9].
2. С позиции психологии универсальные учебные действия – это комплекс действий обучающегося, которые призваны способствовать самостоятельному усвоению новых знаний, в том числе, для обеспечения самого процесса обучения [9].
Понятие УУД опирается на деятельностный подход, основывающийся на положениях научной школы Л.С. Выготского, П.Я. Гальперина, В.В. Давыдова, А.Н. Леонтьева, Д.Б. Эльконина. Данный подход в полной мере раскрывает механизмы усвоения новых знаний, формирования общей картины мира, описывает структуру образовательного процесса.
Согласно ФГОС, универсальные учебные действия являются системообразующим элементом современной системы общего образования и формируются всей совокупностью учебных предметов.
В соответствие с «Программой развития универсальных учебных действий», выделяются четыре вида этих действий: личностные, познавательные, регулятивные, коммуникативные [6].
Личностные УУД отражают смысловую и ценностную ориентацию обучающихся (понимание и соблюдение моральных норм, способность анализировать события и поступки, сравнивая их с теми или иными нормами; способность выделять моральную составляющую тех или иных поступков), а также ориентацию обучающихся в социуме и в отношениях друг с другом.
С точки зрения образовательного процесса можно отметить три группы личностных УУД:
самооценка и самоопределение;
формирование смысла - установление обучающимися взаимосвязи между задачами образовательного процесса и мотивами. Это означает выявление связи между результатами образовательного процесса и побуждающими мотивами, ради которых он осуществляется. Обучающийся должен четко отвечать на вопрос, что даст образование ему лично;
этическая и нравственная ориентация, включающая нравственную оценку различного содержания (в том числе полученного из Интернет), а также поступков людей, включая свои собственные поступки.
Регулятивные УУД отражают процесс достижения обучающимися того или иного образовательного результата. В регулятивных УУД можно выделить следующие группы:
определение цели образовательного процесса на основе сравнения уже освоенного учеником содержания с тем, что он еще не знает;
планирование - установление схемы реализации промежуточных задач, суммарное решение которых приведет к достижению поставленной цели;
разработка плана достижения поставленной цели;
осуществление действий по реализации разработанного плана;
обеспечение контроля, который предполагает сравнение поставленной цели и результата, полученного на основе реализации разработанного плана;
внесение корректив и дополнений в план при расхождении поставленной цели и полученного результата;
оценка - осознание учениками того, что они уже успели освоить и того что еще предстоит освоить, понимание уровня и качества освоения;
способность учеников реализовать свои возможности и осуществлять волевые усилия, направленные на достижение поставленной цели.
В познавательных УУД выделяются четыре типа действий: общеучебные, знаково-символические, логические, действия, связанные с формулировкой и решение возникающих проблем. Общеучебные УУД:
определение и формулировка цели образовательного процесса самими учениками;
поиск и оценка необходимой информации; использование эффективных поисковых методик, включая применение компьютера;
систематизация полученной информации;
подбор наиболее действенных методов для разрешения поставленных задач с учетом обстоятельств;
рефлексия условий и методов достижения поставленной цели, анализ итогов работы;
получение необходимых сведений из различных текстов; ранжирование полученной информации; способность различать текстовые публикации делового, публицистического, научного и художественного планов; оценка информации, получаемой из СМИ;
идентификация проблемы, разработка методов решения поисковых и творческих задач.
Знаково-символические УУД - это особая категория познавательных УУД, которая включает в себя:
создание модели - трансформация чувственного объекта в модель, в которой в знаково-символической форме отражены объекты внешнего мира и отношения между ними;
трансформация модели согласно определенным правилам для поиска закономерностей предметной области, которая отражена в данной модели.
Логические УУД:
оценка объектов, призванная выявить его существенные и не существенные признаки;
систематизация - объединение нескольких частей в одно целое, включает самостоятельное дополнение недостающих элементов;
выбор оснований для классификации и систематизации объектов;
выделение причинно-следственных связей;
выстраивание цепочек логических рассуждений;
выдвижение гипотез и их обоснованности.
Формулировка и решение проблем:
выделение проблемы и объяснение ее значимости;
разработка подходов решения поисковых и творческих задач. Коммуникативные УУД отражают важность коммуникативной деятельности как «первого вида деятельности» (А.Р. Лурия). Коммуникативные УУД являются «кирпичиками» этой деятельности. К этому виду действий относят:
умение выслушивать мнение собеседника и правильно вступать/вести беседу;
принимать участие в групповом обсуждении проблемных ситуаций;
включаться в деятельность коллектива ровесников и взрослых людей, выстраивать эффективное и взаимное сотрудничество;
учитывать чужое мнение (партнеров или посторонних людей);
составлять планы для максимально эффективного сотрудничества со сверстниками и преподавателем в образовательном процессе - распределение задач и функций каждого из участников;
определение приоритетных вопросов - активная и взаимная работа в процессе сбора/поиска нужной информации;
оперативное решение конфликтных ситуаций - обнаружение проблемы, выявление методов решения споров, принятие и реализация эффективных решений;
оценка, внесение корректив и контроль за действиями своего партнера по коммуникации;
способность точно и полно формулировать собственные мысли с учетом обстоятельств и поставленных задач;
Федеральный государственный стандарт общего образования определяет требования к результатам освоения Основной образовательной программы, сформулированные в деятельностной форме. УУД являются первичными элементами, из которых строятся эти требования. Особенностью ФГОС второго поколения является появление метапредметных и личностных требований.
В формулировке ФГОС метапредметные требования выглядят следующим образом.
1. Способность самостоятельно формулировать цели образовательного процесса, самостоятельно выбирать и объяснять целесообразность новых учебных и познавательных задач, понимать интересы и мотивы познавательной деятельности.
2. Способность самостоятельно составлять план решения поставленных познавательных задач, подбирать альтернативные варианты, сознательно отдавать предпочтение в пользу самых действенных методов достижения поставленных целей.
3. Способность соотносить приложенные усиления с возможными результатами, контролировать деятельность при достижении поставленной цели, устанавливать методы достижения цели с учетом требований и имеющихся условий, вносить коррективы в план действий с учетом изменения обстоятельств.
4. Способность давать правильную оценку корректности решения познавательных задач, разрабатывать индивидуальные подходы к их разрешению.
5. Понимание и использование техник самооценки, самоконтроля принятия эффективных решений и сознательного выбора в образовательной и познавательной деятельности.
6. Способность обобщать информацию, формулировать понятия, приводить аналогии, выполнять классификацию, самостоятельно выбирать основания классификации, определять причино-следственные связи, выстраивать рассуждения с четкой логической структурой, составлять умозаключения и приходить к выводам. 7. Способность разрабатывать, использовать и трансформировать символы и знаки, схемы и модели с целью решения задач и достижения поставленных целей.
Содержание и структура методики использования робототехники для формирования УУД во внеурочной деятельности по информатике
Предложенный нами подход состоит в том, чтобы в рамках внеурочной деятельности по информатике разработать методику освоения робототехники, с одновременным формированием всех видов УУД. Таким образом, робототехника выступает одновременно и предметом изучения, и средством обучения, а также и методическим инструментом. Характерной особенностью данной методики является понимание робототехники как конвергенции материальных и информационных технологий.
В исследовании определена структура методики формирования УУД во внеурочной деятельности по информатике с использованием робототехники, включающая целевой, содержательный, процессуальный и результативный компоненты.
Целевой компонент.
Целью методики является формирование базовых компонентов УУД, (которые в ряде случае дают возможность сформировать и сами УУД) у обучающихся пятых-девятых классов в процессе внеурочной деятельности по информатики с применением робототехники
Содержательный компонент.
Робототехника, с точки зрения, технологий четвертой промышленной революции, представляет собой конвергенцию материальных и информационных технологий.
В зависимости от особенностей применения в учебном процессе, используемые в настоящее время при обучении робототехнике инструменты мы предлагаем разделить на четыре вида. Данная классификация видов образовательной робототехники приведена в таблице №2.
К преимуществам робототехники модульного типа можно отнести следующие:
многочисленные сервис-центры, налаженные поставки продукции, имеющей сертификаты, что существенно облегчает и ускоряет процесс закупки робототехнических комплектов образовательными учреждениями;
отсутствие дорогих расходных материалов;
возможность формирования у обучающихся навыков конструирования, изучения основ алгоритмизации;
«оперативные» результаты образовательного процесса (в течение двух учебных часов).
Также нужно отметить, что большая часть конструкторских решений модульного типа имеет достаточно высокую стоимость. Данное обстоятельство затрудняет приобретение комплектов индивидуально для каждого ученика. Учитывая также оптимальное время сборки и настройки робототехнического изделия (до двух часов), это создает реальные трудности в организации учебного процесса.
Применение конструкторских решений в робототехнике смешанного типа дает возможность формировать у учеников дополнительные навыки, которые имеют отношения к разработке электронных микросхем и плат. Также это дает базовые представления ученикам о схемотехнике и электротехнике. Наряду с этим, конструкторы, которые предлагает современный рынок, не дают возможности разрабатывать эффектные и «зрелищные» прототипы. Эти конструкторы целесообразно применять в рамках внеурочной деятельности по выбору и согласованию с обучающимися девятых-одиннадцатых классов, а также при проведении уроков по предмету «Технология» в девятых классах (в модульном варианте).
Применение готовых роботизированных устройств дает возможность показать обучающимся принцип работы формального исполнителя, а также позволяет сформировать общее представление о простейших алгоритмах и конструкциях, созданных на их основе, применяемых в сфере программирования, закрепить сформированные в курсе информатики основы алгоритмической культуры. В процессе разработки содержания внеурочной деятельности есть возможность использования игровых компонентов (к примеру, познавательных игр «Гонки роботов», «Битвы роботов» и т.д.).
Готовые робототехнические устройства можно применять в ходе проведения занятий по теме «Алгоритмизация и программирование» в общеобразовательном курсе «Информатика», а также во внеурочной деятельности с обучающимися пятых-девятых классов.
К преимуществам робототехники творческого типа относятся: возможность получения учениками знаний и умений, которые связаны, как с программированием и разработкой роботизированных машин, так и с умениями по изготовлению электронных микросхем. По нашему мнению, развитие данного вида робототехники актуально для дополнительного образования, поскольку оно связано со значительными временными затратами на создание и проектировку робототехнических устройств. Кроме того, данное направление требует существенных материальных затрат.
В Приложении №1 проведен анализ робототехнических комплексов, используемых для обучения робототехнике в школах России.
Можно сделать вывод, что используемые в настоящее время во внеурочной деятельности робототехнические конструкторы имеют большой образовательный потенциал и позволяют сформировать у обучающихся широкий спектр УУД (а также базовые компоненты некоторых видов УУД). С другой стороны, необходимо отметить и то, на сегодняшний день отсутствует общая методическая база освоения робототехники, инвариантная по отношению к используемым платформам.
В таблице №3 приведены возможные области учебного использования того или иного вида робототехники. Выбор вида робототехники осуществляет преподаватель с учетом имеющиеся у образовательного учреждения образования возможности, а также предпочтения обучающихся.
Оценка эффективности методики формирования УУД с использованием робототехники. Анализ экспериментальной работы
Результативный компонент методики включает в себя как сами результаты, полученные в процессе реализации методики, так и их оценку. Это предполагает определение форм и методов оценки входного, текущего и промежуточного контроля, а также порядок оценивания проектных и исследовательских работ обучающихся, выполненных в ходе освоения модулей. Используемые формы и методы позволяют провести диагностику уровня сформированности выделенных УУД «до» и «после» обучения.
В параграфе 1.3. содержатся формулировки 12 основных УУД, характерных для каждого из существующих блоков.
Представленные выше УУД целесообразно объединить в отдельные кластеры. Это обусловлено тем, что УУД формируются у обучающихся комплексно в процессе практико-ориентированной деятельности с использованием робототехники и сред программирования.
В группу №1 вошли УУД, связанные с деятельностью по подготовке к выполнению проекта: выделять, называть, читать, прогнозировать.
Группа №2 состоит из УУД, связанных с деятельностью по разработке устройства или программы: формализовать, моделировать, создавать и корректировать. Группа №3 включает УУД, связанные с анализом выполнения проектной работы: объяснять, описывать, использовать, оценивать.
Текущий уровень сформированности УУД входящих в группы можно определить на основе анализа проектных работ, выполненных обучающимися в рамках внеурочной деятельности по информатике с использованием робототехники.
Для каждого из универсальных учебных действий (или их базовых элементов) можно определить три уровня сформированности: адаптивный, эвристический и творческий. Уровни сформированности УУД представлены в таблице №6.
Описанные в таблице №5 уровни сформированности универсальных учебных действий/базовых компонентов УУД позволяют определить индивидуальные образовательные достижения каждого обучающегося в процессе внеурочной деятельности с использованием робототехники и итоговый уровень сформированности указанных УУД по завершении обучения.
Используемые формы и методы позволяют провести диагностику уровня сформированности выделенных УУД «до» и «после» обучения. В качестве входного контроля используется анкетирование. Целью анкетирования является выявление интересующих обучающихся направлений. Пример анкеты приведен в Приложении №3.
Основной формой промежуточного и итогового контроля является анализ выполнения обучающимися индивидуальных проектов.
Чтобы адекватно оценить уровень развития УУД/базовых компонентов УУД целесообразно применять методику разделения отчетной деятельности, проекта, схожий с оценкой комплекса контрольных работ в образовательном процессе.
Оценивание осуществляется при защите учениками своих проектов и по результатам анализа проектных описаний. Разработка проектов нацелена на усвоение конкретных категорий УУД/базовых компонентов УУД и с помощью данного достижения метапредметных и личностных результатов. В ходе проектной деятельности у обучающихся формируется комплекс УУД/базовых компонентов, отраженных в ФГОС.
Таблица №7 отражает соответствие стадий разработки проекта и развиваемых универсальных учебных действий/базовых компонентов УУД.
Адаптивный уровень развития базовых компонентов универсальных учебных действий соответствует допустимым входным требованиям, предъявляемым к обучающимся еще до начала обучения. Адаптивный уровень отражает наличие набора знаний, умений и навыков обучающихся, которые должны иметь место и которые будут развиваться в будущем.
Эвристический уровень является обязательным для каждого обучающегося, прошедшего обучение. Данный уровень соответствует умению обучающегося решать типовые задачи, понимать ее условия и угадывать путь решение. Однако при этом обучающийся не может получить исчерпывающее решение задачи, в силу отсутствия определенных знаний и умений.
Творческий уровень развития базовых компонентов универсальных учебных действий характеризуется знаниями и умениями обучающегося, которые позволяют ему успешно разрешать поставленные задачи, применяя при этом различные методы и средства.
Итогом реализации предложенной в исследовании методики является изменение уровня сформированности базовых компонентов универсальных учебных действий и, тем самым, сформированности определенных видов УУД (прежде всего, познавательных и регулятивных).