Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Теоретические аспекты применения образовательной робототехники в обучении физике 17
1.1 Робототехника как область технических инноваций в реализа ции политехнической направленности образования в средней школе 17
1.2. Состояние проблемы применения образовательной робототех ники в учебном процессе по физике в средней школе 25
1.3. Робототехника как компонент содержания политехнического обучения в средней школе. Междисциплинарная образователь ная программа по робототехнике 39
1.4. Модель обучения робототехнике в курсе физики средней школы. Предметный модуль междисциплинарной образовательной про граммы по робототехнике (физика) 47
Выводы по главе 1 56
ГЛАВА 2. Методика применения образовательной робототехники в обучении физике 58
2.1. Робот как объект изучения в курсе физики средней шко лы... 58
2.2 Робот как инструмент познания в учебном процессе по физике 70
2.2.1. Применение образовательной робототехники в учебном физическом эксперименте 71
2.2.2. Робототехника в научно-техническом исследовании и ор ганизации технического творчества учащихся 75
2.3. Образовательная робототехника в учебном процессе по физике как средство обучения, развития и воспитания учащихся 83
2.4. Применение робототехники в учебной, исследовательской и проектной деятельности учащихся по физике 88
2.5. Методическое сопровождение и дидактическое обеспечение применения робототехники в обучении физике. Учебные модули по образовательной робототехнике 102
Выводы по главе 2 126
ГЛАВА 3. Содержание и методика проведения опытно-поисковой работы 128
3.1. Цели, содержание и методика опытно-поисковой работы 128
3.2. Результаты опытно-поисковой работы и их интерпретация. Вне дрение результатов исследования 136
Выводы по главе 3 164
Заключение 165
Библиографический список 168
- Состояние проблемы применения образовательной робототех ники в учебном процессе по физике в средней школе
- Модель обучения робототехнике в курсе физики средней школы. Предметный модуль междисциплинарной образовательной про граммы по робототехнике (физика)
- Применение образовательной робототехники в учебном физическом эксперименте
- Результаты опытно-поисковой работы и их интерпретация. Вне дрение результатов исследования
Введение к работе
Актуальность исследования. На настоящем этапе экономического развития нашей страны обеспечению современного производства квалифицированными инженерными кадрами уделяется особое внимание. Ставится задача изменения отношения молодежи к профессиональному инженерному образованию на основе «…демонстрации важности инженерной профессии, престижа и роли инженера в инновационном социально-экономическом развитии общества» (заседание Совета при Президенте по науке и образованию, 23 июня 2014 г.). Система общего образования призвана сделать свой вклад в решение этой важной задачи, в том числе за счет усиления политехнической направленности содержания предметных курсов и внеурочной работы с учащимися.
В контексте нового социального заказа идет процесс обновления парадиг
мы политехнического образования (А.В. Литвинцева, С.А. Новоселов,
Н.В. Попкова, В.Н. Эверстова). Меняются подходы к его организации. Претер
певают изменения структура, содержание, методы и организационные формы
реализации политехнической направленности обучения в рамках различных
учебных предметов, в том числе при обучении физике (И.В. Ильин,
Е.Ю. Левченко, В.В. Ларионов, А.М. Мехнин, Е.В. Оспенникова, А.П. Усольцев,
Т.Н. Шамало и др.).
Содержание политехнического образования должно обогатиться изучением научных основ «несущих производств» (С. Ю. Глазьев) нового технологического уклада общества. Роботостроение является одним из таких производств. Благодаря широкой сфере влияния робототехники на жизнедеятельность общества и нарастающим масштабам ее внедрения в социальную среду изучение этой области знания приобретает особое значение. Является важным формирование у каждого человека следующего за IT-компетентностью уровня технической культуры, определяемого условиями его жизни в роботизированной техносреде. В этой связи изучение основ робототехники (РТ) должно стать одним из необходимых элементов содержания современного политехнического образования, в том числе в средней школе.
Применение робототехники в практике учебно-воспитательной работы средней школы – новое направление в теории и методике политехнического образования. Обучение учащихся моделированию и сборке простейших роботов с применением специальных учебных конструкторов связывается в педагогических исследованиях с понятием «образовательная робототехника». Отечественные разработки в этом направлении пока немногочисленны (А.П. Алексеев, Л.Г. Белиовская, А.Н. Боголюбов, Д.М. Гребнева, Д.А. Каширин, Д.Г. Копосов, А.В. Литвин, А.С. Филиппов, В.Н. Халамов и др.). Следует отметить в этой связи работы зарубежных авторов (A. Carberry, T. Ford, N. Perova, Ch. Rogers, B. Nyuton, M. Predko и др.). В большинстве случаев внимание уделяется вопросам организации робототехнического творчества учащихся в дополнительном образовании. Задачи включения РТ в систему общего образования, в том числе в учебный процесс по физике, рассматриваются пока лишь в начальной стадии своей постановки и описания отдельных приемов реализации.
Анализ состояния проблемы внедрения робототехники в учебную и внеурочную деятельность учащихся в средней школе позволил выявить следующие противоречия:
– на социально-педагогическом уровне: между потребностью отечественной индустрии в устойчивом наращивании кадрового потенциала современного роботостроения и уровнем подготовки учащихся по данному направлению, не обеспечивающим необходимые условия для решения этой задачи;
– на научно-педагогическом уровне: между возможностью усиления политехнической направленности предметных курсов за счет включения в их содержание элементов робототехники и сложившейся практикой ее преимущественного изучения в системе дополнительного образования, что обусловлено отсутствием в педагогической науке моделей применения робототехники в условиях основного и среднего общего образования;
– на научно-методическом уровне: между необходимостью формирования у учащихся начальных знаний и опыта учебной деятельности по робототехнике как востребованной составляющей содержания политехнического обучения в курсе физики и традиционной организацией учебного процесса, для которого не разработана методика применения РТ в предметном обучении.
Важность разрешения данных противоречий определяет актуальность настоящего исследования и позволяет сформулировать его проблему: как с целью реализации политехнической направленности курса физики в средней школе организовать обучение по предмету с применением элементов образовательной робототехники?
В соответствии с указанной проблемой сформулирована тема исследования – «Применение элементов образовательной робототехники как средства реализации политехнической направленности обучения физике».
Объект исследования: процесс обучения физике в средней школе.
Предмет исследования: применение элементов образовательной робототехники как средства реализации политехнической направленности обучения физике.
Цель исследования: научное обоснование, разработка и реализация методики обучения физике в средней школе с применением элементов образовательной робототехники как средства обеспечения политехнической направленности учебного процесса по предмету.
Гипотеза исследования: полнота овладения политехническими знаниями и умениями при изучении физики, интерес к физике и ее техническим приложениям, а также готовность учащихся к выбору в старшей школе профильного уровня обучения по предмету повысятся, если в содержание политехнического обучения в курсе физики включить элементы робототехники и использовать их в учебном процессе в качестве:
– объекта изучения, обеспечивающего усвоение учащимися научных основ современной техники;
– инструмента познания в составе методов научного и научно-технического исследования в области физики и ее технических приложений;
– средства обучения, способствующего обогащению и углублению знаний технических приложений физики, расширению предметной основы работы учащихся с объектами техники и формированию у них умений учебной, исследовательской и проектной деятельности политехнической направленности.
В соответствии с целью и гипотезой исследования были сформулированы его основные задачи:
-
Определить направления развития содержания политехнического обучения в курсе физики средней школы на основе анализа нормативных документов и научно-методической литературы, а также изучения и обобщения опыта политехнической подготовки учащихся по предмету, включая область технических инноваций.
-
Изучить состояние проблемы применения робототехники в системе общего образования. Обосновать необходимость и возможность изучения элементов робототехники в курсе физики средней школы как важной составляющей содержания политехнического обучения по предмету.
-
Разработать модель обучения физике с применением элементов робототехники, раскрывающую основные направления ее использования на занятиях по предмету и во внеурочной работе.
-
Разработать методику обучения физике с применением элементов робототехники, обеспечивающую рост качества усвоения знаний и умений учащихся в области технических приложений физики, интереса к изучению физики и техники, а также готовности учащихся к сознательному выбору профильного уровня изучения данного предмета в старшей школе.
-
Доказать в опытно-поисковой работе результативность предложенной методики применения образовательной робототехники в учебном процессе по физике в средней школе.
Методологические основы исследования составляют работы по философии и социологии техники (В.Г. Горохов, А.В. Литвинцева, Н.В. Попкова, М. Хайдеггер), основам теории политехнического обучения (П.Р. Атутов, В.Е. Медведев), развитию технического творчества (С.А. Новоселов, А.И. Поло-винкин), теории управления процессом усвоения знаний (Н.Ф. Талызина); развитию познавательных интересов учащихся (А.Г. Здравомыслов, И.Я. Ланина, Г.И. Щукина), формированию готовности к выбору профиля обучения (И.Ю. Гутник, Э.Ф. Зеер, Е.А. Климов, Е.М. Павлютенков, А.П. Тряпицына, С.Н. Чистякова), методологии педагогических исследований (В.И. Загвязинский, В.С. Леднев, Д.И. Фельдштейн) и статистической обработки их результатов (М.И. Грабарь, О.Ю. Ермолаев, К.А. Краснянская, Б.Е. Стариченко).
Теоретические основы исследования составили работы в области проектирования учебного процесса по физике (Е.В. Оспенникова, Н.С. Пурышева, А.В. Усова, А.А. Шаповалов), теории и практики профильного обучения физике (О.Ф. Кабардин, В.А. Орлов, Н.С. Пурышева, Н.М. Шахмаев), методики политехнической подготовки при обучении физике в средней школе (С.Н. Бабина, А.Т. Глазунов, И.В. Ильин, Г.П. Стефанова), развития инновационного мышления учащихся (А.П. Усольцев, Т.Н. Шамало), методики и техники учебного физического эксперимента (П.В. Зуев, В.В. Майер, А.В. Усова, Т.Н. Шамало), ор-5
ганизации технического творчества и проектно-ориентированной деятельности по физике (В.Б. Гундырев, В.Е. Казенас, В.В. Ларионов, В.Г. Разумовский).
Методы исследования: эмпирические – анализ нормативных документов по политехнической подготовке учащихся средней школы и опыта работы учителей по ее обеспечению, анкетирование и опрос субъектов образовательного процесса, педагогическое наблюдение и опытно-поисковая работа, систематизация и обобщение педагогических фактов; теоретические – анализ теоретических моделей обучения, выявление противоречий теоретического знания в области политехнического обучения, выдвижение гипотез и моделирование учебного процесса, обеспечивающего политехническую подготовку учащихся в сфере технических инноваций.
Этапы исследования (2011–2015 гг.).
На первом этапе (2011 г.) был выполнен анализ философской, научно-технической и психолого-педагогической литературы по проблеме исследования, определены его методологические и теоретические основы. Дано обоснование необходимости включения элементов робототехники в содержание учебного процесса по физике как его политехнической составляющей, определены подходы к решению этой задачи. Сформулированы цели, определены объект, предмет, гипотеза и задачи исследования. Разработан и проведен констатирующий этап опытно-поисковой работы.
На втором этапе (2012 г.) разрабатывались содержание метапредметной и предметной составляющих программы обучения основам робототехники в средней школе как междисциплинарной области технического знания, модель и методика применения робототехники в учебном процессе по физике, вариативные практики обучения, методические и дидактические материалы для сопровождения учебного процесса. В поисковом эксперименте были выполнены апробация и корректировка модели, методики и дидактического обеспечения применения РТ в обучении физике.
На третьем этапе (2013–2015 гг.) было организовано проведение формирующего эксперимента с целью проверки справедливости гипотезы исследования. По завершению исследования выполнены обработка, анализ и обобщение полученных результатов, сформулированы выводы.
Экспериментальная база исследования. Опытно-поисковая работа проводилась на базе СОШ № 135 г. Пермь и научно-образовательного центра «Техноин-теллект» Пермского государственного гуманитарно-педагогического университета.
Научная новизна исследования:
1. В отличие от ранее выполненных исследований (Л.Г. Белиовская,
Д.А. Каширин, Д.Г. Копосов, А.С. Филиппов, В.Н. Халамов), в которых на кон
кретных примерах демонстрируются возможности использования учебных
наборов по робототехнике на занятиях по физике в средней школе, в настоящей
работе впервые рассматривается применение робототехники в учебном процессе
по физике в качестве необходимой составляющей содержания политехническо
го обучения по предмету.
2. Определено содержание элементов робототехники в курсе физики, вклю
чающее: а) изучение физических основ функционирования элементной базы ро-
6
бототехники (систем управления, систем исполнения и систем обратной связи); б) освоение роботизированного физического опыта (наблюдения, эксперимента) как метода научного познания; в) применение роботов в изучении объектов техники, натурное и виртуальное моделирование РТ-объектов как методы научно-технического исследования в области технических приложений физики.
-
Разработана методика обучения физике с применением элементов робототехники, в составе которой выделены три составляющие: РТ как объект изучения, РТ как инструмент познания, РТ как средство обучения.
-
Определены структура и содержание методической и дидактической поддержки применения робототехники в учебном процессе по физике, включающей: а) систематизирующие таблицы по изучению научных основ элементной базы робототехнических объектов в разделах и темах школьного курса физики; б) демонстрационный физический РТ-эксперимент и учебные РТ-демонстрации в области технических приложений физики; в) лабораторный физический РТ-эксперимент, ориентированный на различные уровни самостоятельности учащихся; г) учебные задания и проекты по моделированию и проектированию РТ-устройств как технических приложений физики; д) учебные инструкции и управляющие программы, е) учебные фото- и видеоматериалы.
Теоретическая значимость работы:
-
Обоснованы необходимость и возможность применения в учебном процессе по физике в средней школе элементов робототехники как составляющей содержания политехнического обучения, обеспечивающей углубление и расширение предметной основы формирования политехнических знаний и умений учащихся, развитие у них интереса к физике и технике, ориентацию на инженерно-технические профессии, в том числе связанные с роботостроением.
-
Сформулированы требования к разработке моделей внедрения элементов робототехники в предметное обучение. Определено место курса физики в реализации предложенной в настоящем исследовании междисциплинарной образовательной программы по робототехнике для средней школы.
-
Разработана трехкомпонентная модель обучения физике с применением элементов РТ, в рамках которой робототехника определена: а) как область современного технического знания, демонстрирующая роль физической науки в развитии роботостроения; б) как инструмент познания в составе методов научного и научно-технического исследования; в) как средство обучения, расширяющего предметную основу формирования у учащихся политехнических знаний и организации учебной технической деятельности.
-
Сформулированы условия организации учебного процесса по физике с применением элементов робототехники:
– распределенное поэлементное включение робототехники в содержание курса физики на основе принципов дополнения или равноценного дидактического замещения;
– обеспечение трехкомпонентной структуры методики обучения по предмету с применением элементов робототехники;
– осуществление межпредметных связей;
– методическая и дидактическая поддержка применения РТ в учебном процессе;
– соответствие уровня сложности элементной базы конструкторов, программного и дидактического обеспечения учебной робототехники зоне ближайшего развития учащихся;
– вариативность практики обучения РТ, обеспечивающая учет уровня и профиля образовательной подготовки учащихся, их интереса и готовности к технической деятельности;
– взаимосвязь учебной и внеурочной предметной деятельности по робототехнике с соревновательным и конкурсным движениями.
Практическая значимость. Результаты исследования доведены до уровня практического применения и внедрены в учебный процесс средней общеобразовательной школы. Разработаны: 1) методические материалы для учителя физики: междисциплинарная образовательная программа по робототехнике для средней школы и ее предметная составляющая, направленная на применение элементов РТ в учебном процессе по физике; методические рекомендации по реализации трехкомпонентной модели применения РТ в обучении физике; методические таблицы «Изучение научных основ элементной базы робототехни-ческих объектов в разделах и темах школьного курса физики»; модели РТ-установок для демонстрационного эксперимента и цифровые методические модули «Демонстрационный роботизированный физический эксперимент»; 2) дидактические материалы для учащихся средней школы: РТ-установки для лабораторного эксперимента; цифровые дидактические модули «Лабораторный роботизированный физический эксперимент», включающие учебные фото- и видеоматериалы, материалы для самостоятельной работы трех уровней сложности, управляющие программы, задания и проекты для учебной и внеурочной работы по физике; 3) программа и учебно-методическое обеспечение курса по выбору «Лабораторный практикум по физике с применением образовательной робототехники».
Достоверность результатов исследования обеспечена всесторонним анализом поставленной проблемы, применением современных методов научного исследования, тщательностью проведения опытно-поисковой работы и достаточностью для выявления педагогических закономерностей объема экспериментальных данных, применением статистических методов обработки результатов экспериментального обучения, доказательством их воспроизводимости.
Апробация и внедрение результатов исследования. Результаты исследования обсуждались на региональных, всероссийских и международных семинарах и конференциях: в Москве (Физическое образование: проблемы и перспективы развития, 2010, 2011, 2012; Методика преподавания основ робототехники школьникам в общем и дополнительном образовании, 2015), Челябинске (Методология, теория и методика формирования научных понятий у учащихся школ и студентов вузов, 2010; Межрегиональный семинар по образовательной робототехнике, 2013; Пропедевтика формирования инженерной культуры учащихся в условиях модернизации Российского образования, 2014), Новосибирске (Техно-лого-экономическое образование в XXI веке, 2013), Якутске (Образовательная
робототехника в дополнительном образовании детей: опыт, проблемы, перспективы, 2014), Санкт-Петербурге (Инженерная культура: от школы к производству, 2013; Физика в системе современного образовании, 2015), Екатеринбурге (Робототехника: первые шаги, 2011; Методика преподавания основ робототехники школьникам в основном и дополнительном образовании, 2013, 2014; Инженерное образование: от школы к производству, 2015), Софии (Общемировые тренды развития образования и академических исследований, 2015, Болгария). Основные результаты работы нашли отражение в публикациях автора, внедрены в учебный процесс СОШ № 135 г. Пермь, используются при обучении студентов физического факультета ПГГПУ (Пермь) и в учебном процессе на факультете переподготовки и повышения квалификации педагогических кадров Института непрерывного образования ПГГПУ, апробированы в базовых СОШ университета в период педагогической практики студентов.
На защиту выносятся следующие положения:
-
В содержание обучения физике с целью реализации его политехнической направленности должны быть включены элементы робототехники. Это определяется местом роботостроения в системе несущих производств нового технологического уклада общества, его ролью в формировании современной техносре-ды, а также необходимостью решения средствами различных учебных предметов, в том числе физики, важных социально-педагогических задач: а) обучения и воспитания будущих потребителей услуг роботизированной среды, б) пропедевтики подготовки будущих производителей роботизированных систем (инженеров-исследователей, инженеров-конструкторов, инженеров-технологов) и профессиональной ориентации учащихся на инженерно-технические специальности, в том числе связанные с РТ-инжинирингом.
-
Предметом изучения в курсе физики должны стать следующие элементы робототехники: а) физические основы функционирования элементной базы РТ-устройств (систем исполнения, систем управления и систем обратной связи); б) роботизированные физические наблюдения и эксперименты как инструменты современной методологии научного познания; в) натурное и виртуальное моделирование роботов, их применение в изучении объектов техносреды как методы исследования в области технических приложений физики.
-
Методика организации учебного процесса по физике с применением элементов робототехники должна базироваться на трехкомпонентной модели обучения: РТ как объект изучения, РТ как инструмент познания, РТ как средство обучения. Применение РТ в обучении физике должно быть направлено на обогащение содержания предметной области политехнического обучения: расширение и углубление политехнических знаний по физике, обновление содержания технической деятельности по предмету (учебной, исследовательской и проектной) и состава политехнических умений.
4. Необходимо обеспечить вариативность практики обучения физике с
применением РТ, что обусловлено разнообразием видов и уровней сложности
технической деятельности в этой области. Избранная практика обучения в до
полнение к основному курсу может включать: а) элективные курсы и практику
мы по физике с применением РТ; б) межпредметные элективные курсы и прак-
9
тикумы по робототехнике; в) домашнюю работу; г) внеурочную работу по предмету и на межпредметной основе; д) организацию участия школьников в олимпиадном, конкурсном и соревновательном движениях по робототехнике.
5. Результативность обучения физике с использованием робототехники выражается в росте качества знаний и умений учащихся в области технических приложений физики, интереса к изучению физики и ее применений в технике, готовности к выбору в старших классах профильного уровня освоения предмета, а также в становлении у них осознанных профессиональных устремлений.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка, включающего 200 источников, и приложений.
Состояние проблемы применения образовательной робототех ники в учебном процессе по физике в средней школе
Подготовка будущих инженеров и квалифицированных рабочих – значимый фактор роста уровня социально-экономического развития нашей страны. В этой связи обеспечение политехнической направленности образования является на сегодня одним из важных направлений деятельности современной средней школы. Направления и содержание политехнического образования существенно обновляются. Если еще несколько десятилетий назад выпускнику средней школы достаточно было овладеть некоторой совокупностью технических знаний и умений, то в настоящее время он должен обладать весьма высоким уровнем общей технической культуры, которая определяет его готовность к жизнедеятельности в условиях сложной и быстро изменяющейся техносреды.
В настоящее время идут процессы анализа и обновления парадигмы политехнического образования. Методологической основой ее становления являются работы по философии и социологии техники (Н.А. Бердяева [71], Т. Имамичи [58], Л. Мамфорда [90], М. Хайдеггера [151] и др.). В работах Г.С. Альтшуллера [5], П.Р. Атутова [8], В.И. Белозерова [14], А.А. Воронина [27], В.В. Добрынина [37], А.В. Литвинцевой [82], Ю.С. Мелещенко [193], И.А. Негодаева [104], А.И. Половинкина [124; 125], Н.В. Попковой [126], А.Г. Спиркина [144], В.С. Степина [148] и др. раскрываются разные грани феномена техники как продукта человеческой цивилизации и перспективы ее развития. Авторы обращают внимание на решение проблемы формирования технической культуры обучаемых и необходимость их техносо-циализации в ходе образовательного процесса.
В этой связи принцип политехнизма в обучении справедливо рассматривается как « … система регулятивов (требований), направляющих деятельность учителя на формирование у учащихся технической культуры (технической грамотности и компетентности) как основы их адаптации к современной техносреде и последующей интеграции в техносоциум» [55, с. 77].
В исследованиях отмечается важность исследований роли обобщенного, в том числе метатехнического знания, в формировании их технической культуры. Вооружение учащихся наряду с конкретными техническими знаниями и умениями обобщенными ЗУН, включая метатехническое знание (МТЗ), является на сегодня ключевой идеей обновленной парадигмы политехнического образования. Это объясняется тем, что обобщенные представления о техномире имеют особую социальную ценность (И.В. Ильин, Е.В. Оспенникова) [55, с. 7]. МТЗ – это система знаний о техносфере (ее элементах и их взаимосвязи), особенностях функционирования, факторах и закономерностях развития, методологии научно-технического исследования [Там же, с. 51]. На основе МТЗ у учащихся формируются комплексное осмысление проблем развития техники в ее взаимодействии с природой и обществом, приходит понимание масштабов ее влияния на настоящее и будущее цивилизации, развивается техническое мышление нового типа, складываются в сознании верные ориентиры жизнедеятельности в современной техносреде [57, с.112].
Формирование технических знаний (конкретных, обобщенных) является базовым направлением политехнического образования учащихся в средней школе. Оно должно сопровождаться приобретением учащимися опыта работы с различными объектами техники. Школьники должны овладеть практическими умениями в решении простейших технических задач. Является важным приобретение опыта творческой технической деятельности (исследовательской, проектной, проектно-исследовательской). Не менее важно создание полноценной учебной инфраструктуры для технического творчества обучаемых.
Новые подходы к содержанию и методике политехнического образования учащихся средней школы и студентов, в том числе при их обучении физике, обозначены в работах С.Н.Бабиной [9; 180; 168], А.А.Быкова [20], В.Г. Жданова [45, 46], П.В. Зуева [10], И.В.Ильина [55], В.В. Ларионова [78], Е.Ю. Левченко, А.М. Мехнина [95; 96], С.А.Новоселова [106], Е.В. Ос-пенниковой [56; 113; 130], В.Г. Разумовского [134; 136], Г.П. Стефановой [149], Т.Д. Селиховой [141], О.В. Сергеева [142], А.Н. Финагиной [167], С.Д.Ханина [117], Н.А. Шайденко [176], Т.Н. Шамало [178], В.Н. Эверстовой [185] и др.
В исследованиях справедливо отмечается, что « … классическая редакция принципа уже не в полной мере соответствует обновленным задачам политехнической подготовки учащихся. … Имеет смысл более глубокая дифференциация содержания и направлений политехнического обучения и построение обновленной системы требований к организации учебного процесса» [55, с. 76].
На современном этапе развития системы общего образования успешность реализации политехнической направленности обучения определяется решением трех основных задач: 1) формирование полноценной учебной техносреды, включая ее материально-техническую, организационно-методическую и дидактическую составляющие; 2) развитие технической грамотности учащихся (системы технических знаний - конкретных, обобщенных), а также умений и навыков выполнения отдельных видов технической деятельности; 3) формирование у них технической компетентности (готовности к решению задач, связанных с использованием знаний основ наук и их технических приложений в повседневной и трудовой деятельности; учет в данной деятельности системы взаимодействий «общество (человек) + техника + природа», а также их возможных следствий) [130, с. 99]. Указанные задачи должны быть конкретизированы в отношении учебного процесса по каждому предмету. Для этого необходимо определить основные компоненты предметной модели политехнического обучения. К ним относятся: условия обучения (предметная учебная техносреда), содержание учебного процесса (система предметных политехнических ЗУН), ор ганизация обучения (его методы, средства, формы, вариативные практики) и результаты (личностные, метапредметные и предметные).
Содержание составляющих обновленной модели политехнического обучения, обеспечивающей реализацию политехнической направленности учебного процесса по физике, разработано в исследовании И.В. Ильина [55, с. 78-81]. В настоящей работе мы руководствуемся предложенным И.В. Ильиным подходом к реализации политехнической направленности обучения физике в средней школе.
В рамках новой парадигмы политехнического образования И.В. Ильиным и Е.В. Оспенниковой разработана обобщенная модель учебного процесса по освоению прикладного технического знания в курсе физики средней школы (конкретного, обобщенного, в том числе метатехнического), раскрывающего научные основы «несущих производств» сложившегося (актуального) технологического уклада общества. Это, по мнению авторов, базовое направление реализации принципа политехнизма. Наряду с ним должны быть реализованы и дополнительные направления. Одним из важнейших факторов их определения являются технические инновации, реализуемые в социуме [130].
Знакомство учащихся с техническими инновациями на занятиях по физике позволяет им осознать роль науки в развитии современной техники. Возможно освоение учащимися на доступном для них уровне не только концептуальной, но и процессуальной составляющей инновационной технической деятельности.
Модель обучения робототехнике в курсе физики средней школы. Предметный модуль междисциплинарной образовательной про граммы по робототехнике (физика)
Знакомство с физическими основами робототехники по мере изучения тем основного курса позволяет школьникам сознательно и продуктивно использовать элементную базу робототехники при проектировании различных конструкций роботов и создавать их более совершенные модели, в том числе с применением в данных моделях элементов собственной разработки. Нами выделено четыре уровня изучения, но отдельные элементы системы «робот» могут иметь более длинную «линейку» уровней. Разветвленная цепь «линий» элементной базы образует своеобразную «корневую» систему робота и обеспечивает весь его функционал. Научные основы работы этой системы и есть предмет изучения на занятиях по физике.
Изучение уровней проектирования и конструирования систем робота, физических основ работы его элементной базы позволяет школьникам более успешно решать задачи, связанные с созданием роботов различных видов.
На уроках физики при анализе технических приложении науки в качестве дополнения или на основе принципа равноценного дидактического замещения можно изучать те виды роботов, в основе действия которых лежат физические явления и законы соответствующих учебных тем. Такая возможность предоставляется учителю практически во всех учебных темах. Объектами замещения могут быть: 1) технические объекты, применяемые в различных сферах жизнедеятельности общества; 2) роботизированные установки учебного физического эксперимента. Изучение этих объектов можно организовать разными способами.
Первый способ ( д е м о н с т р а ц и о н н ы й ) . При использовании этого способа учащимся сначала разъясняется устройство робототехнической конструкции и раскрываются физические основы работы ее элементной базы. Впоследствии демонстрируется действующая модель робота. Данным способом, например, могут изучаться роботы, предназначенные для подводных исследований. Принцип действия их основных узлов вполне доступен пониманию учащихся. Можно продемонстрировать роботизированные установки для физического эксперимента, например, по изучению закономерностей колебаний пружинного маятника, явления резонанса, законов сухого трения и др.) (см. п. 2.2 – 2.4). Учитель при проведении роботизированного эксперимента обязательно разъясняет физические основы работы элементной базы этих экспериментальных установок.
Второй способ ( п р о е к т н ы й ) . При организации учебной работы на основе этого способа учитель предлагает учащимся задание для самостоятельной работы. Учащиеся должны предложить идею конструкции и собрать модель конкретного робота, обладающего определенным функционалом. Например, это может быть модель ядерного реактора. Данная модель должна демонстрировать некоторые элементы устройства реактора, а также процессы передачи тепла в его энергоблоке. В п. 2.3. на рис. 12–14 представлены варианты такой модели. Задания могут выполняться учащимися после освоения учебной темы курса физики как средство ее более углубленного изучения. Возможно предъявление задания с целью опережающего самостоятельного освоения материала темы. Проектные задания можно предлагать учащимся в качестве домашней работы, если в их распоряжении имеются наборы по ро-бототехническому конструированию. Учитель может организовывать выполнение таких заданий на уроках технологии или в ходе внеурочной работы по физике и технологии. Работа над проектами возможна в рамках элективных курсов по робототехнике. Результаты такой проектной работы учащихся обязательно демонстрируются и обсуждаются на занятиях по физике.
Подводя итог анализу применения роботов в учебном процессе по физике как объектов познания, следует указать на условия эффективности этой деятельности. 1. Изучение научных основ робототехники на основе понимания междисциплинарного характера процесса робототехнического моделирования и конструирования. Особое место в этой связи занимают такие предметы как технология, физика, математика и информатика. Знание других предметов может понадобиться учащимся при изучении и проектировании роботов относящимся к специальным областям знаний и сферам деятельности.
2. Уровневый характер освоения робототехнических систем как объектов изучения (см. рис. 3). Углубленный уровень освоения робототехники может быть достигнут в профильных классах, а также при изучении основ роботоконструирования в рамках курсов по выбору в основной школе и элективных курсов в средней школе.
3. Обеспечение преемственности в освоении научных основ робототехники в основной и старшей школе, а также в основном учебном курсе физики, элективных курсах и внеурочной деятельности по предмету.
4. Содействие средствами учебного предмета развитию конкурсного и соревновательного движений по робототехнике. Соревновательный эффект и успехи учащихся в конкурсном движении с подготовленными творческими проектами существенно стимулируют развитие мотивации познавательной деятельности учащихся по различным предметам, в том числе в изучении научных основ технических приложений физики.
Итак, в данном параграфе рассмотрено одно из направлений методики внедрения робототехники в учебный процесс по физике (робот как объект изучения). С этой целью рассмотрена структура элементной базы роботов, дана характеристика исполнительным устройствам, устройствам обратной связи и устройствам управления. Составлены информационно-методические таблицы по изучению научных основ элементной базы робототехнических объектов в разделах и темах школьного курса физики. Выделены уровни освоения элементной базы роботов и сформулированы условия применения робототехники как объекта познания в курсе физики.
Применение образовательной робототехники в учебном физическом эксперименте
Во всех трёх параллелях полнота освоения действий по проектированию нового физического эксперимента в экспериментальной группе достоверно выше, чем в контрольной. Полнота усвоения понятий о робототехнических устройствах, оценка усвоения принципа действия элементной базы роботизированной установки (только для экспериментальных классов).
Обучение в экспериментальной группе осуществлялось с применением образовательных наборов по робототехнике Lego Mindstorms. Учащиеся осваивали азы робототехники как составляющей политехнической подготовки по основному курсу физики, в рамках курса по выбору «Лабораторный физический эксперимент с применением робототехники», а также в ходе индивидуальной проектной деятельности, в том числе при подготовке к соревнованиям и конкурсам.
С целью выявления уровня полноты усвоения учащимися понятий элементной базы робототехники им было предложено раскрыть содержание 2-3 понятий о технических объектах, входящих состав какого-либо робота. Описание необходимо было дать по обобщенному плану (см. п. 3.1.). Диагностика осуществлялась по завершению учебной темы, в рамках которой данные объекты рассматривались как примеры технических приложений физики (7 класс - робототехнический пневматический привод, червячная передача; 8 класс - термоэлектрический датчик температуры, шаговый электродвигатель; 9 класс - ультразвуковой датчик расстояния, зубчатая передача. Расчеты средних значений коэффициентов полноты усвоения технических понятий для учащихся 7-9 классов представлены в таблице 21.
Оценка достоверности различий результатов в 7-х и 8-х классах определялась с помощью G-критерия Знаков. Условия применения данного метода выполняются полностью: выборки зависимые, имеют одинаковый объём, количество испытуемых находится в допустимом диапазоне (5-300).
Из 49 школьников 27 улучшили свой результат, 7 ухудшили результат, 15 человек показали результат на том же уровне. Типичный сдвиг (Gт = 27) больше нетипичного сдвига (Gн = 6), что тоже является условием использования метода. Количество ненулевых сдвигов составило - 33. Этому числу соответствует критическое значение G0jo5 = 11 по таблице критических значений G-критерия Знаков при уровне значимости 0,05. При сравнении нетипичного сдвига с критическим значением делаем вывод о том, что Gн G0jo5, что подтверждает гипотезу о том, что преобладание типичного сдвига не является случайным. Таким образом, G-критерий Знаков подтверждает статистически значимый результат положительной динамики роста полноты усвоения понятий элементной базы робототехники в экспериментальных классах. В 9 классах процент школьников, с более высоким коэффициентом полноты усвоения понятий элементной базы робототехники вновь повышается. Около трети девятиклассников экспериментальной группы продемонстрировали высокий уровень полноты усвоения понятий элементной базы робототехники (К0,71).
Характеристика уровней самостоятельности учащихся в проектировании и проведении роботизированного эксперимента представлена в п.2.5. Учащимся в ходе диагностики предлагалось спроектировать и выполнить роботизированный эксперимент на максимально возможном для них уровне самостоятельности. Приведем примеры лабораторных заданий, связанных с постановкой роботизированного физического эксперимента:
1) 7 класс – измерение скорости равномерного движения (время движения робота измеряется встроенным таймером, а расстояние датчиком расстояния);
2) 8 класс – определение фокусного расстояния линзы и ее увеличения (робот с установленной линзой медленно движется до момента получения чёткого изображения источника света на экране; остановка робота осуществляется оператором; расстояние от источника до линзы и от линзы до экрана измеряется датчиками расстояния);
3) 9 класс – определение ускорения движения шарика по наклонной плоскости (время движения шарика измеряется встроенным таймером; запуск таймера происходит при запуске шарика удерживающим устройством; в конце жёлоба устанавливается датчик касания или освещенности, который «останавливает» таймер; пройденное расстояние измеряется датчиком расстояния). Во всех заданиях требовался вывод на экран монитора значения искомой величины. Указанные задания носят повышенный уровень сложности и ориентированы на комплексное применение знаний и умений в области физики, математики, информатики и технологии. Результаты диагностики представлены в таблице 22.
Оценка достоверности различий результатов в 7-х и 8-х классах определялась с помощью G-критерия Знаков. Из 49 школьников 17 улучшили свой результат (с первого уровня до второго и со второго до третьего), 4 ухудшили результат, 28 человек выполнили работу на том же уровне. Ти пичный сдвиг Gт = 17, нетипичный сдвига Gн = 4. Количество ненулевых сдвигов составило – 21. Этому числу соответствует критическое значение G0,05 = 6 по таблице критических значений G-критерия Знаков при уровне значимости 0,05. При сравнении нетипичного сдвига с критическим значе нием делаем вывод о том, что Gн G0,05 , что подтверждает гипотезу о том, что преобладание типичного сдвига не является случайным. Таким обра зом, G-критерий Знаков подтверждает статистически значимый результат положительной динамики роста уровня самостоятельности при выполнении лабораторного роботизированного эксперимента в экспериментальных классах. В 9 классах процент школьников, выполняющих работу на втором и третьем уровне самостоятельности, ещё несколько повышается.
Наряду с комплексным и весьма сложным заданием по проведению роботизированного эксперимента учащимся экспериментальной группы было предложено задание по проектированию компонента робототехнического устройства в виде датчика или устройства управляющего воздействия. Выполнение этого задания относится фактически к изобретательской деятельности. Для его выполнения учащимся не только необходимо хорошо знать основы физики, но обладать технической смекалкой, позволяющей им сообразить, каким образом известные им явления и законы физики могут быть использованы для обеспечения функционала роботизированной конструкции. Подобные задания учащиеся периодически выполняли в рамках элективного курса «Лабораторный физический эксперимент с применением робототехники», а также в ходе индивидуальной проектной работы при подготовке к соревнованиям и конкурсам по образовательной робототехнике. Ниже приведены примеры датчиков и управляющих конструкций, которые могут быть предложены учащимся для самостоятельной разработки: 1) датчик потока воздуха (датчик ветра) на базе датчика освещённости или датчика расстояния (наиболее удачный вариант такого датчика был использован для контроля работы парогенератора в роботизированной модели АЭС, см п. 2.4); 2) джойстик на базе одного или двух шаговых электродвигателей (управляющее действие зависит от угла поворота оси двигателя, контролируемого встроенным датчиком угла поворота); 3) устройство для сравнения теплопроводности жидкостей на базе датчика температуры;
4) устройство для определения скорости объекта (радар); устройство для запуска и остановки колебаний тела на нити; устройство для регулировки жёсткости пружины (устройство изменения длины рабочей части пружины);
5) маятник с устройством для обнаружения резонанса (на базе стандартных датчиков из набора Lego Mindstorms); 6) устройство для регулирования длины нитяного маятника; 7) устройство для раскачивания маятника.
Результаты опытно-поисковой работы и их интерпретация. Вне дрение результатов исследования
Целесообразность изучения элементов робототехники в курсе физики как составляющей содержания политехнического обучения обусловлена ее местом и ролью в современной техносреде. Включение элементов робототехники в программу обучения физике обеспечивает расширение предметной основы формирования у учащихся политехнических знаний и умений, способствует росту их качества, стимулирует развитие интереса к физике и технике, оказывает влияние на сознательный выбор стратегии профессиональной подготовки инженерно-технической направленности. Применение РТ в обучении – одно из условий решения важных социально-педагогических задач: а) обучение и воспитание будущих потребителей услуг роботизированной среды, б) выявление и предпрофессиональная подготовка наиболее способных учащихся в области РТ-инжиниринга.
В исследовании доказано, что состав и содержание элементов РТ в курсе физики средней школы должны определяться на основе междисциплинарной образовательной программы по робототехнике, целью которой является формирование у учащихся системы знаний (конкретных, обобщенных) о современной техносреде, развивающейся в направлении роботизации, и совершенствование их политехнических умений и навыков как условия техносоциализации.
На основе анализа научных основ робототехники как области знания и инженерно-технической практики и содержания школьного курса физики как предметной базы освоения ее элементов был сделан вывод о возможно сти применения РТ в учебном процессе по предмету в качестве: а) объекта изучения – области современного технического знания, демонстрирующей роль физики как науки в развитии роботостроения; б) инструмента позна ния в составе современных методов научного и научно-технического иссле дования; в) средства обучения, расширяющего предметную основу и обес 165 печивающего более высокое качество формирования политехнических знаний и умений учащихся.
Предложенная в исследовании трехкомпонентная модель обучения физике с применением элементов робототехники составляет основу разработки методики организации учебного процесса по предмету. В исследовании выявлены ее составляющие: а) организация изучения физических основ функционирования элементной базы РТ (систем управления, систем исполнения и систем обратной связи); б) постановка роботизированных опытов – наблюдений и экспериментов (освоение современной методологии научного познания); в) организация виртуального и натурного моделирования РТ-систем и изучение практики применения роботов при исследовании объектов техники (овладение методами научно-технического познания); в) использование робототехники как средства обучения физике, обеспечивающего обогащение и углубление политехнических знаний по предмету, расширения практики технической деятельности (учебной, исследовательской и проектной) и формирование у учащихся соответствующих технических умений; г) учет развивающего и воспитательного потенциалов применения робототехники в обучении физике.
Обучение должно быть обеспечено комплексом технических и дидактических средств, включающим роботизированные установки для демонстраций РТ-объектов и физических РТ-опытов (демонстрационных, лабораторных), управляющие программы, учебные фото и видеоматериалы, разноуровневые задания для учебной самостоятельной работы и творческой проектной деятельности учащихся по физике с применением робототехники. Методические материалы для учителя физики должны включать метапред-метный и предметный модули учебной программы по изучению основ робототехники и рекомендации по реализации трехкомпонентной модели обучения элементам робототехники в учебном процессе по физике.
Доказана целесообразность вариативности практики применения элементов робототехники при обучении физике, что позволяет учитывать раз-166 нообразие и сложность видов технической деятельности в данной сфере, а также дифференцировать уровни ее освоения учащимися (базовый, расширенный, повышенный). Избранная практика обучения в дополнение к основному курсу может включать курсы по выбору и элективные курсы по РТ (предметные, межпредметные), организацию внеучебной работы, конкурсное и соревновательное движения по робототехнике, а также домашнее ро-бототехническое творчество учащихся.
Результативность разработанной методики применения элементов робототехники в учебном процессе по физике как составляющей методики политехнического обучения по предмету доказана в ходе опытно-поисковой работы. Выявлен статистически значимый рост интереса учащихся к изучению физики и ее технических приложений, уровня знаний и умений политехнической направленности, готовности учащихся к осознанному выбору профильного уровня обучения физике в старшей школе.