ИНТЕГРАЦИЯ РОБОТОТЕХНИКИ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС КАК СРЕДСТВО СТИМУЛИРОВАНИЯ ПОЗНАВАТЕЛЬНОГО ИНТЕРЕСА ШКОЛЬНИКОВ К ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫМ И ТЕХНИЧЕСКИМ ДИСЦИПЛИНАМ, ВКЛЮЧАЯ ФИЗИКУ, ИНФОРМАТИКУ, МАТЕМАТИКУ И ТРУД (ТЕХНОЛОГИЯ)

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена исследованию влияния робототехники на образовательный процесс в школе. В работе рассматриваются преимущества использования роботов для повышения интереса учащихся к таким предметам, как физика и информатика, математика, труд (технология).

Ключевые слова: робототехника, образование, школьники, физика, математика, информатика, мотивация, успеваемость, навыки, труд (технология), учебный процесс.

В современном мире, где технологии играют все более значимую роль, образование не может оставаться в стороне от этих изменений. Одной из наиболее перспективных областей, активно внедряемых в учебный процесс, является робототехника. «Робототехника – относительно новый элемент содержания образования, с одной стороны, обладающий широким спектром образовательных возможностей, с другой стороны, отражающий современные тенденции в технологической сфере, в частности, появление конвергентных технологий. Внедрение робототехники в систему образования во всех существенных чертах напоминает внедрение в образование информационных и коммуникационных технологий в 80-х годах прошлого века. В частности, как и в случае с ИКТ, робототехника выступает и как предмет, и как средство обучения» [2]. Эта междисциплинарная наука объединяет в себе элементы физики, информатики, математики и технологии, что делает ее мощным инструментом для развития у школьников интереса к естественным наукам и техническим дисциплинам.

Актуальность темы робототехники в образовании обусловлена несколькими факторами. Во-первых, современные дети растут в эпоху развития научно-технического прогресса, и использование робототехники в учебном процессе позволяет им лучше понимать и применять появляющиеся технологии на практике. Во-вторых, робототехника способствует развитию важных навыков, таких как критическое мышление, креативность, умение работать в команде и решать сложные задачи. Эти навыки становятся все более востребованными в условиях быстро меняющегося мира и рынка труда. «Особенностями методики STEM в образовании является интегративный подход к преподаванию предметов естественнонаучного цикла: физики, химии, математики, технологии и информатики. Будущему успешному инженеру-изобретателю необходимы комплексные навыки по всем этим дисциплинам, а для этого он должен увидеть их взаимосвязь на практике. В свою очередь, для воспитания и образования будущих инженеров и исследователей необходимы педагоги с широким спектром – многопрофильные специалисты» [3].

Учителя и ученики нашего лицея № 114 успешно используют комплекты робототехники LEGO Education MINDSTORMS EV3 и makeblock, погружаясь в изучение важнейших дисциплин: физики, математики, информатики и труда (технологии).

Использование роботов в обучении предоставляет школьникам ряд конкретных преимуществ:

1. Развитие критического мышления и навыков решения проблем: работа с роботами требует от учащихся анализа задач, планирования действий и поиска решений. Это способствует развитию логического мышления и способности решать сложные задачи.

2. Повышение мотивации и интереса к учебе: робототехника делает обучение более увлекательным и интерактивным. Учащиеся с большим энтузиазмом участвуют в проектах, связанных с роботами, что повышает их интерес к предметам, таким как физика, математика, информатика и труд (технология).

3. Развитие навыков командной работы: многие проекты по робототехнике требуют совместной работы в группах. Это помогает учащимся развивать навыки общения, сотрудничества и умения работать в команде.

4. Практическое применение теоретических знаний: робототехника позволяет учащимся применять теоретические знания на практике. Например, они могут использовать законы физики для создания движущихся роботов или программировать их с помощью алгоритмов.

5. Подготовка к современным профессиям: в условиях быстро меняющегося мира и рынка труда, навыки, полученные в процессе работы с роботами, становятся все более востребованными. Учащиеся приобретают базовые знания в области программирования, электроники и механики, что может стать основой для будущей карьеры.

6. Развитие креативности и инновационного мышления: создание роботов требует творческого подхода и поиска нестандартных решений. Это способствует развитию креативности и инновационного мышления у учащихся.

7. Улучшение навыков программирования: работа с роботами часто включает программирование, что помогает учащимся освоить основы кодирования и алгоритмического мышления.

Эти преимущества делают робототехнику ценным инструментом в образовательном процессе, способствующим всестороннему развитию школьников.

Lego Mindstorms EV3 – это комплексный конструктор с микроконтроллером, сенсорами и двигателями, позволяющий собирать и программировать роботов. Он отличается интуитивно понятным интерфейсом программирования, что идеально подходит для учебного процесса и формирует базовые инженерные компетенции. Готовые инструкции помогают учащимся быстрее освоить основы робототехники и приступить к собственным опытам.

Makeblock, напротив, выделяется своей уникальной концепцией, направленной на развитие технического творчества и инженерных навыков учащихся. Как наследник классических советских конструкторов, makeblock включает детали вроде болтиков, гаек и металлических пластин, предлагая детям свободу экспериментов и собственное проектирование. Отсутствие конкретных инструкций стимулирует фантазию и инициативу, заставляя учеников придумывать собственные конструкции, проявляя оригинальность и находчивость.

Такой подход к обучению обеспечивает комплексное развитие ключевых качеств: пространственного мышления, умения анализировать ситуацию и искать нестандартные решения. Учащиеся приобретают навыки подбора нужных деталей, конструируют подвижные модели, способные взаимодействовать с окружающим миром. Таким образом, процесс игры превращается в занимательное знакомство с техникой, углубляет понимание механики и алгоритмов управления механизмами.

Следовательно, наборы makeblock служат превосходным средством для гармоничного формирования творческой активности, логики и технологических навыков у молодых исследователей, создавая прочную базу для будущих достижений в науке и технике.

Робототехника на уроках физики и информатики.

В настоящее время изучить физику помогут роботы. Они могут абстрактные физические законы сделать понятными и наглядными. При изучении механического движения использование роботов показывается тесная связь физики и реальной жизни. Сначала ученикам даются основные понятия: траектория – это линия, вдоль которое движется тело, пройденный путь, скорость.

Изучая равномерное движение можно предложить следующие задания:

1. Определить траекторию движения робота.
2. Объяснить, почему движение робота можно назвать равномерным.
3. Определить скорость движения робота.
4. Построить график движения робота.

Выполнение практических работ разнообразит и сделает запоминающимися уроки физики. Поле каждой работы предлагается сделать вывод. Это позволит развивать логическое мышление, формировать умение получать информацию при помощи анализа практической работы. Такое умение будет востребовано в жизни любого учащегося. Физический эксперимент с применением робототехники позволяет знакомить школьников с новыми технологиями и совершенствовать учебно-исследовательские компетенции.

В качестве примера приведён ряд интегрированных лабораторных занятий «Робототехника на уроках физики и информатики». Можно выполнить следующие практические работы, в которых предлагается рассмотреть варианты применения робота на уроках различной направленности. По инструкции был собран робот. Это танк. В процессе сборки применялись навыки ручного труда и моделирования, что соответствует содержанию предметной области труд (технология).

Далее использовались навыки работы с алгоритмами, которые применяются в информатике и была создана программа в среде программирования LEGO MINDSTORMS Education EV3.

Практическая работа «Определение скорости движения»

Цель работы: определить скорость движения робота-танка.

Приборы и материалы: направляющая, робот EV3, секундомер, линейка.

Ход работы.

1. Определить начало движения «старт».
2. Определить «финиш»
3. Измерить пройденный путь.
4. Запустить робота.
5. Измерить время.
6. Определить скорость по формуле.
7. Сделать вывод.

Практическая работа «Определение давления на грунт»

Цель работы: определить давление, оказываемое на грунт, как гусеница танка влияет на давление на грунт. (Применимо, когда у робота есть гусеница).

Приборы и материалы: весы, линейка, робот EV3

Ход работы:

1. измерить площадь опорной части робота EV3.

2. Определить массу робота.

3. Использовать формулу p=F/S, где F= m*g.

4. Вычислить давление.

5. Сделать вывод

m = 731 г

Вывод: Гусеница танка смягчает давление на грунт, потому что большая площадь соприкосновения гусениц с почвой обеспечивает низкое среднее давление на грунт.

Небольшая масса колёсного движителя и его минимальное сопротивление движению – два важнейших фактора, которые при меньшей мощности двигателя и невысоких затратах топлива обеспечивают технике этого класса тот уровень подвижности, что практически недостижим для гусеничных машин аналогичной весовой категории. Но за всеми этими плюсами кроется минус в виде значительного давления на грунт. Дело в том, что гусеничное шасси, несмотря на некоторые нюансы, в целом оказывает давление на грунт как широкая площадь опоры, ограниченная шириной и длиной гусеницы. А вот колёса в данном случае выступают изолированными небольшими точками, на которые распределяется вес машины. Разница в показателях давления у гусениц и колёс оказывается довольно велика – вплоть до двукратной [5].

Гусеницы на танках используются по нескольким причинам:

Высокая проходимость. Гусеничный двигатель обладает более высокой проходимостью, особенно при движении на болотистом грунте и по снегу, а также при преодолении различных препятствий местности.

Минимальный радиус поворота. Гусеницы позволяют обеспечить более высокую манёвренность, поскольку некоторые гусеничные машины могут поворачиваться на месте без движения вперёд или назад, двигаясь гусеницами в противоположных направлениях.

Удобство обслуживания и замены отдельных частей движителя. Гусеница непосредственно контактирует с грунтом и первой воспринимает ударные нагрузки.

Практическая работа «Определение коэффициента трения»

Цель работы: определить коэффициент трения.

Приборы и материалы: доска, динамометр.

Ход работы:

1. Положить на доску робота EV6 и прикрепить к динамометру.

2. Переместить равномерно робота EV6 по доске.

3. Вычислить коэффициент трения по формуле.

4. Сделать вывод.

Fтр. = μN=μmg

F= 3,6 Н

μ = 3,6/0,731*10

μ = 0,49

Вывод: определили коэффициент трения μ = 0,49

Таким образом, ученики наглядно начинают понимать смысл изучения законов физики. Робототехника представляет собой мощный инструмент для модернизации образовательного процесса и повышения интереса школьников к естественным наукам и техническим дисциплинам. Практическая часть статьи продемонстрировала, что использование робототехнических платформ, таких как Lego Mindstorms и Makeblock, позволяет учащимся развивать важные навыки. Результаты исследований подтверждают, что робототехника способствует повышению мотивации и успеваемости учащихся, а также развитию критического мышления и навыков решения проблем.

К примеру, при изучении темы «Линейные алгоритмы» можно использовать среду программирования роботов CLEV3R. Это новая среда разработки для программирования микроконтроллера EV3 на языке программирования Basic Plus.

Ниже представлены фрагменты уроков информатики.

Для начала разберем понятие линейного алгоритма.

Линейный алгоритм – это алгоритм, в котором все действия выполняются последовательно друг за другом. Последовательность записанных команд осуществляется строго согласно порядку их записи без каких-либо изменений.

Пример линейного алгоритма: алгоритм утренних действий: проснуться, встать с постели, надеть тапочки, зайти в ванную, почистить зубы, вернуться в комнату, застелить постель, одеться, приготовить завтрак, позавтракать, – то есть действия выполняются последовательно, одно за другим.

Ещё один пример: алгоритм замены перегоревшей лампочки: выключить выключатель света, выкрутить перегоревшую лампочку, ввернуть новую лампочку, включить выключатель, чтобы проверить, что лампочка горит.

Предлагаем рассмотреть порядок составления линейного алгоритма в программе LEGO MINDSTORMS Education EV3: Набор команд (блоков) в среде программирования, которые понадобятся для составления алгоритмов [1].

Рисунок 1. Основные элементы

Использование роботов LEGO не только помогает в освоении фундаментальных принципов информатики, но и предоставляет ученикам ценный опыт, необходимый для успешной адаптации в мире, где технологии играют все более значимую роль. Рекомендуется активное внедрение робототехники LEGO на уроках информатики, а также регулярное повышение квалификации учителей для обеспечения максимальной эффективности этого инновационного подхода к обучению.

Практическая работа «Движение вперед, поворот на 90 градусов»

Задание 1: написать линейный алгоритм, с помощью которого робот будет двигаться по прямой и поворачивать на угол (90 градусов) [1].

УСЛОВИЯ:

• Блок «Рулевое управление».
• Движение прямо 2 оборота колеса.
• Поворот по часовой на 90 градусов.
• «Стоп, моторы».

Вот так выглядит решение данной задачи:

Рисунок 2. Пример программы для робота

Практическая работа «Движение по траектории квадрата»

Задание 2: изменить созданный линейный алгоритм на циклический (возможно задать количество повторений цикла 4) [1].

Циклический алгоритм – это алгоритмическая конструкция, которая подразумевает повторение определённого блока действий.

Примечание: проанализировать, какую геометрическую фигуру нарисует робот маркером на поле, найти её периметр и площадь (ответ: квадрат).

Вот так выглядит решение данной задачи:

Рисунок 3. Пример программы для робота

Можно указать, что на данный момент в робота загружена программа, привести пример на экране и запустить его к исполнению.

Выше были рассмотрены простейшие алгоритмы для робота, в процессе изучения данной темы ученикам будут предлагаться более сложные задачи. Для учеников 8-9 классов при выполнении индивидуальной работы в рамках изучения модуля «Робототехника» на уроке труд (технология) предлагается спроектировать робота-художника. Для выполнения данного проекта обучающиеся применяют знания, полученные на уроках математики, рассчитывая углы поворотов мотора, вычисляя координаты узловых точек рисунка.

Таким образом происходит изучение основ алгоритмизации и программирования на уроках информатики с использованием образовательных роботов.

Важно заметить, что такие занятия могут быть реализованы при интеграции предметов физика и труд (технология), информатика и труд (технология), математика и труд (технология). На уроках труда (технологии) обучающиеся под конкретную задачу разрабатывают и собирают робота, а уже на уроках физики, информатики и математики с его использованием происходит изучение содержание предмета. Сбор данных о роботе (расстояние, скорость, угол наклона поверхности, вычисление количества полных оборотов колеса, необходимых для преодоления указанного расстояния и т.д.) служит отличным инструментом погружения детей в мир математики.

Практическое взаимодействие с роботами, их конструирование и программирование предлагается ученикам на уроках физики, информатики, труда (технологии), а математические знания формируют основу изучения робототехники в целом. Таким образом, применение роботов при изучении материалов на уроках физики, информатики, математики, труда (технологии) имеет ряд преимуществ:

• наглядное и интерактивное обучение: роботы LEGO позволяют визуализировать абстрактные концепции алгоритмов в реальном мире, делая процесс обучения более увлекательным и понятным [4].
• развитие логического мышления и навыков решения проблем: программирование роботов требует от учеников разделения сложных задач на простые шаги, логического мышления и отладки программ, что способствует развитию ключевых навыков.
• повышение мотивации и вовлеченности в учебный процесс: возможность увидеть результаты своей работы в действии значительно повышает интерес к предмету и мотивирует учеников к дальнейшему изучению предметов естественно-научного цикла (физика, математика, информатика), а также труда (технологии).
• развитие креативности и командной работы: конструирование роботов и совместное программирование способствуют развитию творческого мышления, навыков командной работы и коммуникации.
• подготовка к будущему: знакомство с робототехникой и программированием в раннем возрасте закладывает прочные основы для успешной карьеры в стремительно развивающихся областях науки и технологий.

Резюмируя вышесказанное, робототехника является эффективным мостом между абстрактными научными концепциями и реальным миром, превращая современные уроки в инновационную площадку для подготовки будущих высококвалифицированных специалистов.

Список литературы:

1. Анисимов В.Г. Исполнение линейных и циклических алгоритмов с помощью робота LEGO Mindstorms EV3 // Робототехника (информатика). (https://robototehnika.edumsko.ru/articles/post/1639398)
2. Бешенков, Сергей Александрович. Методика организации внеурочной деятельности обучающихся V-IX классов с использованием робототехнического оборудования и сред программирования / С.А. Бешенков, М.И. Шутикова, В.И. Филиппов // Информатика в школе. - 2019. - № 7. - С. 17-22. (https://school.infojournal.ru/jour/article/view/385/386)
3. Зайцева С. А., Иванов В. В., Киселев В. С., Зубаков А. Ф. Развитие образовательной робототехники: проблемы и перспективы // Образование и наука. 2022.  (https://elar.uspu.ru/bitstream/ru-uspu/41630/1/edscience_2022_02_004.pdf)
4. Никерова Е. В., Кирилина М. А. DIGITAL KIDS — ПОГРУЖЕНИЕ В ПРОГРАММИРОВАНИЕ // Научный Лидер. 2025. №16 (217). URL: https://scilead.ru/article/8531-digital-kids-pogruzhenie-v-programmirovanie
5. Перов Э. Глубокий снег и болото: колёсная бронетехника хуже гусеничной? // Военное обозрение. 2022. (https://topwar.ru/199166-glubokij-sneg-i-boloto-kolesnaja-bronetehnika-huzhe-gusenichnoj.html?ysclid=mjzn5id65p805435150)