Решение исследовательских задач на факультативных занятиях по робототехнике

Ушаков А.А., Гимназия №42, ic99aau@mail.ru

Статья для мероприятия "Будущее Алтая" 

С момента появления в школе курса информатики идут споры о ее месте и роли в системе научных и гуманитарных знаний, которые должны быть усвоены школьниками. Без сомнения, информатика, как наука о способах получения и обработки информации - актуальная наука, т.к. мы являемся свидетелями того, как происходит процесс перераспределения приоритетов общества с материальных процессов на информационные. В нашем веке владение информацией, знаниями, патентами, интеллектуальными правами, умение получать новую информацию, важнее, чем обладание материальными ресурсами и средствами производства.

Специалисты по информационным технологиям нужны, однако остаются вопросы, всегда сопровождавшие курс школьной информатики – программирование или владение существующими программами? Что важнее? Какое соотношение теории и практики является оптимальным?

Ответы на данные вопросы менялись в зависимости от техники которая становилась доступной школе. Когда в школах появились первые программируемые калькуляторы, на уроках информатики большое внимание уделяли математической стороне решаемых задач и низкоуровневому программированию. Появления первых, еще примитивных, школьных компьютеров привело к созданию курса информатики с уклоном на изучение языков программирования и решение алгоритмических задач. В настоящее время информатика переживает этап, который условно можно назвать «ориентация на практику». Благодаря техническому прогрессу современные школьные компьютеры обладают практически неограниченными возможностями и учителя зачастую не могут избежать соблазна от ориентации на какие-то профессиональные программные продукты. Курс информатики, как науки, может сводиться до узко-технологической составляющей – изучение текстового редактора, редактора векторной графики и т.д.

Между тем мы не должны забывать, что целью образования, получаемого школьниками, являются не только частные факты или навыки, но и развитие ума и чувства, умения критически мыслить, формирование мировоззрения и познавательных процессов.

Если с этой позиции нужно рассматривать информатику, то окажется, что это очень разносторонний предмет, тесно интегрированный с другими науками, который может внести существенный в клад в формирование мировоззрения ребенка, овладение научным методом познания и восприятие им школьных дисциплин как комплекс взаимосвязанных знаний.

С это точки зрения изучение программирования в школьном курсе информатики должно рассматриваться не как процесс усвоения конкретного языка программирования, а с точки зрения развития личности ребенка. Этим объясняется большое количество учебных языков программирования основанных на концепции робота исполнителя. Ребенок не должен вникать в сложные структуры профессионального языка программирования, он должен усвоить некие фундаментальные принципы, которые лежат в процессе формализации задачи и составления алгоритма ее решения. Язык программирования должен быть простым, наглядным, но одновременно и привлекательным, позволяющим реализовывать на интересные детям проекты. Таким языком является Лого, который применяется для формирования мышления детей начальной и средней школы. Его разработчику, Сеймуру Пейперту, удалось создать язык, который в игровой форме развивает мышление ребенка. Лого тесно взаимосвязано с понятием Исполнитель, в качестве которого вводится робот Черепашка. Исполнитель представляет мысль предметной форме, облегчая детям восприятие абстрактных концепций. В России данный язык программирования используется на уроках информатики уже два десятка лет, Сеймур Пейперт неоднократно посещал нашу страну с лекциями и семинарами. Однако в настоящее время стала доступной новая технология обучения, продолжающая традиции Лого, - компьютеризированные конструкторы производства Лего.

В первую очередь мы рассматриваем робототехнический конструктор Lego Mindstorms NXT, т.к. он основан на уже знакомой концепции исполнителя алгоритма. В отличие от исполнителя языка программирования Лого робот, собранный из конструктора Lego материален, что позволяет решить проблему излишней виртуализации знаний, которая возникла в последнее десятилетие благодаря широкому применению компьютерной техники.

Современный школьник познает окружающий мир через экран монитора, что уже становится проблемой, т.к. это сказывается на объективности восприятия ребенка.

Программирование реального робота позволяет увидеть законы математики не на страницах тетради или учебника, а в окружающем мире. Как далеко проедет робот, если его колеса сделают один оборот? Для многих задач по робототехнике ответ на этот вопрос принципиален. Его можно получить экспериментально, измерив линейкой расстояние, пройденное роботом. Можно найти теоретически, рассчитав длину окружности колес робота. Самым интересным является обсуждение проблемы, - почему результаты, полученные этими двумя способами, не совпадают?

Так начитается изучение законов реального мира, и закладываются основы постановки научного эксперимента.

Как объяснить роботу понятия «большой», «маленький»? Даже черная линия на самом деле оказывается не черной. При решении задач, в которых робот должен принимать во внимание цвет предметов, учащиеся каждый раз должны проводить исследование, снимать показания датчиков робота, чтобы понять, как он воспринимает окружающую среду. В данной ситуации мы сталкиваемся не только с приемами физического эксперимента, которые усваивают школьники, но и процессом изменения их мировоззрения, т.к. им наглядно демонстрируется субъективность восприятия, его зависимость от органов чувств и способов обработки информации.

Таким образом, мы видим, что использование конструкторов Lego Mindstorms позволяет взглянуть на информатику по-новому. Программирование роботов позволяет без усилий организовать межпредметные связи информатики с математикой и физикой, при специальной подготовке учителя и наличии методических материалов – с кибернетикой, физиологией и психологией.

В Барнаульской Гимназии №42 идет экспериментальная работа по использованию робототехнических конструкторов в рамках факультативных занятий по информатике. Главной задачей экспериментальной работы является создание методических материалов, которые помогли бы раскрыть потенциал конструкторов. Основой комплекта материалов будет сборник задач.

Основой концепции предлагаемого факультативного курса является ориентация на школьный курс информатики. Обычно при использовании Lego-роботов подразумевается курс конструирования, однако в условиях обычной школы, без политехнического профиля, такой курс является необоснованным. В отличие от традиционных факультативов, основанных на Лего-технологии, мы практически полностью игнорируем техническую составляющую робототехники

 Базовой конструкцией, на которую ориентированы задания, является собранная из этого конструктора модель робота, под названием Tribot. Все предлагаемые задания можно решить не изменяя конструкции робота. Основная цель курса – обучение основам алгоритмизации и программирования.

Робот рассматривается в рамках концепции исполнителя, которая используется в курсе информатики при изучении программирования. Однако в отличие от множества традиционных учебных исполнителей, которые помогают школьникам разобраться в этой достаточно сложной теме, лего-робот действует в реальном мире, что не только увеличивает мотивационную составляющую изучаемого материала, но вносит в него исследовательский компонент.

При программировании робота нет однозначного решения – любая задача решается после нескольких предварительных попыток, в результате которых собирается некий экспериментальный материал, позволяющий понять, как робот воспринимает ту или иную ситуацию. При решении задач приходится учитывать погрешность в показаниях датчиков робота, его исполнительных механизмов, влияние окружающей среды и множества других факторов. Благодаря этой особенности факультатив робототехники становится для школьников, не просто курсом по изучению программирования, но и местом, где учатся применять теоретические знания на практике, получают навыки проведения физического эксперимента, развивают наблюдательность и сообразительность.

Сборник задачи рассчитан на учащихся 5-9 классов. Т.к. теоретическое решение задач невозможно, пропуск любой задачи приводит к недопониманию того или иного нюанса поведения робота. Дифференциация школьников начинается с темы «Математические и логические операции» - для решения задач данного блока учащимся 5-7 классов придется познакомиться с понятиями математической логики.

Потенциал факультатива не ограничивается девятым классом. Все учащиеся проявившие способности при решении задач из данного сборника могут продолжить углубленное изучения одного из профессиональных языков программирования, поддерживаемых конструктором Lego Mindstorms. Самым перспективными из них следует считать Java и LabView. Для школьников, проявивших достаточный интерес к робототехнике и программированию роботов, не исключается возможность участия в региональных и всероссийских соревнованиях по робототехнике.

Соревнования по робототехнике являются ярким и азартным мероприятием, поэтому их регулярная организация, даже на уровне школы, позволяет решить проблему мотивации учащихся к изучению информатики и робототехники, втянуть их в научно-практическую деятельность.

Образец задачи

Включите режим просмотра показаний датчика освещенности в режиме подсветки. Попробуйте понять, как «видит» робот окружающие предметы. Проведите исследование, выясните, какие значения соответствуют цвету парты, учебника, тетради? Поднимите робота над столом и попробуйте измерить уровень освещенности, который регистрируется при отсутствии отражения от какого-либо предмета. Может ли это значение использоваться в программе, для фиксации края стола?

Напишите программу движения робота вперед с остановкой у края стола.

Список литературы

·        Ушаков А.А. Робототехника в средней школе - практика и перспективы. // Педагогическое образование на Алтае (Педагогический университетский вестник Алтая). 2010. №1
URL: http://www.uni-altai.ru/info/journal/vestnik/print:page,1,3365-nomer-1-2010.html