Публикации
Формирование ключевых компетенций и устойчивого интереса обучающихся начальной школы к инженерным и техническим специальностям посредством дополнительного образования по робототехнике и программированию
Всероссийский сборник статей и публикаций института развития образования, повышения квалификации и переподготовки.
Скачать публикацию
Язык издания: русский
Периодичность: ежедневно
Вид издания: сборник
Версия издания: электронное сетевое
Публикация: Формирование ключевых компетенций и устойчивого интереса обучающихся начальной школы к инженерным и техническим специальностям посредством дополнительного образования по робототехнике и программированию
Автор: Паньковский Илья Михайлович
Периодичность: ежедневно
Вид издания: сборник
Версия издания: электронное сетевое
Публикация: Формирование ключевых компетенций и устойчивого интереса обучающихся начальной школы к инженерным и техническим специальностям посредством дополнительного образования по робототехнике и программированию
Автор: Паньковский Илья Михайлович
Формирование ключевых компетенций и устойчивого интереса обучающихся начальной школы к инженерным и техническим специальностям посредством дополнительного образования по робототехнике и программированию
Паньковский Илья Михайлович,
педагог дополнительного образования
ЧОУ Прогимназии № 63 ОАО РЖД
Специфика общеобразовательного учреждения предусматривает дошкольное образование и начальное общее образование. В процессе обучения приходится затрагивать темы смежных дисциплин, например, электротехники (учитывая возраст ребят), 3D-моделирования и 3D-печати. Практическая работа с обучающимися предполагает применение некоторых инструментов во время занятий или подготовки проектов: фрезерное ЧПУ, электролобзик, паяльник и т.д.
Программа развития учреждения предполагает использование технологий STEAM образования, конкурсов, олимпиад, хакатонов в техническом творчестве у ребят от 6 лет до 11 лет.
В 2014 году впослании Федеральному собранию Президент РФПутин В.В. впервые указал нанеобходимость вывести инженерное образование встране намировой уровень. Робототехнические комплексы были внесены вчисло приоритетных направлений развития науки, технологий итехники вРоссии. За прошедшее десятилетие в нашей стране сформировалась сеть инженерно-технических центров: кванториумы, фаблабы при ВУЗах, ЦМИТы ицентр Сириус.
Сегодня полностью изменился подход к обучению и требования к знаниям учащихся. В школах появились практико-ориентированные решения, которые пробуждают в детях естественную тягу к научно-техническим исследованиям и открытиям. Педагоги все чаще прибегают к практике STEM-образования, в основе которого лежит междисциплинарность и интеграция нескольких научных областей в единую систему обучения для решения конкретных задач, взятых из реальной жизни. Хочется сказать, что сохранить и развить теоретические знания помогают внеклассные занятия и кружковая деятельность по направлениям, на которых знания приобретают прикладной характер.
Аббревиатура STEAM (science – наука, technology – технология, engineering – инжиниринг, arts and math – искусство и математика) подразумевает как получение знаний по данным наукам, так и способность применять их на практике. Благодаря STEM-подходу дети могут развиваться сразу в нескольких предметных областях – информатике, физике, технологии, инженерии и математике, понимая, что у изучаемой, порой скучной, теории есть и прикладной характер. Применение в занятиях по робототехнике системно-деятельностного подхода, самостоятельной исследовательской работы и проектной деятельности обучающихся определяют эффективность образовательного процесса.
Создание проекта в соответствии с ФГОС предполагает мультипредметность и межпредметность. При STEAM-обучении мои воспитанники применяют знания из различных областей: математики и других точных наук, инженерии, дизайна, используют цифровые устройства и технологии. Таким образом они усваивают общее понимание процесса создания и работы над проектом. STEAM – это универсальный практико-ориентированный подход, который позволяет ребятам справляться с задачами любой сложности. При этом они получают практическую реализацию своих знаний. Решая любую производственную или бытовую задачу, человек вынужден аккумулировать знания из многих областей. Резюмируя и упрощая вышесказанное, можно сказать, что STEAM — это проектная деятельность.
Породу своей деятельности начинаю заниматься с детьми робототехникой с 6 лет. Но, в том числе, в мой центр ходят учащиеся, которые уже заканчивают школу, и нацелены поступать в СПО или ВУЗы. Приходят и взрослые люди, которые хотят получить некоторые знания для собственных целей, для расширения профессиональных возможностей. Например, люди, которые работают с деревом, развивают навыки работы с электроникой и микроконтроллерами для возможности создания умных столов. Это говорит о том, что занятия робототехникой формируют метапредметные навыки, дают знания и умения, которые жизненно важны для профессионального определения подрастающего поколения в будущем.
Успешность процесса обучения зависит от инструментария и методического обеспечения: конструкторы и программы, которые используются на занятиях.
Обучающиеся начинают своё обучение с наборов Lego Wedo. Ранее это был Lego Wedo 1.0, теперь Lego Wedo 2.0. Наборы отличаются не только внешне, но и по инструкции и визуальной составляющей программы, которая идёт вместе с ней. Фундаментальные основы обучения остаются неизменными. Робототехника в возрасте 6-10 лет – это изучение базовых механизмов: что такое рычаг, мультипликатор, редуктор, зубчатая передача, ременная передача, червячная передача и т.д., базовых алгоритмов (линейные и циклические). На этом этапе начинается изучение датчиков наклона и расстояния. Ребята уже могут показать свои знания и работы на выставках, проводимых в учреждениях Ростовской области. Они организуются крайне редко. А соревновательная робототехника представлена всего одним международным конкурсом, региональный этап которого проводится всего один раз в год (на территории ДГТУ) и из всех команд туда заявлены не более трех. Резюмируя, хочется отметить, что конкурс сложный, редкий и как результат престижный.
Начиная с 8 лет, на занятиях мы используем Scratch. Это гораздо более сложное графическое программирование. Оно основано на языке labview и уже имеет признаки взрослого программирования. Ребятам доступны переменные, т.е. возможность программы хранить в себе какие-либо одиночные данные и массивы, хранящие неодиночные данные. Занятия дают возможность обучающимся повторить школьную программу. Мы используем координатную плоскость, изменение направления в градусах, проценты, абсолютную величину, целое меньшее/большее, квадратный корень, синус, косинус, возведение в степень, логарифмы.
Конечно, в 8 - 10 лет, полностью раскрыть эту платформу нельзя, не хватает базовых школьных знаний, полностью она раскрывается в более старшем возрасте. Изучая Scratch, осваиваем умение работать в графических редакторах и умение рисовать на бумаге. Это необходимо для создания собственных персонажей. Мы часто используем пиксельные и воксельные редакторы. Кстати, базовая работа со звуком здесь присутствует, поэтому можно не только использовать готовые, предоставленные платформой звуки, но и скачивать их из интернета или создавать свои.
С 10 лет ребята знакомятся с робототехническим конструктором Ev3. Помимо тех базовых механизмов, которые ребята уже знают, здесь добавляются механизмы посложнее, например, разнообразные механизмы захвата, подъёмные механизмы. Расширяются представления о датчиках: датчик касания, ультразвуковой датчик, гироскопический датчик, датчик цвета. В этом возрасте ребята должны понимать принцип работы каждого датчика, использованного в конструкции. Если раньше было достаточно, чтобы ребёнок знал, что показывают эти датчики (датчик наклона показывает сторону наклона), то в возрасте 10 лет ребята уже должны понимать принцип их работы, чтобы уметь правильно их программировать и находить ошибки в их работе. Если взять ультразвуковой датчик, то нужно понимать, как отражается ультразвук от поверхностей, что случится, если мы попробуем определить форму объекта? Что произойдет, если направить датчик на мягкий объект (игрушку)?
К базовым школьным предметам (математике, физике) и программированию теперь добавляются элементы механики. Соревнования в этой категории представлены на уровне городского и районного конкурса по робототехнике, еще есть Робофест и олимпиада WRO. Соревновательная (именно соревновательная, не выставочная) робототехника трудна и требует от обучающихся начальных классов дополнительного времени и огромного желания для получения новых знаний. К примеру, для более равномерного движения по траектории ребятам придётся изучить законы регулирования (пропорциональный, интегральный, дифференциальный законы), знать кубический регулятор, структуру двигателя, энкодер, который считает его обороты, научиться им пользоваться. Всё это подразумевает более сложное программирование, более глубокое погружение в тему. Недостаточно знать, что датчик цвета может определить цвет объекта, необходимо понимать, что такое RGB-светодиод и как он позволяет создать освещение интерьера с любым оттенком цвета. Без этих знаний невозможно быстро и точно определить цвет.
С подгруппой наиболее одаренных ребят можно начинать изучать платформу Arduino. Хотя, рекомендовано знакомить с данной платформой детей 12-13 лет. Это платформа удобна для быстрой разработки электронных устройств для новичков и профессионалов. Платформа пользуется огромной популярностью во всем мире благодаря доступности и простоте языка программирования, а также открытой архитектуре и программному коду. На этом этапе к школьной программе (стандартным математике и физике) и механике, добавляются следующие дисциплины:
элетротехника (область техники, связанная с получением, распределением, преобразованием и использованием электрической энергии),
кибернетика (наука об общих закономерностях получения, хранения, преобразования и передачи информации),
схемотехника (проектирование, создание и отладка электронных схем и устройств различного назначения),
изучение языка программирования С++.
Платформа Arduino представляет собой отдельную плату, не имеющую конструктора. Внутри нее находится программируемый микроконтроллер и сотни электронных компонентов от самых простых в виде светодиодов, резисторов и потенциометров до более сложных в виде датчиков на основе эффекта доплера. Доплер, как говорят, видит через стены до возможности считать пульс человека или запомнить его отпечаток пальца. Порог входа в данную плату гораздо выше, чем в остальных курсах, но и возможностей для реализации гораздо больше. Так как сам набор не имеет основы в виде конструктора или каких-либо деталей, то для создания устройства необходимо сделать их самостоятельно с помощью 3D-печати. Прежде чем модель напечатать, её нужно смоделировать. 3D-моделирование и 3D-печать – это обязательные компоненты проектных работ. Для обучающихся младшей группы (6-8 лет) 3D-моделирование может быть выполнено в программе ТинкерКад. Это бесплатное простое приложение для разработки 3D-проектов. Оно является детским, профессионалы им не пользуются. Далее используется платный вариант SolidWorks, либо бесплатный FreeCad. В данном случае порог входа высокий, черчение, как и чертежи — это сложная тема для обучающихся начального и среднего общего образования. К тому же, кроме создания модели необходимо перевести её в координаты, т.е. научиться пользоваться слайсером. Слайсер - это компьютерная программа, послойно преобразующая виртуальную трехмерную модель в машинный код, позволяющий подготовить её к печати на 3D-принтере. Из трехмерной модели (STL-файла) слайсер делает gcode-файл с конкретными командами для 3D-принтера, как печатать каждый слой.
Помимо 3D-печати есть еще и фрезерные/лазерные ЧПУ станки, которые помогут ребятам вырезать детали из дерева, оргстекла, если они небольшие. Для больших деталей используется электролобзик. Его не нужно программировать, но необходимо будет работать вручную и соблюдать технику безопасности.
Соревновательной робототехники для обучающихся прогимназии пока нет. В основном ребята участвуют в хакатонах или проектных (выставочных) работах, в конкурсах и олимпиадах, входящих в перечень Министерства просвещения России. Команды юных робототехников с интересом решали реальную проблему о вывозе людей из пожароопасной лесной зоны на время в хакатоне. Ребята разработали проекты технической направленности: Устройство-робот для испытания зданий на устойчивость к землетрясению, Умный железнодорожный переезд и др., имеющие практическое значение. Они защищали проекты на различных уровнях и награждены дипломами призеров.
На Всероссийском конкурсе исследовательских и проектных работ Транспорт будущего был представлен проект Система освещения железной дороги с умными контактными площадками перед представителями научного и бизнес-сообщества Ростовской области, где автор Савин Г. предложил способ как сделать движение поездов более безопасным. Проект получил высокую оценку жюри и занял 2 место.
Системная реализация дополнительных программ инженерного профиля в прогимназии, проявление в повседневной жизни политехнического мировоззрения и устойчивого интереса моих воспитанников, выпускников прогимназии, к инженерным и техническим специальностям, профессиям железнодорожного транспорта формируют основу для их дальнейшего успешного образования в научно-технической сфере.
Паньковский Илья Михайлович,
педагог дополнительного образования
ЧОУ Прогимназии № 63 ОАО РЖД
Специфика общеобразовательного учреждения предусматривает дошкольное образование и начальное общее образование. В процессе обучения приходится затрагивать темы смежных дисциплин, например, электротехники (учитывая возраст ребят), 3D-моделирования и 3D-печати. Практическая работа с обучающимися предполагает применение некоторых инструментов во время занятий или подготовки проектов: фрезерное ЧПУ, электролобзик, паяльник и т.д.
Программа развития учреждения предполагает использование технологий STEAM образования, конкурсов, олимпиад, хакатонов в техническом творчестве у ребят от 6 лет до 11 лет.
В 2014 году впослании Федеральному собранию Президент РФПутин В.В. впервые указал нанеобходимость вывести инженерное образование встране намировой уровень. Робототехнические комплексы были внесены вчисло приоритетных направлений развития науки, технологий итехники вРоссии. За прошедшее десятилетие в нашей стране сформировалась сеть инженерно-технических центров: кванториумы, фаблабы при ВУЗах, ЦМИТы ицентр Сириус.
Сегодня полностью изменился подход к обучению и требования к знаниям учащихся. В школах появились практико-ориентированные решения, которые пробуждают в детях естественную тягу к научно-техническим исследованиям и открытиям. Педагоги все чаще прибегают к практике STEM-образования, в основе которого лежит междисциплинарность и интеграция нескольких научных областей в единую систему обучения для решения конкретных задач, взятых из реальной жизни. Хочется сказать, что сохранить и развить теоретические знания помогают внеклассные занятия и кружковая деятельность по направлениям, на которых знания приобретают прикладной характер.
Аббревиатура STEAM (science – наука, technology – технология, engineering – инжиниринг, arts and math – искусство и математика) подразумевает как получение знаний по данным наукам, так и способность применять их на практике. Благодаря STEM-подходу дети могут развиваться сразу в нескольких предметных областях – информатике, физике, технологии, инженерии и математике, понимая, что у изучаемой, порой скучной, теории есть и прикладной характер. Применение в занятиях по робототехнике системно-деятельностного подхода, самостоятельной исследовательской работы и проектной деятельности обучающихся определяют эффективность образовательного процесса.
Создание проекта в соответствии с ФГОС предполагает мультипредметность и межпредметность. При STEAM-обучении мои воспитанники применяют знания из различных областей: математики и других точных наук, инженерии, дизайна, используют цифровые устройства и технологии. Таким образом они усваивают общее понимание процесса создания и работы над проектом. STEAM – это универсальный практико-ориентированный подход, который позволяет ребятам справляться с задачами любой сложности. При этом они получают практическую реализацию своих знаний. Решая любую производственную или бытовую задачу, человек вынужден аккумулировать знания из многих областей. Резюмируя и упрощая вышесказанное, можно сказать, что STEAM — это проектная деятельность.
Породу своей деятельности начинаю заниматься с детьми робототехникой с 6 лет. Но, в том числе, в мой центр ходят учащиеся, которые уже заканчивают школу, и нацелены поступать в СПО или ВУЗы. Приходят и взрослые люди, которые хотят получить некоторые знания для собственных целей, для расширения профессиональных возможностей. Например, люди, которые работают с деревом, развивают навыки работы с электроникой и микроконтроллерами для возможности создания умных столов. Это говорит о том, что занятия робототехникой формируют метапредметные навыки, дают знания и умения, которые жизненно важны для профессионального определения подрастающего поколения в будущем.
Успешность процесса обучения зависит от инструментария и методического обеспечения: конструкторы и программы, которые используются на занятиях.
Обучающиеся начинают своё обучение с наборов Lego Wedo. Ранее это был Lego Wedo 1.0, теперь Lego Wedo 2.0. Наборы отличаются не только внешне, но и по инструкции и визуальной составляющей программы, которая идёт вместе с ней. Фундаментальные основы обучения остаются неизменными. Робототехника в возрасте 6-10 лет – это изучение базовых механизмов: что такое рычаг, мультипликатор, редуктор, зубчатая передача, ременная передача, червячная передача и т.д., базовых алгоритмов (линейные и циклические). На этом этапе начинается изучение датчиков наклона и расстояния. Ребята уже могут показать свои знания и работы на выставках, проводимых в учреждениях Ростовской области. Они организуются крайне редко. А соревновательная робототехника представлена всего одним международным конкурсом, региональный этап которого проводится всего один раз в год (на территории ДГТУ) и из всех команд туда заявлены не более трех. Резюмируя, хочется отметить, что конкурс сложный, редкий и как результат престижный.
Начиная с 8 лет, на занятиях мы используем Scratch. Это гораздо более сложное графическое программирование. Оно основано на языке labview и уже имеет признаки взрослого программирования. Ребятам доступны переменные, т.е. возможность программы хранить в себе какие-либо одиночные данные и массивы, хранящие неодиночные данные. Занятия дают возможность обучающимся повторить школьную программу. Мы используем координатную плоскость, изменение направления в градусах, проценты, абсолютную величину, целое меньшее/большее, квадратный корень, синус, косинус, возведение в степень, логарифмы.
Конечно, в 8 - 10 лет, полностью раскрыть эту платформу нельзя, не хватает базовых школьных знаний, полностью она раскрывается в более старшем возрасте. Изучая Scratch, осваиваем умение работать в графических редакторах и умение рисовать на бумаге. Это необходимо для создания собственных персонажей. Мы часто используем пиксельные и воксельные редакторы. Кстати, базовая работа со звуком здесь присутствует, поэтому можно не только использовать готовые, предоставленные платформой звуки, но и скачивать их из интернета или создавать свои.
С 10 лет ребята знакомятся с робототехническим конструктором Ev3. Помимо тех базовых механизмов, которые ребята уже знают, здесь добавляются механизмы посложнее, например, разнообразные механизмы захвата, подъёмные механизмы. Расширяются представления о датчиках: датчик касания, ультразвуковой датчик, гироскопический датчик, датчик цвета. В этом возрасте ребята должны понимать принцип работы каждого датчика, использованного в конструкции. Если раньше было достаточно, чтобы ребёнок знал, что показывают эти датчики (датчик наклона показывает сторону наклона), то в возрасте 10 лет ребята уже должны понимать принцип их работы, чтобы уметь правильно их программировать и находить ошибки в их работе. Если взять ультразвуковой датчик, то нужно понимать, как отражается ультразвук от поверхностей, что случится, если мы попробуем определить форму объекта? Что произойдет, если направить датчик на мягкий объект (игрушку)?
К базовым школьным предметам (математике, физике) и программированию теперь добавляются элементы механики. Соревнования в этой категории представлены на уровне городского и районного конкурса по робототехнике, еще есть Робофест и олимпиада WRO. Соревновательная (именно соревновательная, не выставочная) робототехника трудна и требует от обучающихся начальных классов дополнительного времени и огромного желания для получения новых знаний. К примеру, для более равномерного движения по траектории ребятам придётся изучить законы регулирования (пропорциональный, интегральный, дифференциальный законы), знать кубический регулятор, структуру двигателя, энкодер, который считает его обороты, научиться им пользоваться. Всё это подразумевает более сложное программирование, более глубокое погружение в тему. Недостаточно знать, что датчик цвета может определить цвет объекта, необходимо понимать, что такое RGB-светодиод и как он позволяет создать освещение интерьера с любым оттенком цвета. Без этих знаний невозможно быстро и точно определить цвет.
С подгруппой наиболее одаренных ребят можно начинать изучать платформу Arduino. Хотя, рекомендовано знакомить с данной платформой детей 12-13 лет. Это платформа удобна для быстрой разработки электронных устройств для новичков и профессионалов. Платформа пользуется огромной популярностью во всем мире благодаря доступности и простоте языка программирования, а также открытой архитектуре и программному коду. На этом этапе к школьной программе (стандартным математике и физике) и механике, добавляются следующие дисциплины:
элетротехника (область техники, связанная с получением, распределением, преобразованием и использованием электрической энергии),
кибернетика (наука об общих закономерностях получения, хранения, преобразования и передачи информации),
схемотехника (проектирование, создание и отладка электронных схем и устройств различного назначения),
изучение языка программирования С++.
Платформа Arduino представляет собой отдельную плату, не имеющую конструктора. Внутри нее находится программируемый микроконтроллер и сотни электронных компонентов от самых простых в виде светодиодов, резисторов и потенциометров до более сложных в виде датчиков на основе эффекта доплера. Доплер, как говорят, видит через стены до возможности считать пульс человека или запомнить его отпечаток пальца. Порог входа в данную плату гораздо выше, чем в остальных курсах, но и возможностей для реализации гораздо больше. Так как сам набор не имеет основы в виде конструктора или каких-либо деталей, то для создания устройства необходимо сделать их самостоятельно с помощью 3D-печати. Прежде чем модель напечатать, её нужно смоделировать. 3D-моделирование и 3D-печать – это обязательные компоненты проектных работ. Для обучающихся младшей группы (6-8 лет) 3D-моделирование может быть выполнено в программе ТинкерКад. Это бесплатное простое приложение для разработки 3D-проектов. Оно является детским, профессионалы им не пользуются. Далее используется платный вариант SolidWorks, либо бесплатный FreeCad. В данном случае порог входа высокий, черчение, как и чертежи — это сложная тема для обучающихся начального и среднего общего образования. К тому же, кроме создания модели необходимо перевести её в координаты, т.е. научиться пользоваться слайсером. Слайсер - это компьютерная программа, послойно преобразующая виртуальную трехмерную модель в машинный код, позволяющий подготовить её к печати на 3D-принтере. Из трехмерной модели (STL-файла) слайсер делает gcode-файл с конкретными командами для 3D-принтера, как печатать каждый слой.
Помимо 3D-печати есть еще и фрезерные/лазерные ЧПУ станки, которые помогут ребятам вырезать детали из дерева, оргстекла, если они небольшие. Для больших деталей используется электролобзик. Его не нужно программировать, но необходимо будет работать вручную и соблюдать технику безопасности.
Соревновательной робототехники для обучающихся прогимназии пока нет. В основном ребята участвуют в хакатонах или проектных (выставочных) работах, в конкурсах и олимпиадах, входящих в перечень Министерства просвещения России. Команды юных робототехников с интересом решали реальную проблему о вывозе людей из пожароопасной лесной зоны на время в хакатоне. Ребята разработали проекты технической направленности: Устройство-робот для испытания зданий на устойчивость к землетрясению, Умный железнодорожный переезд и др., имеющие практическое значение. Они защищали проекты на различных уровнях и награждены дипломами призеров.
На Всероссийском конкурсе исследовательских и проектных работ Транспорт будущего был представлен проект Система освещения железной дороги с умными контактными площадками перед представителями научного и бизнес-сообщества Ростовской области, где автор Савин Г. предложил способ как сделать движение поездов более безопасным. Проект получил высокую оценку жюри и занял 2 место.
Системная реализация дополнительных программ инженерного профиля в прогимназии, проявление в повседневной жизни политехнического мировоззрения и устойчивого интереса моих воспитанников, выпускников прогимназии, к инженерным и техническим специальностям, профессиям железнодорожного транспорта формируют основу для их дальнейшего успешного образования в научно-технической сфере.
