· 

ПРОБЛЕМЫ ВНЕДРЕНИЯ УЧЕБНЫХ ПРОГРАММ ПО НАПРАВЛЕНИЮ "РОБОТОТЕХНИКА" В ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ШКОЛЕ

Григорьев Александр Тихонович

 

         ПРОБЛЕМЫ ВНЕДРЕНИЯ УЧЕБНЫХ ПРОГРАММ ПО НАПРАВЛЕНИЮ "РОБОТОТЕХНИКА" В ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ШКОЛЕ

 

В данной статье указываются основные сложности, возникающие при реализации учебных программ образовательной робототехники в рамках общеобразовательной школы, анализируются причины этих сложностей и предлагаются пути решения.

 Образовательная робототехника — дисциплина, которая активно развивается сейчас и начинает занимать особое место в современной системе образования. С одной стороны, это направление имеет прикладное значение и готовит детей к жизни в условиях все более широкого использования автоматизированных и роботизированных систем. С другой стороны, робототехника все больше берет на себя системообразующую роль в процессе обучения, поскольку не только интегрирует знания по различным техническим и естественно-научным дисциплинам, но и демонстрирует их значимость и применимость.

 Во время занятий у детей появляется возможность на практике столкнуться с задачами, требующими понимания основ механики, различных разделов физики, тригонометрии, дифференциального и интегрального исчисления, статистики, теории управления. В ходе реализации индивидуальных и коллективных проектов приобретается опыт самостоятельной и совместной организации и планирования деятельности, оттачиваются навыки продуктивного взаимодействия, сбора и анализа информации, поиска существующих решений, активируются творческие способности.

 Образовательная робототехника включает в себя различные по содержанию предметные области: программирование, конструирование, микроэлектронику и прочее. Таким образом, существует возможность обеспечить не только развитие интеллектуальной сферы обучающихся, но и  активное освоение ими современных и перспективных технологий, подразумевающих как ручной труд, так и использование станков с ЧПУ.

 Включение робототехники в программу основного общего образования как в виде занятий в рамках внеурочной деятельности, так и в качестве составной части школьного курса технологии полностью соответствует идеям, заложенным в федеральный государственный образовательный стандарт (ФГОС). Согласно приказу Минобрнауки России об утверждении ФГОС ООО, "при итоговом оценивании результатов освоения обучающимися основной образовательной программы основного общего образования должны учитываться сформированность умений выполнения проектной деятельности и способность к решению учебно-практических и учебно-познавательных задач"[1] стр.20. При этом должны достигаться не только предметные, но и метапредметные результаты:

 

  •  "способность и готовность к освоению систематических знаний, их самостоятельному пополнению, переносу и интеграции";
  •  "способность работать с информацией";
  •  "способность к сотрудничеству и коммуникации";
  •  "способность к решению личностно и социально значимых проблем и воплощению найденных решений в практику";
  •  "способность и готовность к использованию ИКТ в целях обучения и развития";
  •  "способность к самоорганизации, саморегуляции и рефлексии"[2] стр.189.

 Проектная, предметно-практическая ориентированность занятий в рамках образовательной робототехники, направленность на формирование компетенций согласуется с системно-деятельностным подходом, лежащим во главе ФГОС. Учащиеся имеют дело не с абстрактными примерами из учебника, а с необходимостью достижения вполне конкретных прагматических целей. Даже базовая задача автоматического перемещения мобильной робоплатформы вдоль графической разметки на полу имеет практическую подоплеку, а решение этой задачи позволяет перейти к моделированию прикладных систем, выполняющих ту или иную личностно и общественно востребованную работу.

 Однако наряду с широчайшими перспективами использования робототехники в образовательном процессе существует и масса проблем, поиску решения которых и посвящена данная статья. Обсудить и даже просто обозначить все сложности, с которыми приходится сталкиваться при реализации курса робототехники в общеобразовательной школе, не представляется возможным. Мы коснемся лишь основных.

 Прежде всего следует сказать о том, что существующие образовательные программы робототехники слабо адаптированы к реалиям обычной общеобразовательной школы. Программы разработаны с ориентацией на средние и старшие классы специализированных учебных заведений технической и физико-математической направленности, то есть служат для занятий с отобранными детьми, уже мотивированными на изучение данной предметной области, и, к тому же, достаточно подготовленными.

 Дополнительным, но взаимосвязанным фактором является то, что существующие робототехнические наборы тоже не блещут совершенством. Как правило, они требуют для своего использования высокого уровня подготовки как со стороны детей, так и со стороны педагогов, проводящих занятия. Свободная (и наиболее интересная в перспективе) робототехника на базе Arduino находится в особо бедственном положении. Но даже наиболее проработанные проприетарные решения (Lego Mindstorms EV3, например) сохраняют ориентированность на более старший контингент и соответствующую направленность учебных программ, а версии для младшей школы (Lego WeDo) урезаны до крайности. Кроме того, обучающие программы в основном по-прежнему остаются недоработанными, наборы недоделанными и недоукомплектованными для большинства учебных задач, для подготовки к занятиям необходимо затратить массу времени и усилий. Налицо множество "детских болезней", которые необходимо преодолеть. Более подробно об этом написано в публикации Ю.А. Винницкого[3].

 На практике перечисленные проблемы приводят к тому, что дети, с энтузиазмом начинающие заниматься робототехникой и представляющие поначалу, что их ждет общение с интересными и интеллектуальными устройствами со сложным и разноплановым поведением, быстро испытывают разочарование и теряют интерес к занятиям. В реальности им скорее всего придется столкнуться с примитивными игрушками-однодневками, неспособными надолго привлечь внимание, отказами и поломками, сухими и чрезмерно сложными учебными курсами, ориентированными лишь на "гиков", очень ограниченным набором учебных заданий, цель выполнения которых неясна.

 Как же превратить образовательную робототехнику в интересное занятие, как удерживать внимание детей?

 Здесь стоит рассмотреть подробнее значение терминов "робот" и "робототехника". Слово "робот" впервые появилось в 1921 году в пьесе чешского писателя Карела Чапека "Россумские универсальные роботы". Оно родственно русскому слову "работа", однако, в отличие от последнего, имеет смысл "подневольный труд", "каторга". Таким образом, "робот" в исходном значении это механический или искусственный раб. Понятие "робототехника" (англ. "robotics") возникло позже, в 1941 году, и было использовано Айзеком Азимовым в научно-фантастическом рассказе "Лжец!" (в литературных переводах трудов этого автора на русский язык часто используется слово "роботехника").

 В настоящий момент нет четкого общепринятого определения, что такое робот, однако ясно, что это некое устройство, напоминающее живой организм и выполняющее порученную работу в достаточно изменчивых условиях, приближенных к реальной жизни. Робот имеет программу в понимании "функция", иными словами "миссию", "цель", "задачу", которую требуется выполнить, а также набор сенсоров, своего рода "органов чувств" и управляющий алгоритм, то есть программу в понимании "вариабельный набор возможных действий".

 Из сказанного следует несколько выводов.

 

  • То, чем мы занимаемся в школе, это не робототехника в чистом виде, это "введение", "азы", "элементы", "основы" робототехники, иными словами, пропедевтика. Мы всего лишь "играем" в роботов, однако, чем ближе эта игра будет к реальной робототехнике, чем востребованнее в реальной жизни будут задачи, которые решают учебные роботы, тем эффективнее будет учебный процесс.
  •  Учебному роботу для выполнения порученной миссии, как правило, необходимы исполнительные органы, универсальные, либо специализированные сменные. Количество задач, которые можно решить при их отсутствии, весьма ограничено. Робототехнические наборы необходимо дорабатывать и совершенствовать в этом отношении, доукомплектовывать простым в использовании и легко подключаемым навесным оборудованием.
  •  В жизни немало примеров частично роботизированных и автоматизированных устройств, выполняющих простую, но полезную работу. Терморегулятор для аквариума, парктроник автомобиля и даже квадрокоптер, лазерный плоттер, 3D-принтер и станок с ЧПУ хоть и не являются роботами в узком понимании, однако изучение и моделирование их работы напрямую связано с темой "Введение в робототехнику" и хорошо демонстрирует применимость полученных знаний.
  •  Учебный робот должен быть способен выполнять развлекательную функцию, иметь изменчивую трансформируемую конструкцию, напоминающую живое существо, решать разнообразные задачи, выполнять сложные действия, напоминающие действия живого существа.

 Как уже отмечалось, вопросы мотивации и целеполагания в существующих учебных курсах робототехники проработаны очень слабо. Между тем задача пропедевтики, формирования предметного интереса к различным сферам человеческого знания является ключевой с точки зрения реализации ФГОС, должна решаться не в старших классах, а значительно раньше, и не в специализированных учебных заведениях, а в массовой школе. Достижение обозначенных выше метапредметных результатов возможно лишь в том случае, если по итогам реализации образовательной программы ученик начинает заниматься осознанным самообучением, последовательно двигается к решению персонально значимых, самостоятельно поставленных перед собой задач.

 О.Б. Даутова пишет об отличиях в учебно-познавательной деятельности (УПД) при "традиционном" обучении и при обучении по ФГОС следующее:

  • в традиционном обучении цели УПД "задаются извне, что в конечном счете и порождает отчуждение ученика от учебной деятельности"[4] стр.9;
  •  в обучении по ФГОС "учащийся самостоятельно формулирует цели УПД, отбирает содержание, учебный материал, сам выдвигает критерии оценивания своей работы и проводит это оценивание"[4] стр. 10-11.

 Чтобы лучше понять, какой метод обучения соответствует подобному подходу, обратимся к работе Сеймура Пейперта[5], предложившего концепцию школы будущего на основе метафоры естественного для ребенка освоения нового языка общения в новой стране. Если "погрузить" ребенка в особый "мир" (виртуальный или реальный), в среду, живущую по собственным законам, предоставить ему возможность свободно "налаживать контакт" с ее "обитателями" (т.е. осваивать соответствующую предметную область), предложить поиграть, происходит важнейший процесс - ученик (а иными словами, исследователь) начинает активно изучать законы исследуемого мира, получение знания становится для него персонально значимым и приобретает самостоятельную ценность.

 О роли персональных компьютеров в подобном обучении Сеймур Пейперт говорит особо:

 "Две основополагающие идеи проходят через эту книгу. Первая состоит в утверждении, что можно придумать такие компьютеры, научение общению с которыми превратится в естественный процесс, скорее напоминающий изучение французского живущими во Франции людьми, а не мучительную процедуру постижения иностранных языков в американских школах. Вторая идея состоит в утверждении, что научение общению с компьютерами позволит изменить и другие формы обучения. Компьютер может говорить как на языке математика, так и на языке, использующем обычный алфавит. Мы учимся делать компьютеры, с которыми детям нравилось бы общаться. Когда происходит такое общение, дети осваивают математику наподобие живого языка"[5] стр.14-15. "Компьютер - это технический Протей. Это сущность - в его универсальности, в его способности к имитации. Поскольку он может принимать тысячи ликов и выполнять тысячи функций, он может удовлетворить тысячи вкусов."[5] стр.11

 Сеймур Пейперт в сотрудничестве с Идит Харель разработал язык программирования Logo, который и был предназначен для того, чтобы превратить персональный компьютер в инструмент, посредством которого дети осваивают окружающий мир.

 Сеймур Пейперт пишет: "Во многих современных школах в фразу “обучение с помощью компьютера” вкладывают такой смысл: “компьютер обучает ребенка”. Можно сказать и так: компьютер используется, чтобы программировать ребенка. А на мой взгляд, ребенок программирует компьютер, и, делая так, ребенок не только овладевает частичкой самой современной техники, но и приобщается к некоторым из самых глубоких идей естествознания, математики, а также к искусству интеллектуального моделирования... ... Программирование на компьютере означает не больше и не меньше, как общение с машиной на языке, понятном и ей, и пользующемуся ею человеку. А изучение языка - это такая вещь, которая удается детям лучше всего."[5] стр. 14

 В настоящее время с использованием идей, заложенных в язык Logo, создано множество сред визуального программирования, направленных на реализацию самых разных проектов. Наиболее известные и активно развивающиеся сейчас это Scratch, Snap! (BYOB), а также BeetleBlocks и mBlock. О разнообразных вариантах их использования во время занятий с детьми можно почитать в серии публикаций на сайте "Intel Education Galaxy"[6] [7].

 Оставив в стороне полемику, могут ли компьютеры полностью заменить бумажные учебники, отметим, тем не менее, несколько моментов, на которых мы базируем свою работу.

 

  • Мало у кого возникают сомнения, что принятие ФГОС прямым и косвенным образом связано с появлением нового инструмента человеческой деятельности - персонального компьютера, поэтому неудивительно, что ФГОС предписывает использовать этот инструмент в обучении, и использовать его следует максимально эффективно.
  •  Персональный компьютер - это не только хранилище информации, но и средство моделирования произвольной предметной области.
  •  Первоочередная важность владения языками программирования не только (и не столько) в способности решать с их помощью прикладные задачи, гораздо более существенно то, что становится возможным обучение путем моделирования физического мира и его законов. Дети в процессе подобного моделирования естественным образом усваивают учебный материал, а глубина полученных знаний оказывается несопоставимо выше, чем в случае "традиционного" лекционного обучения.
  •  Ученик как исследователь законов физического мира получает более полноценный и достоверный результат, когда у него есть возможность сопоставить работу компьютерной модели и физической модели (либо реального физического объекта).
  •  Свободное творчество и игра являются ключевыми формами деятельности, которые наиболее естественным образом стимулируют ребенка к освоению учебного материала, именно с них следует начинать знакомство с новой предметной областью.

 Роль игры в учебном процессе следует рассмотреть более подробно. Во все времена и в любой культуре игра была, остается и будет оставаться тем инструментом, посредством которого ребенок готовится к взрослой жизни. Задача педагога в том, чтобы не бороться с этим процессом, а использовать, мягко и грамотно его направляя. То, что можно сделать, это создать подходящее окружение, развивающую среду (виртуальную, иллюзорную или реальную), необычную, манящую и "подталкивающую" детей к активному ее освоению. А чтобы поддержать интерес, предложить правила игры (по сути модифицирующие законы изучаемого мира), которые способны детей заинтриговать. Если ребенок согласился играть по предложенным правилам, он "подписывается" на участие в деятельности, которая и будет в дальнейшем определять, какой материал окажется субъективно важным с точки зрения решения игровой задачи (достижения цели игры).

 Форм деятельности, укладывающихся в подобную схему, можно придумать бесконечно много. Любая ситуация обучения всегда подразумевает погружение в некий  игровой мир с искусственно выдуманными ограничениями и задачами, частично имитирующими (моделирующими) реальные условия.

 Следует уточнить, что игровая задача (например, победить в гонках роботов) и учебная задача (создать с этой целью совершенный управляющий алгоритм), как правило, не совпадают. Тем не менее, именно содержание и условия игры определяют, какой учебный материал окажется субъективно важным для ее участников.

 Согласно теории Л.С. Выготского о зоне ближайшего развития процесс обучения представляет собой коллективную деятельность, в которую включены ребенок и взрослый на позиции "равных", как партнеры, решающие одну и ту же задачу. Именно такие особенности свойственны общению, возникающему в ходе игры. Дети в сотрудничестве с педагогом, при его поддержке, но самостоятельно решают существующие проблемы, преодолевают сложности, и заняты при этом тем, что интересно им самим.

 Учение о зоне ближайшего развития позволяет нам осознать важность адекватного подбора учебного материала, соответствующего возрасту детей и уровню их подготовки. Л.С. Выготский пишет о сензитивных периодах развития: "В этот период влияния оказывают воздействие на весь ход развития, вызывая в нем те или другие глубокие изменения. В другие периоды те же самые условия могут быть нейтральными или даже оказывать обратное действие на ход развития"[8] стр.235. Иными словами, ребенок либо принимает наши "правила игры" с предложенным учебным материалом, либо отторгает их как скучные, чрезмерно сложные либо чрезмерно простые, не соответствующие его интересам.

 Можно описать процесс постепенного перехода от стадии игры к продуктивной проектной деятельности следующим образом. По мере развития, взросления и усвоения учебного материала, по мере приобретения компетенций ребенок переходит от простых моделей и простых игр к все более и более сложным, его "игрушки" начинают все больше походить на реальные вещи, а то, что он создает, все больше напоминать общественно востребованный продукт. Момент, когда "бывшему ребенку" удается создать что-то действительно востребованное окружающими, по сути представляет собой границу взрослости.

 Применительно к преподаванию робототехники все вышесказанное можно подытожить следующим образом.

 

  • Учебная программа для преподавания робототехники в младших и средних классах общеобразовательной школы должна в корне отличаться от используемой в старших классах специализированных учебных заведений.
  •  Исходной направленностью такой программы должна быть пропедевтика, осуществляющаяся благодаря игровой ориентации, использованию робототехнического оборудования для игр, минисоревнований, свободного и творческого времяпрепровождения. В качестве примеров можно привести  робофутбол с дистанционным управлением, рисование с использованием роботов ("черепашья графика"), сборка и использование плоттеров и 3D-принтеров, товарищеские состязания с преодолением препятствий и выполнением разнообразных заданий, гонки на время, работа творческой киностудии с использованием мобильных робоплатформ и прочее.
  •  Подготовка к подобным занятиям не должна требовать от педагогов чрезмерно высокой квалификации и выполнения большого количества подготовительной работы. Это подразумевает использование готовых аппаратных и программных решений. Тем не менее, характер задания должен провоцировать детей на освоение учебного материала, совершенствование оборудования и управляющих программ. В качестве примера можно привести соревнование по прохождению узкой трассы с запретом касания стенок, где наиболее выигрышным оказывается дистанционное управление, дополненное алгоритмами автоматического ассистирования.
  •  Робототехнические наборы, подходящие для проведения подобных занятий, должны обладать не усеченными, а напротив, расширенными возможностями, но при этом быть простыми в использовании.
  •  Наиболее перспективным направлением представляется реализация учебных программ, опирающихся на дистанционное управление мобильной робоплатформой с поэтапным добавлением автоматического ассистирования и выполнением некоторых действий по команде в полностью автоматическом режиме (от "радиоуправляемой машинки" к "умной радиоуправляемой машинке").
  •  Необходимо использовать средства визуального программирования, подходящие для занятий в младших классах (Scratch, mBlock).
  •  Для проведения игр и соревнований необходимо наличие дополнительного инвентаря и оборудования - игровых полей, набора препятствий для постановки трассы, и т.д.
  •  Следует уделить большее внимание персонификации учебных роботов (поворотная голова, конечности, возможность отображения эмоций).
  •  Следует шире использовать компьютерное моделирование как для решения робототехнических задач (например, изучение управляющих алгоритмов, позволяющих автопилоту вертолета поддерживать нужную высоту), так и в рамках создания простых компьютерных игр, воспроизводящих физические явления и поведение живых существ (например, моделирование движения баскетбольного мяча под действием силы тяжести).
  •  Учебная программа должна предполагать разнообразные варианты реализации в соответствии с уровнем подготовки детей и их интересами, а также возможность углубленной проработки какой-либо темы.
  •  В ходе реализации учебной программы должен осуществляться планомерный переход от использования конструкторов и готовых аппаратных модулей к самостоятельной сборке схем, 3D-моделированию, фрезеровке и другим современным и перспективным технологиям. Это ставит во главу угла опору на свободные программно-аппаратные решения в противовес проприетарным.

 

 

Используемая литература и ссылки.

 1.     Министерство образования и науки Российской Федерации, Приказ от 17 декабря 2010 г. № 1897 «Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта основного общего образования».

 2.     Примерная основная образовательная программа основного общего образования.

 3.     Винницкий, Юрий Анатольевич. Стандарты для Arduino-роботов как возможность занять правильную нишу в образовательной робототехнике.

 4.     Даутова, Ольга Борисовна. Проектирование учебно-познавательной деятельности школьника на уроке в условиях ФГОС. - Санкт-Петербург: КАРО, 2016.

 5.     Пейперт, Сеймур. Переворот в сознании: Дети, компьютеры и плодотворные идеи. Пер. с англ./Под ред. А.В. Беляевой, В.В. Леонаса. - Москва, Педагогика, 1989 г.

 6.     Блог Винницкого Юрия Анатольевича. (В настоящее время статьи блога перенесены в раздел Материалы на нашем сайте)

 7.     Блог Григорьева Александра Тихоновича. (В настоящее время статьи блога перенесены в раздел Материалы на нашем сайте)

 8.     Выготский, Лев Семенович. Мышление и речь. Изд. 5, испр. — Издательство 'Лабиринт', М., 1999.