Реализация проекта "Экоград" с применением робототехнического комплекта Lego Mindstorms EV3 в основной школе

Рис 16

1. Самоучитель Robot Educator. Здесь можно найти инструкции по сборке и программированию.

2. Мой портал. Отсюда можно попасть на официальный сайт Lego. Скачать дополнительные инструменты, загрузить программы и получить всю необходимую информацию.

3. Панель инструментов. Необходима для быстрого вызова часто используемых команд

4. Рабочее поле. Область экрана, предназначенная для составления программ. Нужно перетащить блоки из палитры на рабочее поле и выстроить из них программу.

5. Окно подсказок. Контекстные подсказки.

6. Карта рабочего поля. Предназначена для перемещения по рабочему полю используя полосу прокрутки, а для получения общего вида - карту рабочего поля.

7. Палитра команд. Все блоки команд при помощи которых создаются программы.

В NXT-G реализован визуальный способ проектирования программ, что очень удобно для обучения. Программа составляется из блоков. Каждый блок представляет различные типы действий. Блоки можно настраивать. Все блоки организованы и представлены в тр?х палитрах программирования (Рис.17) - "Common" (Общая), "Complete" (Полная) и "Custom" (Пользовательская). Одновременно можно работать только с одной палитрой. Блоки имеют различную окраску, которая зависит от функционального назначения блока. Блоки, функциональное назначение которых, похоже, окрашены одинаково. Например, все блоки, которые отвечают за выполнение некоторого действия (Action), окрашены зел?ным цветом, а блоки, которые отображают текущие значения датчиков - ж?лтым цветом. Цветовая окраска позволяет легко находить нужные блоки в палитре.

Рис.17

8. Панель конфигурации. Каждый блок имеет панель конфигураций, который позволяет описать команду, которую выполняет блок. Панель помогает показать что должно быть на входе и что на выходе.

9. Пульт управлении. Кнопки помогают загрузить программы или их части в микрокомпьютер NXT и изменять его настройки.

10. Окно NXT. Всплывающее окно которое отображают информацию о памяти микрокомпьютера и соединения

Все программы, которые разработчики предлагают для использования на тренировочном поле «Экоград», написаны с помощью программного обеспечения NXT G, а подробные схемы сборки роботов собраны при помощи образовательного базового набора LEGO MINDSTORMS NXT.

LEGO MINDSTORMS EV3, усовершенствованный робототехнический образовательный комплект, который значительно отличается от LEGO NXT. Их различия можно заметить во внешнем виде деталей, микрокомпьютере и самые большие изменения произошли в программном обеспечении.

LEGO MINDSTORMS EV3 - это третье поколение робототехнических конструкторов серии LEGO MINDSTORMS. Сердцем набора является программируемый интеллектуальный микрокомпьютер EV3, контролирующий работу моторов и датчиков. Моторы и датчики как внешне, так и с точки зрения функциональности претерпели изменения и стали функциональнее своих предшественников. Самые значительные изменения рассмотрим подробнее. Новый набор также поддерживает беспроводные протоколы связи Wi-Fi (предыдущий набор не имел такой функции) и Bluetooth.

Базовый образовательный набор EV3 включают в себя:

1. Микрокомпьютер EV3 (Рис.18)

– Автоматически определяет и управляет датчиками и моторами

– Имеет четыре порта для подсоединения моторов( A, B, C,D) и четыре порта для подсоединения датчиков( 1, 2,3,4). Не сложно заметить, что данный блок имеет больше кнопок навигации чем у NXT (у него их было всего 4), для большей удобности программирования вручную.

Рис.18

– Шесть удобных кнопок навигации и световой индикатор состояния микрокомпьютера. У микрокомпьютера NXT , было всего 4 кнопки навигации и отсутствовал световой индикатор.

- Работает на свободно распространяемой операционной системе Linux

– Воспроизводит звуки и изображения, имеет встроенные светодиоды с возможностью управления, как и NXT.

– Возможность программирования и регистрации данных непосредственно на микрокомпьютере EV3, аналогично NXT.

– Встроенный Bluetooth контроллер

– Поддержка Wi-Fi, является новой функцией относительно набора предшественника.

2. Большой и средний моторы.(Рис. 19)

Рис. 19

– Встроенный датчик вращения

– Точность измерения до 1 градуса

– Автоматическая идентификация

– Работает со скоростью 160-170 об/мин(большой мотор)

– Работает со скоростью 240-250 об/мин,.(средний мотор)

Данные датчики были почти полностью обновлены производителем, как внешне так и внутренне. В наборе-предшественнике среднего мотора не существовало вообще (напомню, что больших моторов было три). Моторы стали более мощнее и на порядок точнее относительно моторов предыдущего набора.

3. Ультразвуковой датчик (Рис.20)

Рис. 20

– Измеряет расстояния.

– Определяет наличие объектов.

– Автоматическая идентификация.

Данный датчик не изменил своего прямого назначения относительно своего предшественника, кроме внешнего вида. Автоматическая идентификация означает, что микрокомпьютер, при подключении данного датчика автоматически определяет что это за датчик. Аналогично работает программное обеспечение.

4. Датчик цвета (Рис.21)

Рис. 21

– Определяет цвета

– Измеряет степень освещенность, рассеянный свет и отраженный свет

– Автоматическая идентификация.

Данный датчик не изменил своего прямого назначения относительно своего предшественника, кроме внешнего вида. Автоматическая идентификация означает, что микрокомпьютер, при подключении данного датчика автоматически определяет что это за датчик. Аналогично работает программное обеспечение.



5. Гироскопический датчик (Рис.22).

Рис. 22

-Измеряет углы наклона

– Измеряет скорость вращения в градусах в секунду

– Автоматическая идентификация. Новый датчик, которого не было в наборе предшественнике. Он значительно расширяет возможности роботов, дает ему возможность производить более точные измерения.

6. Датчика касания 2шт (Рис 23)

Рис. 23

– Три режима действия.

– Датчик фиксирует нажатие, отсутствие нажатия, считает количество нажатий.

- Автоматическая идентификация.

Датчик остался внешне прежним и ничем не отличается от датчика касания в наборе NXT. Появились новые возможности подсчета количества нажатий.

Программное обеспечение, которое является хорошим помощником для работы с образовательными комплектами, оптимизировано для работы на уроках и учитывает все последние тенденции в создании интуитивно понятных интерфейсов пользователя.

– Легко учиться и использовать в экспериментальной деятельности

– Интуитивное программирование с помощью графических программных блоков

– От самых простых до сложнейших программ

– Полное руководство для педагога

ПО LEGO MINDSTORMS EV3 возможность создавать программы, перетаскивая программные блоки (с палитр программирования, расположенных в нижней части экрана) в область программирования. Когда программные блоки находятся близко друг к другу, они автоматически склеиваются (Рис.24). При запуске программы программные блоки будут запускаться в том порядке, в котором они отображаются на экране, слева направо.

Рис.24

В среде NXT-G каждая команда роботу представлена в виде графического блока. Пример команды для мотора - включить мотор на 3 секунды или включить мотор на 4 оборота. Это значительно увеличивает объем работы в процессе программирования. В версии программного обеспечения для EV3 каждый блок имеет множество параметров, которые обучающийся может задать используя вкладки, а не достраивать их отдельно, для задания параметра.

Минусами старого набора LEGO MINDSTORM NXT являются:

– Основными функциями ПО является только создание программ, их отладка и передача в микрокомпьютер NXT;

– Из-за небольшого количества портов для датчиков, затруднение вызывает какая-либо доработка моделей. Подводя итоги можно сделать вывод, что реализация проекта «Экоград» при помощи LEGO MINDSTORMS EV3 имеет свои плюсы и является эффективнее относительно своего предшественника:

– Комплект LEGO MINDSTORMS EV3 способен дать больше возможностей роботам на тренировочном поле экологического города с помощью новых датчиков, WI-FI соединения и инфракрасного пульта, способного привести робота в движения дистанционно.

– ПО LEGO MINDSTORMS EV3 дает возможность для работы с проектами, пошаговым их созданием и представлением при помощи удобного интерфейса.

– В EV3 блоки программирования логически разделены и имеют больше параметров, которые можно изменять.

Но при этом, имеющиеся для проекта «Экоград» материалы (рекомендации по сборке роботов и программы) возможно применить для нового комплекта, поставляемого в настоящее время в образовательные учреждения, являющегося усовершенствованной линейкой образовательных комплектов и обладающего рядом преимуществ - лишь частично.



ГЛАВА II. МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА «ЭКОГРАД» С ПРИМЕНЕНИЕМ LEGO MINDSTORMS EV3

2.1 Разработка электронной поддержки образовательного процесса по робототехнике для обучающихся 7 - 9 классов

Программное обеспечение LEGO MINDSTORMS EV3 обеспечивает доступ к учебным материалам, программированию, регистрации данных. Оно предлагает руководство по сборке роботов и программы к ним, конструкторские идеи и немного занимательных статей о роботах и их возможностях, областях их наибольшего применения. Помимо работы с готовыми инструкциями и возможностью программирования на графическом языке программирования, ПО дает возможность пользователю создавать свой контент, для размещения персональных проектов. Обучающие имеют возможность создавать страницы с описаниями, фотографиями, видео и даже инструкциями по сборке. Каждая страница может иметь разное расположение и автоматически выполнять ряд действий, например, открывать определенные программы или обращать внимание на определенный программный блок.

Наличие таких ресурсов, содержащих, например: видео с демонстрацией выполнения задания роботом, пошаговую инструкцию к сборке такого робота, базовую программу, позволит существенно повысить мотивацию учащихся на занятиях, организовать творческую деятельность.

Разработка электронных образовательных ресурсов - образовательных ресурсов, представленных в электронно-цифровой форме и включающих в себя структуру, предметное содержание и метаданные о них [8], невозможна без выработки и соблюдения комплекса требований к качеству ЭОР. Более того, соблюдение таких требований является основополагающим элементом общей технологии создания ЭОР.

О требованиях к ЭОР говорится в работах таких ученых, как Григорьев С.Г., Гриншкун В.В., Босова Л.Л. и др. Так, в работе Босовой Л.Л. выделены следующие требования [4]: с содержательно - методической точки зрения ЭОР должны:

1. Соответствовать основным дидактическим принципам (научность, доступность, наглядность и т.д).

2. Соответствовать возрастным особенностям обучаемых (соответствие тем и учебных заданий возрасту обучаемых; соответствие темпа подачи учебного материала индивидуальным особенностям обучаемых за счет наличия и возможности регулировки или пошагового предоставления учебного материала; приемлемость требований к уровню технической подготовки обучаемых).

3. Обеспечивать возможность индивидуализации образования (наличие в содержании компонентов, обеспечивающих реализацию уровневой дифференциации - несколько уровней сложности, соответствующих уровням усвоения учебного материала; наличие возможности изменения последовательности подачи материала на разных этапах).

4. Обладать направленностью на достижение новых образовательных результатов (формирование общеучебных умений и компетенций; развитие умений работы с информацией - поиск, оценка, отбор и организация информации; выборка навыков проектной деятельности и экспертной оценки результатов накопленного материала; формирование навыков исследовательской деятельности, включающих проведение реальных экспериментов; развитие навыков самостоятельного изучения материала и оценки результатов совей деятельности; умение принимать решение в нестандартной ситуации; формирование навыков работы в группах).

5. Иметь методическую поддержку.

C дизайн - эргономической точки зрения ЭОР должны:

1. Основываться на технологических решениях, адекватных решаемым педагогическим задачам.

2. Полностью использовать возможности компьютера в обработке и представлении информации там, где это необходимо с точки зрения взаимодействия с пользователем (качество воспроизведения).

3. Удовлетворять требованиям качества экранного дизайна (четкость представления текста и графики; соответствие цветовых, текстовых, звуковых решений, информационной насыщенности экранов эргономическим требованиям, учитывающим возрастные психолого- педагогические особенности учащихся).

4. Обладать удобным интерфейсом, что предполагает ясность диалога( возможность легко понять основы функционирования ресурса).

5. Гибкость диалога (возможность пользователя приспособить диалог под свои потребности).

6. Легкость обучения и использования (возможность освоения интерфейса в процессе работы за счет помощи обработки всевозможных ошибок пользователя).

7. Надежность (защита данных, устойчивость к ошибкам обучаемого, наличие защиты от некорректных действия).

8. Обеспечивать высокую степень адаптации к учебному процессу.

С нашей точки зрения ЭОР, разработанные на базе LEGO MINDSTORMS EV3 по аналогии с предлагаемыми разработчиками ресурсами, позволят реализовать как содержательно-методические, так и дизайн-эргономические требования. В частности, такие ресурсы будут обладать удобным и знакомым обучающимся интерфейсом, реализовывать легкость обучения и использования за счет удобного интерфейса, надежностью и др.

По аналогии со структурой разработанных ресурсов, содержащих видео движется роботов, последовательные инструкции по сборке роботов, и готовые программы, которые остается только загрузить в программируемый микрокомпьютер EV3, ЭОР в поддержку проекта «Экоград» будут содержать эти же блоки.

Разработка ЭОР начинается лишь после того, как подготовленный заранее робот был протестирован педагогом.

Описание разработки электронной поддержки образовательного процесса по робототехнике для обучающихся 7-9 классов, на примере миссии «Активация Экогорода» проекта «Экоград»

1. Подготовка отдельных блоков ЭОР «Экогород»

В данной миссии разработчики ставят единственную задачу: роботу необходимо поместить не менее четырех собранных на поле «Энергетических элементов» и поместить их в обойму красного цвета, после чего сдвинуть обойму, толкнув ее вперед, что приведет в действия механизм активации Экогорода.

За основу в проектах была взята база, которую предлагает разработчик LEGO MINDSTORMS EV3. Она достаточно удобная в сборке и не требует большого количества времени для программирования, что очень удобно использовать в условиях введения в робототехнику.

Создание последовательной инструкции по сборке.

Для создания последовательной инструкции по сборке робота было использовано программное обеспечение LEGO Digital Designer - это бесплатный виртуальный конструктор моделей, благодаря которому можно собирать реалистичные трехмерные модели роботов. Данное программное обеспечение позволило создать качественные изображения пошаговой сборки роботов.

Например, для данной миссии были созданы следующие изображения, которые дополняют базовую конструкцию:

Создание видео. На данном этапе происходит создание видео, на котором робот выполняет запуск «Экогорода», а также его редактирование, при необходимости.

Создание изображения готовой программы, собранной при помощи блоков программирования в отдельной вкладке «Project».

2. Добавление содержания

Программное обеспечение LEGO MINDSTORMS EV3 дает возможность дополнить уже существующий материал своими конструкторскими идеями.

Открыв ПО LEGO MINDSTORMS EV3, перед пользователем открывается окно, слева у которого меню, а правая и центральная часть демонстрируют пользователю содержание меню.

Рис.25

Для создания ресурса необходимо воспользоваться вкладкой Файл/ Новый проект. (Рис.25)Открыв вкладку «Программа», появляется чистый холст, который заполняется необходимыми для проекта данными.

Для начала редактирования контента необходимо выбрать инструмент открытия редактора контента , а затем выбрать режим редактирования

.

В правой части экрана появляется шаблон, в который пользователь сможет добавить изображения поэтапной сборки, видео и текст. (Рис.26)

Рис.26

Режим редактирования позволяет просмотреть или редактировать ваше действие (Рис.27)

Рис.27

1. Заголовок страницы

2. Предыдущая страница

3. Номер текущей страницы

4. Номер текущей страницы

5. Следующая страница

6. Область страницы

7. Имя страницы: Используется для связи между слайдами

8. Кнопка «Показать предыдущую страницу» (видима только при использовании нескольких страниц)

9. Кнопка «Показать следующую страницу» (видима только при использовании нескольких страниц)

10. Действие на странице

11. Действие на странице

12. Эскизы страниц

13. Добавить страницу

14. Удалить страницу

15. Перемещение страницы вверх

16. Перемещение страницы вниз

Согласно уже заданным разработчиками правилам, каждый проект начинается с видео работы уже запрограммированного робота.

Для добавления видео, необходимо выбирать инструмент и добавить уже отснятый и отредактированный материал, на котором робот выполняет запуск «Экогорода» (у пользователя есть возможность загружать видео формата AVI, MP4, MPEG, MOV, VOB, MTV, MP3 и др.) (Рис.28)

Рис.28

В верхней части существует поле, которое заполняется названием проекта, в нашем случае «Экогород».

На следующем этапе создается новая страница ресурса.

В нижней левой части контента находится инструмент «+», предлагающий выбрать множество различных шаблонов новой страницы, в зависимости от необходимого функционала и содержания. Так как эта страница будет наполнена инструкцией по сборке, то выбирается пустой шаблон, который будет располагаться первым в списке шаблонов. (Рис.29).

Рис.29

После выбора пустого шаблона предлагается выбрать вариант наполнения страницы(видео, изображение и т.д). Выбираем опцию «Инструкция по сборке» и загружаем туда необходимые изображения. Последовательность их не важна в самом начале, потому что в дальнейшем будет возможность после добавления всего необходимого материала изменить ее при помощи стрелок навигации, которые располагаются в нижней части рабочей зоны экрана.(Рис.30)

Рис.30

Далее согласно уже существующим правилам добавляется изображение готовой программы, собранной при помощи блоков программирования в отдельной вкладке «Project». После запуска ресурса учащимися им будет необходимо самостоятельно собрать программу с помощью блоков программирования, расположенных в нижней части окна. Рабочую программу можно добавить в проект как при помощи скриншота программы, так и при помощи прикрепления уже сохраненной программы с определенным названием. (Рис.31)

Рис.31

Завершающий этап проекта - изображение робота в собранном виде, как результата проделанной работы (форматы изображения могут быть различными : BMP, JPEG, EPS, PNG и др.). По уже изложенной выше схеме, мы добавляем изображение в проект (Рис.32).

Рис.32

Сохраняем работу при помощи в верхней части контента и даем название «Экогород». Ресурс готов.

Разработанные электронные ресурсы:

1. Реализуется наглядность за счет наличия видео, непосредственно демонстрирующего, что требуется в задании на первом этапе при выполнении миссии, пошаговых инструкций к сборке робота, изображения программы, которую ребятам необходимо собрать; материал в ресурсе представлен последовательно, позволяет организовать самостоятельную работу на уроке, ученик становится сознательным и активным участником образовательного процесса; выполнение заданий с помощью ресурса, возможность использовать готовую программу на первом этапе, а в дальнейшем ее корректировка - демонстрирует связь теории с практикой и др.

2. Соответствует индивидуальным особенностям обучаемых за счет наличия и возможности регулировки или пошагового предоставления учебного материала;

3. Обеспечивает возможность индивидуализации образования (наличие в содержании компонентов, обеспечивающих реализацию уровневой дифференциации - несколько уровней сложности в данном случае наличие миссий, отличающихся по уровню сложности)

4. Обладает направленностью на достижение новых образовательных результатов (получение навыков проектной деятельности и экспертной оценки результатов накопленного материала (обучающиеся самостоятельно конструируют и оформляют проект на основе базовых знаний); формирует навыки исследовательской деятельности, включающее проведение реальных экспериментов (у обучающихся есть возможность собрать робота, запрограммировать его и представить в виде отчетного проекта с помощью ПО); развивает навыки самостоятельного изучения материала и оценки результатов совей деятельности (ПО визуально очень простое и доступное для понимания каждому учащемуся); формирование навыков работы в группах (создавать проекты обучающиеся могут в группах) [4]

С дизайн - эргономической точки зрения данное ЭОР удовлетворяет следующим требованиям:

1. Полностью использует возможности компьютера в обработке и представлении информации там, где это необходимо с точки зрения взаимодействия с пользователем (качество воспроизведения видеофайлов, добавляемых в проект)

2. Удовлетворяет требованиям качества экранного дизайна (четкость представления текста и графики; соответствие цветовых, текстовых, звуковых решений, информационной насыщенности экранов эргономическим требованиям, учитывающее возрастные психолого- педагогические особенности учащихся 7-9 классов)

3. Обладает удобным интерфейсом, что предполагает ясность диалога (у обучающихся есть возможность легко понять основы функционирования ресурса)

4. Имеет гибкий диалог (обучающийся имеет возможность приспособить контент под свои потребности (а именно проекты))

5. Легкость обучения и использования (быстрое освоения интерфейса в процессе работы)

6. Обеспечение высокой степени адаптации к учебному процессу.

2.2 Организация образовательного процесса по реализации проекта «Экоград»

За основу организации образовательного процесса по реализации проекта «Экоград» взята программа предлагаемые разработчиками и представленные с использованием набора комплекта LEGO MINDSTORMS NXT и программного обеспечения NXT-G:

Программа «Экоград» рассчитанная на 45 часов занятий и включает в себя:

1. Знакомство с содержанием набора, рассмотрение его функциональных характеристик, объектов:

· Сбор объектов экологического города согласно инструкциям и расстановка их на тренировочном поле;

· Знакомство с набором LEGO MINDSTORMS NXT: набор деталей, характеристики и основные функции датчиков и моторов( разработчики предлагают изучение датчиков и моторов путем выполнения микромиссий, в которых учащийся имеет возможность изучить их функционал и понять принцип действия:

o Движение вперед (использование основных моторов)

o Обнаружение касания (использование датчика касания, как средства взаимодействия с окружающей средой касаясь ее)

o Определение расстояния (взаимодействие робота с окружающей средой , обнаружение объектов не касаясь их)

o Обнаружение черты, реакция на цвет, движение по линии (использование датчика освещенности для обнаружения объекта(черты), путем распознавания ее яркости и цвета.) и др.

Для каждой из этих микромиссий в соответствующем программном обеспечении к проекту предлагается инструкция по сборке базы, подключению датчиков и готовые программы, которые необходимо запустить на микрокомпьютере. В конце выполнения каждого из заданий проводится рефлексия и определяются результаты освоения темы. Разработчики предоставляют бланки, в которых учащиеся фиксируют результаты тестирования программы, результат выполнения дополнительных заданий, которые заключаются в корректировки программ и калибровке датчиков.

2. Сбор роботов согласно предложенным инструкциям и программирование путем передачи готовой программы в микрокомпьютер NXT.

Для каждой миссии необходимо собрать новую модель робота, которая совершенствуется в соответствии с уровнем сложности. Подробное описание уровней сложности и содержания миссий были описаны в первой главе.

3. Завершающая стадия проекта акцентируется на творческом поиске новых возможностей построенного робота, доработке его конструкций и программ для достижения более сложных целей.

Реализовывая проект «Экоград» с помощью робототехнического комплекта LEGO MINDSTORMS EV3 и разработанных электронных ресурсов можно внести корректировки и сформулировать следующие задачи для миссий уровня 2 и 3:

1. Запуск ветровой турбины.

Уровень 2: Запуск ветровой турбины, но «энергетический элемент» должен быть подобран и доставлен на базу самим роботом (уровень считается засчитанным, если робот донес элемент до базы не уронив его, используя захватывающий элемент)

Уровень 3: Необходимо запустить ветровую турбину, обязательно используя в конструкции робота гироскопический датчик, для того чтобы робот подъехал к объекту строго под определенным углом и запуск ветровой турбины осуществился быстро и точно.

2. Размещение солнечной батареи

Уровень 2: задача остается прежней - установка солнечной панели, но «энергетический элемент» должен быть подобран и доставлен на базу самим роботом. Задача усложняется тем, что необходимо продумать робота и дополнить программу и механизм робота таким образом, чтобы он мог осуществить захват и доставку элемента на базу. (Уровень считается засчитанным, если роботов донес элемент до базы не уронив его, используя захватывающий элемент)

Уровень 3: задача остается прежней - установка солнечной панели, но «энергетический элемент» должен быть подобран и доставлен на базу самим роботом. Задача усложняется тем, что необходимо продумать робота и дополнить программу и механизм робота таким образом, чтобы он мог осуществить захват и доставку элемента на базу. В обязательном порядке использовать ультразвуковой датчик, средний мотор и управлять роботом дистанционно.

3. Сортировка мусора

Уровень 2: задача остается прежняя - сбор и сортировки городского мусора, путем установки желтой мусорной корзины на желтый контейнер для отходов, а черную мусорную корзину на черный контейнер для отходов. Высвобождаемый «энергетический элемент» должен быть доставлен на базу самим роботом, при этом учащиеся должны продумать конструкцию робота с захватывающим механизмом. Усложнением здесь еще будет то, что мусорные корзины устанавливаются в отведенные для них места в произвольном порядке. (Уровень считается засчитанным, если роботов донес элемент до базы не уронив его, используя захватывающий элемент)

Уровень 3: задача остается прежняя - сбор и сортировка городского мусора, путем установки желтой мусорной корзины на желтый контейнер для отходов, а черную мусорную корзину на черный контейнер для отходов. Высвобождаемый «энергетический элемент» должен быть доставлен на базу самим роботом, но не должен оставаться там. На данном уровне обе мусорные корзины и оба контейнера для отходов устанавливаются в произвольном порядке. Для выполнения данного уровня необходимо использовать ультразвуковой датчик.

4. Закрытие дамбы

Уровень 2: задача остается прежняя - нахождение и установка блока для дамбы в проем дамбы. Высвобождаемый «энергетический элемент» должен быть доставлен на базу самим роботом. При этом необходимо доработать захватывающий механизм для робота. ( Уровень считается засчитанным, если роботов донес элемент до базы не уронив его, используя захватывающий элемент)

Уровень 3: задача остается прежняя - нахождение и установка блока дамбы в проем дамбы. Высвобождаемый «энергетический элемент» должен быть доставлен на базу самим роботом. На данном уровне блок дамбы устанавливается в произвольное положение, но в пределах отведенного для него места, а проем в дамбе устанавливается в произвольное положение. Необходимо использовать ультразвуковой датчик и датчик касания для выполнения уровня.

5. Закрытие дымовой трубы

Уровень 2: задача остается прежняя - подъем новой белой дымовой трубы и сбивание старой черной дымовой трубы. Высвобождаемый

«энергетический элемент» должен быть доставлен на базу самим роботом. При этом необходимо доработать захватывающий механизм для робота. ( Уровень считается засчитанным, если роботов донес элемент до базы не уронив его, используя захватывающий элемент)

Уровень 3: Необходимо сбить обе дымовые трубы, используя датчик цвета. Высвобождаемый «энергетический элемент» должен быть доставлен на базу самим роботом.

6. Активизация Экогорода.

Данную миссию разработчики не ранжирую по уровням сложности, а ставят единственную задачу: роботу необходимо поместить не менее четырех собранных на поле «Энергетических элементов» и поместить их в обойму красного цвета, после чего сдвинуть обойму, толкнув ее вперед, что приведет в действия механизм активации Экогорода.

Сформулируем несколько уровней сложности для данной миссии:

1 Уровень: роботу необходимо поместить не менее четырех собранных на поле «Энергетических элементов» и поместить их в обойму красного цвета, после чего сдвинуть обойму, толкнув ее вперед, что приведет в действия механизм активации Экогорода. «Энергетический элемент» может сбрасываться роботом или помещаться в обойму при помощи рук.

2 Уровень: «Энергетический элемент» помещается в обойму специально собранным механизмом, без посторонней помощи. Закрытие обоймы так же производит самим роботом.( Уровень считается выполненным, если элементы не были утеряны по пути и помещены в обойму в промахов)

3 Уровень: «Энергетический элемент» помещается в обойму специально собранным механизмом, без посторонней помощи. Закрытие обоймы так же производит самим роботом. Необходимо обязательно задействовать гироскопический датчик и двигаться только по специальной дороге от старта до объекта. Возможно дистанционное управление роботом.

Для реализации проекта и организации образовательного процесса потребуются следующие ресурсы:

· Образовательные комплекты LEGO MINDSTORMS EV3 с программным обеспечением

· Набор «Экоград»

· Разработанные в рамках данного исследования для набора LEGO MINDSTORMS EV3 электронные ресурсы

Организацию образовательного процесса при помощи LEGO MINDSTORMS EV3, основанную на программе курса от разработчика, мы видим следующим образом:

Раздел 1. Знакомство с программой «Экоград» (5ч.)

Что такое Экоград? Существует ли он на самом деле? Инновации в области экономии энергии, экологического жилья в мировой практике. Роль робототехники в жизни современного человека.

Практические работы: конструирование моделей Экограда. Выполнение заданий по сборке «энергетических элементов»: миссии «Закрыть дамбу»,

«Запуск ветровой турбины», «Сортировка отходов», «Установка новой дымовой трубы», «Установка солнечной панели», «Активация Экограда».

Количество часов может быть уменьшено до 2х часов, в случае собранных моделей Экограда.

Раздел 2. Погружение в основной набор LEGO MINDSTORMS EV3 (10ч.)

Изучение деталей конструктора LEGO MINDSTORMS EV3, его возможности относительно проекта «Экоград». Основы работы с программным обеспечением блока EV3. Интерфейс программного обеспечения LEGO MINDSTORMS EV3: основная и полная палитры. Знакомство с конструкторскими идеями, предложенными разработчиком ПО. Основные функции программного обеспечения. Эксперименты с регистрацией данных. Составление и доработка простейших программ.

Практические работы: конструирование простого робота при помощи подробной инструкции, приложенной к набору и выполнение микромиссий: движение вперед, движении по линии, движение до преграды и др. - с целью изучения работы датчиков комплекта. Изучение основ программирования в среде LabVIEW для LEGO MINDSTORMS EV3.

Раздел 3. Выполнение миссий проекта «Экоград» с использованием LEGO Mindstorms EV3 (20ч.)

Выполнение заданий в рамках выбранных миссий согласно объекту на карте «Экоград. Следование готовым инструкциям для 1 уровня сложности. Решение задач 2 и 3 уровня сложности.

Тема 4. Подготовка проектов с использованием ПО LEGO Mindstorms EV3 (10ч.)

Создание проекта с использованием программного обеспечения LEGO Mindstorms EV3, с использование созданных в рамках дипломной работы электронных ресурсов. Защита проекта.

Технологическая карта занятия

«Выполнение миссий проекта «Экоград» с использованием LEGO Mindstorms EV3. Уровень 1»

Класс 7

Планируемые образовательные результаты:

Личностные: готовность и способность обучающихся вести диалог с другими людьми и достигать в нем взаимопонимания.

Метапредметные: обучающиеся смогут представлять информацию в сжатой словесной форме; обучающиеся приобретут опыт проектной деятельности как особой формы учебной работы, способствующей воспитанию самостоятельности, инициативности, ответственности, повышению мотивации и эффективности учебной деятельности; в ходе реализации исходного замысла на практическом уровне овладеют умением выбирать адекватные стоящей задаче средства, принимать решения;

Предметные: обучающиеся смогут познакомиться с тем, как информация (данные) представляется в робототехнических системах; научатся использовать термины «исполнитель», «программа»; познакомятся с примерами того, как компьютер управляет роботами; познакомятся с учебной средой составления программ управления автономными роботами и смогут разобрать примеры алгоритмов управления, разработанными в этой среде; узнать о данных от датчиков роботизированных устройств; научатся корректировать несложные алгоритмы на графическом языке программирования LabVIEW

Решаемые учебные проблемы: проектирование и конструирование робота, выполняющего определенную миссию.

Методическое назначение средств ИКТ: обучающие электронные ресурсы.

Аппаратное и программное обеспечение: интерактивная доска, компьютеры, образовательные комплекты роботов LEGO MINDSTORMS EV3, схема тренировочного поля «Экоград» с соответствующими объектами на поле, ПО LEGO MINDSTORMS EV3, ЭОР поддерживающие реализацию миссий проекта «Экоград» первого уровня сложности.

ОРГАНИЗАЦИОННАЯ СТРУКТУРА УРОКА

ЭТАП 1. Вхождение в тему урока и создание условий для осознанного восприятия нового материала

Формирование конкретного образовательного результата/группы результатов: Готовность и способность обучающихся вести диалог с другими людьми и достигать в нем взаимопонимания.

Длительность этапа: 5 мин.

Основной вид учебной деятельности, направленный на формирование данного образовательного результата: Участие в обсуждение, слушание объяснение учителя.

Методы обучения: метод проблемного изложения

Форма организации деятельности учащихся: Фронтальная.

Основные виды деятельности учителя: Организация обсуждения этапов проектирования, конструирования робота и программирования для каждого из объектов «Экограда» (в рамках первого уровня сложности):

1. Конструирование робота, согласно предлагаемой инструкции с использованием электронного ресурса.

2. Программирование модели робота. Сбор программы по предложенному образцу с использование графического языка программирования LabVIEW и передача готовой программы в микрокомпьютер EV3.

3. Запуск робота на тренировочном поле с целью выполнения задач 1 уровня сложности. Тестирование. Изменение кода программы при необходимости.

4. Защита проекта.

ЭТАП 2. Организация и самоорганизация учащихся в ходе дальнейшего усвоения материала. Организация обратной связи.

Формирование конкретного образовательного результата/группы результатов: Готовность и способность обучающихся вести диалог с другими людьми и достигать в нем взаимопонимания.; учащиеся познакомятся с примерами того, как компьютер управляет роботами; в ходе реализации исходного замысла на практическом уровне овладеют умением выбирать адекватные стоящей задаче средства, принимать решения (во время тестирования робота); обучающиеся смогут представлять информацию в сжатой словесной форме (во время ответов на вопросы); научатся использовать термины «исполнитель», «программа»; познакомятся с учебной средой составления программ управления автономными роботами и смогут разобрать примеры алгоритмов управления, разработанными в этой среде; обучающиеся смогут познакомиться с тем, как информация (данные) представляется в робототехнических системах; узнать о данных от датчиков роботизированных устройств; научатся корректировать несложные алгоритмы на графическом языке программирования LabVIEW.

Длительность этапа:25 мин

Основной вид учебной деятельности, направленный на формирование данного образовательного результата: Учащиеся работают в группах согласно выбранным объектам. Заканчивают сборку модели в рамках одного объекта на карте «Экоград».Подготовка модели к программированию (подключение робота к ПК с помощью кабеля USB).Учащиеся разбирают уже готовые программы с точки зрения их функций, изменяют некоторые параметры программ; Учащиеся программируют роботов путем передачи готовой программы из ПК в микрокомпьютер EV3 с помощью кабеля USB. Оценка своей работы (самооценка). Учащиеся запускают роботов на тренировочном поле «Экоград». Отладка программы. Доработка при наличие каких - либо замечаний в программе.

Методы обучения: Практический, словесный

Средства ИКТ для реализации данного вида учебной деятельности:

Разработанный ЭОР (1 уровень сложности), ПО LEGO MINDSTORMS EV3.

Форма организации деятельности учащихся: групповая

Основные виды деятельности учителя: Учитель консультирует, наблюдает за работой учащихся. Контролирование правильности конструирования роботов.

ЭТАП 3. Проверка полученных результатов.

Формирование конкретного образовательного результата/группы результатов: Готовность и способность обучающихся вести диалог с другими людьми и достигать в нем взаимопонимания; в ходе реализации исходного замысла на практическом уровне овладеют умением выбирать адекватные стоящей задаче средства, принимать решения; обучающиеся смогут представлять информацию в сжатой словесной форме; научатся использовать термины «исполнитель», «программа».

Длительность этапа: 10мин.

Виды учебной деятельности для проверки полученных образовательных результатов: Защита проектов.

Методы контроля: Практическая работа

Форма организации деятельности учащихся: Групповая

Основные виды деятельности учителя: Учитель координирует работу

ЭТАП 4. Подведение итогов, домашнее задание

Рефлексия по достигнутым либо недостигнутым образовательным результатам: Подведение итогов занятия.

Методические рекомендации к проведению занятия с использование разработанных ресурсов.

Предполагается, что учащиеся разбились на группы (6 групп) согласно выбранным объектам на карте «Экоград» на первых занятиях перед сборкой объектов проекта. В рамках данного занятия им необходимо закончить выполнение заданий миссий 1 уровня сложности и представить перед группой свой проект.

В начале занятия учителю необходимо обсудить с учащимися основные задачи, поставленные на занятии. Обсуждаются основные этапы создания проекта: планирование, проектирование, конструирование и тестирование, защита.

После проведенной беседы учащиеся получают бланки с вопросами, которые они должны заполнить в течение занятия и рассаживаются за компьютеры.

Бланки содержат следующие вопросы:

1. После просмотра видео изложите в письменном виде - как будет выглядеть Ваш робот? Какие действия он будет совершать? Какие датчики вы бы использовали для его создания? С какой целью?

2. Опишите блоки программирования, которые вы использовали при сборке программы. Опишите их функции. Какие параметры соответствующих блоков можно изменить?

3. После тестирования робота на карте «Экоград» все ли выполняется верно? Если - «нет», то какие изменения вам необходимо внести в программу? С какой целью?

4. Для защиты своего проекта подготовьте ответы на следующие вопросы:

- какими датчиками Вы бы дополнили Вашего робота?

- что на Ваш взгляд следует изменить/добавить в конструкции робота?

Учащиеся запускают ресурс, который соответствует выбранной миссии. В ходе работы с электронным ресурсом учащиеся просматривают видео, на котором робот выполняет свою функцию на карте Экологического города. После просмотра видео им необходимо заполнить ответы на первый вопрос в бланке.

Следующим этапом работы является конструирование робота на основе предлагаемой в ресурсе наглядной пошаговой инструкции конструирования роботов. Основной функцией учителя является контролирование работы и оказание помощи при затруднениях: как вернуться назад, если пропущен один из пунктов сборки или допущена ошибка во время сборки, помощь с подбором деталей и др.

На следующем этапе обучающиеся программируют действия робота и загружают программу в микрокомпьютер LEGO MINDSTORMS EV3 использую кабель USB. Опираясь на образец готовой программы в предложенном ресурсе, с помощью блоков программирования собирается программа. На этом этапе учащимся необходимо подробно ответить на второй вопрос в бланке. Если учащийся затрудняется с ответами - роль учителя - помочь разобраться с функциями тех или иных используемых блоков.

На этапе тестирования робота на карте «Экоград» каждая группа запускает своего робота. Обсуждаются неточности в действиях робота, их причины и пути их устранения. При необходимости вносятся правки в код программы. После обсуждения учащиеся отвечают на третий вопрос в бланке.

Следующим этапом является подготовка к защите проекта и сама защита. Для подготовки к защите ребятам необходимо ответить на вопросы в бланке, приведенные в четвертом задании.

В конце занятия проводится подведение итогов. Обсуждаются результаты работы.

2.3 Результат апробации разработанной методики обучения робототехнике в 7 - 9 классе с использовании комплекта LEGO MINDSTORMS EV3

Опытная проверка эффективности разработанной методики обучения робототехнике в 7 - 9 классе с использованием комплекта LEGO MINDSTORMS EV3 в рамках проекта «Экоград» проводилась в основной школе весной и осенью 2015 года в ГБОУ СОШ №1231 им. В.Д. Паленова с учащимися 7 классов.

Весной 2015 года в рамках педагогической практики, было реализовано знакомство обучающихся с робототехническими комплектами. Проведено занятие на тему «Роль робототехники в современном обществе», на котором рассматривались различные модели роботов, какими они бывают и где их используют. Так же реализовано знакомство с комплектом LEGO MINDSTORMS EV3: рассмотрение основных деталей моторов и запуск. В конце занятия была проведена беседа с обучающимися, в результате которой выявлен интерес учащихся к робототехнике, желание познакомиться с комплектами более подробно, поучаствовать самостоятельно в конструировании и программировании роботов.

В рамках опытной проверки осенью 2015 года было проведено 4 занятия по робототехнике с учащимися 7 классах. Основной задачей была апробация некоторых положений разрабатываемой методики обучения робототехнике в 7 - 9 классах на базе проекта «Экоград» с использованием комплекта LEGO MINDSTORMS EV3.

Занятия были посвящены следующим темам:

· Погружение в основной набор LEGO MINDSTORMS EV3.

· Выполнение первого уровня некоторых миссий проекта «Экоград» с использованием LEGO Mindstorms EV3 и разработанных ресурсов.

Первым этапом эксперимента явился анализ учебной атмосферы, в которой осуществлялась опытная проверка с целью выяснения мнения и пожелания учащихся, а также их интереса к робототехнике. На основе проведенного в начале занятия опроса был сделан вывод, что робототехника очень интересует учащихся. Было выяснено какие роботы бывают, где их чаще всего используют и почему.

Так же было отмечено, что некоторые обучающиеся имеют собственные робототехнические комплекты дома и уже неоднократно участвовали в школьных конкурсах и выставках.

На втором этапе эксперимента учащимся было предложено изучить робототехнические комплекты LEGO MINDSTORMS EV3 и набор

«Экоград». Учащиеся разбились на 6 групп. Далее они ознакомились с образовательным комплектом LEGO MINDSTORMS EV3 и при помощи готовых инструкций по сборке собрали роботов для выполнения миссий на каждом объекте карты.

На занятии решались следующие задачи:

- сборка предложенной модели робота для определенного объекта на карте «Экоград» с созданного использованием электронного ресурса(1 уровень сложности);

- изучение ПО и готовой программы для робота (идея программы);

- апробация робота на карте «Экоград»;

На третьем этапе проводилась проверка эффективности предложенной методики. В результате проведения занятий у каждой из 6 групп был положительный результат. Учащиеся успели собрать робота и запустить его на карте «Экоград».

По окончании занятий, был проведен опрос, который состоял из 8 вопросов (Приложение 1).

Анализ результатов опроса каждой группы и работы на занятиях показал, что материал предлагаемый на уроке хорошо усвоен учащимися. Учащиеся с интересом работали с ресурсами, предложенные им на занятии, охотно выполняли предложенные задания, самостоятельно находили наилучшие пути решения задач. В результате опытной проверки материалов разработанного курса удалось убедиться в его эффективности. Важным результатом опытной проверки стал возросший интерес учеников к робототехнике.

Учащиеся признались, что эта тема им очень интересна и они хотели бы продолжить изучать ее дальше.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в ходе выполнения данного исследования были решены следующие задачи:

1. Определены роль и место робототехники в основном общем образовании.

2. Выявлен основной дидактический потенциал проекта «Экоград», позволяющий создать среду повышенной мотивации, способствующую совершенствованию проектной деятельности, навыков программирования, а также развитию навыков преодоления общетехнических проблем.

3. На основе анализа робототехнических комплектов выделен комплект LEGO MINDSTORMS EV3, являющийся усовершенствованной линейкой образовательных комплектов и обладающий рядом преимуществ, для реализации проекта «Экоград».

4. Разработана электронная поддержка 1 уровня сложности для выполнения миссий в проекте «Экоград» для учащихся 7 - 9 классов, Уточнены задания 2 и 3 уровня сложности, представлены методические рекомендации по проведению занятий.

5. Экспериментально подтверждена эффективность разработанной методики обучения роботехнике в 7 - 9 классах с использованием комплекта LEGO MINDSTORMS EV3 в основной школе с использованием средств информационных технологий.

Отдельные вопросы содержания выпускной квалификационной работы отражены в публикации «Некоторые аспекты обучения школьников робототехнике» [18].

В завершении можно сказать, что поставленные задачи в данной исследовательской работе реализованы.



СПИСОК ЛИТЕРАТРЫ

1. Беляев М.И. Технология создания электронных средств обучения: / М.И. Беляев, В.В. Гриншкун, Г.А. Краснова. - М: РУДН, 2013. - 130с

2. Бешенков С.А. Непрерывный курс информатики/ С.А. Бешенков, Е.А. Ракитина, Н.В. Матвеева.- М.: БИНОМ. Лаборатория знаний., - 143 с.

3. Бородин М.Н. Современное состояние и перспективы развития образовательной робототехники в школе как интегративной учебной дисциплины/ М.Н. Бородин // Лаборатория знаний «БИНОМ». - 2015. - 3-4 марта. - С.1-5.

4. Босова Л.Л. Анализ электронных образовательных ресурсов для пропедевтической подготовки в области информатики .// Ученые записки ИИО РАО. Институт информатизации образования. - 2010. - № 32. - с 113 - 132.

5. Васильев М.В. Актуальность развития образовательной робототехники в условиях нового ФГОС: Материалы Всероссийской конференции. Екатеринбург, 8-9 апреля 2013 г/ Отв. ред. В.М. Савушкин. - Екатеринбург.: 2013. - 226 с.

6. Вегнер К.А. Внедрение основ роботехники в современной школе // Вестник Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. 2013. № 74. - С.17-19

7. Гейн А.Г. Ожидания информатики: Материалы Всероссийской научно- методической конференции по вопросам применения ИКТ в образовании, 6- 7 февраля 2014 г./ отв. за вып. Ю. А. Аляев, И. Г. Семакин; Перм. гос. нац. исслед. ун-т. - Пермь, 2014.- с.7-28

8. ГОСТ Р 53620-09. Информационно-коммуникационные технологии в образовании. Электронные образовательные ресурсы. - Введ. 01.01.2011. - М. : Госстандарт России : Изд-во стандартов, 2009. -, N 959 с.

9. Гохберг Л.М. Образование в цифрах: М., 2013. 66с.

10. Ершов М. Г. Возможности использования образовательной робототехники в преподавании физики. Проблемы и перспективы развития образования: Материалы IV междунар. науч. конф. (г. Пермь, июль 2013 г.).

-- Пермь: Меркурий, 2013. -- С. 81-87.

11. Ершов М.Г «Робототехника как средство индивидуализации образовательного процесса по физике» // Пермский педагогический журнал. 2014. №5

12. Ершов М.Г. Образовательная робототехника как инновационная технология реализации политехнической направленности обучения // Педагогическое образование России. - 2015. - №3. - С.33-40.

13. Ершов М.Г. Применение элементов образовательной робототехники как средства реализации политехнической направленности: Автореф. дис. ..канд. пед. наук: 13.00.02/ Ершов Михаил Георгиевич; Екат., 2016. -24с

14. Копосов Д. Г. Цикл видеолекций издательства «Бином» «Уроки робототехники в школе»/ Д. Г. Копосов [Видеозапись] Режим доступа: http://metodist.lbz.ru/content/video/koposov.php.

15. Кроули Э. Ф. Переосмысление инженерного образования. Подход CDIO/ Э. Ф. Кроули, Д. Р. Бродер, К. Эдстрем; - М.: Высшая школа экономики, 2015.- 371 с.

16. Кузнецов А.А. Общая методика обучения информатике: Учебное пособие для студентов педагогических вузов. / Т.Б. Захарова, А.С. Захаров, А.А. Кузнецов.- М.: Изд-во ПРОМЕТЕЙ, 2016. - 300с.

17. Лапчик М.П. Теория и методика обучения информатике./ М.П. Лапчик, И.Г. Семакин, Е.К. Хеннер. - М.: Академия, 2012. -- 592 с.

18. Лукьянова О.Ю. Некоторые аспекты обучения школьников робототехнике: Материалы международной научно - практической конференции Московского Педагогического Государственного Университета. Москва, 16 -- 17 февраля 2016г.: под ред. Т.Б. Захаровой, Н.К. Нателаури. - М.: МПГУ, 2016. - 326 с

19. Мирошина Т. Ф. Образовательная робототехника на уроках информатики в средней школе: пособие для учителя/ Т. Ф. Мирошина Л. Е.Соловьева , А. Ю. Могилева.-- Челябинск,: Изд-во РКЦ, 2013. - 2550с.

20. Никитина Т.Б. Образовательная робототехника как направление инженерно-технического творчества школьников: учебное пособие/ - Челябинск: Изд-во Челяб. Гос. Пед.ун-та, 2014. - 169с.