Разработка комплекса дидактических материалов для курса робототехники в 9-х классах общеобразовательной школы

По результатам выполнения курсовой работы можно сформулировать следующие выводы:
1. Необходимость создания специальных дидактических материалов для ИКТ продиктована организацией самостоятельной деятельности учащихся в ходе приобретения практических навыков при изучении программных продуктов, в ходе организации проектной деятельности и т.д.
2. Привлечение школьников к исследованиям в области робототехники, приобретению начальных конструкторско-инженерных знаний, развитию новых научно-технических идей создает необходимые условия для повышения качества образования, развивает коммуникативные, творческие, интеллектуальные способности учащихся за счет использования в образовательном процессе новых педагогических технологий, подходов и применение новых ИКТ. Ученики в процессе проведения занятий ...

ВВЕДЕНИЕ 3
Глава 1. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ДИДАКТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПО РОБОТОТЕХНИКЕ В 9-Х КЛАССАХ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ НАЧАЛЬНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ НАВЫКОВ 4
1. Цели использования комплекса материалов и их содержание 4
1.1 Содержание понятия «Дидактический материал» в педагогической литературе, классификация и виды дидактических материалов 4
2. Инструктивные карты занятий по курсу «Основы робототехники» 14
3. Результаты педагогического эксперимента 20
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 21
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 22
ПРИЛОЖЕНИЯ 24

В соответствии с новыми Федеральными образовательными стандартами среднего общего образования, в условиях обновления содержания образования значительное место в учебном процессе занимают различные творческие направления, одним из которых является робототехника. Робототехника является технологией XXI века, она объединяет в себе науку, инженерно-конструкторское дело, технологию, физику, математику. Занятия по робототехнике дают возможность учащимся творчески мыслить, проводить анализ проблемной ситуации, и применять критическое мышление в решении реальных проблем. Командная работа над проектами формирует коммуникативную компетентность детей, укрепляет коллектив, а участие в соревнованиях формирует здоровый дух соперничества и дает стимул к обучению.
Изучение элементов робототехники на учеб ных предметах позволяет повысить интерес учащихся к обучению, разнообразить саму учебную деятельность, использовать активные методы обучения и групповую работу, решать задачи, имеющие практическую направленность.
Вышеизложенное определяет актуальность введения в школе межпредметного курса «Основы робототехники».
Цель работы – разработать комплекс дидактических материалов для курса робототехники в 9 классе.
Объект исследования – процесс применения дидактических материалов на уроках.
Предмет исследования – содержание дидактических материалов по курсу робототехники.
В соответствии с целью, объектом и предметом исследования поставлены следующие задачи
1. Проанализировать в педагогической литературе цели и содержание дидактических материалов.
2. Разработать инструктивные карты для курса «Основы робототехники».
3. Экспериментально проверить эффективность использования курса «Основы робототехники» в учебном процессе.
Теоретическая база исследования: теория учебной деятельности (А. Н. Леонтьев и др.), теория методов обучения (Ю. К. Бабанский, И. Я. Лернер и др.); теория педагогических систем (В. П. Беспалько, Ю. А. Конаржевский).
Труды, посвященные современной дидактике (М.М. Поташник, Г.К. Селевко. А.В. Хуторской,), логической организации и структурированию дидактического материала предметов естественно-научного цикла (И.Д. Зверев, Г.Н. Сериков, К. Сосницкий, А.М. Сохор, В.Ф. Шаталов и др.); классификации форм обучения (В.К. Дьячеко, В.А. Сластенин, И.М. Чередова), методике обучения информатике (Л.Л. Босова, А.А. Кузнецов и др.); применения мультимедиа в формировании компетентностей учащихся (О.Г. Смолянинова); методу учебных проектов (Е. С. Полат).
Нормативно-правовая база: Федеральные законы «Об образовании в РФ», «Об информации, информационных технологиях и о защите информации», примерные программы по информатике и ИКТ основного общего и среднего (полного) об образовании базового и профильного уровня, образовательные стандарты по информатике и ИКТ основного общего и среднего (полного) образования профильного уровня.

Лего – робот в курсе технологии средней школы поможет понять и освоить основы робототехники, а в курсе информатики – научит наглядной реализации сложных алгоритмов, в среднем специальном и высшем образовании поможет с изучением вопросов, связанных с автоматизацией производственных процессов, с процессами управления, системами безопасности [14].Рассмотрим основное содержание курса «Робототехника» для 8-9 классов, цели, задачи курса.Пояснительная запискаПрограммный продукт LEGO® MINDSTORMS® Education – относится к новому поколению образовательной робототехники для изучения информатики, физики, математики, химии, технологии и др. предметов в процессе проведения практических занятий.Используя образовательную технологию LEGO MINDSTORMS в сочетании с конструкторами LEGO, учащиеся разрабатывают,конструируют, программируют и испытывают роботов. Совместная работа учащихся предполагает выполнение проектов по робототехнике, которые способствуют развитию индивидуальных творческих способностей учащихся, умению преодолевать творческие проблемы, получить необходимые знания в области техники. В процессе совместной работы развиваются коммуникативные навыки, навыки организации и проведения исследований по проблеме, что способствует дальнейшему образованию, будущей работе.Основное содержание курса в 8- 9 классах составляют занятия технического моделирования, сборки и программирования роботов.В образовательном процессе используются конструкторы наборов 8547, 9797, ресурсный набор серии LEGO MINDSTORMS NXT 2.0 с программным обеспечением ПервоРобот (CD-R диск с визуальной средой программирования NXT-G).Используя персональный компьютер с соответствующим программным обеспечением, ученики конструируют программно-управляемые модели роботов. Итогом изученных тем является создание учениками в проектах собственных автоматизированных моделей, написание программ и защита проектов.Курс «Основы робототехники» ориентирован на учащихся 8 – 9 классов (всего 72 часа), относится к программе дополнительного образования. Рабочая программа для 9 класса рассчитана на 36 часов. Занятия проходят 1раз в неделю по 2 часа, в соответствии с учебным расписанием.Цели и задачи курса «Основы робототехники»Цели курса: Образовательные: углубление знаний в области физики по основным законам механики;формирование и развитие навыков алгоритмизации и программирования с помощью LEGO Mindstorms NXT; ознакомление со средой программирования NXT-G; формировать умения применять средства ИКТ для исследовательской деятельности и решения задач, используя межпредметные связи. Развивающие: развитие абстрактного, логического, образного мышления; развитие творческих умений в процессе решения задачи;развитие научно-технического потенциала личности школьника, организуя его деятельность в процессе интеграции основ робототехники и начального инженерно-технического конструирования; развитие умения до конца довести поставленную в процессе конструирования задачу – до работающей модели; развитие умений излагать свои мысли, рассуждения, ответы на вопросы четко и логично, анализировать ситуацию, отстаивать свою точку зрения в процессе проектирования. Воспитательные: формирование творческого подхода к поставленной задаче конструирования; формирование целостной картины мира; формирование коммуникативных навыков работы в группе.Компетенции, формируемые при изучении курса основ робототехники, представлены в таблице 1.Таблица 1 – Формируемые компетенцииКлючевые общеобразовательные (общеучебные умения),Ценностно-смысловые компетенции: курс помогает осознавать свою роль и предназначение в окружа-ющем мире, научиться выбирать целевые и смыс-ловые установки для своих поступков и действий, принимать решения.Общекультурные компетенции :формируется пред-ставление об общественных явлениях и традициях, бытовой и культурно – досуговой сфере.Учебно-познавательные компетенции: целепола-гание, планирование,анализ,рефлексия,самооценка учебно-познавательной деятельности.Информационные компетенции: формируются уме-ния самостоятельно искать, анализировать и отби-рать необходимую информацию, организовывать, преобразовывать, сохранять и передавать ее с по-мощью информационных технологий.Коммуникативные компетенции: совершенствуют навыки работы в группе,владение различными со-циальными ролями в коллективе.Компетенции личностного самосовершенствова-ния: направлены на освоение способов физичес-кого, духовного и интеллектуального саморазви-тия, эмоциональной саморегуляции и самопод-держки.Предметные компетенции (предмет-ные умения, способы деятельности)Овладеть навыками работы с различными источ-никами информации: учебниками, книгами, спра-вочниками, Интернет.Научиться самостоятельно искать, извлекать, сис-тематизировать, анализировать и отбирать необхо-димую для решения учебных задач информацию,организовывать, преобразовывать, сохранять и пе-редавать ее.Овладеть навыками использования информацион-ных устройств: мобильного телефона, компьютера.Научиться применять для решения учебных задач ИКТ:Интернет, среду MINDSTORMS NXT.Научиться ориентироваться в полученной инфор-мации, уметь выделять в ней главное и необходи-мое.Задачи курса:научить работать в среде визуального программирования Mindstorms NXT;научить конструировать различных типов роботов на базе микропроцессора NXT;научить разрабатывать программы управления Лего - роботами;развивать логическое мышление и творческие способности у обучающихся;развивать умения строить гипотезу и сопоставлять ее с полученным результатом;развивать техническое, образное мышление, умения выражать свой творческий замысел;развивать умения творчески подходить к решению задачи;развивать умения работать с дидактическим материалом – по предложенным инструкциям собирать модели роботов;развивать умения применять знания из различных областей наук;развивать умения излагать мысли в четкой логической последовательности, отстаивать свою точку зрения, анализировать ситуацию и самостоятельно находить ответы на вопросы, логически рассуждая;получать навыки в проведении физического эксперимента.приобретать опыт работы в творческих группах.Особенности курса.Реализация предложенной программы осуществляется с использованием дидактических материалов, пособий, которые специально разработаны фирмой LEGO для обучения техническому конструированию на примере своих конструкторов. В курсе основ робототехники используются образовательные конструкторы LEGO MINDSTORMS Education EV3 и MINDSTORMS NXT в качестве основного инструмента для обучения школьников конструировать, моделировать и управлять своими моделями с помощью компьютера. Учащиеся получают представление об особенностях составления программ управления, автоматизации механизмов, моделировании работы систем.Программа предусматривает использование компьютеров и специальных интерфейсных блоков совместно с конструкторами. Компьютер используется как средство управления моделью; его применение направлено на составление для собранных моделей управляющих алгоритмов. Методические особенности реализации программы предполагают сочетание возможности развития индивидуальных творческих способностей учащихся и формирование умений взаимодействовать в коллективе, работать в группе. Ведущие типы деятельности детей старшего школьного возраста (15-17 лет) предполагают включение их в коллективную творческую деятельность, использование таких педагогических технологий как обучение в сотрудничестве, проектные методы обучения, ИКТ. Коллективная деятельность предполагает выполнение этапов: проектирования, конструирования, программирования, испытания и запуск модели робота. В процессе коллективной работы требуется консультирование педагога, тщательная практическая подготовка учащихся и соблюдение правил техники безопасности. Поэтому рекомендуется организация занятий по подгруппам. Методы обученияпознавательные (восприятие, осмысление и запоминание нового материала с использованием готовых примеров моделирования роботов, изучение иллюстраций, восприятие, анализ и обобщение демонстрационных материалов материалов);проектный метод (используется при усвоении и в творческом применении умений и навыков для разработки собственных моделей роботов)систематизирующий метод (беседа по теме в соответствии с планом, составление систематизирующих схем, таблиц, графиков и т.д.)контрольный метод (используется для определения качества усвоения знаний, умений и навыков и их коррекция в процессе выполнения практических заданий)метод групповой работа (используется при совместной сборке моделей, а также при разработке проектов)Формы организации учебных занятийлекционные занятия (получение учащимися новых знаний);самостоятельная работа (выполнение учащимися индивидуальных заданий в течение определенной части занятия или нескольких занятий (одно-два задания));проектная деятельность (получение новых знаний, реализация личных проектов);практические занятия (конструирование элементов конструкций роботов, изготовление моделей, чертежей, полей для испытания роботов, испытание роботов);соревнования (участие учащихся в мероприятиях по конструированию роботов, в дистанционных и очных олимпиадах по робототехнике на краевом и районном уровне);выставки (участие в выставках технического творчества на муниципальном уровне, круглых столах по робототехнике, представление конструкций роботов на методических объединениях учителей информатики).Межпредметные связи представлены в таблице 2.Таблица 2 – Межпредметные связи№ПредметыМежпредметные связи (примеры)МатематикаРасчеты:длины траектории; числа оборотов и угла оборота ко-лес; передаточного числа.Измерения:радиуса траектории; радиуса колеса;длины конструкций и блоков.ФизикаРасчеты:скорости движения; силы трения; силы упругости конструкций. Измерения:массы робота; освещенности; темпе-ратуры; напряженности магнитного поля.ТехнологияИзготовление: дополнительных устройств и приспособлений (горки, лабиринты, поля и пр.);чертежей и схем; электронных печатных плат.Подключение:к мобильному телефону через Bluetooth;к радио-электронным устройствам.ИсторияЗнакомство:с этапами (поколениями) развития роботов; раз-витие робототехники в России, других странах. Изучение:первоисточников о возникновении терминов «робот», «робототехника»,«андроид» и др.Планируемые результатыОсновными планируемыми результатами в ходе реализации программы являются:1. Развитие интереса учащихся к роботехнике и информатике;2. Развитие умений и навыков конструирования роботов и автоматизированных систем;3. Получение опыта коллективного общения при конструировании и соревнованиях роботов.По окончании программы учащийся должен:знать основы программирования, автоматики, механики в среде MINDSTORMS NXT на языках NXT-G и использованием контроллера MINDSTORMS Education EV3;уметь собирать модели по готовой схеме сборки;уметь создавать свои собственные проекты, программировать роботизированные модели.Предъявляемые результаты по окончании курса:осуществление сборки не менее 10 моделей роботов ( по инструкции и свои разработки);создание не менее двух собственных конструкторских проектов;создание коллективного проекта;участие в соревнованиях и мероприятиях различного уровня, в том числе в режиме on-line.Ниже представлена рабочая учебная программа для 9 класса по курсу «Основы робототехники» представлена в таблицt 3. Таблица 3– Рабочая учебная программа «Основы робототехники» (36 часов, 2 часа в неделю).Дата№ Тема занятия Общ. Кол-во часовИз нихтеорияпрактика1.Основы робототехники на базе конструктора LEGO MINDSTORMS NXT и инструментальной среды LEGO MINDSTORMS Education EV3 (24 часа)1Основы конструирования: механическая передача4222Шагающие роботы 4-43Программирование робота с использовани-ем контроллера EV34-44Программирование роботов на многозадач-ность445Программирование переключателей. Движение вдоль линии4-46Программирование робота при помощи графика4-42. Конструирование и программирование (12 часов)7Собираем робота-богомола4-48Собираем робота-мианипулятора высокой сложности4-49Программирование робота высокой сложности31210Защита моделей роботов высокой сложности1-1Итого часов 36 4Методическое обеспечениеУчебно-методический комплект: Робототехника для детей и их родителей. Книга для учителя. С.А. Филиппов, - 263 с., илл., Руководство пользователя LEGO MINDSTORMS NXT 2.0, - 64 стр., илл.Образовательный Лего-конструктор: LEGO MINDSTORMS NXT 2.0 версии 8547. В наборе 625 ЛЕГО-элементов, включая NXT-блок, датчик цвета, 2 датчика касания, 1 ультразвуковой датчик, 3 сервомотора 9 В.ЦОР: Программное обеспечение LEGO MINDSTORMS NXT-G, язык интерфейса русский и английский, сайт с инструкциями и уроками: http://www.prorobot.ru/lego.php 2. Инструктивные карты занятий по курсу «Основы робототехники» Эффективность работы учащихся на занятиях зависит в значительной степени от того, как проинструктированы учащиеся о выполнении работы. Основное применение инструктивных карт – организация самостоятельной, в большинстве случаев практической работы, учащимися.Инструктивные карты описывают ход выполняемой работы, обращают внимание учащихся на наиболее существенные моменты, например, теоретическое обоснование заданий, актуализация знаний по теме, практические действия. Инструктивная карта занятий состоит из следующих разделов: 1. Тема 2. Цель работы 3. Оборудование 4. Вопросы для повторения 5. Ход работы. Последовательность и структура разделов может быть изменена за счет добавления раздела справочных материалов, раздела повторения пройденного, инструкций к выполнению работы, на заметку, подведение итогов, домашнее задание и т.д. на усмотрение учителя. Рассмотрим ряд инструктивных карт занятий, представленных в рабочей программе (см. п. 1.3)Инструктивная карта 1Тема: Основы конструирования: механическая передачаЦель работы: Изучить основные виды механических передач; отработать практические навыки конструирования механических передач в конструкторе Lego Mindstorms NXT. Закрепить навыки работы с сетью Интернет.Оборудование: персональный компьютер, программное обеспечение LEGO MINDSTORMS NXT-G.Дидактические материалы: презентация к занятию, инструкция по выполнению задания «Захват» (прил.1)Ход работы.1. Изучите теоретический материал, представленный в презентации к занятию и учебных материалах.2. Письменно ответьте на вопросы: 1) Какие существуют виды механических передач? 2) Что понимают под передаточным отношением4. Законспектируйте Блок-схему управления двигателями5. Выполните задания, представленные в презентации6. Результаты работы продемонстрируйте преподавателю7. Запишите домашнее задание.Инструктивная карта 2Тема: Шагающие роботыЦель работы: изучить технологию сборки робота с помощью конструктора LegoMindstormsNXT.Задачи:Обучающие: познакомить учащихся с технологией сборки шагающих роботов в LegoMindstormsNXT.Развивающие: формирование навыков конструирования и программирования, развивать воображение, память, логическое мышление, внимание, познавательную активность учащихся, способность оперативно воспринимать информацию.Воспитывающие: воспитывать умения работать в команде; взаимную ответственность за результаты совместного учебного труда; прививать чувство самокритичности, оценивая свою работу наряду с чувством уверенности в правильности ее выполнения; воспитывать у учащихся самостоятельность, активность, интерес к предмету, правила поведения.Оборудование: демонстрационный ПК (мультимедиа проектор); ЭОР - презентация; инструкция для сборки робота; компьютер с программой LegoMindstormsNXT, Lego Digital Desinger .Подготовительный этап: Подготовить подробную инструкцию сборки, стопоходящего механизма Чебышева в программе Lego Digital Desinger, на каждый компьютер пакеты материалов по уровням сложности проектов: 1) Подробная инструкция стопоходящего механизма Чебышева (заготовка учителя в программе Lego Digital Desinger); 2) Видеоролик ; 3) Презентация, где излагается только принцип стопоходящего механизма Чебышева.Ход работыИзучить теоретическую часть. Используя показ презентации. Ответить на вопросы учителя:По какому признаку объедены все роботы? (у них у всех есть ноги) Как называется эта группа роботов? (шагающие роботы). Для чего нужны шагающие роботы в жизни? 3. Изучение принципа построения шагающих роботов на примере Стопоходящей машины  Чебышева (слайды презентации в прил. 2)4. Практическая работа учащихся с использованием технологической карты учащегося для практической работы.ЗаданиеДействие ученикаУровни сложности проекта:(1) собрать модель с использованием полной инструкции,(2) собрать модель с использованием видеоролика,(3) собрать модель с использованием материалов презентации, где излагается только принцип стопоходящего механизма Чебышева.Выбрать один из уровней, получить пакет материалов к выбранному уровню задания у учителя.Принцип построения роботов:-        робот должен стоять на поверхности (полигоне), упираясь только на  «ноги»;-         «ноги»  робота приводятся в движение одним мотором;-        движение «ног»  должно быть возвратно-поступательным;-        центр тяжести робота должен быть смещен вперед по ходу движения.Прочитать принципы построения и приступить к сборке робота.Принцип построения программы:-        использовать блок  «Цикл», сконфигуровать его как бесконечный цикл;-        использовать блок «Движение» внутри бесконечного цикла;-        настроить  блок, выбрав двигатель А, направление движения  вперед, уровень мощности  50%,  длительность  движения - бесконечность.Прочитать принципы написания программы, составить программу, загрузить в робота.5. Происходит испытание роботов на поле и отладка конструкции робота и программы.6. Организация соревнования «Шагающие роботы» по правилам (прил.3).7. Подведение итогов занятия8. Домашнее задание: изучить интерфейс контроллера LEGO MINDSTORMS Education EV3 в соответствии с инструкцией (Папка Урок 2, приложение 3)Инструктивная карта 3Тема: Программирование робота с использованием контроллераЦель: разработать модель робота с использованием LEGO MINDSTORMS Education EV3 и изучить основные операции с моделью при помощи контроллера EV3Оборудование: персональный компьютер, программное обеспечение LEGO MINDSTORMS Education EV3, LegoMindstorms NXT-G. Дидактические материалы к занятию.Ход урокаПроверка выполнения домашнего заданияВыполнение практической работы (дидактический материал представлен в папке Урок 3 приложении 4EV)Программирование элементарных операций робота: движение, работа с датчиками.Теоретические сведения. Сделать конспектКраткие теоретические сведенияБольшой мотор- это мощный мотор, который имеет встроенный датчик вращения с разрешением 1 градус для точного контроля.Датчик цвета - это цифровой датчик, который может определять цвет или яркость света, поступающие в небольшое окошко на лицевой части датчика.Гироскопический датчик - это цифровой датчик, который обнаруживает вращательное движение вокруг одной оси.Датчик касания - это аналоговый датчик, который может определять, когда красная кнопка нажата, а когда отпущена.Ультразвуковой датчик- это цифровой датчик, который определяет расстояние до находящегося перед ним объекта.Программирование на контроллере сегодня является одним из необходимых умений в работе с роботизированными системами, т.к. почти все современные контроллеры имеют функцию внутреннего программирования без подключения к компьютеру оператора/разработчика. Программирование на контроллере позволяет быстро создавать управляющие программы, устранять недостатки и сбои системы, а также, собирать основную информацию непосредственно с самого контроллера. Это позволяет уменьшить время реакции на поломку, повысить производительность и качество рабочих процессов.Практическая часть представлена в приложении 5 (Урок 3)4. Показать результаты выполнения самостоятельной работы преподавателю5. Подведение итогов занятия. Ответы на контрольные вопросы:Контрольные вопросы1. Что такое контроллер?2. Что такое датчик цвета?3. Расскажите о принципе работы сервомотора?4.