Использование роботов на уроках математики

Робот в образовательной деятельности

Современные обучающиеся живут в условиях технологического прогресса и уже не представляют себе жизнь без информационно-коммуникационных технологий. Не стоит на месте и современное образование. Педагоги все чаще отдают предпочтение активным и интерактивным технологиям, которые позволяют разрабатывать и внедрять принципиально новые средства взаимодействия между учителем и учеником. Применение роботов на уроках — один из способов такого взаимодействия.

Робот представляет собой конструктор, который может помочь в образовательной деятельности: провести эксперименты, сделать математические открытия, вывести и понять происхождение формул, установить связи между предметами и их свойствами, найти закономерности, наглядно продемонстрировать как основные математические операции, так и сложные алгоритмы, развить навыки логического мышления.

В настоящее время обществу необходима личность, способная самостоятельно ставить учебные цели, искать пути их реализации, контролировать и оценивать свои достижения, работать с разными источниками информации, анализировать их и на этой основе формулировать собственное мнение. В соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом (далее — ФГОС) среднего общего образования выпускник образовательной организации (далее — ОО) должен ориентироваться в постоянно меняющемся окружающем мире, адекватно воспринимать появление нового, быть готовым непрерывно учиться и самосовершенствоваться. Для успешного формирования такой личности, помимо применения различных методов, форм и способов преподавания, может послужить специальное оборудование, которое учитель использует на своих уроках.

За последние годы ОО были оснащены современными компьютерами, мультимедийными проекторами, интерактивными досками и непрерывным подключением к сети Интернет. Что дает широкие возможности в подаче учебного материала. Помимо привычного использования учителем бумажных учебников, рабочих тетрадей, уроки дополняются электронными учебниками, компьютерными презентациями, интерактивными досками, мобильными устройствами и прочими техническими новинками. Все эти источники информации красочные, продуктивные, но виртуальные. В отличие от множества инновационных технологий, которые помогают обучающимся в изучении сложных тем, роботы действуют в реальном мире, что не только увеличивает мотивацию при изучении данного материала, но и вносит в него исследовательский компонент. Это помогает реализации требований ФГОС общего образования к результатам обучения учащихся, склонных к естественным наукам, технике или прикладным исследованиям. Поэтому важно вовлекать обучающихся в такую учебно-познавательную деятельность и развивать их способности не только на уроках математики, но и на других предметах.

Использование роботов способствует эффективному овладению обучающимися универсальными учебными действиями, т. к. объединяет разные способы деятельности при решении конкретной задачи, значительно повышает мотивацию к изучению математики, способствует развитию коллективного мышления и самоконтроля. И конечно же, позволяет достигать высоких результатов в образовательной деятельности.

До недавнего времени робототехника развивалась в основном в качестве внеклассной формы работы. В настоящее время в ОО проводятся различные занятия по робототехнике, интегрированные в содержание различных предметов, учителя технологии включают робототехнику в рабочие программы. Для обучения робототехнике на уроках используются различные готовые наборы и конструкторы, которые учащиеся собирают самостоятельно под руководством учителя.

Обучающиеся учатся работать с роботами в начальной школе: роботов используют в качестве обычных конструкторов, постепенно усложняя конструкцию контроллером, исполнительной частью (двигателем) и набором датчиков. Возможности роботов этим не ограничиваются, поэтому многие учителя успешно используют их на своих уроках, создавая дополнительные ресурсы для модернизации образовательного пространства.

Создание программируемого робота

Создание программируемого робота возможно с конструктором lego — набором сопрягаемых деталей и электронных блоков. Одной из самых главных составных частей программируемого конструктора является электронно-вычислительная машина — микро-ЭВМ, при помощи которой и осуществляется программирование роботов. Обычно она помещается в центре конструкции собранного робота, к которой прикрепляются двигатели (программируются отдельно) и датчики. Набор датчиков может быть различным в зависимости от выполняемой задачи.

Например, такой датчик, как сервомотор, можно использовать для измерения скорости и расстояния движения и программировать параметры, которые делают движения робота точнее и четче. Ультразвуковой датчик помогает роботу «видеть» различные предметы и измерять расстояние до них, обнаруживать препятствия. После определения расстояния до объекта робот может менять направление движения. Для работы ультразвукового датчика не важен уровень освещенности — робот ориентируется даже в полной темноте.

Программирование робота осуществляется в нескольких средах программирования, начиная с самых простых, благодаря которым запрограммировать робота может даже человек, незнакомый с языками программирования. После того как разработана программа для робота, ее отправляют в микро-ЭВМ. Для этого робота подключают к компьютеру при помощи кабеля USB.

Для уроков математики обычно необходимо несколько роботов (по одному для каждой команды учащихся). Все роботы, используемые командами, одинаковые — собраны в машину и различаются только радиусом колес. В процессе программирования можно задавать число оборотов колеса, которое понадобится роботу для преодоления заданного расстояния.

Изучение нового материала с помощью роботов

Изучение новой темы «Длина окружности» на уроках математики в  6-м классе возможно с применением роботов. Урок должен иметь несколько этапов.

На этапе изучения нового материала обучающиеся делятся на группы (команды). Учитель раздает командам машины-роботы, обращая внимание учащихся на различия в размерах колес. Далее происходит знакомство учеников с роботами. Каждый робот может ехать самостоятельно, если его правильно запрограммировать. Для этого необходимо нажать кнопку «вправо», чтобы увеличить число оборотов колеса, или кнопку «влево», чтобы уменьшить число оборотов. Чтобы машина поехала, нужно нажать на среднюю кнопку «старт». Для объяснения направлений движения роботов учитель использует заранее подготовленную компьютерную презентацию. После обучения управлению роботами учитель напоминает, что на столах обучающихся лежат листы ватмана и гуашь, и предлагает выполнить ряд заданий.

Задание № 1. Необходимо взять в руки робота и сделать на колесе метку гуашью, затем задать число оборотов колеса, равное четырем, и запустить машину по листу ватмана.

По завершении задания один обучающийся из каждой группы прикрепляет ватман магнитами на доску (на листе останется метка, повторяющаяся несколько раз). Диаметр у колес разный, поэтому следы, оставленные колесами машин, будут разными по размеру. После завершения работы с роботами учитель предлагает обсудить полученные результаты и ответить на вопросы:

• Что показывает расстояние от метки до метки?
• Почему различаются результаты между командами?
• От чего зависит длина окружности (расстояние между метками)?

Отвечая на вопросы учителя, обучающиеся говорят о том, что расстояние между метками — это размер окружности колеса (полный оборот колеса — длина окружности колеса); у всех роботов различный размер колеса, поэтому результаты различны; а длина окружности зависит от радиуса (диаметра).

После ответов на вопросы ученики при помощи учителя приходят к выводу: для того чтобы найти длину окружности, необходимо знать ее диаметр. Учитель раздает листы ватмана с метками командам обратно и предлагает выполнить следующее задание.

Задание № 2. Измерить длину окружности ©, т. е. расстояние между метками; измерить диаметр (d) колеса своего робота и найти отношение длины окружности к ее диаметру (С: d). Результат записать на доске.

Учитель обращает внимание учащихся на результаты. Спрашивает, что интересного они заметили. На основании экспериментов делаются выводы, что полученные отношения для окружностей различной длины — почти одинаковые. Это число называется π (далее следует историческая справка о происхождении числа π). Изучить формулы длины окружности помогает слайд компьютерной презентации.

Проведение практической работы

Учитель обращает внимание учащихся на то, что число π берется приближенное, значит, и результаты могут иметь небольшие погрешности в измерениях.

Далее он предлагает выполнить практическую работу.

Задание № 3. Необходимо запустить машину так, чтобы она проехала расстояние, равное 1 м, и определить с помощью секундомера время, которое она потратила на данный путь.

Обучающиеся выполняют задание, засекают время, записывают результаты на доске (результаты у команд разные).

Учитель после выполнения задания просит сравнить результаты команд и сделать вывод.

Для этого предлагает ответить на следующие вопросы:

• Почему различаются результаты команд?
• Почему машины, которые прошли одинаковое расстояние и ехали с одинаковой скоростью, затратили на путь различное время?
• Как влияет длина окружности колеса на скорость транспортного средства?

Задание № 4. Необходимо запрограммировать робота (машину) таким образом, чтобы он проехал расстояние, равное 2 м. Поставить его на линию старта и запустить. Если подсчеты будут сделаны верно, то машина приедет в нужное место — значит, команда выполнит задание правильно.

Обучающиеся выполняют задание на точность, программируя необходимое количество оборотов у своего робота таким образом, чтобы было пройдено нужное расстояние. Затем наблюдают за движением машин и сравнивают командные результаты.

Примеры тем, для изучения которых можно использовать роботов

Применять роботов можно на любом этапе урока (учебного занятия) математики: при изучении нового материала, закреплении, на обобщающих уроках, при повторении пройденной темы или раздела. Подача нового материала с использованием роботов становится более эффективной, т. к. этот способ организации учебной деятельности позволяет расширять возможности обычной лекции, демонстрировать учащимся математические модели и проводить эксперименты в режиме реального времени.

Внедрение роботов в образовательный процесс призвано повысить эффективность проведения уроков математики, усилить привлекательность подачи материала, осуществить дифференциацию заданий, расширить информационное поле урока, стимулировать интерес и пытливость обучающихся, а также разнообразить формы обратной связи.

Примеры тем, для изучения которых можно использовать роботов в разных классах, представлены в таблице.

Примеры тем, для изучения которых можно использовать роботов