«Развитие математической и естественно-научной грамотности на занятиях робототехники».

«Развитие математической и естественно-научной грамотности на занятиях робототехники».

Один из самых популярных вопросов из детства — «Кем ты хочешь стать?» И если в 60-е годы прошлого века каждый третий ребенок знал ответ (космонавтом!), то в наши дни и детей, и родителей этот вопрос ставит в тупик. Однако мнения специалистов и видных деятелей науки сходятся к одному прогнозу — не за горами «эра роботов», и эксперты в области робототехники станут одними из самых востребованных на рынке труда. 

Сегодня в мире используются десятки миллионов роботов. Нет такой области человеческой деятельности, в которой человек не попытался создать себе автоматического помощника.

В настоящее время вопросам включения в образовательное пространство изучения основ робототехники во всем мире уделяется достаточно внимания.

Не секрет, что большинство школьных уроков проходит в формате лекции. Детей натаскивают на решение задач ЕГЭ и упускают из виду необходимость развития практических навыков. К сожалению, образовательный процесс замыкается рамками учебника и зубрёжками.

Внеурочная деятельность по робототехнике — абсолютная противоположность классической школе. Большую часть занятия составляет практика: конструирование,  программирование, техническое творчество — только так можно развить потенциал ребенка, укрепить реальные знания, а не заученные формулы. 

Таким образом, академические знания подкрепляются практическим опытом, а опыт содействует тому, что у детей появляется своя точка зрения, умение критически мыслить, и решать нестандартные задачи.

Если ребенок действительно увлекается робототехникой, то в какой-то момент времени она перестает быть просто досугом, она становится образом жизни. Конечно, не сама робототехника как наука. А те фундаментальные принципы, которые в ней заложены. Дети учатся видеть взаимосвязь предметов, системность окружающего мира, у них развиваются критическое мышление и умение анализировать — одним словом, в школьном возрасте ребята обретают те навыки и качества, которыми не каждый взрослый может похвастаться.  

Робототехника — по-своему уникальная наука и хороша тем, что включает в себя знания из различных предметных областей: физики(основы механики, динамики), математики(моделирование), программирования, электроники, конструирования и др. Поэтому ребенок, посещая занятия по робототехнике, начинает понимать реальное применение законов физики и формул из математики. 

В нашей школе внеурочная деятельность по робототехнике ведется с 2021 года, когда на базе школы открылся центр «Точка роста». Помимо цифровой лаборатории для уроков физики мы получили два набора конструктора: LEGO SPAIK Praim и VEX IQ.

Используя конструктор, перед детьми становятся простые, понятные и привлекательные для них задачи, решая которые дети, сами того не замечая, обучаются.

При помощи маленьких разноцветных кубиков, у детей помимо моторики рук, развиваются воображение, пространственное и образное мышление, логическое мышление.

В обучении школьников использую такие виды конструирования, как:

- Конструирование по схемам и шаблонам;

- Конструирование по образцу;

- Конструирование по заданной теме

- Конструирование по собственному замыслу;

- Конструирование по условиям;

- Конструирование по модели.

Почему LEGO — идеальный инструмент для изучения геометрии?

Конструктор LEGO имеет ключевые преимущества:

• Наглядность. Абстрактные понятия «длина стороны» или «квадратная единица» мгновенно становятся конкретными. Вот она, сторона — ряд из 6 «шипов». А вот квадратная единица — один маленький «шип» на поверхности кирпичика. Ребенок видит то, что считает.

• Тактильность. Процесс обучения задействует мелкую моторику. Соединяя детали, ребенок физически ощущает, как растет периметр или заполняется площадь. Такое «мышечное» запоминание гораздо эффективнее простого заучивания формул.

• Игровой формат. LEGO — это территория игры, а в игре нет страха ошибки и скуки. Ребенок не «решает задачу», а «строит замок» или «огораживает ферму». Это снимает психологическое напряжение и повышает мотивацию к учебе.

• Масштабируемость (от простого к сложному). Вы можете начать с крошечного квадрата 2x2 и постепенно дойти до сложных, многосоставных фигур. LEGO позволяет плавно повышать уровень сложности, не отпугивая ребенка.

• Право на ошибку. Неправильно посчитал? Фигура получилась не та? Не страшно! Можно за секунду все разобрать и начать заново. В отличие от перечеркнутой страницы в тетради, это не вызывает негативных эмоций, а поощряет эксперименты.

Используя LEGO, мы не заставляем ребенка учить математику, а приглашаем его открыть ее для себя самостоятельно.

Приведу некоторые упражнения, которые я использую на занятиях внеурочной деятельности по формированию математической грамотности у младших школьников.

Изучаем периметр.

Цель: Дать ребенку интуитивное понимание, что периметр — это длина внешней границы фигуры.

Пошаговая инструкция с LEGO

Шаг 1: Вводим понятие через аналогию

Не начинаю с определения из учебника. Использую простой и понятный образ. «Представь, что мы строим загон для овечек. Чтобы они не разбежались, нам нужно обнести его заборчиком. Периметр — это и есть длина всего нашего заборчика». Или: «Это длина дорожки, по которой пройдет человечек, если обойдет нашу фигуру ровно по краю».

Шаг 2: Строим первую фигуру

Возьмите большую пластину. Постройте на ней простой прямоугольник, например, из кирпичиков 2x4 и 2x2. Пусть его длина будет 8 «шипов» (пинов), а ширина — 4 «шипа». Важно, чтобы фигура была полой внутри, как стена.

Шаг 3: Считаем «шагами»

Теперь самое интересное. Возьмите маленькую фигурку LEGO-человечка (или просто палец) и говорю: «Давай поможем нашему человечку обойти всю ферму по краю и посчитаем, сколько «шагов» он сделает».

1. Поставьте фигурку на один из углов.

2. Медленно двигайте ее вдоль длинной стороны, вслух считая каждый «шип»: «Один, два, три… восемь!».

3. Поверните за угол и идите по короткой стороне: «Один, два, три, четыре!».

4. Продолжайте так по двум оставшимся сторонам.

5. Сложите все полученные числа: 8 + 4 + 8 + 4 = 24.

«Смотрите, чтобы обойти всю нашу фигуру по краю, нужно сделать 24 шага». Периметр нашей фигуры равен 24.

Шаг 4: Выводим формулу (незаметно)

После того как ребенок несколько раз посчитал периметр «шагами» на разных фигурах, подводим к формуле.

«Смотри, мы каждый раз считали длинную сторону, потом короткую, а потом опять такую же длинную и опять такую же короткую. А может, можно проще? Давай сложим одну длинную и одну короткую сторону (8 + 4 = 12), а потом просто умножим это число на два, ведь у нас две одинаковые пары сторон! 12 * 2 = 24. Получилось то же самое!»

Так наглядно демонстрирую  формулу периметра прямоугольника P = (a + b) * 2, и она не выглядит как абракадабра, а является логичным выводом из практического действия.

Задание для практики:

• Построй прямоугольник с периметром 16.

• Построй квадрат (фигуру, у которой все стороны равны) с периметром 20.

Затем перехожу к более коварному понятию — площади. Здесь частая ошибка — пытаться объяснить ее через те же «шаги». Но LEGO позволяет элегантно избежать этой путаницы.

Цель: Дать ребенку понимание, что площадь — это все пространство, которое фигура занимает на поверхности.

Шаг 1: Вводим понятие и единицу измерения

Возвращаемся к нашей аналогии. «Если периметр — это заборчик, то площадь — это весь газон внутри заборчика. Это то место, где наши овечки будут пастись».

Теперь нам нужна единица измерения площади. И она у нас прямо перед глазами! «Смотри на этот самый маленький кубик 1x1. Он занимает ровно один «шип» на нашей пластине. Давай называть его  «квадратик». Чтобы измерить площадь, нам нужно посчитать, сколько таких квадратиков поместится внутри нашей фигуры».

Шаг 2: Заполняем фигуру

Возьмите тот же самый прямоугольник 8x4, у которого мы измеряли периметр. А теперь давай полностью «засеем газон» внутри нашего заборчика. Заполни все пустое пространство внутри фигуры маленькими кубиками». Идеально использовать кубики 1x1 или 2x2, чтобы ребенок физически заполнял всю поверхность.

Шаг 3: Считаем «квадратики»

Когда вся внутренняя часть прямоугольника заполнена, задача становится очевидной. «А теперь давай просто посчитаем, сколько всего «квадратиков» (или «шипов», если вы просто заполнили пространство большими деталями) у нас получилось». Ребенок может считать по одному, и это нормально. В итоге он насчитает 32. «Вот! Площадь нашей фигуры равна 32 «квадратным шипам».

Шаг 4: Выводим формулу площади

И снова, после подсчета вручную, подводим к более простому способу. «Считать по одному долго, правда? А давай заметим вот что: у нас 4 ряда, и в каждом ряду по 8 «квадратиков». Значит, мы можем просто умножить количество рядов на количество квадратиков в каждом ряду. То есть, умножить длину на ширину! 8 умножить на 4 будет… 32! Точно так же!»

Так рождается интуитивное понимание формулы площади прямоугольника S = a * b. Это не просто правило, а способ быстро сосчитать все маленькие квадратики внутри.

Это ключевой момент урока. Именно здесь у большинства школьников возникает путаница. Наша задача — наглядно показать, что это совершенно разные, не связанные напрямую величины. Для этого проведем два простых, но очень эффектных эксперимента.

Эксперимент 1: Одинаковый периметр, разная площадь

Задача: «Давай построим два разных загона для овечек, но используем для них одинаковое количество досок для забора (одинаковый периметр). Посмотрим, в каком загоне овечкам будет просторнее (где будет больше площадь)».

1. Фигура А (длинная и узкая): Строим прямоугольник со сторонами 9 и 1.

   • Считаем периметр: (9 + 1) * 2 = 20 «шипов».

   • Считаем площадь: 9 * 1 = 9 «квадратиков».

2. Фигура Б (близкая к квадрату): Строим прямоугольник со сторонами 6 и 4.

   • Считаем периметр: (6 + 4) * 2 = 20 «шипов».

   • Считаем площадь: 6 * 4 = 24 «квадратика».

Вывод: Поставьте эти две фигуры рядом. Ребенок своими глазами увидит, что «заборчик» у них одинаковой длины, но «газон» во второй фигуре значительно больше! Это производит вау-эффект и навсегда закрепляет понимание, что при одном и том же периметре площадь может быть разной.

Эксперимент 2: Одинаковая площадь, разный периметр

Задача: «А теперь наоборот. Давай сделаем два газона одинакового размера (с одинаковой площадью), но посмотрим, сколько забора нам понадобится для каждого».

1. Фигура А (квадрат): Строим квадрат 4x4.

   • Считаем площадь: 4 * 4 = 16 «квадратиков».

   • Считаем периметр: (4 + 4) * 2 = 16 «шипов».

2. Фигура Б (вытянутый прямоугольник): Строим прямоугольник 8x2.

   • Считаем площадь: 8 * 2 = 16 «квадратиков».

   • Считаем периметр: (8 + 2) * 2 = 20 «шипов».

Вывод: Снова ставим фигуры рядом. Ребенок видит, что количество «квадратиков» внутри у них одинаковое, но для второй, вытянутой фигуры, «заборчика» понадобилось гораздо больше!

Эти два простых эксперимента наглядно разводят понятия площади и периметра в сознании ребенка. Периметр — это «обойти вокруг». Площадь — это «заполнить внутри».

Когда основы усвоены, не останавливаемся. LEGO позволяет придумывать бесконечное количество творческих и развивающих задач.

• Фигуры сложной формы. Постройте фигуру в виде буквы «Г» или «Т». Как посчитать ее площадь? Подведите ребенка к мысли, что ее можно разбить на два простых прямоугольника, посчитать площадь каждого и сложить результаты. А как посчитать периметр? Просто пройти «человечком» по всему новому, более длинному краю!

• Фигуры с «дыркой». Постройте большой прямоугольник, а в его центре оставьте пустое пространство (например, «бассейн» во дворе). Задача: посчитать площадь «газона» вокруг бассейна. Решение: считаем общую площадь большой фигуры, затем площадь «дырки» и вычитаем одно из другого.

• Задачи на оптимизацию. «У тебя есть 24 кирпичика 1x1 для постройки газона (заданная площадь). Построй такую фигуру, чтобы на забор для нее ушло как можно меньше деталей (минимальный периметр)». Ребенок опытным путем придет к выводу, что самая «экономная» по периметру фигура — это квадрат.

• Введение в объем. Когда площадь и периметр окончательно усвоены, можно сделать следующий шаг. «А что, если мы будем строить не плоский газон, а целый дом?». Постройте куб 3x3x3. Объясните, что объем — это сколько всего кубиков 1x1x1 помещается в нашу большую фигуру. Сначала можно разобрать ее и пересчитать кубики вручную, а затем подвести к формуле V = a * b * c (длина * ширина * высота).

Какие еще навыки развивает LEGO-геометрия?

Важно понимать, что, занимаясь по этой методике, ваш ребенок получает гораздо больше, чем просто знание формул. Это комплексная тренировка для мозга.

• Пространственное и логическое мышление. Ребенок учится мысленно представлять фигуры, вращать их, разбивать на части. Это основа для будущих успехов в геометрии, физике, черчении и даже программировании.

• Мелкая моторика. Соединение мелких деталей напрямую связано с развитием речевых центров и общей координации.

• Креативность и воображение. Кто сказал, что нужно строить только прямоугольники? Можно создавать фигуры животных, кораблей, замков и пытаться оценить их примерную площадь и периметр.

• Усидчивость и концентрация. Увлеченный игрой ребенок может провести за конструктором гораздо больше времени, чем за скучным учебником, тренируя способность концентрироваться на задаче.

Как видим, конструктор LEGO — это не просто способ «объяснить на пальцах». Это целая образовательная среда, в которой абстрактные математические понятия становятся живыми, осязаемыми и понятными. Вы даете ребенку возможность не зазубрить, а по-настоящему понять суть площади и периметра через действие и игру.

Кроме того рассматриваем способы увеличения устойчивости конструкции.

Самая жёсткая и прочная фигура — это треугольник. Соберем треугольник из трёх палок.

Затем для сравнения сделаем квадрат.

Как видим, конструкция совсем не жёсткая, потому что не сопротивляется изменению формы. Как Вы думаете, как можно сделать конструкцию квадрата более жёсткой? Сразу напрашивается вариант использования уголков:

По сути, уголки являются маленькими треугольниками, обеспечивающими жесткость каждого угла квадрата. А можно ли обеспечить жёсткость без уголков? Да, если сделать такие уголки из палок, лучше минимум в двух местах. А еще можно воспользоваться плотной бумагой. По аналогии изготавливают на заводах шкафы, полки.

Также учимся находить центр масс объемной фигуры.

С помощью программы blender изучаем объёмные фигуры. Ребята создают, рисуют, исследуют не только объёмные фигуры, но и создают объёмные рисунки.

Физика так же не может игнорировать современные направления обучения и должна вместе с робототехникой шагать навстречу прогрессу. Физика – экспериментальная наука. Обучение физики должно в первую очередь опираться на экспериментальный метод, согласно которому исследование физических явлений необходимо проводить демонстрационные работы, выполнять лабораторные работы, и мы, конечно, это делаем. Робототехнические конструкторы это дополнительные резервы лабораторного оборудования для демонстрации фронтального эксперимента и проведения лабораторных работ, т.к. располагают большим спектром средств и возможностей для более углубленного изучения физики в школе. На современном этапе интеграция общего и дополнительного образования рассматривается как оптимальный вариант получения практических знаний, умений и навыков.

Анализ и обобщение имеющегося опыта работы позволил выделить следующие направления использования роботов в преподавании физики:

1. Робот как объект изучения. Изучение физических принципов работы датчиков, двигателей и других систем конструктора.

2. Робот как средство измерения в традиционном эксперименте. Датчики базового конструктора используются как измерительная система в физическом эксперименте с обработкой и фиксацией его результатов в различных видах.

3. Робот как средство постановки физического эксперимента (роботизированный эксперимент). Комплексное использование двигателей, систем оповещения, датчиков, робототехнического конструктора в демонстрационном и лабораторном эксперименте.

4. Робот как средство учебного моделирования и конструирования. Применение образовательной робототехники в проектно-исследовательской и конструкторской работе учащихся.

Понять механику, динамику или оптику гораздо проще, увидев их в действии. На уроке можно дать определения и записать на доске формулы, схемы — и считать тему пройденной. А можно собрать экспериментальную установку и показать, как она действует в реальной жизни. Показать мультиметр, различные датчики и попросить сравнить эффективность каждого с помощью компьютера, который фиксирует данные с мульти метра. Физика реально работает, а не состоит только из формул и схем в тетради. Благодаря применению данных из разных школьных дисциплин — математики, физики и информатики — ученик понимает, как те или иные знания можно применить на практике, чем они могут быть полезны в реальной жизни и в чем их прикладной характер.

Конструкторы можно применять на различных этапах урока.

ЛЕГО технологии и конструкторы на уроках физики я применяю с седьмого по одиннадцатый класс. Это такие темы, как «Механическое движение, его виды»; «Инерция», «Механическая работа. Мощность. Энергия».

Для решения практических задач, например, при изучении тем «Простые механизмы», «Рычаги в технике, быту и природе» даю задания:

1. собрать рычаг, вычислить работу данного механизма, за какой- то промежуток времени, вычислить мощность и КПД. Также это могут быть исследования, например, увеличить или уменьшить силу, приложенную, к плечам рычага, измерить длину плеча, исследовать зависимость, приложенной силы от длины плеча и сделать вывод.

1. собрать клин, продемонстрировать его работу. Обращаю внимание на то, что данный вид простого механизма применяется при рубке дров, топор, который относится к комбинации простых механизмов — клина и рычага. Клин (лезвие топора) — разновидность механизма «наклонная плоскость», а рычаг (рукоятка топора) — разновидность рычага.

Изучение такого раздела « Работа. Мощность. Простые механизмы» в 7 классе не возможно не завершить заданием по моделированию с применением блоков и рычагов.

Конструкторы применяю при изучении тем: «Скорость. Единица скорости. Измерение скорости», «Измерение скорости равномерного движения», «Движение по наклонной плоскости». Для этого применяем демонстрации созданные детьми тележки, машинки.

«Сила трения», «Трение в природе и технике», «Рычаги в технике, быту и природе», «Движение тела по окружности с постоянной по модулю скорости» и др.

Например, модель трех (или четырех) колесной тележки – робота, мы прозвали «черепаха».

Этот робот используем при изучении понятия «Траектория».

В данном случае сначала вводиться понятие: Траектория – это линия, вдоль которое движется тело. Затем демонстрирую Робота-черепаху, показывая взаимосвязь физики и реальной жизни. Есть робот, который передвигается по линии- это линейный трассировщик, самопередвигающийся робот, который движется по заданной траектории. Этот робот с помощью сенсора следует к месту назначения по траектории, нарисованной на листе. Линейная трассировка, как правило, используется в беспилотных машинах, которые автоматически перемещают вещи на фабриках, конвейерных лентах или погрузчиках.

После демонстрации робота предлагаю учащимся следующее задание: Почему бы вам не сделать такого робота, который станет переносить вещи в вашем доме по соответствующим траекториям? Нарисуйте, как бы выглядели данные траектории.

Для данного случая создается программа, зная траекторию движения. Например, для траектории движения показанной на рисунке 1, используется программа, составленная в представленная на рисунке 2.

Для составления программы пользуемся приложениями и .

На занятиях робототехники устраиваем небольшие соревнования.

Использование робота-черепахи при обобщении материала по теме: «Равномерное движение» можно использовать следующие задания:

1. Какова траектория движения робота?

2. Вследствие чего движение роботов мы можем назвать равномерным?

3. Сравните скорость движения различных моделей роботов?

4. Определите скорость движения робота.

5. Постройте график движения роботов.

Ответы учеников

1. Прямая линия.

2. Вследствие того, что роботы за равные промежутки времени проходят равные расстояния.

3. Скорость одной из моделей роботов больше, потому что за равный промежуток времени он проходит большее расстояние.

4. Для решения измеряется длина пути и ведется отсчет времени. По полученным данным определяется скорость робота.

5. По данным, полученным в ходе выполнения 4-го задания, строится график движения модели робота.

В данном случае сборка и программирование робота осуществляется до начала урока.

После проведения данного фрагмента урока мы попросили опрос среди учащихся, который включал в себя следующие вопросы

1. Как Вы думаете, нужно ли использовать роботов на уроках физики.

2. Хотели бы Вы заниматься робототехникой на уроках физики или во внеурочное время?

3. Предложите свои способы применения роботов на уроках физики

Использование робота-черепахи в ходе проведения лабораторной работы: Изучение действия электродвигателя постоянного тока необходимо попросить учащихся собрать по инструкции модель робота-черепахи, написать программу для движения робота. А в качестве вывода ответить на ряд вопросов:

1. Назовите основные составляющие модели, позволяющие приводить в действие электромотор постоянного тока?

2. Что называется мотором.

3. Что называется электромотором постоянного тока?

4. Что собой представляет плата управления электромотора?

5. Что является следствием работы электромотора в данной модели?

6. Как можно изменить (улучшить) модель?

Рассмотрим вывод на примере робота-черепахи:

1. Основными деталями данного робота являются: процессорная плата, плата управления электромотором постоянного тока, электромотор постоянного тока.

2. Мотор - механизм, вращающий ось.

3. Электромотор постоянного тока - электрическая машина постоянного тока, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.

4. Если процессор дает плате управления электродвигателем команду прямого вращения, плата подаёт мотору электрический ток для прямого вращения. Таким образом, двигатель начнёт работать. Если процессор дает команду обратного вращения, плата управления электродвигателем подаёт электрический ток противоположной полярности.

5. Следствием работы электромотора в данной модели является движение и повороты робота.

6. Закрепить еще один электромотор постоянного тока, но уже на руках робота, что позволит роботу делать вращательные движения руками.

При данном построении урока учащиеся самостоятельно проводят эксперимент (ведь они могут использовать не только стандартную программу) что, как мне кажется, приводит к большему пониманию темы.

Использование робота черепахи при изучении оптических явлений.

Робот-черепаха использует инфракрасный датчик, чтобы определить путь для движения. Этот инфракрасный датчик может различать только черный и белый цвета, поэтому должны использоваться только черная линия на белом фоне или белая линия на черном фоне. Черный будет поглощать свет, излучаемый светодиодом, а белый отражать его. С помощью этой разницы датчик обнаружит полосу, по которой нужно ехать. В данном случае мы используем следующую программу:

Робот с помощью данной программы может выполнять движения на белом фоне по черной линии.

С помощь конструкторов рассматриваем зубчатые передачи, ременные. Ребята сами собрали ручной миксер.

Тема: Движение тела по окружности. Определите, какая передача используется в конструкции (повышающая, понижающая или нейтральная). Объясните, как при этом меняется скорость (линейная и угловая).

Диаметр ведущего колеса больше, чем ведомого. Линейные скорости одинаковые. Угловая скорость увеличивается. Повышающая передача (1 фото).

При повороте ведущего шкива на 360⁰шкивы 2,4 поворачиваются лишь на небольшой угол. Передача понижающая (2 фото).

Заключение

В заключении хотелось бы выделить следующие положительные стороны использования элементов робототехники на уроках, включающих демонстрационный физический эксперимент, а также на лабораторных занятиях по физике:

• Обработка результатов измерения физических величин может быть запрограммирована и проведена в автоматическом режиме при выполнении программы.

• Исключаются случайные ошибки измерения, связанные с использованием органов чувств человека при измерении: со скоростью реакции человека, глазомером, восприятием событий на слух и т.д.

• Непрерывный мониторинг значения физической величины в ходе эксперимента в течение указанного промежутка времени и с регулируемой частотой снятия показаний датчика от единичного измерения за всё время эксперимента до нескольких десятков раз в секунду.

• Данные эксперимента выводятся на экран на протяжении всего хода эксперимента в виде численных значений, числовой шкалы с указателем, таблиц значений и графиков функций.

• График, полученный в результате эксперимента, а также инструменты для его исследования дают дополнительные возможности для анализа закономерностей физического процесса: вывод численных данных для любой точки графика; вывод значений различных интервалов изменения величины за заданный промежуток времени; определение среднего значения величины за некоторый промежуток времени; аппроксимация графика; отображение на координатной плоскости нескольких графиков, полученных в ходе нескольких аналогичных экспериментов.

Кроме названных достоинств можно указать недостатки использования робототехнических комплексов в школьном эксперименте.

Во-первых, экспериментальная установка с применением робота требует предварительной сборки и программирования, что сопровождается затратам времени. Во-вторых, наличие инструментальной погрешности датчиковых систем и необходимость их учёта. В-третьих, это малое количество наборов конструкторов.