Самылкина Надежда Николаевна Профессор кафедры ТМОИ МПГУ, кандидат педагогических наук, доцент. Автор углубленного курса информатики. Консультант проекта «Образовательная робототехника».
		Методическая мастерская: Самылкина Н.Н. E-mail: nsamylkina@yandex.ru | Форум: Робототехника

Интеграция робототехники и естественнонаучных предметов в основной школе

Потребности страны в новой формации инженерных кадров, развитие отрасли информационных технологий влекут за собой повышение интереса и востребованности информационных систем, автоматических и роботизированных устройств в исследовательской и прикладной деятельности человека. В связи с повышением роли программируемых и самообучающихся систем, подавляющее большинство предметных областей обращают свое внимание на основы искусственного интеллекта и робототехнику. Согласно Стратегии развития отрасли информационных технологий в Российской Федерации на 2014-2020 годы, планируется до 2020 года обеспечить отрасль информационных технологий кадрами в необходимом объеме и качестве. Это дает импульс образовательным организациям на развитие дисциплин, связанных с hi-tech инженерией и программированием. Образовательные структуры уже сейчас открыто предъявляют заказ на интеграцию робототехники в образовательный процесс, начиная с начальной школы.

Прежде всего нас интересует интеграция содержания в обучении различным предметам, т.е. существуют ли связи между структурными компонентами содержания образования, позволяющие формировать целостное представление о мире, решающие общие задачи развития и саморазвития ребенка.

Процесс интеграции требует выполнения определенных условий:

• объекты изучения совпадают либо достаточно близки;
• в интегрируемых предметах используются одинаковые или близкие методы исследования;
• они строятся на общих закономерностях и теоретических концепциях.

Различают три уровня интеграции содержания учебного материала:

• внутрипредметная – общность понятий, знаний, умений и т.п. внутри отдельных учебных предметов;
• межпредметная – синтез фактов, понятий, принципов и т.д. двух и более дисциплин;
• транспредметная – синтез компонентов основного и дополнительного содержания образования, то есть возникновение интеграция не только в урочно-предметной, но и внеурочной деятельности.[1]

Может ли робототехника сейчас в основной школе интегрироваться в учебные предметы и решать образовательные задачи в полной мере, т.е. без дополнительных часов, отдельного предмета? Анализируя содержание физики, информатики и технологии, можно утверждать о близости объектов изучения этих предметов, о преобладании общих эмпирических методов исследования и общности теоретических концепций, лежащих в основе развития этих предметов на ближайшую перспективу. Остается констатировать, что в настоящее время созданы и нормативные условия для такой интеграции.

ФГОС ООО ориентирован на формирование компетенций средствами всех учебных предметов, содержательная составляющая стандарта не ограничена. ФГОС ориентирован на достижение требований к результатам освоения основной образовательной программы, которую каждая образовательная организация составляет и утверждает самостоятельно. Основная образовательная программа состоит из инвариантной и вариативной частей. За счет вариативной части ООП многие школы реализуют самый "мягкий" вариант интеграции, который не требует каких либо изменений в содержании и последовательности изучения тем по устоявшимся учебным предметам. Часы внеурочной деятельности (1 или 2) выделяют на проектную деятельность или робототехнику. Этот вариант можно считать подготовительным этапом, по которому уже прошли инновационно работающие педагоги и школы. Он позволил раскрыть возможности робототехники и заинтересовать учителей предметников, администрацию и родителей.

Наличие предпосылок к интеграционной деятельности позволяет перейти к интеграции внутрипредметной, т.е. рассмотреть возможность встраивания робототехники в содержание различных предметов с общей научной и деятельностной составляющей (технологии, информатики, физики и пр.).

В настоящее время серьезный виток в своем развитии делает предмет "Технология", в котором усилились целевой, деятельностный и мировозренческие аспекты.

Рассматривая новую концептуальную основу технологического образования, где могут изучаются современные технологические комплексы самого разного назначения, состоящие преимущественно из автоматизированных (робототехнических) систем можно констатировать возможность внутрипредметной интеграции робототехники и технологии. Содержание курса технологии можно рассматривать по общей структуре подачи материала: от крупных промышленно-технологических комплексов различного назначения до роботов-прототипов, являющихся частью технологических комплексов или самостоятельными автоматизированными системами различного назначения, которые можно воспроизвести на сборочных моделях. Деятельностная компонента внутри технологии включает планирование, проектирование, сборку и испытания моделей роботов самого разного назначения. Сборка различных роботов - это тоже ручной труд, имеющий при этом значительную интеллектуальную составляющую. Более того, предметная область «Технология» в современном понимании должна стать проекцией естественнонаучного, математического и информационного образования, формировать у учащихся практические навыки в непосредственном единстве с изучением учебных предметов естественно-научного цикла, знакомить учащихся с основами современных производств, обеспечивать включение учащихся в разнообразную «пробную деятельность», способствуя, тем самым, их профориентации и комфортному социальному самоопределению. Естественнонаучные предметы связаны с робототехникой единой целевой, вычислительной и аналитической составляющей при проведении испытаний (исследований). Это отражено в планируемых результатах освоения ООП, которые присутствуют во всех естественнонаучных предметах:

• умением проводить практические и вычислительные эксперименты с использованием цифровых измерительных приборов (датчиков). 
  При этом значительное прикладное расширение получает математический блок, при обработке результатов экспериментов, закрепляются вычислительные и аналитические навыки обучающихся.
  Этот подход можно реализовать созданием педагогических бригад - сотрудничество учителей предметников для реализации учебно-исследовательских проектов.
  Робототехника в предмете "Технология" может быть представлена теорией и практикой в объеме до 50% урочного времени и любым количеством учебного времени на внеурочную, проектно-исследовательскую деятельность. Здесь можно говорить о разных видах интеграции одновременно. Огромным позитивным шагом является то, что в явном виде робототехника представлена в курсе информатики. Отметим, что информатика в 5-6 классе представлена в ООП в вариативной части, а в 7-9 в инвариантной части. Робототехника в ПООП ООО самостоятельный блок, не выходящий на государственную итоговую аттестацию. Он включает следующие темы. 
  Робототехника – наука о разработке и использовании автоматизированных технических систем. Автономные роботы и автоматизированные комплексы. Микроконтроллер. Сигнал. Обратная связь: получение сигналов от цифровых датчиков (касания, расстояния, света, звука и др. 
  Примеры роботизированных систем (система управления движением в транспортной системе, сварочная линия автозавода, автоматизированное управление отопления дома, автономная система управления транспортным средством и т.п.). 
  Автономные движущиеся роботы. Исполнительные устройства, датчики. Система команд робота. Конструирование робота. Моделирование робота парой: исполнитель команд и устройство управления. Ручное и программное управление роботами. 
  Пример учебной среды разработки программ управления движущимися роботами.
  Алгоритмы управления движущимися роботами. Реализация алгоритмов "движение до препятствия", "следование вдоль линии" и т.п. 
  Анализ алгоритмов действий роботов. Испытание механизма робота, отладка программы управления роботом. Влияние ошибок измерений и вычислений на выполнение алгоритмов управления роботом.[2] 
  Планируемые результаты освоения ООП описывают зону ближайшего развития "обучающийся получит возможность":
• познакомиться с тем, как информация (данные) представляется в современных компьютерах и робототехнических системах;
• ознакомиться с влиянием ошибок измерений и вычислений на выполнение алгоритмов управления реальными объектами (на примере учебных автономных роботов);
• познакомиться с понятием «управление», с примерами того, как компьютер управляет различными системами (роботы, летательные и космические аппараты, станки, оросительные системы, движущиеся модели и др.);
• познакомиться с учебной средой составления программ управления автономными роботами и разобрать примеры алгоритмов управления, разработанными в этой среде.
• узнать о данных от датчиков, например, датчиков роботизированных устройств;
• получить представления о роботизированных устройствах и их использовании на производстве и в научных исследованиях.[2]

Сформулированная тематика дана в общем виде. Любые конкретные действия по сборке и программированию роботов подходят под этот блок. В качестве примера учебной среды разработки программ управления движущимися роботами в 5-6 классах лучше рассматривать графические языки (NXT-G, ROBOLAB, LabView) для использующих Lego Mindstorms NXT, для работающих со следующим поколением конструкторов Lego Mindstorms EV3 используется ПО для EV3. Полученный в 5-6 классе практический опыт конструирования и управления различными автономными устройствами (роботами) серьезно повлияет на успешность дальнейшего образования. Именно на практический опыт, согласно теории когнитивного развития удачно накладывается любая теория (кодирование, моделирование, программирование и пр.). При этом создаются условия для мыслительного конструирования содержательных соединений между знаниями. Таким образом, опыт трансформируется в знания, навыки, личностные качества, ценности

В 7-9 классах информатика изучается как инвариантный компонент учебного плана. Раздел по робототехнике не является обязательным для контроля, поскольку выделен курсивом в примерной программе, по этой же причине тема не выходит на итоговую аттестацию.

Учителя информатики будут прежде всего ориентироваться на обеспеченность конструкторами (типами платформ), и доступностью сред программирования к ним. Если в школе имеется только один тип конструкторов, например Lego Mindstorms EV3, то робототехника может присутствовать в учебном плане в 5-6 классе (в вариативной части) или обязательно в 7 классе в урочной (инвариантной) и внеурочной (вариативной) части.

Если информатика изучается только в 7-9 классах, то весь блок робототехники из примерной программы может быть реализован, таким образом:

• на одной платформе в 7 классе,
• на нескольких платформах в течение двух (7-8) или трех лет (7-9).

При наличии возможности использования помимо Lego Mindstorms EV3 других комплектов (на платформе Ардуино и пр.) виды конструируемых автономных роботов будут усложняться. Усложняются также и программы управления такими роботами. Осуществляется переход на объектно-ориентированный язык программирования. Нетрудно заметить, что программистская составляющая блока по робототехнике значительно усилена в основной школе. Это происходит не случайно. Существенно усложнились требования ФГОС СОО (старшей школы) в части изучения алгоритмов и программирования. Это безусловно требует не только усиления внимания к этим темам в основной школе, но и некоторой коррекции последовательности изучения тем. Поскольку в основной школе программирование считается одной из самых сложных тем курса информатики, акцент делается на прикладное использование программных сред (учебной среды разработки программ управления движущимися роботами). Устоявшееся мнение, что материал по программированию можно изучить одним блоком в каком-либо классе с опорой на язык структурного программирования не позволит успешно разрешить проблему недостаточной программистской подготовки.

Итак, самым рациональным подходом является реализация блока робототехники в два приема (5-6 или 7-8 классы, на одной или двух платформах), но при этом содержание информатики должно быть выстроено линейно, обеспечивая возможность управления роботами с самого начала изучения курса. Далее к 9 классу обучающийся определяется с дальнейшей предпрофильной и профильной траекторией собственного образования. Таким образом, в теории и практике реализуется концентрический принцип, характерный для внутрипредметной интеграции именно робототехники в курс информатики, но с обеспечением линейности самого курса информатики основной школы.

При этом очевидно, что в сотрудничестве с учителями других предметов может быть реализован выход на комплексные межпредметные исследовательские и проектные работы в режиме интеграции урочной и внеурочной деятельности. Это путь к транспредметной интеграции.

Как правило, к 9 классу математически более благополучные обучающиеся могут выбрать олимпиадное направление подготовки и серьезно заняться программированием (олимпиады по информатике и ИКТ-ориентированные специальности), с инженерным (конструкторским) мышлением продолжат занятие робототехникой с узко специализированными средами программирования (олимпиады по робототехнике и инженерные специальности) либо это области деятельности не связанные с техникой и ИТ-технологиями.

Интегрируя робототехнику в полном объеме в курс информатики основной школы обеспечивается возможность успешного изучения современного углубленного курса информатики в старшей школе (УМК Калинина И.А., Самылкиной Н.Н.) [3,4] для тех, кто выбрал отрасль информационных технологий или высокотехнологические инженерные специальности как свою будущую профессиональную деятельность.

Для реализации транспредметной интеграции в окружение УМК по технологии, информатике, физике должны быть сборники интегрированных учебно-исследовательских проектов. Проекты должны быть предложены с избытком, для обеспечения учащимся выбора в соответствии с индивидуальными интересами. Тематика проектов должна предусматривать наличие у учащихся необходимых для выполнения знаний и умений, полученных на других предметах естественно-математического блока. Для расширения возможностей реализации творческих идей можно использовать дополнительные сборники проектов различной направленности (олимпиадная робототехника, экстремальная робототехника, военная и антитеррористическая робототехника, космическая робототехника). Именно выход на проектную деятельность по разнообразной тематике обеспечивает транспредметную интеграцию.

Следовательно, можно утверждать, что использование робототехнических комплексов расширяет научную и практическую составляющую сразу многих школьных предметов, позволяя решать не только учебные, но и проектно-исследовательские задачи межпредметного содержания, тем самым активизирует учебно-познавательную деятельность (одна из задач ФГОС ООО), обеспечиваются как научные основы изучаемых дисциплин, так и прикладная составляющая.

Выводы: Исходя из предлагаемого содержания и планируемых результатов освоения основной образовательной можно утверждать следующее.

• Робототехника интегрируется с содержанием технологии, физики, информатики в урочной деятельности, за счет близости объектов изучения этих предметов, о преобладании общих эмпирических методов исследования и общности теоретических концепций, лежащих в основе развития этих предметов на ближайшую перспективу.
• Новая концептуальная основа технологического образования, ведет к изменению содержание курса технологии. Деятельностная компонента внутри технологии должна включать: планирование, проектирование, сборку и испытания моделей роботов самого разного назначения.
• Робототехнические темы встраиваются в темы по информатике, расширяя сферу применения знаний и умений по линиям: информационных процессов в технических системах, моделирования сложных технических систем и управления ими, алгоритмической и программисткой линии в практической реализации.
• Поскольку робототехнические темы не могут быть освоены без их практической реализации, ПООП предполагает достаточный мягкий подход . Категория планируемых результатов "обучающийся получит возможность научиться" ориентирована на зону ближайшего развития. При наличии даже минимального оснащения робототехническими комплектами можно планировать переход к результатам данной категории.
• Внутрипредметная интеграция робототехники в курс информатики позволяет выстроить целостный линейный курс информатики основной школы.
• Именно робототехнический блок в курсе информатики основной школы является основной точкой содержательного роста самого предмета, показывая современные направления развития отрасли информационных технологий и трансформацию инженерных профессий уже в основной школе.
• Естественнонаучные предметы связаны с робототехникой единой целевой, вычислительной и аналитической составляющей при проведении испытаний (исследований).
• В сотрудничестве с учителями других предметов (педагогическая бригада) может быть реализован выход на комплексные межпредметные исследовательские и проектные работы в режиме интеграции урочной и внеурочной деятельности, тем самым обеспечивая пропедевтику инженерной культуры и профессиональную ориентацию обучающихся.

Литература:

1. Бондаревская Е.В., Кульневич С.В. Педагогика: личность в гуманистических теориях и системах воспитания: Учеб. пособие для студентов средних и высших педагогических учебных заведений, слушателей ИПК и ФПК. Ростов н/Д, 1999. 560 с.
2. Примерная основная образовательная программа основного общего образования. http://fgosreestr.ru
3. Калинин И.А., Самылкина Н.Н.. Информатика. Углубленный уровень: учебник для 10 класса. М:, «БИНОМ. Лаборатория знаний», 2013, 256 с.:ил.
4. Калинин И.А., Самылкина Н.Н.. Информатика. Углубленный уровень: учебник для 11 класса. М:, «БИНОМ. Лаборатория знаний», 2013, 216 с.: цв. вкл.

Организация проектной деятельности школьников средствами образовательной робототехники