​Самостоятельный физический эксперимент в современном типовом и цифровом кабинетах физики при реализации Федерального государственного образовательного стандарта

Информатизация образования, происходящая на современном этапе развития общества, открывает новые возможности и перспективы развития системы образования в целом. Использование информационных и коммуникационных технологий в системе образования изменяет дидактические средства, методы и формы обучения, влияет на педагогические технологии, тем самым преобразуя традиционную образовательную среду в качественно новую – ИКТ-насыщенную образовательную среду.

Организация педагогической деятельности в условиях ИКТ-насыщенной образовательной среды предполагает соответствующие изменения во взаимодействии между главными субъектами образовательного процесса учащимися и педагогами. Изменяются цели, методы, средства, связанные с распространением новых способов работы с информацией, совершенствуются традиционные дидактические средства и появляются новые.Я.Коменский впервые в истории дидактики указал на один из принципов, которым надо руководствоваться в обучении, – принцип сознательности и активности. Внедрение ИКТ в обучение наряду с положительными аспектами вносит и некоторые негативные факторы при реализации принципа активности. У учащихся ослабляется способность к самостоятельному творческому мышлению, так как для компьютерных обучающих программ свойственна дигитализация – приспособление мышления человека к определенным правилам и моделям, ориентация на формальные логические структуры, замена многозначности на формальную однозначность. Так как ученик получает знания, опосредованные сознанием разработчиков программ, отсутствует прямое исследование действительности. Создатели программ стремятся сделать свой материал простым и нетрудоемким, и это приводит к развитию пассивности усвоения информации.Во многом решить перечисленные проблемы информатизации образования помогает проведение лабораторных работ и экспериментов на уроках естественно-научного направления. Для этого надо знать как и уметь работать руками. Реализовать методику сенсорного развития интеллекта на фоне повсеместного исчезновения в школах мастерских трудового воспитания стало крайне проблематично без применения технологий LEGO-педагогики. Сертифицированные для использования в школе наборы фирмы LEGO уже давно широко применяются в предметной области технологии. Познакомимся с возможностями применения конструкторов LEGO в самостоятельном физическом эксперименте на уроках и во внеурочной деятельности в школе.Оговоримся сразу, что эта деятельность предъявляет дополнительные требования к ИКТ-компетенции учителя-предметника. Здесь становится важным не столько высокий уровень владения персональным компьютером, сколько знание основ программирования и конструирования. Это не так сложно. Существуют подробные и понятные инструкции по сборке несложных роботов, необходимых для проведения экспериментов. А предлагаемый инженерный язык программирования, имеющий графический интерфейс, позволит, не вдаваясь в подробности, получать превосходные результаты уже на ранних стадиях его изучения и использования.Рассмотрим подробнее особенности  такой увлекательной IT-деятельности.Традиционная методика проведения исследования при демонстрационном эксперименте на уроках физики хорошо известна. С помощью датчиков проводятся замеры исследуемых характеристик поля. Как правило, замеры проводятся в нескольких точках,  чаще всего случайным образом размещенных в пространстве. В таком эксперименте можно говорить лишь о качественных характеристиках процессов.Краткая схема исследования при демонстрационном экспериментеЕсли попробовать использовать в эксперименте роботизированные тележки и установки с возможностью позиционирования в пространстве, то можно получить более детальное описание исследуемого физического процесса. В этом случае надо написать несложную программу перемещения робота в пространстве и, возможно, запрограммировать обратную связь поведения робота в зависимости от показаний датчиков. Появляется необходимость в проработанном сценарии проведения исследования. Краткая схема робототехнического исследованияТехнология робототехнических исследований основана на использовании конструктора LEGO NXT Mindstorms Educational. В комплект входят 32-битовый микроконтроллер ARM7 AT91SAM7S256 с графическим жидкокристаллическим дисплеем, беспроводной канал Bluetooth, скоростной порт USB; четыре порта входа для подключения датчиков, три порта выхода для подключения активных устройств (моторов, лампочек, гудков), громкоговоритель с аудиоканалом 8 бит квантование. Прилагаются штатные датчики, набор которых довольно разнообразен. Конструкции роботов могут быть очень сложные или предельно простые. Все зависит от выделяемого на эксперимент времени и желания школьника конструировать и модифицировать конструкцию робота. Во многих экспериментах можно использовать самоходную тележку унифицированной конструкции. Можно один раз собрать робота и потом проводить с его помощью серию разнообразных экспериментов. Уже более пяти лет многие школы России оснащены этим оборудованием, кафедры робототехники и автоматизации многих российских технических вузов проводят со студентами лабораторные работы на этом оборудовании, и у родителей, думающих об образовании своих детей, уже сформировалась замечательная традиция приобретать эти конструкторы в качестве новогодних подарков. Более пяти лет ЦИТУО ведет подготовку педагогов для работы с этим оборудованием, проводит защиту проектов. Можно с уверенностью сказать, что этот робототехнический конструктор имеет методическую поддержку.Остановимся на выборе среды программирования. Предлагается использовать современную инженерную среду графического программирования LabVIEW фирмы National Instruments. Выбор этот неслучаен. LabVIEW является фактическим стандартом автоматизации эксперимента в современной науке и производстве. Это язык программирования высокого уровня позволяет составлять программы с сокращенными временными затратами и минимальной подготовкой программистов-школьников. Он нагляден и понятен, так как имеет графический интерфейс и вся программа представляется в виде схемы. Как учитель информатики, замечу, что все виды алгоритмических структур легко и быстро постигаются в этой среде программирования. Она современна и очень нравится учащимся.Мы кратко обсудили вопросы конструирования и программирования автономного робота. Как же нам может помочь робот при проведении экспериментов?Прежде всего  это автоматизация эксперимента для повышения точности измерений. Имея робота, оснащенного моторами с энкодерами, датчиками угла поворота, можно снимать показания с датчиков в очень большом числе точек пространства, сохранять эти измерения, обрабатывать их, строить графики изменения физических величин, выводить несколько графиков на одно окно. При всем при этом показания будут сниматься с постоянным, заданным дискретом по времени или по пространству. За этим будет следить компьютер. А наша задача – регулировать и при необходимости изменять любые параметры сбора данных.Вторая важная особенность робототехнических экспериментов – синхронизация измерений показаний нескольких датчиков. Робот считывает показания одновременно с нескольких (штатный режим – до четырех, но возможно увеличение до 16) датчиков. Причем режим считывания показаний у каждого датчика задается независимо. Например, показания одного датчика мы хотим запоминать чаще, чем другого. Запрограммировать более сложный режим запоминания показаний датчиков несложно.Если запрограммировать движение робота, то можно осуществлять и пространственное исследование поля, а более точное позиционирование датчика в пространстве позволит строить изолинии характеристик полей физических величин, а это уже серьезный эксперимент. Для увеличения точности измерений при робототехническом эксперименте используют более точные и профессиональные датчики – датчики Верньер (Viernier). С помощью адаптера Vernier NXT эти датчики подключаются к роботизированным устройствам LEGO NXT Mindstorms Educational. Насчитывается более 30 таких датчиков, предназначенных для измерения различных параметров, начиная от температуры и силы и заканчивая уровнем освещенности, интенсивностью ИК-учения и значением pH. По размеру данное устройство немного больше акустического датчика LEGO. Отметим, что по сравнению со штатными датчиками LEGO NXT Mindstorms Educational эти датчики имеют более широкий диапазон измерения величин и высокую точность. Поэтому эти датчики позволяют проводить более тонкие измерения. В среде программирования LabVIEW имеется специальная палитра функций работы с Верньер датчиками, это не усложняет программирование роботов с датчиками Верньер при проведении экспериментов.В заключение сделаем некоторые выводы.Конструирование экспериментальной установки, работа по позиционированию робота, доработка сценария исследования, программирование обработки данных и поведения робота – все эти составляющие роботизированного исследования позволяют проводить прямое исследование действительности, применяя дидактический принцип сознательности и активности. Использование робототехнического моделирования – это способ поднять интерес к экспериментальной работе, развития творческих способностей учащихся, формирования мотивации к инженерному труду и творчеству.БЕЛИОВСКАЯ Лидия Георгиевна, к.ф.-м.н., учитель информатики высшей квалификационной категории, руководитель Зеленоградской лаборатории робототехники на базе ГБОУ лицея №1557 г. Москвы