Формирование инженерного мышления младших школьников посредством программирования на основе LEGO WeDo.

Автор статьи:
Изместьева Е.Н.
Учитель начальных классов
МБОУ «СЭЛ № 45»

Быстроменяющийся мир предъявляет серьезные требования к современным детям, живущим в веке развития нанотехнологий, электроники, механики и программирования.
В действующем мире востребована личность, обладающая свойствами инженерного мышления. Это человек, который сам может ставить цели в своей работе, планировать пути их осуществления, регулировать и оценивать свои достижения, работать с разнообразными источниками информации, формировать собственное мнение и оценку.

Профессионалы, обладающие этими качествами необходимы в современном производстве и промышленности.

Однако молодежь не стремится выбирать инженерные профессии. А это серьезная проблема, тормозящая развитие экономики страны.

Начинать готовить таких специалистов нужно с самого младшего возраста. Миссия современного образования вернуть интерес молодежи к научно-техническому творчеству. В этом педагогу может помочь робототехника, которая знакомит детей с наукой в форме игры.

Собирая модель, ученики не только расширяют свои знаниями по математике, окружающему миру, но и играя знакомятся с основами электроники, механики, физики и программирования. Таким образом, сборка модели, исследование поведения модели, на основе построенного алгоритма, позволяет учащимся самостоятельно овладеть первичными знаниями из разных наук, что помогает повысить интерес к новой науке в образовании - робототехнике.

Использованию LEGO - конструкторов в образовательном процессе имеет и ряд своих преимуществ таких как:
• универсальность: использование на любой ступени обучения;
• межпредметность: получение знаний из разных школьных предметов;
• нетрадиционность: подача нового материала в нетрадиционной для урока форме.
Предлагаю познакомиться с конструктором LEGO Education WeDo™ и понять, каким образом он помогает в развитии инженерных способностей.

В набор Лего 9580 входят:

1. 158 элементов;
2. USB LEGO-коммутатор (подключается к компьютеру). Через коммутатор осуществляется управление датчиками и моторами при помощи программного обеспечения WeDo.
3. Мотор.
4. Датчик наклона. Сообщает о направлении наклон; различает шесть положений.
5. Датчик расстояния. Обнаруживает объекты на расстоянии до 15 см.
6. Программа понятна и проста в работе для учащихся начальных классов. Её ребенок составляет из готовых блоков, перетаскивая их на рабочее поле. После включения программы модели начинают двигаться.

На первых занятиях дети знакомятся с первыми механизмами. Здесь происходит знакомство детей с основами построения механизмов и программирования (создания программ к механизмам). Новые понятия для детей: мотор, ось, зубчатое колесо, червячное колесо, передача, виды передач и т.д.

Приведу фрагмент занятия по Лего-конструированию из «Книги для учителя» (ПервоРобот LEGO ® WeDo™ Книга для учителя – электронный вариант).

• Модель какой передачи изображена? (Прямой передачи)
• Как называется зубчатое колесо, которое насажено на ось мотора? (Ведущее)
• Как называется второе зубчатое колесо? (Ведомым)
• В какую сторону передают вращения зубчатые колеса на данном рисунке? (Если ведущее вращается по часовой стрелке, то ведомое против часовой стрелки и наоборот)
• Каким образом мы можем увеличить скорость вращения ведомого зубчатого колеса? (Поставить на его место маленькое зубчатое колесо)
• Как называется такая передача? (Повышающая)
• А как называется передача на следующей схеме? (Понижающая)
• За счет чего происходит понижение скорости передачи? (За счет увеличения количества зубьев)
• Назовите вид следующей передачи. (Холостая передача)
• Как называется промежуточное колесо? (Промежуточное холостое колесо)
• Почему его так называют? (Потому что оно не совершает никакой работы)
• Для чего используется холостое колесо? (Изменяет направление вращения следующего колеса или «удлиняет» передачу)
• Таким образом промежуточное зубчатое колесо не изменяет ни скорости вращения, ни предаваемого усилия в зубчатой передаче.

После знакомства с простыми механизмами учащиеся переходят к работе с механическими моделями.

Комплект содержит 12 заданий. Все задания снабжены анимацией, пошаговой сборочной инструкцией и подробным описанием в книге для учителя.
В книге для учителя в разделе «Занятия. Рекомендации учителю» приведены идеи по организации уроков, выполненные по циклу установление взаимосвязей, конструирование, рефлексия, развитие.

Задания комплекта сгруппированы в четыре раздела «Забавные механизмы», «Звери», «Футбол» и «Приключения», каждый из которых имеет свою предметную область, на которой фокусируется деятельность учащихся.

В разделе «Забавные механизмы» основной предметной областью является физика. Здесь ребята знакомятся с зубчатыми и ременными передачами и передаточными отношениями, рычагами и кулачками. В разделе «Звери» основной предметной областью является технология, реакция системы на окружение. Здесь идет работа с датчиками наклона и расстояния. Раздел «Футбол» сфокусирован на математике. Учащимся надо измерять расстояния, вести подсчет голов и промахов, выставлять баллы в конкурсе.

Раздел «Приключения» посвящен развитию речи. От учащихся требуется отвечать на вопросы, выстраивать диалоги и описывать приключения.
На каждом занятии дети не только собирают модель по готовой инструкции, но и проводят исследования и эксперименты.

Этап развития на занятии «Обезьянка-барабанщица». Фрагмент занятия взят из «Книги для учителя» (ПервоРобот LEGO ® WeDo™ Книга для учителя – электронный вариант).

Детям предлагается в ходе эксперимента заполнить таблицу. В таблице данных они фиксируют изменения положения кулачков, а также то, как каждое положение влияет на характер движений рычагов.

Закончив исследование кулачков и рычагов, обсуждаются выводы для таблицы данных.

Учитель просит учеников описать, что они видят и слышат, когда один кулачок сориентирован вверх, а другой – вниз, как это показано в первом ряду таблицы. (Когда одна рука обезьянки поднимается, то другая опускается. При этом раздаётся равномерная барабанная дробь с частотой примерно два удара в секунду.)

• Что происходит после изменения положения правого кулачка, как показано во втором ряду таблицы? (Обе руки по-прежнему поднимаются и опускаются в разное время, но ритм барабанной дроби изменится: тук-тук-пауза. При этом частота стука составит те же два удара в секунду.)
• Что происходит после добавления ещё одного кулачка с правой стороны, как показано в третьем ряду таблицы? (Правый рычаг поворачивается и наносит удары вдвое быстрее левого рычага. При этом частота стука возрастает до трёх ударов в секунду: быстрые тук-тук-тук-пауза.)
• Что происходит после добавления ещё одного кулачка с левой стороны? (Руки опять поднимаются и опускаются не одновременно, но в два раза быстрее, чем в первом примере, с частотой четыре удара в секунду: тук-тук-тук-тук.).

Такая работа развивает у учащихся способности и умения самостоятельно искать, анализировать, отбирать, обрабатывать и передавать необходимую информацию, делать выводы.

В МБОУ «СЭЛ № 45» я второй год ведут дополнительные занятия по LEGO –конструированию для 2 а класса. В этом году я разработала свою программу по лего-конструрованию. Программа рассчитана на один год. Курс предназначен для детей, которые уже прошли обучение по программе Перворобот LEGO® WeDo™ (LEGO EducationWeDo) и знакомы с основами программирования и построения механизмов. Одним из главных направлений курса является совершенствование опыта конструирования, составления программ и разработку технических моделей. При продумывании собственных конструкций моделей, анализа и корректировке предложенных, повторении теоретического материала происходит закрепление и усовершенствование умений и навыков, полученных в первый год обучения.

Занятия проводятся 2 раза в неделю по 2 часа. Все занятия делятся на 2 вида: «Я – исследователь», «Я-конструктор».

На занятиях «Я-исследователь» дети вспоминают необходимый теоритический материал при помощи фронтального опроса, тестирования или разгадывания кроссвордов.

Основное время отводится для самостоятельного моделирования с элементами программирования по готовой инструкции. Следующий этап направлен на дальнейшую исследовательскую работу. Учащиеся изучают, какое воздействие производит замена деталей, изменение мощности мотора, время его работы, включение дополнительным команд на поведение модели в целом. На этапе рефлексии выполняется оценка работы, в которую входит самооценка, взаимооценка и оценка учителя.

Занятия «Я –конструктор» посвящается творческой самостоятельности. Для установления взаимосвязей учитель знакоми детей с темой, побуждая их к диалогу, и предлагает им самостоятельно собрать модель по предложенной теме. После оценивания работы, полученные баллы заносятся в таблицу. В конце каждой четверти дети проводят выставки своих лучших работ на общелицейских линейках.

Для отслеживания результатов используются различные формы подведения итогов реализации программы: выставки работ, конкурс моделей, презентация творческих работ, демонстрация моделей.

Основным критерием оценки является папка достижений каждого учащегося. В папке собираются проверочные работы по знанию теоретического материала, фотографии детских моделей и таблица оценки результатов. Вся работа оценивается в баллах. Дополнительные баллы ученик получает за участие и призовые места в конкурсах (от 3 до 6 баллов) и знание теоретических вопросов (от 1 до 3 баллов)

В конце года подводится итог по общему количеству баллов. Разрабатывается шкала усвоения программы в баллах:

• высокий уровень- 240- 340 баллов;
• средний уровень - 160-240 баллов;
• низкий уровень – менее 160 баллов.

Образовательные конструкторы LEGO Education WeDo представляют собой новую, отвечающую требованиям современного ребенка "игрушку". Но в то же время эта «игрушка» помогает учителю и в образовательном процессе:

• позволяет облегчить трудный период адаптации первоклассников к школе;
• оказываются наиболее предпочтительными наглядными пособиями в силу своей универсальности;
• придает наглядность абстрактным понятиям, что облегчает усвоение учебного материала. Маленькому ребенку трудно даются абстрактные понятия, в то же время манипулирование теми или иными предметами помогает привязать эти понятия к тактильному и двигательному опыту ребенка;
• LEGO - кирпичики обладают дискретными свойствами (размером и цветом), поэтому их удобно классифицировать, сравнивать, производить над ними арифметические действия;
• усовершенствована обратная связь: учитель видит результат с большого расстояния и легко корректирует работу отстающих детей;
• постоянный массаж мелкой мускулатуры рук;
• можно использовать на всех этапах урока, в любых программах.

Использовать конструкторы можно на любых уроках в начальной школе: математике, литературе, технологии, окружающем мире и других. На уроках математики можно наглядно раскрыть для детей темы: «Состав числа», «Единицы длины дециметр и миллиметр». На уроках окружающего мира: «Кто такие животные?», «Виды транспорта», «Город и село» и т.д.

Можно с уверенностью сказать, что использование LEGO способствует развитию инженерного мышления, т.е. учит детей учиться, самостоятельно ставить перед собой учебные цели, разрабатывать пути их достижения, оценивать свои достижения.