ВИКОРИСТАННЯ LEGO – ТЕХНОЛОГІЙ ДЛЯ РОЗВИТКУ ТЕХНІЧНИХ ЗДІБНОСТЕЙ УЧНІВ

Мітленко Л.О.

Використання Lego – технологій  для розвитку технічних здібностей учнів 

Розум дитини знаходиться на кінчиках її пальців
В.О. Сухомлинський

 Розвиток сучасної педагогічної науки передбачає  модернізацію існуючих педагогічних підходів та створення нових педагогічних технологій. Найважливішою  відмінністю сучасних освітніх стандартів освіти  є орієнтація на освітні  результати.  Діяльність виступає як зовнішня умова  розвитку пізнавальних процесів у дитини. Таку стратегію  навчання легко реалізувати використостовуючи  навчальне середовище Lego .

На сьогодні  Lego – одна з найпоширеніших та найвідоміших  педагогічних систем, що широко використовує тримірні моделі реального світу та предметно-ігрове середовище навчання та розвитку дитини.  Перспективність використання Lego зумовлена її високими  освітніми можливостями: багатофункціональністю,  технічними та естетичними  характеристиками, використанням у різних ігрових та навчальних зонах.

За допомогою Lego – технологій  формуються навчальні досягнення різного рівня,  таким чином дотримується  ключовий принцип Lego – педагогіки –  навчання «крок за кроком» у власному темпі , від простого до складного.

Lego в перекладі з латині означає «я вчуся», «я складаю». Найпростіший будівельний блок Lego, що складається з різнокольорових цеглинок,  які легко прилипають одна до одної, був придуманий ще в 1949 році датчанином Оле Кірком Крістіансеном. А в 1960 році до цеглинки були додані колеса, мотори, пропелери та інші складові необхідні для створення рухомих іграшок. З тих пір конструктор безперервно удосконалюється

Для малюків у віці до 2 років існують набори «Lego Primo», що розвивають рух, слух і зір дитини: вони яскраві, захоплюючі і видають забавні звуки.

За допомогою наборів «Lego Duplo» для дітей від 1,5 до 5 років можна «приміряти» професії пожежників, лікарів, гонщиків, льотчиків, водіїв, фермерів.

Більш складні набори «Lego Freestyle» для дітей від 3 до 12 років дають можливість побудувати будь-яку модель, створену дитячою уявою. З них можна збирати будинки, тварин, всілякі транспортні засоби, в тому числі такі, якими можна керувати на відстані.

«Lego Technic» для дітей від 9 до 16 років представляє набори транспортних засобів: гоночні автомобілі, всюдиходи, машини-амфібії, вертольоти, підводні човни і так далі. Є набори для початківців і набори більшої складності. Ускладнена модель розрахована на більш трудомісткі технічні рішення, наприклад, оснащення потужним електричним мотором, звуковими ефектами і «кодовим пілотом», який програмує безліч робочих операцій.

Lego сприяє зростанню інтелектуальних можливостей, і цю інноваційну технологію можна розглядати як важливий педагогічний ресурс.

 На сьогодні  в Украні  існує система  навчання Lego Education, яка дозволяє  ознайомити учнів з рядом навчальних курсів.

Курс «Основи робототехніки WeDo»  надає унікальну можливість дітям  молодшого шкільного віку освоїти  основи робототеніки, створивши 12 діючих моделей. Завдяки датчикам повороту та відстані створені конструкції реагують на  оточуючий світ. За допомогою програмування дитина наділяє інтелектом свої моделі та використовує їх для розв’язку задач з курсу природничих наук, технології , математики, розвитку мови.

Вивчення курсу «Наука та технологія»  сприяє розвиткові дослідницьких здібностей учнів під час  проектування, конструювання, тестування та модифікації навчальних моделей. В процесі активної роботи над моделями учні  вивчають фізичні поняття : сили, тиску, швидкості, енергії, сили тертя, інерції, коефіціенту корисної дії та інш. Учні вчаться  проводити дослідження, вивчають способи вимірювання фізичних величин, та оцінки результатів вимірювання,  прогнозують результати своєї дільності, аналізують отримані результати. Окремий розділ курсу «Пневматика» дозволяє учням  ознайомитись  з будовою та принципом дії пневматичних машин та пристроїв. На кожному занятті учні збирають моделі, повязані з реальним життям, досліджують її, тестують , удосконалюють,  записують результати, замальовують ескізи.

Мотиваційним полем для вивчення шкільної  інформатики може стати курс  «Вступ до робототехніки». Серед його завдань – створення умов  для розвитку інтересу до техніки, конструювання, програмування, високих технологій, формування  навичок колективної праці та творчої особистості.

Необхідною умовою для роботи з таким курсом є наявність комп’ютерного класу з ОС Windows або Mac OS та навчально-методичного комплекту, що включає довідник для вчителя та учня по базовим моделям, зошит практичних робіт для учнів, базовий набір-конструктор робота LEGO Mindstorms, розширений набір-конструктор робота LEGO Mindstorms, компакт-диск з програмним забезпеченням.

Вивчаючи основи робототехніки за такою програмою, вчитель  має змогу навчати учнів через дію, тобто дитина створює реальні речі в матеріальному світі і одночасно набуває знань. Кожне завдання реалізує циклічну модель, яка базується на чотирьох освітніх складових: взаємозв’язку, конструюванні, рефлексії та розвиткові.

Проектуючи навчальні заняття, слід спиратись на основний методичний принцип - все пізнається через працю, через подолання власних помилок, через процес вирішення завдань. Цей принцип визначає структуру занять і форми роботи, яка повинна сприяти підвищенню мотивації діяльності учня.

Все вищесказане дає можливість широко впроваджувати у навчально-виховний процес конструювання, успішність якого залежить від рівня розвитку мислення та сприйняття дитини. Щоб побудувати конструкцію  за допомогою елементів Lego, школярі змушені будуть  обстежити об’єкт , виокремити його складові, проаналізувати їх, оцінити розміри, розташування у просторі, замінити одні деталі  іншими в разі необхідності. Для того, щоб  процес конструювання  був успішним дитині необхідно уявляти невидимі деталі та майбутню конструкцію в цілому у різних проекціях.  Під час занять    Lego – конструювання   виконують по зразку, по моделі, по задуму, по умовах,  по кресленням та наочним схемам або по темі. Створення конструкцій за допомогою Lego розкриває можливості дитини,  формує рівень його уявлень про навколишній світ, виявляє творчі здібності, закладає основи проектної діяльності учнів, вчить планувати і самостійно виконувати творчі завдання, допомагає дітям втілювати в життя свої задумки, будувати і фантазувати, захоплено працюючи на кінцевий результат, стимулює  бажання рухатись шляхом відкриттів і досліджень, додає впевненості у власних силах.

  Слід відмітити, що Lego можна з успіхом використовувати під час  викладання  ряду начальних предметів  , зокрема фізики, математики, інформатики, креслення , образотворчого мистецтва, трудового навчання тощо. Наприклад, на уроках математики у початковій школі  за допомогою Lego  з успіхом можна розв’язувати різноманітні задачі  на побудову логічних  ланцюжків, вивчення складу числа, складання таблиць додавання та віднімання, складати таблицю множення, вивчати  ділення, розв’язувати рівняння. Незамінною є використання Lego - технології під час вивчення  найпростіших геометричних фігур,поняття периметра та площі, одиниць площі, рівних фігур та симетрії. 

Існує методика навчання вмінню робити звукобуквенний аналіз   на уроках української мови за допомогою  цеглинок Lego.

Але особливої уваги заслуговує  курс «Основи робототехніки». Всю  навчальну діяльність учнів під час оволодіння цим курсом  можна поділити на окремі блоки : вивчення будови робота, знайомство з середовищем програмування,  програмування лінійних  та  циклічних алгоритмів, вивчення розгалуження, вивчення логічних команд, розв’язування класичних завдань із змагання роботів. На перших заняттях з робототехніки учнів слід ознайомити із складовими набору. Набір Lego Mindstorms Education складається з 431 деталі, які в свою чергу поділяються на 5 великих груп  : електронні компоненти ( NXT, датчики, сервоприводи, сполучні кабелі); шестерні осі, колеса;з’єднувальні елементи; будівельні елементи ( блоки, балки, пластини); спеціальні деталі.

Головною частиною будь-якої роботизованої системи , створеної за допомогою  Lego Mindstorms є блок NXT, який можна програмувати. До роз’ємів, що є на корпусі NXT  можна підключати датчики:

• Порт 1: Датчик дотику
• Порт 2: Датчик звуку - мікрофон
• Порт 3: Датчик освітленості
• Порт 4: Ультразвуковий датчик

Для програмування руху робота необхідно підключити сервомотори. В залежності від конструкції  мотори або лампи можуть бути підключені до вихідних портів A, B, або C. Найчастіше порт В резервують як двигун приводу лівого колеса , порт C як двигун приводу правого колеса двох-моторного шасі.

Напростішим  способом програмування робота є використання  простого у використанні вбудованого в NXT редактора програм. Для цього слід  вибрати підменю NXT Program .  Вивчаючи даний матеріал, можна запропонувати учням розв’язати наступну задачу « Рух у темряві».

Уявіть собі, що робот повинен рухатись у суцільній темряві. Використовуючи меню NXT, створіть таку програму, яка б дозволяла роботу рухатись вперед, а під час торкання об перешкоду повертати вліво і  т.д., доти, поки програма не буде зупинена користувачем.

Розв’язком задачі  буде виконання наступних дій : Forward (уперед) - Touch (дотик) - Move left( рух вліво) -  Loop (Цикл). Для  виконання програми роботом необхідно натиснути Run (Пуск). Схематично це виглядає так  :

Наступним етапом  вивчення курсу «Вступ до робототехніки» є формування  в учнів навичок роботи з програмним середовищем Lego Mindstorms Education.  Якщо програма інстальована ,  почати роботу з нею можна за допомогою наступних команд Пуск - Lego Mindstorms Education NXT.

При запуску програми відкривається головне вікно :

Розпочати ознайомлення учнів  з  Lego Mindstorms Education  слід з короткої презентації , що демонструє основні прийоми роботи  у середовищі , основні функції програми. Всі створені у  Lego Mindstorms Education  програми матимуть розширення *.rbt, за допомогою вікна  можна буде створити новий файл, що програмуватиме дії складеного учнем робота. Відповідно  з переліку можна знайти та відкрити , створений раніше файл   та відкоректувати його. Командне меню та палітра інструментів  подібна до аналогічних піктограм програм, що вивчаються в курсі інформатики, тому учням буде легко оволодіти ним. Вікно підказки  дозволяє отримати більше інформації про об’єкт , на який наведено курсор. Інструктор з робототехніки  дозволяє дістати детальну інформацію щодо технічних моментів конструкції та програмування  моделей роботів, що вивчаються.

Зручною опцією є  - це можливість підключитись до ресурсів Інтернету ( наприклад, http://www.legoengineering.com/, http://www.mindstormseducation.com/), що дозволяє швидко знайти відповіді на запитання , що виникають під час створення проектів.

 дозволяє відкрити вибраний раніше профіль. Профілі користувача дозволяють організувати спільну роботу кількох людей на одному комп'ютері. У кожного користувача є своя власна папка, де він зберігає свої файли, не заважаючи іншим.

Для створення програми треба ввести в поле   ім’я програми ( наприклад, Моя програма) та натиснути кнопку Go.  Буде створено новий файл і відкриється робоча область , що нагадує зошит у клітинку.

Тепер у робочій області  можна створювати програму, використовуючи графічну мову програмування NXT-G.
Програма будується наступним чином : вздовж напрямної прямої користувач шикує  необхідні елементи з палітри програмних блоків  у певній послідовності , що відповідає поставленій задачі. Властивості кожного боку можна змінювати , використовуючи  - панель властивостей і налаштувань блоків. На панелі зворотного зв'язку  при взаємному підключенні комп’ютера та  NXT з'являться показники датчиків і внутрішніх змінних окремих блоків. Для випробування програми  робота , слід завантажити її на NXT за допомогою - пульта керування NXT.

Розглянемо створення програми  «Паркан». Базова модель робота має бути оснащена ультразвуком датчиком. Нехай робот знаходиться на  певній  відстані від паркану, він рухається вперед. Коли відстань між роботом та перешкодою буде менша 20 см  - робот повинен зупинитись. Ось основні етапи створення такої програми :
На напрямну пряму поміщаємо блок руху.

Задаємо характеристики руху ( підключення сервомоторів до портів В, С, рух вперед, потужність 50%, рух без обмежень)

Додаємо ультразвуковий датчик, на панелі змінюємо властивості  : відстань, на якій буде здійснена зупинка повинна бути менше 20 см.

Знову додаємо блок руху і програмуємо його на зупинку після того, як ультразвуковий датчик «побачить» перешкоду.

Нарешті, завантажуємо програму з комп’ютера на NXT – блок і випробовуємо дії робота.

Такий підхід до програмування  «постановка задачі – аналіз умови  - пошук оптимальних шляхів розв’язання - складання  робота – програмування робота – випробовування дії –  відлагодження програми, внесення коректив у неї – випробовування дії» дозволяє  повсякчас підтримувати цікавість до вивченого матеріалу,  формувати  нестандартний підхід до розв’язання  задачі.

Під час вивчення курсу «Вступ до робототехніки» можна запропонувати  наступні завдання.

Завдання «Знайди помилки».

Юний винахідник склав програму , згідно якої  робот повинен рухатись вперед до перешкоди. Побачивши  перешкоду , робот рухається  назад.
Що виконує насправді робот і чому ?

Учень склав програму,  в результаті виконання якої на екрані NXT блоку повинен з'являтись смайлик. Але зображення не виникає на екрані  NXT блоку. Чому?

Завдання «Склади, запрограмуй, виробуй»

У місті N відкрили новий автобусний маршрут, на якому працює робот -  водій. Виїжджаючи з Депо він проїжджає наступні зупинки : Квіткова, Весела, Шкільна, Кінцева. Під’їжджаючи до зупинки водій подає звуковий сигнал, чекає протягом 3 секунд, знову подає звуковий сигнал, потім від’їжджає. Відстань між зупинками 54 см.

По мірі вивчення матеріалу дану задачу можна ускладнити, додаючи перешкоди, змінюючи траєкторію руху і т.і.

Необхідною складовою курсу є створення власного проекту  тут учні  можуть проявити творчий підхід до поставленої задачі, адже особливістю вивчення курсу робототехніки  Lego Minstorms Education є гнучкість та масовість конструкторських рішень. Такі проекти можуть стати не тільки об'єктами дослідження, програмування, конструювання, але і неперевершеним заохочувальним засобом до навчання.

Висновки. Широке впровадження Lego – технологій у навчально-виховний процес сприятиме формуванню творчих здібностей учнів, спонукатиме їх до самостійних досліджень, розширюючи сферу їх допитливості. Це-  ефективний шлях  до формування майбутньої технічної еліти суспільства , розвитку здатності учнів до самостійного добування знань, застосування їх як інструментарію для подальшого пізнання та перетворення дійсності, в тому числі і самого себе.

Список використаної літератури

1. . Михеева О.В., Якушкин П.А. LEGO: Среда, игрушка, инструмент. // "Технологическое образование" Международный спец. вып. ж-ла "Информатика и образование", 1996. - С. 136-137.
2. Чехлова А. В., Якушкин П. А.«Конструкторы LEGO DAKTA в курсе информационных технологий. Введение в робототехнику». - М.: ИНТ, 2001 г.
3.