VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Школа мечты на базе конструктора Lego WeDo 1.0
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Согласно прогнозу Агентства стратегических инициатив, через 10-15 лет 57 профессий исчезнут, а на смену им придёт 186 высокотехнологичных «профессий будущего».[6] Готова ли российская система образования к вызовам XXI века? Мы считаем, что вполне готова! Хоть на пути и множество проблем, которые нам предстоит решить, система современного образования уже переживает определённые перемены, значит, внесение каких-либо изменений, улучшение её структуры и содержания может оказать лишь положительное влияние.
Актуальность темы:
Проблема школьного образования и структуры довольно актуальна и по сей день. Улучшение данной среды в целях более эффективного развития детей является непосредственно одной из основных задач современного общества.
На современном этапе развития России на одно из ведущих мест выходит проблема качества образования. Решение этой проблемы – длительный и многоступенчатый процесс, основой которого является реформа образования и его модернизация. Одна из основных задач реформы – повышение качества образования, направленная на удовлетворение потребностей общества и подготовки выпускников, отвечающих требованиям нынешнего этапа экономического развития страны.[4] В Федеральных Государственных Образовательных Стандартах[1] качество образования определяется как комплексная характеристика, отражающая диапазон и уровень образовательных услуг, предоставляемых населению (различного возраста, пола, физического и психического состояния) системой начального, общего, профессионального и дополнительного образования в соответствии с интересами личности, общества и государства. Следовательно, образование включает в себя не только обеспечение обучающихся всеми необходимыми знаниями, но и создание соответствующих условий для понимания, усвоения и применения получаемых знаний на практике. А также стоит не забывать и об организации комфортной среды для поддержания интереса учащихся к образовательному процессу в целом.
Облик современной школы, как по форме, так и по содержанию должен измениться в ближайшем будущем. Школа должна стать центром не только обязательного образования, но и центром занятий творчеством, спортом и другими видами досуговой деятельности. В связи с этим должна качественно измениться школьная инфраструктура.
Цель исследования: Изучение материалов о современном школьном образовании, инновациях в данной сфере, создание модели Школа мечты на базе образовательного набора LEGO WeDo 1.0 и оценка эффективности использования идеи проекта в образовательной среде.
Задачи исследования:
Найти информацию об уникальных открытиях в современном мире;
Придумать наиболее оптимальный вариант интерактивной парты со встроенными сенсорными частями в целях их использования для электронных учебников;
Модернизировать столы в школьной столовой, добавив автоматический подогрев;
Создать интеллектуального робота-помощника для помощи в выполнении домашнего задания;
Создать модель «Школа мечты» на базе конструктора LEGO WeDo 1.0. Запрограммировать модель.
Глава 1 Уникальные открытия в современном мире
Назначение и применение сенсорных столов и столов с подогревом
Образование, являясь вариантом и средством коммуникации, призвано вводить ученика в огромный мир коммуникации. Сегодня требуется более интенсивное осмысление вопроса мировоззрения в образовании как мощного коммуникатора, соединяющего в пользу образования системы самых различных научных открытий.
Одним из таких открытий является уже привычное для нас в применении устройство. Сенсорный стол – уникальное устройство, которое позволяет отображать графическую информацию в наиболее простой, привлекательной и удобной форме.[9] Внешне стол напоминает огромный планшет, прикрепленный к прочной напольной подставке. Управление приложениями осуществляется с помощью сенсорных технологий: «столешница» реагирует на прикосновения пальцев.[10]
Применение интерактивных столов нельзя ограничить одной сферой деятельности. Им найдется место и в бизнесе, и на общественных мероприятиях, и в сфере образования. Для предпринимателей и менеджеров столы интересны тем, что открывают новые возможности взаимодействия с клиентами. На массовых мероприятиях сенсорные столы играют роль интерактивного стенда. Пользователь может с легкостью получить желаемую информацию о товарах и услугах. Сведения предоставляются в наиболее удобной для восприятия форме.
Данное оборудование уже является полезным дополнением интерьера школ, музеев, библиотек, выставочных или торговых центров, кинотеатров, гостиниц, кафе, а также множества других частных и муниципальных организаций. С помощью интерактивного стола можно проводить виртуальные экскурсии, демонстрировать фотогалерею или организовывать электронную очередь, создавать интерактивное расписание или информационное табло, где пользователь сможет ознакомиться с перечнем продукции, оформить заказ. Интерактивный стол также может выполнять навигационную функцию, помогая ориентироваться в больших помещениях.
Следующее оборудование является довольно распространённым в сфере услуг. Широкое применение оно получило именно благодаря своей конструкции, материалу, и которого было изготовлено, а также компактности и надёжности. Столы с подогревом - данные столы предназначены для подогрева тарелок перед сервировкой, а также для кратковременного сохранения блюд в горячем виде. Нагрев объёма теплового стола производится с помощью электронагревателя (ТЭНа).[5] Специальная конструкция столов предусматривает невысокую температуру на всех внешних поверхностях, так как стенки корпуса и дверок обеспечивают сохранение заданной температуры, и защищают лицевые поверхности от нагрева. Стол с подогревом очень удобен, так как его можно использовать как рабочую поверхность и как тепловой шкаф, в связи с этим экономится место не кухне.
1.2 Интеллектуальные машины в современном мире
В современном мире нас всюду окружают машины и механизмы различных типов, однако роботы среди них пока еще довольно редкие гости.[2] И это неудивительно, ведь главное отличие этих агрегатов от других — интеллект, который до сих пор в полной мере не познан самими создателями. И пусть современным роботам пока еще далеко до искусственных гуманоидов из фантастических романов и фильмов, но с каждым годом они становятся все более и более совершенными.
Рутинная работа, которая не требует творческого подхода, - это идеальное место для интеллектуальных машин.
Борьба с рутиной, безусловно, актуальное направление развития, но куда более важными являются сферы деятельности, сопряженные с непосредственной опасностью для жизни, поэтому полеты в космос стали одной из первых областей применения роботов. Именно здесь впервые были полноценно использованы дистанционно управляемые роботизированные станции, и чем дальше человек отправлял механических исследователей, тем более важной становилась возможность автономного принятия решений машиной. Ведь, скажем, даже до Луны сигнал с Земли идет с существенной задержкой, что уж говорить о Марсе или других планетах.
Если взглянуть глубже, основным назначением роботов, безусловно, является в первую очередь помощь человеку, в связи с чем они находят в нашей повседневной жизни все больше и больше применения.
Еще десять лет назад казалось фантастикой, что можно будет зайти в ближайший магазин бытовой электроники и купить там робота-уборщика, а теперь ползающие по квартире роботы-пылесосы уже стали привычными даже для домашних животных, которые с удовольствием используют их в качестве аттракционов.
1.3 Роботы-помощники
1. Больше, чем игрушка
В 2008 году французская компания Aldebaran Robotics выпустила миниатюрного робота Nao (Рисунок 1.3.1 Приложения). Этот почти игрушечный 57-сантиметровый аппарат оказался столь удачным, что разошелся по всему миру и стал основной платформой ежегодных соревнований RoboCup.[11]
Помимо возможности свободно двигаться и общаться с хозяином с помощью речевых команд Nao обладает интерфейсом интерактивного программирования. С помощью специальной программы робота можно научить выполнять нужные операции в зависимости от заданных условий, например, принести какой-нибудь предмет.
2. Нескучный космос
Как ни странно, использование роботов в космосе не ограничивается лишь утилитарными функциями. Так, японское космическое агентство запустило на МКС (Рисунок 1.3.2 Приложения) робота Киробо, созданного с единственной целью — развлекать людей общением.
Томотака Такахаси, дизайнер из подразделения автоконцерна Toyota, создал Киробо по мотивам персонажа аниме «Астробой» (Astro Boy), знакомого каждому японскому мальчишке. Этот робот-собеседник не давал скучать японскому космонавту Коити Вакате во время его полета, завершившегося прошлой весной.
С тех пор уже сам механический Астробой пребывает на орбите в гордом одиночестве. Вернуть робонавта на Землю планируют в 2015 году.
3. Роботизированный ресторан
Ресторан в городе Куншан в КНР (Рисунок 1.3.3 Приложения) может похвастаться не только вкусной едой, но и очень оригинальным персоналом: вместо привычных официантов еду посетителям в нем разносят роботы. Кроме того, некоторые блюда также приготовлены роботами-поварами.
Владелец ресторана Сон Юган рассказывает, что занялся разработкой роботов по просьбе дочери, которая попросила его сделать робота-помощника по дому. По его словам, стоимость каждого робота составляет около 40 000 юаней, что не превышает годовую оплату обычного сотрудника. В то же время роботы — отличный способ привлечения в ресторан посетителей.
4. Роботы-дворецкие
В отеле «Алофт» в Купертино часть обязанностей персонала взяли на себя роботы (Рисунок 1.3.4 Приложения) A.L.O., разработанные компанией Savioke. Так, если вам понадобится лишнее полотенце или тюбик зубной пасты, вам доставит ее весьма симпатичный электронный дворецкий. Этот робот взаимодействует с компьютерной системой отеля с помощью Wi-Fi и 4G, что позволяет ему удаленно вызывать лифты и находить нужные комнаты.
Глава 2 Школа как платформа для развития новых технологий в целях улучшения образовательного процесса
2.1 Андроид из китайского города Шэньчжэнь
Этот город появился на карте меньше четырех десятилетий назад. Тогда это было просто редкозаселенное пространство между двумя мегаполисами – Гонконгом и Кантоном (Гуанчжоу). Сейчас дело идет к тому, что сами они в обозримом будущем станут вращаться на околошэньчжэньской орбите (население Шэньчжэня составляет 12 млн человек). На данный момент Шэньчжэнь является центром всей электронной промышленности Китая. Каждый месяц в этом городе проходят международные выставки новинок в сферах робототехники, электроники и инновационных технологий.
Одной из таких новинок мы и заинтересовались в процессе изучения проблем учащихся в образовательной среде. В одной компании по разработке роботов-андроидов был создан робот Alpha 2 (Рисунок 2.1.1 Приложения), который может получать, обрабатывать и передавать необходимую для владельца информацию. Разработчики предложили его использование в целях помощи школьникам: в младших классах для помощи в выполнении домашнего задания, в средних – для понимания законов физики и даже основ программирования, а уже в Университете студенты могут уже сами перепрограммировать своего робота на основе теоретических знаний, полученных ранее при работе с данным андроидом.
2.2 Проблемы учащихся
Изучив различные виды оборудования в сфере инноваций, особенности которых мы посчитали довольно интересными для применения в образовательной среде, нами были выявлены следующие проблемы:
Тяжёлые школьные рюкзаки.
Таскать тяжелые рюкзаки на спине – это удел практически всех школьников. Учителя вынуждают носить их с собой в школу большое число учебников, в результате чего ранец способен приобретать вес в 5 кг и даже больше.[8] На сегодняшний день установлено, что тяжелые рюкзаки, в особенности в совсем юном возрасте, могут приводить к деформации позвоночника и образованию сколиоза.
В новом исследовании группа ученых из университета Тель-Авива установила, что наряду с этим фактом, критический вес ранцев у детей может приводить к повреждению нервов и мышц, что в свою очередь способно стимулировать развитие расстройств долгосрочного характера.
Профессор Амит Джефен (Amit Gefen) из Отдела Биоинженерии (TAU's Department of Biomedical Engineering) и профессор Йорэм Эпштейн (Yoram Epstein) из Медицинского факультета Sackler (TAU's Sackler Faculty of Medicine), опубликовали доклад, основанный на небольшом статистическом исследовании, организованном в нескольких школах на территории Израиля. Ими было установлено, что ношение рюкзаков весом более 4 кг способно на 60% увеличивать риск образования микроповреждений нервных окончаний, и на 85% риск повреждения мышц.
Эти процессы в свою очередь приводили к тому, что школьники теряли свои функциональные способности. В частности, нервные окончания лишались изрядной доли чувствительности, в результате чего сигналы от мозга к рукам и в первую очередь пальцам проходили в течение большего времени, нежели должны были. Это приводило к тому, что ребенок имел худшую физическую форму, более истощенное состояние мышечного каркаса и крайне низкую степень ловкости.
Хуже всего ситуация обстояла именно с пальцами – дети, которые носили тяжелые рюкзаки в рамках этого исследование испытывали трудности в рисовании и письме, и практически всегда имели плохой почерк. Результаты научной работы были опубликованы в последнем номере журнала the Journal of Applied Physiology.
Интересно, что новое открытие справедливо не только в отношении школьников. Как оказалось, в результате отдельной работы, организованной Министерством обороны Израиля, солдаты, подолгу носившие тяжелые рюкзаки также жаловались на сильные мышечные боли в районе плечевого пояса, а также на онемение пальцев.
“С задержкой или сокращением амплитуды или интенсивности сигналов, нерв не может функционировать должным образом”, отмечает профессор Джефен. По словам специалистов, у взрослых последствия ношения тяжестей на спине проявляются в меньшей степени, нежели у детей, однако все же они проявляются. По общему правилу, дети не должны носить на спине рюкзаки, вес которых будет превышать 10% от их массы тела. В идеале рюкзаки должны быть даже легче. При этом современные образовательные учреждения игнорируют данные рекомендации и две трети школьников в Израиле сегодня носят на своих спинах вес, опасный для их здоровья.
Значительные трудности в выполнения домашнего задания.
В век технологий всё больше возрастает объём информации, которую ребёнку приходиться воспринимать. И школа вовсе не исключение. Каждый день на учащегося выливается целый поток информации с разных дисциплин, объём домашнего задания с каждым классом становится всё больше, а времени на его выполнения, да и вообще на понимание всего материала – меньше.
Холодная еда в школьной столовой.
Что делать, если ребёнку не нравится школьное питание?[7] Подобный вопрос нередко возникает у родителей школьников, чьи дети отказываются питаться в школьной столовой. При этом отказ объясняется тем, что в школьной столовой невкусно готовят, порой пища холодная, т.к. накрывают столы заранее, и она успевает за это время остыть.
Глава 3 Практическая часть
3.1 Модель «Школа мечты» на базе конструктора LEGO WeDo1.0
Мы сконструировали нашу модель Школы мечты из деталей набор Lego WeDo1.0, используя также детали набора Lego City, установив 3 мотора, 1 датчик наклона, 2 датчика расстояния и 3 коммутатора.
Наша модель состоит из нескольких зон (Рисунок 3.1.1 Приложения):
Дорожка, по которой передвигается школьник от мотора №1 c лебёдкой;
Поворотники рядом с дорожкой, первая из которых с датчиком наклона, чтобы передать сигнал парте о приближающемся школьнике;
Класс с партой, которая работает от мотора №2;
Библиотечная зона, где стоит робот-помощник для домашнего задания с червячной передачей внутри, функционирующий от мотора №3 с датчиком расстояния №1;
Зона столовой, где расположены столы с датчиками расстояния напротив каждого места, но в нашей модели только напротив школьника – датчик расстояния №2.
Программа работает следующим образом (Рисунок 3.1.2 Приложения):
Модель запускается при нажатии клавиши «стрелка вверх».
После нажатия мотор №1 начинает накручивать трос на лебёдку, и школьник отправляется в путь по специальной дорожке, задев первый поворотник с датчиком наклона.
Далее от датчика наклона передаётся сообщение парте в классе, которая открывает сенсорные части при появлении ученика, используя мотор №2.
В библиотечной зоне ученик встречает робота-помощника, который начинает приветствовать его с помощью мотора №3, увидев с помощью датчика расстояния №1.
В итоге передаётся сообщение столу с автоподогревом, реагирующему на движение посредством датчика расстояния №2, обогрев стола прекращается и включается звук для обеда. Движение ученика останавливается.
3.2 Внешний вид: конструкция, особенности движения, управляемость
В нашей Школе мечты дети не ходят с тяжёлыми рюкзаками, все учебники встроены в сенсорные части парты (Рисунок 3.2.1 Приложения), которые открываются, когда ребёнок подходит к парте, за счёт датчика наклона, чувствительному к вибрации. Эта парта установлена в зоне класса.
В библиотечной зоне установлен (Рисунок 3.2.2 Приложения) робот-помощник. Он терпелив и не будет кричать, если у ученика что-то не получается, он скажет ему попробовать снова. Также он очень приветлив и даже может легко развеселить. В него загружены все учебные программы, так что он может хорошо помочь в выполнении домашнего задания, но не будет делать его за ребёнка. Сама конструкция робота включает в себя руки-рычаги, червячную передачу, вращающуюся голову и датчик расстояния, который срабатывает при появлении ученика, в последствии чего робот приветствует ребёнка.
Далее ученик (Рисунок 3.2.3 Приложения) направляется в столовую, где с напротив каждого места у стола (Рисунок 3.2.4 Приложения) установлены датчики расстояния. В отсутствие учащихся они поддерживают нужную температуру, чтобы еда на столах не остывала. Когда же подходит ученик, датчик замечает его и подаёт сигнал, чтобы эта зона была отключена от автоматического подогрева.
Заключение
Изучив уникальные инновационные открытия в современном мире, а также проблемы учащихся в образовательной среде на данный момент, мы успешно создали проект, который может подарить новые идеи для усовершенствования условий обучения детей. В процессе создания проекта мы постарались как можно более наглядно отобразить получившиеся решения.
В результате мы пришли к тому, что парты с сенсорными частями могли бы значительно облегчить жизнь современных школьников. Им не пришлось бы носить с собой огромное количество учебного материала, что может негативно сказаться на их здоровье, а наоборот с радостью обучаться в сфере новых технологий, изучая школьную программу весело и интересно.
Также, проанализировав различные изобретения роботов-помощников, мы решили воссоздать подобную идею и в нашей модели, чтобы учащимся было бы намного проще выполнять домашнее задание, сэкономив при этом множество времени. И конечно же, робот может стать для ребёнка хорошим собеседником, способным увлечь новыми знаниями.
Кроме того, одной из наших идей стало внедрение столиков с автоподогревом в школьную столовую, чтобы сотрудники вовремя успевали накрывать, и при этом, еда всегда поддерживала нужную температуру до прихода детей.
Мы считаем, что наш проект довольно актуален в настоящее время и вполне применим в современной образовательной среде.
Список используемой литературы
ФЗ от 29.12.2012 года №273-ФЗ «Об образовании в российской Федерации»
Кларин, М.В. Инструмент инновационного образования: трансформирующее обучение / М.В. Кларин // Педагогика : журнал . —2017 .— №3 .— С. 19-28.
Раевская, А.А. Педагогические инновации в отечественной педагогике / А.А. Раевская // Педагогическое образование и наука : журнал . — 2016 .— №6 .— С. 118-122.
Данильченко С.Л. КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ОБРАЗОВАНИЯ КАК СОВОКУПНОСТЬ ОРГАНИЗАЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ, МЕТОДИК, ПРОЦЕССОВ И РЕСУРСОВ // Международный журнал экспериментального образования. – 2017. – № 3-2. – С. 179-184;
Интернет источники
https://entero.ru/item/34020
https://multiurok.ru/blog/chietyrie-probliemy-sovriemiennogho-shkol-nogho-obrazovaniia-1.html
http://eduinspector.ru/2018/11/24/mozhno-li-uchenikam-prinosit-svoyu-edu-v-shkolu-i-prinimat-eyo-v-stolovoj/
http://www.pmedu.ru/index.php/ru/
http://unitsys.ru/products/sensornie_stoli
http://sky-interactive.ru/interactiveny-stol-reshenie-dla-kollectivnoi-raboty/
https://ichip.ru/top-10-robotov-pomoshhnikov.html
Приложение
Рисунок 1.3.1 Робот NAO Рисунок 1.3.2 Робот Киробо
Рисунок 1.3.3 Роботизированный ресторан в КНР
Рисунок 1.3.4 Робот A.L.O.
Рисунок 2.1.1 Робот Alpha 2
Рисунок 3.1.1 Модель Школы мечты
Рисунок 3.1.2 Программа проекта
Рисунок 3.2.1 Парта с сенсорными частями
Рисунок 3.2.2 Робот-помощник
Рисунок 3.2.3 Ученик
Рисунок 3.2.4 Стол с автоматическим подогревом