Az uKit Robot alapfokú képzés bemutatása

Tudományos ismeretek oktatása egy robotika tanterv segítségével

Az évekig tartó tananyagszerkesztést követően, 2017 szeptemberében, Kína egész területén bevezetésre került a „Tudományos alapismeretek általános iskolásoknak” tanterv (2017-es változat) (továbbiakban Alaptanterv). Különös figyelmet fordítottak arra, hogyan lehet szervesen összekapcsolni a robotika és a tudományok ismeretanyagát. Ehhez be kellett vonni tanárokat, kutatókat, tankönyvírókat és osztálytermi szakértőket. Az eredeti forrás az uKit Robot alapfokú képzést használja példaként a kérdés feltárására és az iparági visszajelzésekhez.

A tudományos ismeretek fejlesztése a robotikán keresztül

Az Alaptantervben a tudományos ismeretek céljait és a tantervek ismereteit négy területre osztják, nevezetesen: Anyagtudomány, Élettudomány, Földtudomány és kozmológia, valamint Műszaki tudományok. A tananyagot a diákok életkora szerint három szakaszra bontják: 1-2., 3-4. és 5-6- osztály. A korábbi robotikatanterv informatikaközpontú volt, és a figyelmet a szoftverprogramozásra fordította, kiegészítve a hardveres ismeretekkel; hiányzott belőle a horizontális kapcsolat más tudományágakkal. Ez a módszertani útmutató megkísérli ötvözni az informatika tanítását a többi tudományterülettel is, az Alaptanterv szerint.

Kapcsolódó tartalmak az anyagtudományokkal

Tananyag neve

A könyv fejezeteinek kapcsolódása az Alaptantervhez

Sorompó 4.3. fejezet: A robotkar mozgatásának különböző formái

Golfütő

Csiga 5.2. fejezet: A tárgy mozgásának változása az adott tárgyra kifejtett erővel függ össze. A labda által megtett távolság mind az ütés erejétől, mind a golyó tömegétől függ.

5.1. fejezet: Néhány erő közvetlenül fejti ki hatását a tárgyakra. Súrlódás az az erő, amely közvetlenül hat egy tárgyra, és amely megváltoztathatja annak sebességét.

Konkrét tartalom ebben a könyvben

A tárgy mozgásának útvonala meghatározhatja a mozgás formáját. Az egyenesvonalú mozgás.

6

Kapcsolódó tartalmak az élettudománnyal

Tananyag neve A könyv fejezeteinek kapcsolódása az Alaptantervhez

A száj 10.2. fejezet: Az emberi test a különféle mozgásformákhoz megfelelő szervekkel rendelkezik.

Dinoszaurusz Polip 7.2. fejezet: Különféle állatok vannak a földön, mindegyik eltérő tulajdonságokkal rendelkezik. A járás és a mozgás különböző formáinak összehasonlítása.

Emberke 10.2. fejezet: Az emberi test a különféle mozgásformákhoz megfelelő szervekkel rendelkezik.

Konkrét tartalom ebben a könyvben

A száj nyitásához és zárásához szükséges mozgás.

A két lábon járás megértése a mozgás szempontjából.

Kapcsolódó tartalmak a műszaki tudományokkal

Tananyag neve A könyv fejezeteinek kapcsolódása az Alaptantervhez

Bionikus robot 17.1. fejezet: A műszaki innováció legtöbbször tudományos elveket alkalmaz. A mozgó biológiai rendszer elsődleges szerkezetének megfigyelése, ezeknek a bionikus gépekkel való kapcsolatának a megértése, majd egy bionikus robot tervezése és megépítése.

Konkrét tartalom ebben a könyvben

A tudományos ismeretek iránti kíváncsiság fokozása a robotikán keresztül

Az Alaptanterv javasolja a „Kutatás alapú tanulás bevezetését” a tanterv alapelveként, és „ezt a következő nyolc fő lépésben javasolja: Kérdések feltevése; Lehetséges válaszok megfogalmazása; Tervezés; Bizonyítékok összegyűjtése; Információk feldolgozása, Következtetések levonása; Az eredmények bemutatása, és Visszajelzés és értékelés ”. A tankönyv a tudományos kutatás különféle elemeit próbálja szervesen integrálni a robotika tantervbe. E célból a könyv fejezetei tartalmaznak egy önálló „Megfigyelés és következtetés” című részt. Ennek a kapcsolatnak az alapvető lépései a következők: A. A modell felépítése után a tanár kísérleti feladatokat ad a diákoknak, és útmutatást nyújt nekik a feltételezéseik igazolására. B. A tanulók kísérleteket végeznek, például a modell hardverének és szoftverének módosítása, vagy a vezérlőegység változójának módosítása, amikhez a tanár különféle kísérleti feltételeket állíthat be előre. C. A tanulók megfigyelik és rögzítik a kísérlet eredményeit. D. A tanár segít a tanulóknak a tervek, a végrehajtás és az eredmények közötti megfelelés megtalálásában, a rendszeres következtetések levonásában, valamint az eredményeknek megfelelő hipotézis igazolásában vagy elvetésében. A következtetéseknek vagy a hipotézisnek meg kell felelnie a tanterv célkitűzéseiben várhatóan elsajátítandó ismereteknek.

Ennek egyik példája a Golfütő lecke. Miután a tanulók befejezik a robotmodell elkészítését és a futó program hibakeresését, az órának még nincs vége. Most kezdődhet a kísérletezés. Nézzük a „lengés idejét” és a „golyó tömegét” független változóként, és állítsunk be különböző lengési időket, és különböző tömegű golyókat adjunk a tanulóknak. Feladatuk, hogy megfigyeljék a mozgásbéli különbségeket különböző körülmények között, és rögzítsék az eredményeket. Ezután a diákok megállapíthatják a kapcsolatot a lengés ideje, a golyó tömege és a megtett távolság között. Az aktív kutatás és kutatásalapú tanulás révén a tanulók sokkal mélyebben megismerik a tudományt, szemben a passzív, előadásokon alapuló tanulási megközelítéssel.

A STEAM módszertan tantárgyközi megvalósítása a robotikán keresztül

Az Alaptanterv a „Megvalósítási tanács” fejezetében rámutat arra, hogy „a tudomány szorosan kapcsolódik az általános iskolában tanított egyes tantárgyakhoz”, például a matematikához, a nyelvtanhoz és a testneveléshez. Különösen: „Az adatfeldolgozás és a modellezés a tudományban elválaszthatatlan a matematikától”; „Számos lehetőség van hallgatásra, beszédre, olvasásra és írásra a tudományos órán (nyelvi interakció).” Az Alaptanterv azt javasolja, hogy „vezessük be az interdiszciplináris tanulási stílust. A tudomány, a technológia, a mérnöki ismeretek és a matematika, azaz a STEM módszer alkotóelemei a tananyagszervezés módja, amelyet a projektalapú tanulás és a problémamegoldás irányít, és amely a tudomány, a technológia, a mérnöki ismeretek és a matematika területeit összefogja. ” Jelen tankönyvben az egyes elemek céljait a STEAM által megkövetelt öt területre bontjuk: tudomány (S), technológia (T), mérnöki ismeretek (E), művészet (A) és matematika (M). Ennél is fontosabb, hogy ezen tudományágak ismeretét nem külön kell tanítani; ehelyett a projektorientált tantervbe integrálják, a robotika témakörön belül. Szorosan összekapcsolódik a tanulók valós élettapasztalataival, amelyek alapján bővítik a különféle tudományágakhoz kapcsolódó ismereteiket, majd az integráción keresztül frissítik azokat. Vegyük példa a Csiga leckét. A tantervi célkitűzések az alábbi öt területre oszthatók:  Tudomány

Időmérés és sebességszámítás.

A súrlódás megértése.  Matematika

Értse meg a távolság, a sebesség és az idő matematikai kapcsolatát.  Technológia

Legyen képes két szervomotor forgásszögének és működési idejének a beállítására.

 Mérnöki ismeretek

Tudja szimulálni a csiga mozgását a két szervomotor összekapcsolásával.  Művészet és kreativitás

Díszítse és varálja a csigát, és végül rendezzen csigaversenyt.

8

A tananyag összeállítása diákhoz igazodó módon

Az Alaptanterv rámutat arra, hogy „a tankönyvek összeállítása során figyelembe kell venni a diákok tanulási módszereit, és arra kell törekedni, hogy visszajelzéseket adjunk a gondolkodásmódjukra, ahelyett, hogy a tananyagot hagyományos vagy egydimenziós módon mutatjuk be”. Ezért hat rész található a tankönyv minden fejezetében, összhangban a gyerekek megismerési sajátosságaival: Bevezetés; Előzetes ismeretek; Modellezés (összeszerelés); Tervezés (szoftverprogramozás); Megfigyelés és következtetés; További lehetőség. Az óra elején elő kell hívni a diákok előzetes tudását, kérdéseket kell megfogalmazni a témával kapcsolatban, majd be kell mutatni nekik a tananyaghoz tartozó elvégzendő feladatokat. Ezek után használhatók fel a diákok meglévő ismeretei az építési és programozási folyamatban, megvalósítva a régi és az új ismeretek összekapcsolását. Ezt követően a tanulók elkezdenek építeni, programozni, és ezeket az ismereteket beépítik a gyakorlatba. Az ötödik lépés a „Megfigyelés és következtetés” szintén a kutatásalapú tanulás központi láncszeme. Végül további gondolkodásra kerül sor a diákok fantáziájának fejlesztésére. A tanulók érdeklődésének középpontjában egy robotmodell megtervezése és megépítése áll. Eközben kihívásokkal szembesülnek, megtapasztalják a gyakorlati kísérleteket és hibákat, folyamatosan foglalkoznak mind a szoftverrel, mind a hardverrel, és a problémamegoldás és a hibajavítás folyamatán keresztül elmélyítik a tantervi tartalmakat. Ezen túlmenően minden fejezetben található olyan viszonylag független rész, mint például „Szerelési probléma” és „Programozási nehézség”, amelyek felhívják a figyelmet a könnyen elhibázható és a nehezen értelmezhető műveletekre. Ez felgyorsíthatja és megkönnyítheti a diákok munkáját.