«Ученики собирают модель лягушки и изучают, как работает её организм»

В школе и на дополнительных занятиях дети всё чаще собирают и программируют роботов — и не просто ради развлечения. Это практический способ решать математические задачи, ставить опыты по физике, прокачивать инженерные навыки. «Мел» и LEGO Education рассказывают о том, как робототехника стирает границы между школьными предметами.

Зачем вообще объединять школьные предметы

В современной школе, если это не профильная гимназия, часто натаскивают на успешную сдачу ОГЭ и ЕГЭ. Это поочерёдно погружает школьников в каждый предмет, но совсем не помогает видеть мир комплексно. И уж тем более не учит применять теоретические знания на практике. Одиннадцатиклассник смутно представляет, как тригонометрические уравнения пригодятся ему в будущем (хоть и щёлкает их как орешки). В вузах теория выходит на новый уровень сложности, а с практикой по-прежнему беда. Хотя именно практика показывает, как применяется теория в реальной жизни, и делает учёбу по-настоящему интересной.

Неудивительно, что молодые специалисты приходят на работу с неактуальными знаниями и немного разочаровывают работодателей. Ведь когда разрабатываешь гаджеты (или луноходы, не важно), нужны прикладные навыки одновременно из физики, химии, математики, программирования, конструирования. Чем раньше ребёнок научится создавать проекты, основанные не на одном конкретном предмете, а сразу на нескольких, тем ему будет проще (и совсем не страшно) пробовать себя в новых профессиях.

В США это поняли ещё в 90-х годах. Тогда выпускникам американских вузов сильно не хватало прикладных межпредметных навыков, они теряли конкурентоспособность. В ответ на эту ситуацию и появился новый подход к обучению — STEM-образование (Science — естественные науки, Technology — технология, Engineering — инженерное дело, Mathematics — математика). Школы и вузы стали делать упор на практику, которая должна объединять разрозненные знания в одно целое. Позднее это направление выросло в STEAM-образование: к техническим и естественно-научным дисциплинам добавилось искусство и творчество (arts).

Как робототехника воплощает идею STEM/STEAM-образования

То, что сборка роботов развивает у ребёнка инженерные способности и навыки конструирования, и так очевидно. Помимо этого, ребёнок лучше, а главное проще, воспринимает и усваивает не самые простые теоретические предметы (и навыки).

1. Математика

Робототехника помогает учить математические формулы и свойства фигур в процессе, а не по очередному параграфу в учебнике. Например, дети строят автомобиль из деталей и датчиков LEGO MINDSTORMS Education EV3. Одна из важных базовых вещей, которой нужно научиться, — контролировать, на какое именно расстояние проедет робот. В программе для этого нужно выставить определённое число оборотов колеса. А определить его легко — расстояние надо поделить на длину окружности колеса. Тут-то и приходит время объяснить ребёнку формулу, по которой легко можно узнать длину окружности: L = πD, или 2πr.

2. Программирование и системное мышление

Любой датчик (цвета, освещённости, касания) или мотор робототехнических наборов LEGO Education подключается к микрокомпьютеру, так называемому контроллеру, а тот — к планшету или компьютеру через Bluetooth или Wi-Fi. С помощью визуальных языков программирования EV3 или WeDo 2.0 (которые в чуть более продвинутой версии используют реальные инженеры и исследователи!) ребёнок составляет алгоритмы для каждого датчика или мотора. И таким образом определяет, как будет вести себя робот. Помимо движения по одной линии, роботов можно научить многим другим вещам: не выезжать за пределы нарисованного круга, держать равновесие, распознавать разные цвета.

Но программирование — это лишь часть системного мышления. Тот же визуальный язык EV3 позволяет собирать и обрабатывать информацию, полученную с датчиков робота в реальном времени. Ребёнок на практике учится обрабатывать информацию, обобщать и систематизировать данные, логически мыслить и делать выводы.

Системное мышление полезно развивать с первых классов. Когда дети работают с учебным комплектом компаний LEGO Education и «Кодвардс», они осваивают понятия, универсальные для любого языка программирования — сначала в виртуальной среде, а потом и на реальных роботах из комплекта LEGO Education WeDo 2.0. Ученик пишет код не визуальными блоками-скриптами, а командами, как настоящие программисты (и видит структуру всей программы). Это помогает уже в начальной школе глубже понять, как устроен цифровой продукт в целом.

3. Физика

Чтобы понять, по каким законам работают датчики освещённости, цвета, касания (и другие), ребёнок разбирает некоторые темы из физики. Например, робот Gyro Boy балансирует с помощью гироскопического датчика. Собирая этого робота, ребёнок параллельно изучает физические свойства гироскопа. В это время учитель рассказывает про Жана Фуко, который в 1852 году с помощью механического гироскопа (тяжёлого маятника на длинной верёвке) доказал, что Земля вращается вокруг своей оси. Если бы не вращалась, качающийся маятник не менял бы траекторию своего движения.

Но даже простой колёсный робот поможет ученику понять базовые принципы механики и динамики. Ребёнок увидит, как работают потенциальная и кинетическая энергия (и как одно трансформируется в другое). Учитель легко сможет объяснить и другие понятия: например, когда мы пытаемся толкнуть робота, действует сила трения покоя, а когда он катится и постепенно замедляет ход — сила трения качения. А регистрация данных, которые получены с датчиков, позволяет проводить опыты по термодинамике, оптике и другим темам школьного учебника физики.

4. Творческое мышление

Робот вполне способен воплотить творческий замысел ученика. Даже если перед глазами готовые схемы для сборки и инструкции для учителей (в комплекты LEGO Education они всегда входят), дети всегда могут дополнять и менять конструкции на свой вкус. Например, собрать вместо легковой машины свой вариант Бэтмобиля. Главное, чтобы он смог выполнять базовые команды — ездить, поворачиваться, распознавать препятствия на своём пути и так далее.

Помимо этого, некоторые комплекты по программированию и робототехнике вовлекают детей в игровой сюжет (а не просто заставляют решать задачи на определённые темы). Так строится учебный курс по информатике от компании «Кодвардс», который разработан для наборов LEGO Education WeDo 2.0. С его помощью детям 6—12 лет рассказывают о том, для чего рыбам нужен плавательный пузырь, когда объясняют принцип работы подводной лодки. Понятные примеры помогают детям узнавать сложные вещи. А иногда учителя вместе с учениками придумывают целые сюжеты.

И самое главное: чтобы справиться со сложной инженерной задачей, ученикам нужны не только математика, информатика и физика, но и воображение, творческий подход. Некоторые проекты EV3 и WeDo 2.0 и вообще не предполагают какого-то конкретного решения. И дети могут подойти к задачам и проектам творчески (а этого, конечно, очень не хватает на обычных школьных уроках).

5. Естествознание

Младшим школьникам пока рановато запоминать синтаксис и вбивать код вручную — поэтому визуальный язык программирования для них сильно упрощён. Но зато делается серьёзный акцент на изучении окружающего мира и естествознании. В базовый комплект LEGO Education WeDo 2.0 входят 17 проектных работ на 40 академических часов занятий. Среди них есть, к примеру, миссия по опылению цветка: учитель во время сборки робота-пчелы может подробно рассказать, как это работает. В другом проекте ученики собирают модель лягушки и изучают, как работает её организм на каждом этапе развития.