14 марта 2013      865      0

STEM образование на уроках информатики

Копосов Д.Г.

МБОУ МО «Город Архангельск» «Общеобразовательная гимназия №24», учитель информатики

Проблема подготовки работников высокотехнологичных направлений отмечается крупнейшими корпорациями: «Нехватка квалифицированных специалистов достигла такого уровня, что можно говорить о кризисе гениев для высокотехнологичных компаний» (Бред Смит, вице-президент Microsoft) [1]. Во многих странах ищут эффективные пути многоуровневой подготовки инженерных и научных кадров.

В системе образования Норвегии, например, учителя ведут несколько предметов в рамках общего направления «Естествознание», формируя при этом единую для учащегося картину мира и научное мировоззрение [2]. В США реализуется национальная программа развития STEM образования. STEM расшифровывается как — наука (причем, именно естествознание), технология, инженерное дело и математика, т.е. STEM-система учебных предметов является основой подготовки работников в области высоких технологий [3]. Конечно, реализовывать такое направление способны только учителя, прошедшие дополнительную профессиональную подготовку и готовые работать в единой системе естественно-научных учебных дисциплин и технологий. В США, например, действует национальная программа по подготовке 100000 учителей в области STEM за ближайшие 10 лет [4].

Если рассматривать проблемы российской системы образования, то сразу бросается в глаза ярко выраженная узкая специализация учителей, и как результат знания школьников будут фрагментарны.

Отдельно стоит выделить только учителей информатики, которые могут проводить (и проводят) занятия по информатике, математике, физике. С учетом содержания федерального государственного стандарта по информатике и профессиональных возможностей учителей информатики, можно с уверенностью говорить, что именно данная категория учителей способна в российских реалиях реализовывать на уроках идеи STEM образования.

В нашей гимназии с 2009 года реализуется проект «Начала инженерного образования», в рамках которого в специально созданной учебной среде, основанной на лабораториях инженерной направленности, учащиеся изучают информатику в неразрывной связи с вопросами физики и математики. Подробнее с проектом можно ознакомиться на сайте www.edurobotics.info (на этом сайте).

Большая часть лабораторий основана на открытой платформе Arduino, состоящей из одноименного микроконтроллера и программного обеспечения для написания программ управления. С помощью Arduino можно разрабатывать различные интерактивные устройства, обрабатывать данные датчиков и переключателей, управлять двигателями и т.д. Устройства могут быть автономными или взаимодействовать с программным обеспечением компьютера. Создав программу, школьники могут сразу наблюдать результаты своей деятельности — создание и управление реальным устройством, только что собранным своими руками [5].

В качестве одного из примеров таких занятий, рассмотрим урок, который может быть реализован в рамках следующих тем по информатике в 9 классе: табличные вычисления на компьютере, линейные вычислительные алгоритмы.

При этом, конечно, и рассматриваются общие вопросы обработки результатов измерений в задачах естествознания, и проводится физический эксперимент.

Цели урока вытекают из указанных выше тем, однако, мы их не будем пока четко прописывать.

План урока

  1. Знакомство учащихся с ИК датчиками Sharp. Принцип работы и применение.
  2. Составление электрической схемы и подключение к микроконтроллеру Arduino.
  3. Программирование микроконтроллера на получение данных с датчика.
  4. Сбор экспериментальных данных. Составление таблицы соответствия показаний датчика и расстояний до объекта.
  5. Построение диаграммы в табличном процессоре Excel. Поиск зависимостей между данными. Аппроксимация (интерполяция) полученных экспериментальных данных. Линия тренда в табличном процессоре Excel.
  6. Поиск примеров использования математических функций в для использования в программной среде. Программирование микроконтроллера на автоматический расчет и вывод расстояния до объекта.
  7. Анализ полученных результатов. Погрешность измерений. Округление. Коррекция программы.

Инфракрасные датчики измерения расстояния фирмы SHARP — доступные, эффективные и простые в использовании сенсоры, позволяющие определять расстояние до объекта или препятствия. Некоторые области применения:

  • проекторы (для автоматической фокусировки);
  • бытовая техника (роботы-пылесосы, управление освещением, копиры, торговые автоматы, ноутбуки, LCD-мониторы и т.д.);
  • автоматические выключатели (освещения и т.п.);
  • развлекательное оборудование (роботы, игровые автоматы и т.д.).

Мы использовали датчики SHARP GP2Y0A02YK0F [6] с диапазоном измерения расстояния от 20 до 150 см. Для определения расстояния (либо просто наличия объекта в «поле зрения» сенсора) используется метод триангуляции (рис.1).

Импульс света в ИК-диапазоне (длина волны 850 нм ± 70 нм), испускаются излучателем (2). Это излучение распространяется и отражается от объекта, находящегося в «поле зрения» сенсора. Отраженное излучение возвращается на приемник (1). Испускаемый и отраженный лучи образуют треугольник «излучатель — объект отражения — приемник».

Угол α напрямую зависит от расстояния до объекта L. Полученные отраженные импульсы собираются высококачественной линзой и передаются на линейную ПЗС-матрицу (CCD). По засветке определенного участка CCD матрицы определяется угол α.

Схема подключения очень проста (рис.2). Для создания дидактических материалов и моделирования мы используем свободное программное обеспечение Fritzing (www.fritzing.org) — это САПР — система автоматизированного проектирования.

 

 

 

 

Рис.2. Схема подключения датчика к микроконтроллеру

После подключения датчика к микроконтроллеру, а последнего к персональному компьютеру, школьникам необходимо написать программу, которая будет выводить на экран показания с датчика. Такая программа представляет собой пример линейного алгоритма и представлена ниже.

 

//номер контакта для подключения выхода сенсора
int SensorPin = 0;
//первоначальные настройки микроконтроллера
void setup() {
   //включение передачи данных по последовательному порту (9600бит)  
   Serial.begin(9600);
}
void loop() {
   //считываем значение сенсора
   int x = analogRead(SensorPin);
   float y = x; //необходимо найти формулу
   //отправляем значение на последовательный порт
   Serial.println(y);
   //временная задержка 300 мс
   delay(300);
}

 

Данная программа не требует предварительной глубокой подготовки учащихся в области программирования. Понимание учащимися достигается или в режиме диалога, или работой в группах.

Далее учащиеся выполняют измерения расстояния от ИК датчика до объекта (рис.3) и записывают числовые значения, получаемые с датчика, в таблицу 1 (используя Microsoft Excel 2007 или 2010).

Таблица 1

Соответствие показаний датчика и измеренного расстояния до объекта

Показания датчика

275

288

300

330

352

400

464

540

642

Расстояние,
см

100

90

80

70

60

50

40

30

20

 

По данным, представленным в таблице, необходимо построить точечную диаграмму.

Рис.4. Зависимость между расстоянием до объекта
и показаниями датчика 
SharpGP2Y0A02YK0F

По графику видно, что датчик имеет нелинейный выход: при линейном увеличении расстояния, сигнал на аналоговом выходе уменьшается нелинейно:

Выходная характеристика нашего дальномера нелинейно зависит от измеренного расстояния. Нужно найти функцию для преобразования показаний, которые выдает датчик, в расстояние, т.е. в сантиметры.

Многим из тех, кто сталкивается с научными и инженерными расчётами часто приходится оперировать наборами значений, полученных экспериментальным путём.
На основании этих значений аргумента требуется построить функцию, на которую могли бы с высокой точностью попадать другие получаемые значения. Такая задача называется аппроксимациейИнтерполяцией называют такую разновидность аппроксимации, при которой кривая построенной функции проходит точно через имеющиеся точки данных.

Используя возможности табличного процессора Excel, в частности «Линию тренда» (рис.5), учащиеся найдут параметры искомых функций. Искомые функции приведены на рис.6 и рис.7.

 

Рис.5. Функции возможные для построения

 

 

Рис.6. Зависимость между расстоянием до объекта
и показаниями с датчика 
SharpIR (полиномиальная функция)

 

 

Рис.7. Зависимость между расстоянием до объекта
и показаниями с датчика 
SharpIR (степенная функция)

 

Получив искомые формулы, учащиеся, используя справочные материалы, самостоятельно найдут способ записи математических функций в среде программирования Arduino.

В нашем случае искомая строка будет выглядеть так:

f(x) = -0,000000000077285·x5 + 0,000000188033547·x4 — 0,000181681360086·x3 + 0,08742808736192·x2 — 21,1629384370078·x + 2 132,33666005216

float y = -0.000000000077285*pow(x,5)+ 0.000000188033547* pow(x,4)- 0.000181681360086* pow(x,3) + 0.08742808736192* pow(x,2) – 21.1629384370078*x + 2 132.33666005216;

 

Сделав необходимые изменения в программе, школьники сильно удивляются тому факту, что графики совпадают, а значения, выводящиеся на экран, не соответствуют реальному расстоянию.

На наш взгляд в школе совсем не уделяется внимание такому понятию как точность вычислений. Школьники к 9 классу уже настолько привыкли, что 2 знака после запятой — это норма, что обычно никому и в голову не приходит идея использовать большее число знаков. Попытки привычно «поокруглять» приводят к неправильному расчету расстояния, что является очень и очень важным —  это первый и можно сказать бесценный опыт для школьника.

По аналогичному плану можно провести уроки, используя терморезистор, фоторезистор, резистор давления и т.д.

STEM уроки постепенно сформируют у школьников фундамент понимания единства информационных принципов строения и функционирования самоуправляемых систем различной природы, процессов управления в природе, технике, социуме.

Теперь можно вернуться к теме и целям урока. Но можем ли мы их кратко и однозначно записать? Теоретически — да. В рамках программы по информатике и тема и цели будут одни, в рамках физики — другие, математики — третьи. Может это бинарный урок? В нашей системе образования бинарные уроки не предусмотрены финансово и проводятся только как открытые уроки при аттестации педагогов (юридически таких уроков нет).

Цели STEM образования, в общем, и каждого урока в отдельности, направлены на формирование 5 основных компетенций:

  • концептуальное понимание — понимание концепций, операций и отношений;
  • операционная свобода — навыки гибкого и аккуратного выполнения операций;
  • стратегическая компетенция — способность формулировать, представлять и решать проблемы;
  • адаптивное осмысление — логическое мышление, рефлексия, объяснение и аргументация;
  • продуктивное сознание — склонность рассматривать предмет как разумный, полезный и ценный наряду с верой в свою эффективность.

В рамках этих постулатов и следует учителю разрабатывать методические и дидактические материалы.

В Российской Федерации к инициативе развития STEM образования в 2010– 2011 году присоединились: Иркутский государственный технический университет, Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики и Саратовский государственный технический университет. Вузы вступили в престижную международную сеть лидеров образования в области науки, технологии и математики (STEM) для средней и высшей школы [7].

 

Литература

1.  [Электронный ресурс] Microsoft: Shortage of tech workers in the US becoming “genuine crisis”. http://thehill.com/blogs/hillicon-valley/technology/258985-microsoft-lack-of-tech-workers-approaching-genuine-crisis. 27.09.2012.

2.  [Электронный ресурс] Система среднего образования Норвегии после образовательной реформы 1994 г. http://www.norge.ru/norskvgs1994/. 15.01.2003.

3.  [Электронный ресурс] U.S. Congress Joint Economic Committee. STEM Education: Preparing for the Jobs of the Future. http://www.jec.senate.gov/public/index.cfm?a= Files.Serve&File_id=6aaa7e1f-9586-47be-82e7-326f47658320. April 2012.

4.  [Электронный ресурс] White House Office of Science and Technology Policy. Winning the Race to Educate Our Children. Science, Technology, Engineering, and Mathematics (STEM) Education in the 2012 Budget.  http://www.whitehouse.gov/sites/default/ files/microsites/ostp/OSTP-fy12-STEM-fs.pdf. February 14, 2011.

5.  Копосов Д.Г. Факультативный курс «Основы микропроцессорных систем управления» для учащихся 9–11 классов // Информационные технологии в образовании: ресурсы, опыт, тенденции развития: сб. материалов Международной научно-практической конференции (30 ноября — 3 декабря 2011 г.). Часть II. — Архангельск: АО ИППК РО, 2011. — С174–181.

6.  [Электронный ресурс] SHARP GP2Y0A02YK0F. Datasheet. http://www.sharpsma.com/webfm_send/1487. 23.03.2007.

7.  [Электронный ресурс]. HP Catalyst Initiative Recipients (2011 and 2010). http://www8.hp.com/us/en/hp-information/social-innovation/recipients2011.html.

Ваш комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.

Любимые цитаты
«Своё место в стране должны создать себе сами учёные, а не ждать, пока кто-то придёт и всё для них сделает» (Пётр Леонидович Капица)
Популярные записи
Архивы
Амперка. Модули
РобоНорд-2017
Олимпиада «Будущий инженер»
Календарь записей
Февраль 2018
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
« Окт    
 1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728  
Пять последних постов
Фотографии

© 2018 Начала инженерного образования в школе · 163051, Архангельск, ул. Тимме, 22/3. МБОУ Гимназия № 24