Бугайко Елена Васильевна
кандидат педагогических наук, доцент кафедры информатики и методики преподавания  информатики, Оренбургский государственный педагогический университет, г. Оренбург
ewb2001@mail.ru

Денисова Людмила Викторовна
кандидат педагогических наук, доцент кафедры информатики и методики преподавания информатики, Оренбургский государственный педагогический университет, г. Оренбург
lv-denisova@yandex.ru

Дженжер Вадим Олегович
кандидат физико-математических наук, заведующий кафедрой информатики и методики преподавания информатики, Оренбургский государственный педагогический университет, г. Оренбург
vdjenjer@yandex.ru

Лозенко Галина Федоровна
кандидат физико-математических наук,  доцент кафедры информатики и методики преподавания информатики, Оренбургский государственный педагогический университет,  г. Оренбург
glozenko@yandex.ru

Лего-технологии для внеучебной деятельности  школьников по информатике

Аннотация
Излагается подход к использованию Лего-технологий для внеучебной деятельности школьников по информатике с целью повышения интереса к программированию. Представлен опыт работы со студентами и учителями информатики по изучению среды программирования Scratch, цифрового дизайнера LEGO Digital Designer, программирования робота Lego Mindstorms  NXT 2.0.

Ключевые слова:
информатика, подход к обучению языкам программирования, Лего-технологии, конструирование, программирование, учебные роботы

Согласно стандарту педагогического университета, реализующих модель специалитета,  первые семестры обучения по специальности  «Информатика» отводятся изучению языков программирования.  Однако слабая подготовка  абитуриентов делает невозможным  обеспечение  должного  уровня подготовки по дисциплине «Программирование», что сказывается при изучении и других дисциплин специальности, а также на качестве курсовых и дипломных работ. Таким образом, проблемой и в вузе и в школе становится  снижение уровня подготовки по  языкам  программирования.

Пути решения этой проблемы на организационном уровне для школы и вуза, казалось бы,  понятны:

• на уровне школы необходимо реализовать выбор таких профилей обучения в старшей школе как физико-математический, информационно-технологический, где раздел «Программирование»  представлен достаточным количеством учебных часов;

• на уровне вуза достаточно будет увеличение  числа часов на изучение дисциплины «Программирование».

Указанные профили обучения  (физико-математический, информационно-технологический) выбирают лицеи, но далеко не всякая школа, тем более сельская,  имеет статус лицея. Соответственно  абитуриенты педагогического вуза, которые практически и  являются выпускниками сельских школ,  в большинстве своем не имеют профильной подготовки по дисциплине «Информатика и ИКТ».

С введением бакалавриата в педагогические вузы для специальности «Информатика» мы увеличили количество часов на изучение дисциплины «Программирование», что, как мы предполагаем,  поможет ликвидировать пробелы знаний и обеспечить нужный уровень подготовки студентов.  Тем не менее, необходимо,  чтобы интерес к программированию и определенные базовые знания у будущих студентов были уже сформированы  в общеобразовательной средней школе.  Как решить эту проблему на уровне школы, если в старшей школе преподавание предмета «Информатика и ИКТ» идет на базовом уровне, т.е. 1 час в неделю, при такой модели обучения раздел «Программирование» практически не рассматривается и всегда ли необходимо идти по пути увеличения количества учебных часов?

 Мы считаем, что сформировать  интерес к программированию даже в случае отсутствия указанных профилей  можно на основе организации внеучебной деятельности школьников как непрерывного обучения программированию.  При этом нужно использовать современные среды программирования, в частности, таких, как Scratch для младших школьников, конструкторы  Lego WeDo, Lego Mindstorms (программирование учебных роботов)  для учащихся 5-9 классов и возможно старшеклассников. Мы предлагаем использовать Лего-технологии как инструмент, способный осуществлять сквозную линию обучения программированию, и, главное,  способствующие повышению интереса к программированию.

Учителю информатики, приступающему к разработке учебной программы  по использованию  Лего-технологий во внеучебной деятельности, можно рекомендовать выделить в ней два основных модуля: конструирование (сборка различных моделей объектов, в частности, учебных роботов как виртуальных, так и реальных)  и программирование с дальнейшей отладкой программ  на учебных роботах, причем, оба этих модуля идут параллельно.

Для обучения программированию  на роботах необходимо иметь   комплекты Lego WeDo и / или  Lego Mindstorms  NXT.  Далее нужны методические материалы  по обучению конструированию роботов, программированию, отладке программ, материалы  с практическими заданиями и др. Разработка этих материалов и является целью работы преподавателей кафедры, ведущих соответствующие спецкурсы для студентов по данной тематике и работающих на курсах повышения квалификации учителей.

Ниже представлены основные направления для учебной программы, которые мы рекомендуем учителям информатики, начинающих  осваивать  Лего-технологии с целью использования  их во  внеучебной деятельности по информатике.

Во-первых, обращаем внимание на среду программирования Scratch [1], методические материалы по использованию которой во внеучебной работе со школьниками частично представлены в публикациях [2-5]. Эта среда  разработана сравнительно недавно и в ней также реализован подход из Лего-технологий: скрипты (программы) собираются из разноцветных команд, хранящихся в ящичках «движение», «внешность», «звук» и др. (рис. 1).  Команды можно вставлять, удалять,  как и в конструкторах Лего.  Кроме того, есть возможность после изучения языка программирования Scratch, работать с конструктором роботов Lego WeDo, где программы для роботов пишутся на языке Scratch.

Во-вторых, для начинающих осваивать Лего-технологии, мы рекомендуем прежде научиться сборке виртуальных роботов на основе бесплатной программы LEGO   Digital Designer (цифровой дизайнер) [6] и умению работать с инструкциями по их сборке. Эта программа позволяет создавать всевозможные объемные конструкции из огромного множества деталей. На рис. 1 для сравнения представлены фрагменты рабочих окон двух программ: Scratch и LEGO Digital Designer.

 

Рис. 1. Фрагменты  рабочих окон программ Scratch и LEGO Digital Designer 

Программа  LEGO  Digital Designer, как и любой Лего-конструктор, имеет набор деталей (слева ящички с многочисленными деталями для сборки). С этой программой могут работать и младшие школьники, тем более, что есть общие принципы, объединяющие эти две программы. Кроме того, для готовой конструкции автоматически создается сборочная инструкция, по которой даже младшие школьники смогут собрать уже реальную модель при наличии деталей.

Учителя, проходившие повышение квалификации на кафедре информатики и МПИ оценили возможности программы LEGO Digital Designer именно с точки зрения обучения конструированию и как подготовительный этап к работе с учебными роботами.

Программа LEGO Digital Designer  позволяет собрать и виртуального робота LEGO Mindstorms NXT 2.0.  (левый фрагмент рис. 2). Этот модуль оказался очень полезным, поскольку у студентов-информатиков  практически не было опыта сборки учебного робота Mindstorms NXT 2.0. Даже при наличии комплекта LEGO Mindstorms NXT 2.0 и инструкции по сборке учебного робота, студенты терялись от количества деталей. Пришлось начинать со сборки виртуального робота, используя программу LEGO Digital Designer.

Работа по конструированию (сборке)  сложного объекта, каким является  учебный робот с помощью той же программы LEGO Digital Designer идет труднее. В данном случае следует обязательно пользоваться инструкцией, где указаны детали (средний фрагмент рис. 2) и фрагментом того, что должно получиться на определенном шаге при сборке (правый фрагмент рис. 2).

Рис. 2. Общий вид учебного робота и фрагменты  инструкции по сборке

Рис. 3. Фрагмент  режима «проигрывания» сборки

Для сборки учебного робота даже при наличии инструкции для сборки, необходимо дополнительно освоить режим «проигрывания» сборки отдельных элементов (рис. 3).  Этот режим очень помогает для сборки сложных моделей, каким является учебный робот. На рис. 3 представлен фрагмент данного режима, где в левом верхнем углу видны две треугольные кнопки, которые показывают следующий и предыдущий шаги инструкции для сборки и кнопка-скрепка, которая «проигрывает» указанный фрагмент сборки. Указать нужный фрагмент сборки можно с помощью последней кнопки с бегунком (бегунок выберет номер шага сборки, например, 29 из 63). Этот режим необходим, когда не понятно как поставить деталь, как ее закрепить, поскольку детали в инструкции даны для того, чтобы понять, что взять из ящичков с деталями, но не понятно, как эту деталь повернуть, куда  и как прикрепить.  Програма LEGO Digital Designer оказалась полезной для студентов как программа-тренажер для перехода к сборке реального робота.

Далее (основное направление), после сборки реального робота LEGO Mindstorms NXT 2.0, можно ставить базовые задачи (движение, звук, работа с датчиками и т.д.), писать программы, отлаживать их для работы в реальных условиях. Отметим, что нам очень пригодился опыт учителей Челябинского региона, которые последние годы занимают лидирующие позиции по использованию Лего-технологий в образовании.

Спецкурс для студентов по использованию Лего-технологий в образовании  позволил получить очень интересные результаты. Студенты  создавали полигоны  для испытания движения робота по программе, изучали основы языка программирования LEGO Mindstorms NXT 2.0, защищали свои проекты.  Вот где стало понятно, что конструкторы Лего – совершенно новые технологии в образовании с необыкновенно высокой мотивацией к учебе. Пришлось поражаться активности студентов, изобретательности, творческому отношению, умению работать в группе и другим качествам, с которыми мы, как преподаватели,  редко встречаемся при выполнении типовых лабораторных работ.

За время спецкурса было разработано несколько реальных проектов, в которых полигоны превратились в сказочные площадки с елочками, цветами, мостами, горами, гаражами и автозаправками, зебрами для пешеходов, т.е. студенты создали 3D-ландшафты, в каждом из которых решались свои задачи для робота. Отметим, что для таких полигонов потребовались листы разноцветной бумаги, клей, ножницы, фламастеры. Причем, робот в этих проектах был не главный, главной в каждом проекте была та ситуация (задача), которую надо было решить с помощью робота (пройти вдоль озера, не сбив елочки и не задев цветы; зайти в гараж, проходя извилистые участки пути и т.д.). Конечно, для студентов-информатиков изучение очередного языка программирования не основная проблема, но, главный результат такой работы со студентами, будущими учителями информатики в том, что они убедились, что Лего-технологии обладают необыкновенно высоким образовательным потенциалом.

Таким образом, имея некоторый опыт по изучению Лего-технологий со студентами информатиками и учителями с курсов повышения квалификации, мы можем рекомендовать следующие направления для внеучебной работы с целью повышения интереса к программированию и формированию базовых знаний:

• изучение среды программирования Scratch с младшими школьниками;

• изучение цифрового дизайнера LEGO Digital Designer с несложными задачами по конструированию для младших школьников;

• конструирование виртуального учебного робота в среде LEGO Digital Designer для старших школьников;

• сборка базовой модели робота LEGO Mindstorms NXT 2.0;

• изучение основ языка программирования  робота (базовые задачи) с отладкой их на полигоне;

• переход  к спортивному программированию (решение сложных задач  с участием в соревнованиях).

Литература

1. Scratch: [электронный ресурс]. / URL: http://scratch.mit.edu  [дата обращения 26.08.2011]

2. Рындак В. Г., Дженжер В. О., Денисова Л. В. Проектная деятельность школьника в среде программирования Scratch: учебно-методическое пособие. — Оренбург: ОГИМ, 2010. — 106 с.:   [электронный ресурс]. /URL: http://sites.google.com/site/orenscratch/nasi-razrabotki  [дата обращения 26.08.2011].

3. Рындак В. Г., Дженжер В. О., Денисова Л. В. Внеучебная проектная научно-познавательная деятельность школьника. Методика организации (с использованием языка программирования Scratch): монография. — М: «Дом педагогики», 2010. — 251 с.

4. Бугайко Е.В., Лозенко Г.Ф. К  вопросу о повышении квалификации  учителей информатики// Письма в Эмиссия. Оффлайн (The Emissia.Offline Letters): электронный научный журнал. - Ноябрь 2010, ART 1471. - CПб., 2010г. - URL:  http://www.emissia.org/offline/2010/1471.htm  . - Гос. рег. 0420800031.  ISSN 1997-8588  [дата обращения 26.08.2011]. Байрамгалиев Р.А., Лозенко Г.Ф.  Свободное программное  обеспечение для уроков информатики и дополнительной работы со школьниками// Письма в  Эмиссия. Оффлайн (TheEmissia.OfflineLetters): электронный научный журнал. - Январь 2011, ART 1518 . - CПб., 2011 г. - URL: http://www.emissia.org/offline/2011/1518.htm .  - Гос.рег. 0421100031.  ISSN1997-8588. [дата обращения 26.08.2011].

5. LEGO Digital Designer: [электронный ресурс]. / URL: http://ldd.lego.com/download/default.aspx [дата обращения 26.08.2011].

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2011 год) (№ 3.1.2/9574).

Рекомендовано к  публикации:
А.А.Ахаян, доктор педагогических наук, член Редакционной Коллегии

_____

Elena V. Bugajko 
Candidate of Pedagogical Science, Docent of the Chair of Informatics, Orenburg State Pedagogical University, Orenburg
ewb2001@mail.ru

Ludmila V. Denisova
Candidate of Pedagogical Science, Docent of the Chair of Informatics, Orenburg State Pedagogical University, Orenburg
lv-denisova@yandex.ru

Vadim O. Djenjer 
Candidate of Phys.-Mat. Science, Head of the Chair of Informatics, Orenburg State Pedagogical University, Orenburg
vdjenjer@yandex.ru

Galina F. Lozenko
Candidate of Phys.-Mat. Science, Docent of the Chair of Informatics, Orenburg State Pedagogical University, Orenburg
glozenko@yandex.ru 
 

Lego-technologies for nonlearning activity of schoolboys on computer science

The approach to use of Lego-technologies for nonlearning activity of schoolboys on computer science for the purpose of increase of interest to programming is stated. Experience with students and teachers of computer science on studying of the environment of programming Scratch, digital designer LEGO Digital Designer, programming of robot Lego Mindstorms NXT 2.0 is presented. 

Keywords:
computer science, the approach to training to programming languages, Lego-technology, designing, programming, educational robots.