обучение школьник инженерный педагогический

На сегодняшний день, в условиях непрерывного технического прогресса, необходимы кадры, чьи умения и навыки смогли бы достойно отвечать современным вызовам времени. В перечень таких умений и навыков входят и работа с новейшим оборудованием, и решение спектра инженерно-технических задач, новых для нашего общества. Готовность принять такие кадры существует на самых разных уровнях общества, вплоть до прямой государственной поддержки. «Качество инженерных кадров становится одним из ключевых факторов конкурентоспособности государства...» - этот тезис был озвучен В.В. Путиным на заседании Совета при президенте по науке и образованию.

Высококвалифицированная инженерная деятельность, помимо необходимых знаний, умений и навыков, требует определённого подхода к пониманию поставленных задач и поиску способов их решения, определённого способа мышления, говорить о котором можно как об "инженерном". Закладывать основы такого мышления как раз и надо на этапе раннего профессионального ориентирования, чего на данный момент не происходит, в частности и по причине недостатка способов и методов формирования и развития инженерного мышления. «Есть объективный запрос на перемены в системе подготовки инженерных кадров» - подчеркнул президент.

Развитие робототехники, в настоящее время, включено в перечень приоритетных направлений технологического развития в сфере информационных технологий, которые определены Правительством в рамках «Стратегии развития отрасли информационных технологий в РФ на 2014-2020 годы и на перспективу до 2025 года» [21]. Важным условием успешной подготовки инженерно-технических кадров в рамках обозначенной стратегии развития является внедрение инженерно-технического образования в систему воспитания школьников, как в рамках общей, так и дополнительной системы образования. Примером такого внедрения может являться внеурочный кружок по робототехнике для школьников 6-10 классов, выступающий в роли пропедевтического этапа высшего технического образования и позволяющий провести раннюю профессиональную ориентацию.

Робототехника имеет прямое отношение к технической области научного знания, следовательно, ее изучение естественным образом способствует развитию особых форм мышления, в частности, инженерного мышления, иначе говоря - кружок по робототехнике имеет не только ярко выраженную предварительно-профессионально ориентационную функцию, но и развивающую. В связи с этим, занятие в кружке полезно не только ученикам старшей школы, как некоторый практический опыт инженерной деятельности, но и, даже в большей степени, более младшим, так как позволит увеличить время пропедевтического этапа, а значит - подготовить более конкурентоспособные кадры дефицитной, инженерной направленности.

Анализируя состояние системы образования в области подготовки инженерных кадров, мы можем выделить некоторые противоречия:

1) между требованиями современного общества к качественной подготовке инженерных кадров и недостаточной готовностью системы образования к обеспечению такой подготовки;

2) между необходимостью пропедевтической подготовки инженерных кадров на этапе школьного обучения и недостаточной разработанностью учебных программ и методического обеспечения для развития инженерного мышления у школьников среднего и старшего звена общеобразовательной школы;

3) между возможностью формирования инженерного мышления школьника в процессе изучения основ робототехники в разновозрастных группах и отсутствием методов и способов, обеспечивающих необходимый уровень сформированности инженерного мышления;

Выделенные противоречия позволяют сформулировать проблему исследования: какой должна быть методика обучения детей робототехнике в разновозрастных группах, формирующая инженерное мышление.

Объект исследования: процесс обучения робототехнике школьников 6-10 классов в разновозрастных группах.

В философии, психологии, педагогике в последнее десятилетие принято выделять «вид мышления». Часто выделяют физическое, художественное, математическое, гуманитарное, экономическое и другие виды. И.Я. Лернер пишет: «Наличие же своеобразного мышления в других сферах деятельности, в частности касающихся наук, составляющих ядро многих учебных предметов - физики, химии, истории, биологии и др., вызывает сомнение. Естественной почвой таких сомнений является отсутствие сколько-нибудь точного определения специфики мышления, что позволило бы назвать его физическим, биологическим и т.д.»[17]. В то же время И.Я. Лернер указывает, что известный ученый-географ Н.Н. Баранский говорил о наличии географического мышления, Л.А. Цветков выделил особенности химического мышления; об историческом мышлении говорил еще В.О. Ключевский. Сам И.Я. Лернер попытался сформулировать особенности исторического мышления. Термин «физическое» мышление в методике появляется в 1963 году в книге В.Ф. Юськовича «Обучение и воспитание учащихся на основе курса физики средней школы». Введение этих видов мышления является целесообразным, поскольку такое выделение акцентирует внимание на особенностях данного вида, позволяет выделить их специфику, способствует углублению изучения проблематики, связанной с данным видом мышления.

Инженерное мышление является одним из видов мышления. В философии данный термин встречается как термин «техническое мышление», и был введен П.К. Энгельмейером в работе «Философия техники». Он утверждает, что «существует особый склад ума, который можно назвать техническим». Однако психологической характеристики этого «склада ума» автор не дает.

В «Психологическом словаре» Н.З. Богозова, И.Г. Гозмана, Г.В. Сахарова техническое мышление определяется как деятельность, направленная на самостоятельное составление и решение технических задач [22].

Приняв во внимание все предлагаемые в литературе определения технического мышления, имеет смысл остановиться на следующем, наиболее созвучном исследуемой проблеме определении инженерного мышления: под инженерным мышлением понимается комплекс интеллектуальных процессов и их результатов, которые обеспечивают решение задач профессионально-технической деятельности (конструкторских, технологических, инженерных и т.д.).

С одной стороны, проблема развития инженерного мышления имеет небогатую историю, так как бум работ, посвященных этому направлению (60-е - 70-е годы), связан с научно-технической революцией, начавшейся в 50-е годы. С другой стороны, отдельные аспекты этой проблематики являются традиционными для психологии и философии.

В работах Г. Кайзера и В. Ланге подчеркивается, что развитие инженерно-технического мышления является «проблемой основополагающей для политехнического образования» и признается, что техническое мышление имеет свою специфическую структуру, его развитие влечет за собой формирование технических способностей [5,6].

Подводя итог проведенному анализу мнения психологов и педагогов о техническом мышлении, можно сделать вывод о том, что целесообразно говорить об инженерном мышлении как о самостоятельном виде интеллектуальной деятельности.

Инженерное мышление так же, как и любое другое, осуществляется в процессе решения задач, осуществляется с помощью известных мыслительных операций: сравнение, противопоставление, анализ, синтез, классификация и др.

Очень важен вывод, к которому приходит С.Л. Рубинштейн при рассмотрении разных видов мышления, так как этот вывод объясняет наличие различных видов мышления, в том числе и инженерного: «Специфические особенности различных видов мышления обусловлены у разных людей прежде всего специфичностью задач, которые им приходится разрешать, они связаны также с индивидуальными особенностями, которые у них складываются в связи с характером их деятельности»[25].

Также отметим высказывание С.Л. Рубинштейна о том, что в разных психологических ситуациях по-разному протекают мыслительные процессы, и зависит это от склада ума, интересов и особенностей личности в целом. А если человек работает в области техники, постоянно решая инженерные и технологические задачи, возникающие в его деятельности, то реально предположить, что мыслительные процессы протекают по-особенному и, естественно, отличаются от мыслительных процессов, например, математика, решающего такую же задачу. Согласно мнению СЛ. Рубинштейна, первичный вид мышления - это «мышление в действии и действием, мышление, которое совершается в действии и в действии выявляется». Таким образом, если действие часто имеет определенную направленность, например, инженерную, то, следуя логике цитаты, возникающее вследствие этого действия мышление будет также иметь определенную направленность.

В настоящее время в инженерном мышлении сосуществуют три основных его типа. К ним можно отнести: обыденное (ненаучное), классическое (научное) и современное (научное, диалектическое по своему характеру инженерное мышление).

Обыденный тип инженерного мышления возникает на самых ранних ступенях развития общества и существует, постоянно развиваясь, по сей день. Подобного рода мышлением наделены слесарь и токарь, водитель и техник-наладчик и прочие, схожие с ними. Такое мышление формируется непосредственно в процессе трудовой деятельности, а также в процессе обучения соответствующей профессии. Более того, обыденным инженерным мышлением, в той или иной степени, обладает практически каждый человек. Эксплуатируя любые технические устройства от кухонной плиты до компьютера и сотового телефона, человек вынужден овладевать обыденным типом инженерного мышления.

Классический (научный) тип технического знания и мышления предполагает абсолютное противопоставление субъекта и объекта познания; объективность, независимость от человека технических явлений и процессов; возможность получения абсолютно-истинных, однозначных технических знаний и так далее.

Подобный новый (современный) тип инженерного мышления и соответствующего ему технического знания предполагает «включенность» субъекта в познавательные процессы и операции и его «обратное» влияние на них, как например: зависимость получаемых результатов от используемых инструментов познания и способов их приложения или статистически вероятностный характер получаемых результатов

Несмотря на имеющиеся различия, нельзя абсолютно противопоставлять современное инженерное и классическое техническое мышление друг другу. Представляется, что оба эти типа мышления в равной степени необходимы и не исключают, а скорее, дополняют друг друга, образуя вместе с обыденным техническим мышлением специфическую целостность - систему инженерного мышления. Системообразующими признаками инженерного мышления являются (рис. 1):

· направленность на осмысление тех или иных технических объектов (существовавших, существующих, создаваемых) и на различные техники операций. Этот признак свидетельствует об определенной целостности и специфическом характере этого типа мышления;

· наличие собственных, специфических стереотипов, принципов, лежащих в основе конкретных технических теорий, дисциплин, представлений, законов и закономерностей, методов (сборка, разборка, установка, проверка, наладка, пуск и т.д.);

· наличие специфических технических идеалов, таких, как «вечный двигатель», абсолютно безотходная технология, передвижение со скоростью света и других, выступающих как своеобразные целевые установки, объединяющие техническое знание и задающие направленность техническому мышлению. Благодаря их воздействию формируется система ценностей технического знания и эффективности инженерного мышления, основными принципами которой выступают степень соответствия имеющегося и вновь создаваемого технического знания существующим техническим идеалам.

Рис. 1. Системообразующие признаки инженерного мышления

Система инженерного мышления, может быть представлена как совокупность следующих форм (рис. 2):

· идеомоторно-сенсорной формы мышления, способствующей формированию операционно-двигательных элементов технического знания. Развитию этой формы мышления способствует, прежде всего, работа человека с различными тренажерами, а также управление транспортом, работа на станках, упражнения со спортивными снарядами и т.д. Эта форма мышления совершенствуется через выработку навыков двигательных реакций организма. Такое мышление формирует, в основном, техническое знание того, «как» делать, но не «почему» это надо делать именно так. Это, образно говоря, «мышление-навык» действия с техническими объектами и собственным телом;

· образно-модельной - чисто мыслительной или наглядной формы инженерного мышления (например, образы, создаваемые на экране компьютера, листе ватмана и т.д.). Это оперирование со всевозможными схемами функционирования и устройствами. Причем сами эти схемы могут существовать не только идеально (в головах людей), но и материально - на экране дисплея, в виде плоских или объемных действующих моделей, а так же роботов. Эта форма мышления способствует, прежде всего, выработке наглядных технических представлений у носителей этой формы мышления;

· алгоритмически-рецептурной формы, в определенной степени сходной с идеомоторно-сенсорной: эта форма также способствует выработке технических знаний типа «как», но не «почему». Данная форма мышления образует техническое знание, построенное по принципу «если... то». Она способствует выработке как технических представлений, так и технических понятий;

· логически-теоретической формы инженерного мышления. Это форма мышления типа «почему». Именно она способствует не только формированию, но в еще большей степени, условий применения, а также разработке теорий и гипотез.

Рис. 2. Формы инженерного мышления

Несмотря на многообразие форм инженерного мышления, оно, как и формируемое им техническое знание, обладает определенной целостностью, единством. Единство технического знания и инженерного мышления, проявляется в следующем (Рис. 3):

· единство понятийного аппарата. Такие «технические» понятия, как «механизм», «операция», «изготовление», применимы во всех областях технического знания, а также и в других областях знания и мышления. Ряд понятий, являющихся частью понятийного аппарата технического знания и инженерного мышления, напротив, заимствованы ими из других областей знания, однако здесь они наполняются «своим» содержанием (форма, блок, программа, эталон). Это объясняется тем, что техническое знание и инженерное мышление неразрывно связаны с другими областями мышления и знания;

· единство идеалов, задающих целевую направленность техническому мышлению и способствующих выработке критериев оценки инженерного мышления и технического знания, их качества. Такими идеалами, как уже говорилось ранее, являются «вечный двигатель», абсолютно безотходная технология, полностью автоматизированное производство и множество других целеобразующих технологий. Очевидно, что два последних из перечисленных идеалов в определенной мере достижимы уже сегодня. Следовательно, развитие инженерного мышления и технического знания человечества - это реальный путь приближения к идеалу;

· единство законов и закономерностей технического знания и инженерного мышления, открываемых в ходе развития технических наук. Совокупность уже открытых и еще лишь выявляемых законов и закономерностей, понятийного аппарата, идеалов технического знания способствует выработке единых стереотипов, характерных для инженерного мышления;

· обусловленность потребностями развития производительных сил. Это особенно ярко видно на примерах судеб изобретений, опередивших свое время (спидометр, эолипил, ткацкий станок), которые не смогли сформировать прорыв по причине недостатка уровня развития производства;

· обусловленность инженерного мышления и его результатов - технического знания, в известной мере, политической надстройкой, традициями, этическими нормами, эстетическими представлениями, развитием науки и философии. Каждый тип общества, даже в том случае, если эти общества сосуществуют во времени, накладывает определенный отпечаток на инженерное мышление изобретателя, влияет на направленность его мышления, его характер, на идеалы, к которым следует стремиться, на иерархию этих идеалов, а так- же шкалу ценностей инженерного мышления и технического знания (например, влияние на приоритетное осмысление военной, бытовой или производственной техники), что способствует целостности, единству технического знания в стране, регионе, определенном типе общества;

Рис. 3. Единство технического знания и инженерного мышления

Таким образом, инженерное мышление и обретаемое с его помощью техническое знание представляют собой определенную целостность (единство), специфически проявляющуюся на каждом историческом отрезке, в каждом типе общества и в сопоставлении с другими областями знания и мышления. Наличие собственного понятийного аппарата, законов, идеалов, оценок, стереотипов, а также взаимосвязь с другими формами мышления и типами знания и, вместе с тем, несводимость к ним, свидетельствуют о системном, целостном характере инженерного мышления, о его положении как особого образования в мышлении человека.

Как можно заметить, никто из авторитетных ученых не оспаривает необходимость исследования инженерного мышления, и, разумеется, его существование. Однако, практическая и экспериментальная разработка этого направления, на сегодняшний день, явно недостаточна. Необходимо выявить некоторую систему, позволяющую оценить сформированность или предрасположенность у ученика к инженерному мышлению, а так же организовать такие условия, при которых развитие этого мышления будет максимальным. Первое из таких условий - разновозрастное обучение (оно более подробно будет разобрано в следующем параграфе данной главы), задачей которого является отход от привычной классно-урочной системы, с целью повысить скорость и качество формирования инженерного мышления, второе - робототехническое содержание этой формы организации образовательного процесса, для которого необходимо адаптировать выделенные ранее формы инженерного мышления, под условия обучения робототехники:

· идеомоторно-сенсорная форма мышления позволяет ученикам решать задачи робототехники, связанные с движением и нахождением оптимальной схемы модели. Работая с роботами на уровне теоретического решения задачи, развитая идеомоторно-сенсорная форма мышления позволяет разрабатывать модели, наиболее строго отвечающие условиям задачи, выбирать именно тот способ, который позволит добиться наибольшего результата. К примеру, стандартная задача практически любых соревнований по робототехнике - "кегельринг", подразумевает под собой необходимость роботом сбить все кегли за пределы ринга за минимальное время. Очевидно, что чем более эффективна модель, тем меньше времени она потратит на выполнение этой задачи. Исходя из этого на этапе планирования будущего робота необходимо максимально точно спланировать его будущие действия, те движения, которые он сможет выполнять. Исходя из этого, можно сказать, что работа над проектированием роботов напрямую развивает идеомоторно-сенсорную форму мышления, а значит и инженерное мышление в целом;

· образно-модельная форма мышления в рамках робототехники представлена ярче всего. Воплощение теоретических схем в практике максимально полно реализуется на уровне сборке готовой модели. В отличии от других сфер, где так же задействовано инженерное мышление, в робототехнике результат визуализирован наибольшим образом. Все систему можно разобрать на составляющие блоки, каждый из которых будет в своем роде моделью, что способствует выработке наглядных технических представлений;

· алгоритмически-рецептурная форма мышления представлена в робототехнике отдельным блоком знаний и умений: помимо проектирования и сборки конкретных моделей, важной составляющей частью робототехники является программирование роботов, что полностью отвечает запросам алгоритмически-рецептурной форме мышления. Две адаптированные среды программирования, рассчитанные на разный уровень начальных знаний о программировании, позволяют строить разноуровневое, в данном случае - разновозрастное, обучение. Старшие ученики могут использовать Robot-C, как средство разработки, а младшие - Lego Mindstorms, которая требуют меньшего багажа опыта и знаний;

· логически-теоретическая форма мышления связана с робототехникой скорее опосредованно, формируется при изучении профильной литературы, прохождения мастер-классов и является необходимой базой для построения фундамента инженерного мышления.

Сведем все имеющиеся данные в одну общую таблицу (таблица 1), которая станет основой для анализа уровня сформированности инженерного мышления, а так же сможет направлять дальнейшую работу над способами его развития.

Таблица 1. Проявления форм инженерного мышления в разных формах деятельности