Формування самоосвітньої компетентності учнів шляхом організації дослідницької діяльності засобами "Arduino"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Формування самоосвітньої компетентності учнів шляхом організації дослідницької діяльності засобами «Arduino»

Гайда Василь Ярославович, аспірант кафедри природничих наук та методик їхнього викладання; Садовий Микола Ілліч, доктор педагогічних наук, професор, завідувач кафедри теорії та методики технологічної підготовки, охорони праці та безпеки життєдіяльності Центрально-українського державного педагогічного університету імені Володимира Винниченка; Михайленко Василь Володимирович - вчитель фізики НВК «Мишковицька ЗОШ І-ІІІ ступенів - ДНЗ» Великоберезовицької селищної ради Тернопільського району Тернопільської області

Постановка та обґрунтування актуальності проблеми

Динамічний розвиток цифрового суспільства викликає потребу в радикальних змінах освітньої системи щодо методів, змісту та освітнього простору. Здебільшого у закладах загальної середньої освіти навчання ведеться за традиційними методиками, де джерелами знань для учнів є учитель та підручник [2]. Проте таке навчання по суті полягає у виробленні умінь працювати з приладами і обладнанням, а не уміннями досліджувати явище [2, 6]. Тому, одне із основних завдань закладів середньої освіти полягає у навчанні учнів самостійно здобувати знання, шляхом забезпечення сприятливих умов для формування та розвитку самоосвітньої компетентності, яка являє собою інтегровану якість, що визначається самоосвітніми уміннями та навичками, чіткими мотивами діяльності, прагненням до самовдосконалення, формуванням ціннісних орієнтацій, що дозволять успішно вирішувати питання самореалізації та саморозвитку, спрямованістю на здобуття освіти впродовж життя [1]. Такому підходу, на нашу думку, сприяє організація дослідницького навчання з використанням апаратно-обчислювальної платформи Arduino, яка здатна посилити мотивацію учнів, активізувати їх пізнавальну діяльність та сприяти формуванню самоосвітньої компетентності.

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Проблема використання цифрових пристроїв в освітньому процесі, розробка цифрового обладнання та методики його використання відображена у працях багатьох педагогів та науковців. Особливості розвитку творчого мислення учнів на основі конструкторської діяльності розглядали Г. Альтшуллер, А. Давиденко, та інші. Теоретичні та методичні аспекти використання інформаційних технологій в процесі підготовки майбутніх учителів висвітлювали П. Атаманчук, В. Биков, М. Садовий, І. Трибульська, О. Трифонова, М. Шут та ін. Науковцями О. Кривонос, Є. Кузьменко, С. Кузьменко [4] охарактеризовано апаратні можливості, переваги та специфікація платформи Arduino. Про те, питання використання апаратно-обчислювальної платформи Andruino» у навчальному фізичному експерименті в закладах загальної середньої освіти розкрито поверхнево та вибірково.

Мета статті. Проаналізувати стан впровадження цифрових пристроїв та платформ Arduino в освітній процес закладів загальної середньої освіти, дослідити рівень дослідницького підходу та переваги реалізації проекту «Вимірювання швидкості ультразвуку за допомогою апаратно- обчислювальної платформи Andruino».

Методи дослідження

В ході дослідження використовувались теоретичний метод: узагальнення та систематизація зарубіжного й вітчизняного досвіду з проблеми впровадження інформаційних технологій в освіті; експериментальний у формі моделювання з використанням контролерів на платформі Andruino.

Виклад основного матеріалу дослідження

Стрімкий розвиток обчислювальної техніки створив технічні передумови для розробки і широкого впровадження цифрових вимірювальних приладів, тому освіта має працювати на випередження, відповідати тенденціям розвитку суспільства в майбутньому та забезпечувати реалізацію ідей сталого розвитку [3; 9]. Одним із напрямків впровадження STEM-освіти, що забезпечує формування інформаційно-цифрової компетентності учнів, на думку О. Мартинюка [5], є навчальна (освітня) робототехніка. Розробка проектів, створення роботів, проведення наукових і дослідницьких експериментів, виконання спільних або групових завдань сприяє особистісному розвитку учнів, спонукає ефективніше справлятися з поставленими завданнями, контролювати хід їх розв'язання, створювати освітні продукти і презентувати результати роботи [7; 8], формуючи та розвиваючи самоосвітні навики.

Враховуючи думки науковців [3; 4; 5; 8] та власний досвід вважаємо, що реалізація STEM- проектів на основі апаратно-обчислювальної платформи Arduino посилить мотивацію до навчання, поглибить самоосвітні уміння, розширить спектр джерел знань та сприятиме формуванню самоосвітнньої компетентності учнів.

Інтерфейсні плати Arduino надають недорогу та просту можливість створення проектів на базі мікроконтролерів. Володіючи початковими знаннями в галузі електроніки, можливо використати плату Arduino для виконання багатьох проектів - від керування світлодіодами в гірлянді до розподілення потужностей в системі «Розумний будинок» [1]. Arduino - невелика за розмірами плата з мікроконтролером, роз'ємом USB для підключення до комп'ютера та низкою контактів для з'єднання із зовнішніми пристроями, такими як, електродвигуни, реле, фотоелементи, світлодіоди, гучномовці, мікрофони та інші (рис. 1).

Платформа набула поширення в навчанні з 2005 року [6, с.18]. Вона може живитись через роз'їм USB від комп'ютера, гальванічного елемента на 9 вольт чи іншого подібного джерела живлення. Платою можна керувати за допомогою комп'ютера та запрограмувати її. Після від'єднання від комп'ютера вона може працювати автономно. Отже, Arduino - це платформа з відкритим вихідним кодом, створена для швидкої розробки різноманітних електронних пристроїв, яка може отримувати дані про навколишній світ завдяки датчикам та модулям і реагувати, керуючи світлом, електродвигунами та іншими пристроями.

Як приклад розглянемо навчальний проект «Вимірювання швидкості ультразвуку за допомогою апаратно-обчислювальної платформи Andruino», який виконали І. Бичковський - учень 11 класу НВК «Мишковицька ЗОШ І-ІІІ ступенів - ДНЗ», Тернопільського району Тернопільської області та В. Михайленко, вчитель фізики НВК «Мишковицька ЗОШ І-ІІІ ступенів - ДНЗ».

Для конструювання установки вимірювання швидкості ультразвуку використовували ультразвуковий датчик відстані HC-SR04, що працює на частоті 40 кГц і віддалений від відбиваючого екрана на відстань l та під'єднаний до мікроконтролера. Останній в свою чергу з'єднаний з комп'ютером (рис. 2). Монтажна схема подана на (рис. 3). Датчик відстані має модуль TRIG, який генерує ультразвукові хвилі і ECHO, що фіксує відбиті хвилі. Сам датчик нічого не розраховує самостійно, а лише видає імпульс певної тривалості. Усі розрахунки необхідно проводити в мікроконтролері.

Рис. 2 Принципова схема установки

Рис. 3. Монтажна схема установки

Установка працює наступним чином: при активації виводу TRIG запускається таймер і починається відлік часу, як тільки на виводі ECHO з'являється відбитий сигнал, значення часу таймера у мікросекундах заноситься у змінну. Виводимо значення змінної в монітор порту Arduino IDE, що є часом поширення хвилі до екрана і назад та опрацьовуємо результати. Для розрахунку швидкості звуку у кожному досліді визначаємо середнє значення часу зі ста замірів tc = -- ti/100, де і змінюється від 1 до 100, та підставляємо у вираз и = 21 /t_c -10 6 де, и - швидкість звуку, 21 - подвоєна відстань від датчиків до відбиваючого екрана, t_c - середнє значення часу кожного досліду в мікросекундах. Проведено 6 дослідів по 100 замірів часу у діапазоні від 0,1 до 0,6 м.

Дослід 1 (рис. 4). 1 = 0,1 м, температура приміщення 19,5 °С, тиск 99,3 кПа Середнє значення часу: 11= 582 мкс. Тоді

Результати обчислень шуканих величин здійснено за допомогою табличного процесора Microsoft Excel «Обчислення величин та похибок.хкх», зведені результати викладено у таблиці 1.

Рис. 4. Шкала вимірів

Таблиця 1. Зведена таблиця результатів вимірювань та обчислень