Робототехника и математика Обучение: Строительство простой светофор в классе

ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ

LIMA, Elielson Magalhães ^[1], MAGALHÃES, Jessica Bruna Ribeiro Wercelens ^[2], SILVA JÚNIOR, Justino Nogueira da ^[3], SILVA NETO, João Ferreira da ^[4]

LIMA, Elielson Magalhães. Et al. Робототехника и преподавание математики: строим простой светофор в классе. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. 05-й год, Эд. 12, Vol. 18, стр. 67-77. Декабрь 2020 года. ISSN: 2448-0959, Ссылка доступа: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/образование-ru/простой-светофор

РЕЗЮМЕ

Целью данной статьи является показать некоторые возможности использования робототехники в математических классах, описывающие строительство и эксплуатацию простого светофора. Учитывая, что действия, использующие технологические инструменты, позволяют значительному обучению студентов, мы разрабатываем последовательность мероприятий с использованием робототехники, посредством дидактично-педагогического планирования, отличается от традиционно используемого в школьной практике. Под сомнение проблемы, присущие строительству простого светофора, студенты стремились улучшить себя, развивая математические концепции и уменьшая свои трудности. Поэтому мы обнаружили, что использование робототехники в математических классах может способствовать улучшению обучения. Однако, перед лицом зарождающихся предложений такого использования, мы знаем, что необходимо инвестировать в работы, которые обсуждают эту тему, особенно в педагогическое образование.

Ключевые слова: робототехника, образование, математика, обучение.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время существует много проблем, связанных с преподаванием математики, из которых отсутствие энтузиазма студентов в классе печально известно, потому что она присутствует на различных уровнях образования (OLIVEIRA, 2007). Соглашаясь с этим автором, мы понимаем, что необходимо инвестировать в методологию преподавания с целью подстрекательство и провоцирование внимания и участия студентов, снижение их отсутствия энтузиазма.

В этом сценарии использование робототехники в классе может быть настроено как привилегированное предложение, чтобы спровоцировать и бросить вызов студентам, расширяя обучение математике и уменьшая их трудности в обучении. Как справедливо заявляет Mill (2013), использование робототехники в качестве дидактичного ресурса позволяет студентам повышать креативность, приближая их к математическим знаниям и позволяя развитию навыков в этой и других областях.

В условиях все более активного присутствия информационно-коммуникационных технологий в обществе тенденции в области образования свидетельствуют об использовании этих инструментов в нынешних предложениях по преподаванию математики. В связи с этим, цель этой статьи состоит в том, чтобы показать некоторые возможности использования робототехники в математических классах, описывающих строительство и эксплуатацию простого светофора.

Благодаря дидактично-педагогическому планированию, отличается от традиционно используемого в школьной практике, мы разработали последовательность мероприятий с использованием робототехники. Мы считаем, что действия, которые используют эти технологические артефакты позволяют значимого обучения для студентов в той степени, что они расширяют возможности взаимодействия учителя и студента в строительстве математических знаний.

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА И КОМПЛЕКТ MODELIX

Эволюция информационно-коммуникационных технологий происходит все более быстрыми темпами, поскольку “[…] мы живем в обществе, в котором изменения происходили в быстроте, которого никогда не было раньше” (SILVA NETO, 2012). Для сопровождения этих социальных преобразований необходимо, чтобы учебные заведения не только устанавливали технологическое оборудование, но и интегрировали преподавателя и студента в практику, которая использует такие технологии в образовательных процессах (VELOSO, 2011). По словам этого автора, образовательная робототехника может предложить мотивирующую учебно-учебную среду с теоретической и практической информацией, которая способствует развитию деятельности, разделяемой между студентами и преподавателями.  Кроме того, использование робототехники позволяет создать приятную учебную среду, где студент может выражать свои идеи путем создания и тестирования прототипов.

В этом контексте использование образовательной робототехники служит для создания и совершенствования педагогической практики, направленной на повышение потенциала студентов, добавление математических знаний и обеспечение их применения в понимании реальности (CRUZ, 2007).   Образовательная робототехника или педагогическая робототехника “[…] должны быть определены как сборка моделей и роботизированных систем с целью изучения научных […] концепций теми, кто выполняет сборку таких систем” (ATTROT; AYROSA, 2002).

Для Almeida (2008), термин “образовательная робототехника” используется в характеристике учебных сред, которые объединяют металлолом или сборочные комплекты, состоящие из различных частей, двигателей и датчиков, управляемых компьютером и программным обеспечением. Эти среды позволяют нам каким-то образом программировать функционирование моделей, которые используются для обучения различным областям знаний.

Мы понимаем, что использование этих сред, пронизанных производством различных сборок, может способствовать развитию навыков и необходимых для учащихся, расширяя их автономию и творческие способности. Среди образовательных инструментов робототехники мы выбрали образовательный комплект modelix, так как он считается первым полностью разработанным в Бразилии. Его архитектура очень похожа на arduino, одно из самых распространенных устройств в мире.

Arduino – широко используемый инструмент для обучения робототехнике на разных уровнях образования. Он состоит из микроконтроллера; механические части – шестерни, шкивы, винты и стержни -; электронные компоненты – датчики и LCD -дисплей -; двигатели; пуговицы; световые и звуковые сигналы. Прототипы, изготовленные из этого оборудования, могут управляться через инфракрасный порт, дистанционное управление или Bluetooth, а их графики основаны на использовании блок-схем.

Работа с комплектом modelix имеет методологическую основу в учебном подходе STEAM – Science, Technology, Engineering, Art and Mathematics, или, на португальском языке, наука, технология, инженерия, искусство и математика. Такой методологический подход способствует мультидисциплинарности областей, связанных в проектах, которые предусматривают использование математики для создания прототипов инженерного дела и искусства, повышая любопытство студентов (SANTOS, 2005).

Подход STEAM отвечает требованиям Национальной общей учебной базы (2017), поскольку он повышает критичность учащихся, развивая навыки, необходимые для самых разнообразных собраний.  В математических перспективах можно использовать алгоритмы, устанавливающие основные закономерности и процедуры для конструкций, от концепции идеи, путем подготовки объекта, до его программирования (GAROFALO, 2019).

СТРОИТЕЛЬСТВО ПРОСТОГО СВЕТОФОРА В КЛАССЕ

Чтобы показать некоторые возможности использования робототехники в математических классах, мы запланировали последовательность деятельности, в которой мы решили использовать modelix образовательный комплект – кабинет, где вы можете найти арсенал частей и компонентов, которые предназначены для обучения робототехнике. После того, как этот образовательный комплект был выбран, мы разработали последовательность мероприятий в муниципальной государственной школе в Arapiraca, Alagoas.

Несмотря на учебный набор, присутствующий в школе, мы не нашли моделей обучения и учебной деятельности, доступных для руководства учителями. Поскольку не всегда есть учитель, который имеет навыки работы с образовательной робототехникой, мы стремились разработать предложение, которое будет способствовать многодисциплинарности областей, связанных с математикой, расширяя любопытство и творчество студентов.

Последовательность действий была разработана с учениками последних классов начальной школы школы, участвовавшей в программе Novo Mais Educação[5]. Что касается математики, школьное сообщество обнаружило, что наибольшие трудности учеников были связаны с алгоритмами основных операций и решения задач. Чтобы облегчить эти трудности, мы разработали учебные классы робототехники для учащихся, участвующих в программе. Эти занятия были направлены на изучение компетенции в области цифровой культуры (BRASIL, 2017), которая включает понимание, использование и создание цифровых технологий критическим, значимым и этичным образом.

Мероприятия разрабатывались два раза в неделю – по понедельникам и вторникам – вместе с десятью учениками, которые посещали 7-9-й класс начальной школы. С помощью этого класса мы сделали последовательность действий, в которых мы разработали алгоритм работы светофора, а затем мы использовали инструменты modelix, чтобы написать его. Шаги алгоритма указаны в диаграмме 1.

Таблица 1: алгоритм работы простого семафора

Источник: авторы

После записи алгоритма работы семафора мы попросили их разработать алгоритм микроконтроллера modelix в соответствии с рисунком 1.

Рисунок 1 – Микроконтроллер modelix

Манипулируя микроконтроллером в группы, мы разработали алгоритм, как показано на диаграмме 2.

Таблица 2: алгоритм микроконтроллера

Источник: авторы

С разработкой алгоритмов, мы начинаем строить flowcharts, которые являются графическими способами представления алгоритма. Программирование микроконтроллера выполняется с использованием шаров потока, которые выполняют предопределенные функции упорядоченным образом. На рисунке 2 у нас есть flowchart, который позволяет выполнять функциональность семафора.

Рисунок 2: Flowchart

Программирование микроконтроллера имеет имитатор блок-схемы, который указывает на ошибку. Это, обнаруженное при проверке блок-схемы, исправляется, позволяя микроконтроллеру выполнить окончательную проверку.

ОБСУЖДЕНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Связав это задание со школьной математикой, были предложены задачи об объеме трафика. Объем – это количество транспортных средств n, которые пересекают исследуемое место за заранее определенный период времени t в секунду, как показано в уравнении:

По этому уравнению можно определить максимальное количество транспортных средств, путешествующих в данном направлении перекрестка, зная максимальное время для зеленого света (t₁ секунд), для желтого сигнала (t₂ секунды) и для красного сигнала (t₃ секунды). Однако первоначально это уравнение не было доступно, с тем чтобы понять концепции, которые оно предполагает. Для этого мы попросили студентов решить некоторые проблемы с объемом трафика, а именно:

Проблема 1.

Каков объем движения, когда 30 автомобилей пересекают светофор на зеленый свет, максимальное время которого составляет 60 секунд?

Решение:

Будучи v_t = объем трафика и заменить максимальные значения, у насесть: Эта проблема была продумана по двум основным причинам: близость к реальной ситуации и результат десятичное число. На самом деле, было несколько вопросов в классе: “Что будет половина транспортного средства?” Поэтому была дискуссия, которая позволяет лучше понять концепцию соразмерности, особенно когда студенты объясняют свое понимание того, что каждые 2 секунды транспортное средство пересекает светофор.

Проблема 2.

Зная, что максимальное время желтого сигнала светофора Проблемы 1 составляет 15 секунд, каково максимальное количество транспортных средств, которые могут проехать?

Решение:

Учитывая n₂ максимальное количество транспортных средств, которые могут проходить в желтый сигнал и t₂ максимальное время этого сигнала, у нас есть:В проблеме 2 можно было обсудить, что количество n транспортных средств и t времени прямо пропорциональны, в то время как объем трафика v_t и время t обратно пропорциональны. Мы также обсудили решение остановиться или пройти во время желтого света. В частности, студенты понимали, что семь транспортных средств правильно решат проехать, в то время как восьмое транспортное средство может привести к аварии, если оно не решит остановиться.

Проблема 3.

Зная, что максимальное время красного сигнала проблемы 1 светофора составляет 45 секунд, что максимальное количество транспортных средств, которые не могут?

Решение:

Мы знаем, что во время красных фонарей транспортные средства должны остановиться, и можно узнать, сколько нужно сделать это. Будучи количество транспортных средств, которые останавливаются и максимальное время красныйсвет, у нас есть:

Как и в предыдущих проблемах, полученное десятичное число породило вопросы, которые дали возможность задуматься о парадигме математической точности. В ходе решения этой последней проблемы, например, мы обсудили, что эта среда будет представлять, что может быть связано минимальное ожидание или ускоренное продвижение в желтом сигнале. Стоит отметить, что эта дискуссия достигла этических вопросов, связанных с дорожным образованием, превысив математические цели, первоначально изложенные.

Из этих проблем можно было обсудить некоторые математические понятия, особенно разум и соразмерность. Мы можем утверждать, что деятельность с использованием робототехники сделала возможным стимулировать студента развивать понимание математических концепций, в дополнение к расширению своих знаний в других областях.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ СООБРАЖЕНИЯ

Стремясь показать некоторые возможности использования робототехники на математических занятиях, мы основу делаем на исследованиях по предмету, в основном в разработке и выполнении алгоритмов выполнения задач. В этом контексте мы разработали деятельность по созданию простого светофора, чтобы студенты, используя роботизированныеинструменты, разработали математические концепции.

Под сомнение проблемы, присущие строительству простого светофора, студенты стремились улучшить себя, развивая свое творчество и критичность. В своей деятельности мы заметили, что существует пространство для обмена знаниями, что позволяет студенту уменьшить свои первоначальные трудности и быть подстрекали к обучению математике.

Можно сказать, что использование робототехники в математических классах может способствовать улучшению обучения. Однако, перед лицом зарождающихся предложений такого использования, мы знаем, что необходимо инвестировать в работы, которые обсуждают эту тему, особенно в педагогическое образование.

ССЫЛКИ

ALMEIDA, M. A. Possibilidades da robótica educacional para a educação matemática. Dia a dia Educação. Curitiba – PR. 2008. Disponível em: http://www.diaadiaeducacao.pr.gov.br/portals/pde/arquivos/363-4.pdf. Acesso em 7, jan. 2020.

ATTROT, W.; AYROSA, P. P. da S. Aplicações da Robótica no Ensino de Ciência da Computação. Artigo para SBC 2002. Londrina, 2002.

ALVES, E.M.S. Ludicidade e o Ensino de Matemática. (2006). Papirus Editora.

BRASIL. Ministério da Educação. Base Nacional Comum Curricular. Brasília, DF: MEC/CNE, 2017.

CRUZ, M.E.J.K.; LUX, B.: HAETIGER, W.: ENGELMANN, E. H. C.; HORN, F. Formação Prática do Licenciando em Computação para Trabalho com Robótica Educativa. São Paulo: XVIII Simpósio Brasileiro de Informática na Educação, 2007.

GAROFALO, D. Como levar o STEAM para a sala de aula. Nova Escola, 25, jun. de 2019. Disponível em: https://novaescola.org.br/conteudo/18021/como-levar-o-steam-para-a-sala-de-aula. Acesso em: 19, jun. 2020.

MILL, D.; CÉSAR, D. Estudo sobre dispositivos robóticos na educação: sobre a exploração do fascínio humano pela robótica no ensino-aprendizagem. In: MILL,D.(Org). Escritos sobre educação: Desafios e Possibilidades para ensinar e aprender com as tecnologias emergentes. São Paulo: Paulus, 2013. Cap. 10, p. 269-294.

OLIVEIRA, R. A robótica na aprendizagem da matemática: um estudo com alunos do 8º ano da escolariadade. Madeira/Protugal, 2007. Dissertação (Mestrado em Matemática para o Ensino), Universidade da Madeira, Madeira/ Portugal.

SANTOS, C.F.; MENEZES, C.S.A Aprendizagem da Física no Ensino Fundamental em um Ambiente de Robótica Educacional. São Leopoldo: Workshop de Informática na Educação/ XXV Congresso da Sociedade brasileira de Computação, 2005.

SILVA NETO, J. F. Concepções sobre a formação continuada de professores de matemática em Alagoas. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Pernambuco, Programa de Pós-Graduação em Educação Matemática e Tecnológica, Recife, 2012.

VELLOSO, R. V. Educação e tecnologia em diálogo na cena contemporânea. Ponto de Acesso, Salvador, v.5, n. 2, p. 03-19, ago., 2011.

ПРИЛОЖЕНИЕ – СНОСКИ ССЫЛКА

5. Эта программа объединяет действия Плана развития образования (PDE), который официально направлен на улучшение показателей образования за счет увеличения продолжительности учебного дня и концепции интегрального образования. Специально для этого школьного сообщества программа Novo Mais Educação в 2019 году провела семинары по обучению грамоте и математике, направленные на решение некоторых проблем учащихся.

^[1] Аспирант по образованию, магистр математики, аспирантура по математике и статистике, степень бакалавра математики.

^[2] Последипломное образование в области физиологии физических упражнений и биомеханики, степень по физкультуре.

^[3] Аспирантура по математике, степень бакалавра математики.

^[4] Аспирант в области образования, магистр математики и технологического образования, специалист по математическому преподаванию программирования, степень по математике.

Представлено: Декабрь 2020 года.

Утверждено: Декабрь 2020 года.