STEM-образование – что это и как применяется в робототехнике

Привычные подходы и методики, построенные на воспроизводстве готовых схем, плохо работают в мире высоких технологий, который то и дело подбрасывает специалистам нетривиальные задачи. Как их решать, в учебниках не написано, до всего нужно доходить своим умом.

Чтобы построить карьеру сегодня, надо уметь учиться чему-то новому каждый день. Востребованный специалист будущего – это не исполнитель задач, а исследователь, творец и проектный менеджер в одном лице. Для успешной профессиональной реализации нужны широкие знания, творческие способности и умение решать нестандартные задачи.

Что такое STEM?

В начале нулевых в США в отчете Национальной академии наук предсказывали ужасные последствия для страны, которая не сможет конкурировать в мировой экономике из-за плохо подготовленной рабочей силы.

Аббревиатуру STEM ввел американский биолог Джудит Рамали еще в 2001 году, она включает названия областей, которые считались критически важными для поддержания процветания страны:

• Science – наука. 
• Technology – технология. 
• Engineering – инжиниринг.
• Mathematics – математика.

Первые буквы дисциплин и дали название направлению.

STEM – это междисциплинарный подход к обучению, в котором знания сочетаются с опытом, то есть теория усваивается в связке с практикой. 

День STEM был учрежден 8 ноября 2015 года. Исаак Ларян, генеральный директор компании MGA Entertainment, которая объявила его официальным праздником, говорит о том, как важно показать детям, что STEM уже окружает их, и даже любое хобби уходит корнями в науку, технологии, инженерию и математику.

День STEM был учрежден 8 ноября 2015 года. Исаак Ларян, генеральный директор компании MGA Entertainment, которая объявила его официальным праздником, говорит о том, как важно показать детям, что STEM уже окружает их, а любимые хобби на самом деле уходят корнями в науку, технологии, инженерию и математику.

Основные принципы STEM

В основе STEM-методики – позаимствованный из IT-сферы проектный подход и популяризация науки среди школьников. 

При STEM-подходе любое явление внешнего мира рассматривается комплексно, без разделения на физические, биологические или математические составляющие. Это помогает синтезировать знания, накопленные в разных дисциплинах.

В отличие от школьной программы, где сначала ребята знакомятся с теорией, а потом только применяют знания на практике, в STEM-образовании все начинается с материальных проектов.

Роль связующего элемента здесь выполняет практическая деятельность. Допустим, стоит задача – создать робота. Точные расчеты невозможны без знания математических законов, чтобы сконструировать рабочий механизм, понадобится физика, продумать траекторию движения каждого рабочего узла поможет биомеханика. Ученикам не нужно зубрить термины и определения, которые могут и не пригодиться, им нужно решить практическую задачу или создать продукт, основываясь на полученных знаниях.

Так дети учатся выстраивать причинно-следственные связи наблюдаемых явлений и выявлять закономерности. Забыл, например, ребенок при сборке радио поставить конденсатор – радио не работает. Выясняем, почему это случилось, обсуждаем, делаем выводы, исправляем.

Такой подход попутно решает вопрос мотивации: когда ребенок видит, как тесно связаны между собой разные предметы, школьные дела сразу идут на лад. Получив опыт проектной работы, он поймет, что знания необходимы в первую очередь ему самому.

Идея не новая. Еще классик советской детской литературы Эдуард Пашнев хорошо знал этот психологический момент и отразил его в своей повести «Ньютоново яблоко». Два совершенно заурядных троечника решили построить автомобиль и так взялись за физику, что месяц спустя начали собирать электросхемы и даже ловко отомстили за предательство класса отличнику-задаваке, устроив небольшое короткое замыкание.

Преимущества STEM-образования

Реальные вопросы и проблемы будущего

Ученики решают реальные социальные, экономические, экологические вопросы путем применения научных знаний, технологий, инженерии и математики.

Мы в «Робиксе» принципиально не используем конструкторы типа LEGO, потому что робототехника «Лего» довольно далека от настоящей промышленной. Какой смысл учить язык, который невозможно использовать в будущем?

Процесс инженерного проектирования (engineering design process)

Ребята самостоятельно проводят предварительное исследование, находят проблемы и разрабатывают несколько вариантов их решения. Они могут изготавливать прототипы, тестируют, анализируют и совершенствуют разработку. Результатом этого становятся собственные научно-исследовательские идеи и инженерные решения.

На наших занятиях дети участвуют в проектах на доступном им уровне, постепенно переходя к более сложным заданиям. Они работают с платами, обучаются программированию на С++ и Python, строят трехмерные CAD-модели, используют лазерный гравер и 3D-принтер.

Практические и наглядные исследования 

Происходит практическая проверка теоретических знаний и предположений, учащиеся отрабатывают навыки в лабораториях и мастерских.

Как объяснить закон Ома ребенку на пальцах? Очень просто. Во время сборки схемы предлагаем подключить резистор с более высоким сопротивлением и наблюдаем, что происходит с лампочкой. Она начинает тускнеть. Подключаем еще один резистор, чье сопротивление еще выше, лампочка тускнеет еще больше. В чем дело? Неужели в резисторе? Убираем оба устройства и снова наблюдаем за лампочкой, которая теперь горит ярко. Все становится ясно: чем выше сопротивление, тем тусклее наша лампочка.

Продуктивная командная работа

Чтобы сделать качественный продукт, учащиеся должны работать как единый механизм, распределяя обязанности между собой, ставя краткосрочные и долгосрочные цели, анализируя промежуточные результаты и улучшая внутренние коммуникации. 

Игра с роботами в футбол – типичный STEM-подход. Ребята пытаются действовать слаженной командой, ну и, конечно, в качестве самого главного приза приобретают знания в области необходимых дисциплин, полученные на практике.

Вариативность

Ученики работают с задачами, предусматривающими несколько вариантов решения.

На наших занятиях дети 5–7 лет сами собирают электросхемы и наблюдают основные законы электродинамики в действии. Собрав несколько схем, ребенок уже со знанием дела сможет объяснить принцип работы светодиода.

STEM-образование в «Робиксе»

У нас все по-взрослому – начиная от учебных материалов и заканчивая масштабом задач. Даже малыши, еще не умеющие читать, программируют своих роботов на специальном языке SnapJunior – адаптированной версии Snap4Arduino, в которой команды иллюстрированы картинками.

Мы занимаемся и в очном режиме, и дистанционно через Zoom. На онлайн-занятиях ребята только программируют. Но чтобы дети видели результаты своих усилий и не теряли мотивации, созданные ими модели мы распечатываем на 3D-принтере и пересылаем им. Те из них, кто программирует на «Ардуино», получают готовые консоли по почте. 

Групповые занятия в наших филиалах предоставляют ребятам больше возможностей для развития – мы не только программируем, но и создаем детали самостоятельно. Кроме того, даже самый подробный видеоурок не заменит живого контакта с преподавателем и сверстниками. Так что приходите к нам знакомиться и создавать роботов!