22. Практическая работа «Конструирование манипулятора с использованием рычажных механизмов»
Образовательная организация: ГБОУ Школа № 1362
Учитель: Ахметов Рустам
Дата проведения:
Модуль: Основы робототехники
Тема урока: Практическая работа «Конструирование манипулятора с использованием рычажных механизмов»
Цель урока: Сформировать у обучающихся практические навыки конструирования робота-манипулятора с использованием рычажных механизмов для захвата и перемещения предметов.
Планируемые результаты:
- Личностные: развитие изобретательности и технического творчества; формирование настойчивости в достижении цели; воспитание аккуратности и внимательности при конструировании механизмов.
- Предметные: овладение навыками конструирования манипулятора с захватом; формирование умения рассчитывать грузоподъемность в зависимости от длины рычагов; приобретение опыта тестирования и оптимизации робототехнических конструкций.
- Метапредметные:
- Регулятивные УУД: развитие умения планировать процесс конструирования и проводить поэтапную проверку работоспособности; формирование навыков выявления и устранения недостатков в конструкции.
- Коммуникативные УУД: развитие умения работать в команде; формирование навыков обоснования инженерных решений.
- Познавательные УУД: развитие умения применять теоретические знания о рычагах на практике; формирование навыков проведения расчетов и измерений для оптимизации конструкции.
Задачи урока:
- Закрепить знания о принципах работы рычагов на практике
- Научить конструировать функциональный манипулятор с захватом
- Сформировать навыки расчета грузоподъемности конструкции
- Развить умение тестировать и оптимизировать робототехническую систему
- Обеспечить создание работающего робота, способного захватывать и перемещать предметы
Тип урока: практическая работа
Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение:
- Робототехнические наборы с деталями для создания манипулятора (1 набор на 2-3 учащихся)
- Сервоприводы или моторы для управления манипулятором
- Дополнительные материалы для конструирования (резинки, проволока, пластиковые детали)
- Набор предметов разного веса для тестирования грузоподъемности (кубики, небольшие игрушки, etc.)
- Весы для определения массы тестовых предметов
- Линейки, транспортиры для измерения длины рычагов и углов
- Рабочие листы для записи результатов испытаний
- Инструкционные карты с вариантами базовых конструкций манипуляторов
- Калькуляторы для выполнения расчетов
- Секундомеры для измерения времени выполнения операций
Образовательные технологии: проектное обучение, обучение через исследование, технология сотрудничества, проблемное обучение.
Межпредметные связи:
- Физика: рычаги, моменты сил, равновесие, распределение нагрузки
- Математика: пропорции, расчет грузоподъемности, зависимость между длиной рычага и прикладываемым усилием
Основные понятия: манипулятор, захват, рычажный механизм, степень свободы, грузоподъемность, плечо рычага, момент силы, точка опоры, шарнирное соединение, передача усилия, механический захват.
| Этап урока | Деятельность учителя | Деятельность ученика | Планируемые результаты |
|---|---|---|---|
| 1. Организационный момент (2 мин) | Приветствует учащихся, проверяет готовность к уроку, организует рабочие места. | Готовятся к уроку, проверяют наличие необходимого оборудования, занимают места в группах. | Психологическая готовность к занятию |
| 2. Актуализация знаний (5 мин) | Задает вопросы о рычагах и их применении: “Какие типы рычагов мы изучили?”, “Как рассчитать выигрыш в силе при использовании рычага?”, “Какие преимущества дает использование рычагов в робототехнике?” | Отвечают на вопросы, вспоминают материал предыдущего урока о рычагах, приводят примеры использования рычагов в технике. | Актуализация знаний о рычажных механизмах |
| 3. Постановка цели и задач практической работы (3 мин) | Формулирует цель практической работы: сконструировать робота-манипулятора, способного захватывать и перемещать предметы. Объясняет, что в процессе работы нужно будет рассчитать грузоподъемность манипулятора. | Слушают постановку цели и задач, задают уточняющие вопросы, определяют промежуточные этапы работы. | Понимание цели и задач практической работы |
| 4. Анализ конструкций промышленных манипуляторов (7 мин) | Демонстрирует видео и изображения различных промышленных манипуляторов, обращает внимание на их рычажные механизмы, степени свободы, типы захватов. | Изучают примеры манипуляторов, анализируют их конструкцию, обсуждают особенности рычажных механизмов, делают заметки о полезных технических решениях. | Формирование представления о разнообразии манипуляторов |
| 5. Инструктаж по выполнению практической работы (10 мин) | Объясняет этапы конструирования манипулятора, демонстрирует базовые варианты конструкций, обращает внимание на ключевые элементы: основание, стрелу манипулятора, захват. Рассказывает о методике расчета грузоподъемности. | Слушают инструктаж, изучают предложенные варианты конструкций, делают эскизы своего манипулятора, планируют последовательность сборки. | Понимание принципов конструирования манипулятора |
| 6. Практическая работа, этап 1: Конструирование основания и стрелы манипулятора (15 мин) | Консультирует группы по сборке основания и стрелы манипулятора, обращает внимание на необходимость устойчивого основания и прочной стрелы, помогает решить возникающие проблемы. | Конструируют основание и стрелу манипулятора, экспериментируют с разными вариантами крепления, обеспечивают устойчивость конструкции, тестируют прочность стрелы. | Формирование навыков конструирования основных элементов манипулятора |
| 7. Физкультминутка (2 мин) | Проводит короткую физкультминутку с имитацией движений манипулятора. | Выполняют физические упражнения, имитируя работу манипулятора. | Снятие физического напряжения |
| 8. Практическая работа, этап 2: Создание захвата на основе рычажного механизма (20 мин) | Объясняет принципы работы различных типов захватов, акцентирует внимание на рычажных механизмах. Консультирует группы по созданию эффективного захвата для их манипуляторов. | Конструируют захват на основе рычажного механизма, тестируют его работу с различными предметами, вносят изменения для улучшения функциональности. | Освоение навыков создания функционального захвата |
| 9. Практическая работа, этап 3: Сборка полного манипулятора и его тестирование (15 мин) | Помогает группам объединить компоненты (основание, стрелу, захват) в единую конструкцию, консультирует по вопросам балансировки и плавности движений. | Соединяют все элементы манипулятора в единую конструкцию, проверяют подвижность соединений, тестируют работоспособность системы, вносят необходимые корректировки. | Создание функционального манипулятора |
| 10. Расчет и измерение грузоподъемности манипулятора (10 мин) | Объясняет методику расчета грузоподъемности: измерение длины рычагов, определение точек приложения сил, расчет максимального груза. Демонстрирует формулы для расчета. | Проводят измерения длины рычагов своих манипуляторов, записывают данные в рабочие листы, выполняют расчеты грузоподъемности в зависимости от длины рычагов. | Формирование навыков расчета грузоподъемности механизмов |
| 11. Экспериментальная проверка расчетов (10 мин) | Организует эксперимент по проверке грузоподъемности манипуляторов с использованием предметов разной массы. Предлагает сравнить теоретические расчеты с практическими результатами. | Тестируют грузоподъемность своих манипуляторов, последовательно увеличивая массу поднимаемых предметов, фиксируют результаты, сравнивают с расчетными данными. | Развитие навыков экспериментальной проверки расчетов |
| 12. Оптимизация конструкции манипулятора (10 мин) | Предлагает группам внести изменения в конструкцию для увеличения грузоподъемности или улучшения функциональности, дает рекомендации по оптимизации. | Анализируют результаты тестирования, выявляют слабые места конструкции, вносят изменения для повышения грузоподъемности или улучшения других параметров. | Формирование навыков оптимизации технических решений |
| 13. Соревнование манипуляторов (15 мин) | Организует мини-соревнование: чей манипулятор точнее и быстрее переместит предметы из одной зоны в другую. Задает несколько заданий разной сложности. | Участвуют в соревновании, управляют своими манипуляторами, стараются выполнить задания наиболее эффективно, наблюдают за работой других команд. | Проверка функциональности созданных манипуляторов |
| 14. Представление и обсуждение результатов (10 мин) | Организует представление созданных манипуляторов, предлагает каждой группе рассказать об особенностях своей конструкции, использованных рычажных механизмах, результатах расчетов и экспериментов. | Представляют свои манипуляторы, демонстрируют их работу, объясняют принципы конструкции, делятся результатами расчетов и экспериментов, отвечают на вопросы. | Развитие навыков презентации технических решений |
| 15. Выявление наиболее удачных технических решений (5 мин) | Организует обсуждение представленных манипуляторов, выделяет наиболее интересные и эффективные технические решения, обращает внимание на использование различных типов рычагов. | Участвуют в обсуждении, анализируют сильные стороны разных конструкций, формулируют, какие решения оказались наиболее эффективными. | Формирование навыков анализа эффективности технических решений |
| 16. Рефлексия (3 мин) | Предлагает учащимся оценить свою работу и результаты по критериям: устойчивость манипулятора, функциональность захвата, точность расчетов, командная работа. | Оценивают результаты своей работы по предложенным критериям, выделяют успехи и трудности, анализируют процесс работы над проектом. | Развитие навыков самооценки и рефлексии |
| 17. Домашнее задание (3 мин) | Объясняет домашнее задание: 1) Подготовить краткий отчет о конструкции манипулятора с указанием использованных рычажных механизмов; 2) Предложить идеи по улучшению конструкции. | Записывают домашнее задание, задают уточняющие вопросы. | Понимание домашнего задания |
| 18. Подведение итогов урока (5 мин) | Обобщает результаты практической работы, отмечает успехи учащихся, подчеркивает связь между теоретическими знаниями о рычагах и их практическим применением в робототехнике. | Слушают обобщение, задают возникшие вопросы, помогают собрать и упорядочить использованное оборудование. | Осознание результатов практической работы |
- Оценка качества сборки манипулятора (устойчивость, прочность, функциональность)
- Анализ работоспособности захвата (способность захватывать предметы разных размеров)
- Проверка правильности расчетов грузоподъемности и их соответствия экспериментальным данным
- Результаты выполнения заданий в соревновании манипуляторов
- Оценка оптимизации конструкции и решения возникших проблем
- Качество представления и объяснения принципов работы созданного манипулятора
- Наблюдение за командной работой и распределением ролей в группе