24. Практическая работа «Исследование зависимости времени работы робота от нагрузки»
Образовательная организация: ГБОУ Школа № 1362
Учитель: Ахметов Рустам
Дата проведения:
Модуль: Основы робототехники
Тема урока: Практическая работа «Исследование зависимости времени работы робота от нагрузки»
Цель урока: Сформировать у обучающихся практические навыки исследования энергопотребления робототехнических систем и оптимизации программ для повышения энергоэффективности.
Планируемые результаты:
- Личностные: развитие критического мышления при анализе энергопотребления; формирование ответственного отношения к использованию энергоресурсов; воспитание настойчивости при решении технических задач оптимизации.
- Предметные: овладение методикой проведения экспериментов по измерению времени работы робота; формирование навыков измерения потребляемой мощности; приобретение опыта оптимизации программ для повышения энергоэффективности.
- Метапредметные:
- Регулятивные УУД: развитие умения планировать эксперимент и фиксировать его результаты; формирование навыков анализа полученных данных и внесения корректировок в программу.
- Коммуникативные УУД: развитие умения работать в команде при проведении экспериментов; формирование навыков представления результатов исследования.
- Познавательные УУД: развитие умения устанавливать зависимости между нагрузкой и временем работы робота; формирование навыков построения и анализа графиков.
Задачи урока:
- Научить учащихся измерять время работы робота при выполнении различных задач
- Сформировать навыки измерения потребляемой мощности и тока
- Развить умение анализировать зависимость времени работы от энергопотребления
- Научить строить и интерпретировать графики зависимости времени работы от потребляемой мощности
- Обеспечить практическое применение знаний для оптимизации программы робота
Тип урока: лабораторно-практическая работа
Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение:
- Робототехнические наборы с полностью заряженными аккумуляторами (1 на группу)
- Мультиметры для измерения тока и напряжения
- Секундомеры или таймеры для измерения времени работы
- Рабочие листы для записи результатов экспериментов
- Миллиметровая бумага или компьютеры с программным обеспечением для построения графиков
- Калькуляторы для вычисления мощности
- Запасные аккумуляторы и зарядные устройства
- Тестовые полигоны для выполнения различных задач роботами
- Инструкционные карты для проведения экспериментов
- Таблица стандартных значений энергопотребления компонентов робота
Образовательные технологии: проблемное обучение, исследовательская деятельность, обучение в сотрудничестве, информационно-коммуникационные технологии.
Межпредметные связи:
- Физика: электрическая мощность, энергия, работа тока, закон сохранения энергии
- Математика: измерение величин, построение и анализ графиков, пропорциональные зависимости
Основные понятия: энергопотребление, потребляемая мощность, время работы, аккумулятор, емкость батареи, режимы работы, оптимизация программы, энергоэффективность, холостой ход, пиковая нагрузка.
| 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 и материалов. | Психологическая готовность к занятию |
| 2. Актуализация знаний (5 мин) | Задает вопросы о предыдущем уроке: “Какие источники энергии для роботов мы изучили?”, “Что влияет на время работы робота от батареи?”, “Как рассчитать потребляемую мощность?” | Отвечают на вопросы, вспоминают формулы расчета мощности (P = U × I) и времени работы (t = C / I), обсуждают влияющие на энергопотребление факторы. | Актуализация знаний об источниках энергии и энергопотреблении |
| 3. Постановка цели и задач практической работы (3 мин) | Формулирует цель практической работы: исследовать, как различные нагрузки влияют на время работы робота, и оптимизировать программу для увеличения времени работы. | Записывают цель и задачи практической работы, осмысливают их значение, задают уточняющие вопросы. | Осознание цели практической работы |
| 4. Инструктаж по проведению экспериментов (7 мин) | Объясняет методику проведения экспериментов: как подключать мультиметр для измерения тока, как фиксировать данные, какие задачи будет выполнять робот. Демонстрирует правила безопасной работы с оборудованием. | Слушают инструктаж, изучают рабочие листы для записи результатов, знакомятся с различными задачами для робота, задают уточняющие вопросы. | Понимание методики проведения экспериментов |
| 5. Подготовка к экспериментальной работе (8 мин) | Организует разделение на группы, распределение ролей (операторы, измерители, протоколисты), помогает подготовить роботов и измерительное оборудование. | Объединяются в группы, распределяют роли, подготавливают роботов, подключают мультиметры, проверяют работоспособность оборудования. | Готовность к проведению экспериментов |
| 6. Физкультминутка (2 мин) | Проводит короткую физкультминутку с имитацией работы робота при разных уровнях энергии. | Выполняют физические упражнения, имитируя работу роботов с разным уровнем заряда батареи. | Снятие физического напряжения |
| 7. Экспериментальная работа, этап 1: Измерение базового энергопотребления (10 мин) | Консультирует группы при проведении первого эксперимента: измерение потребления тока и времени работы робота в режиме ожидания (без движения, только с включенными датчиками). | Измеряют потребляемый ток в режиме ожидания, рассчитывают мощность, запускают таймер для определения времени работы до полной разрядки, записывают результаты. | Получение данных о базовом энергопотреблении |
| 8. Экспериментальная работа, этап 2: Простые движения робота (15 мин) | Организует проведение второго эксперимента: измерение потребления при простом движении робота (движение по прямой с постоянной скоростью). Консультирует группы, контролирует правильность измерений. | Программируют робота для движения по прямой, измеряют потребляемый ток, рассчитывают мощность, определяют время работы при данной нагрузке, записывают данные в таблицу. | Получение данных о энергопотреблении при простом движении |
| 9. Экспериментальная работа, этап 3: Сложные задачи (15 мин) | Организует проведение третьего эксперимента: измерение потребления при выполнении сложных задач (движение с поворотами, преодоление препятствий, работа манипулятора). | Программируют робота для выполнения сложных задач, измеряют потребляемый ток, рассчитывают мощность, определяют время работы при максимальной нагрузке, записывают данные. | Получение данных о энергопотреблении при сложных задачах |
| 10. Обработка результатов измерений (10 мин) | Консультирует группы при обработке полученных данных, помогает рассчитать средние значения мощности и времени работы для каждого режима. | Обрабатывают полученные данные, вычисляют средние значения, заполняют сводную таблицу результатов, готовят данные для построения графика. | Систематизация полученных данных |
| 11. Построение графика зависимости времени работы от мощности (10 мин) | Объясняет правила построения графика, обращает внимание на выбор масштаба и обозначение осей, консультирует по возникающим вопросам. | Строят график зависимости времени работы от потребляемой мощности на миллиметровой бумаге или с помощью компьютерной программы, отмечают на нем точки, соответствующие разным режимам работы. | Визуализация зависимости времени работы от потребления |
| 12. Анализ полученных результатов (8 мин) | Организует обсуждение полученных результатов, задает вопросы: “Как изменяется время работы при увеличении нагрузки?”, “Какие компоненты робота потребляют больше всего энергии?”, “Какие закономерности вы заметили?” | Анализируют полученные графики, выявляют закономерности, определяют, какие операции потребляют наибольшую мощность, формулируют выводы о влиянии различных задач на время работы робота. | Формирование навыков анализа экспериментальных данных |
| 13. Практическая работа по оптимизации программы (20 мин) | Объясняет принципы оптимизации программ для экономии энергии: отключение неиспользуемых модулей, оптимизация алгоритмов движения, использование режима ожидания. Консультирует группы по внесению изменений в программы. | Анализируют исходную программу робота, выявляют энергозатратные участки, вносят изменения для оптимизации энергопотребления: уменьшают мощность моторов, отключают неиспользуемые датчики, оптимизируют алгоритмы движения. | Применение знаний для оптимизации программ |
| 14. Тестирование оптимизированных программ (10 мин) | Организует тестирование оптимизированных программ, предлагает измерить новое значение потребляемой мощности и оценить увеличение времени работы. | Тестируют оптимизированные программы, измеряют новые значения потребляемой мощности, оценивают эффективность внесенных изменений, сравнивают с первоначальными показателями. | Проверка эффективности оптимизации |
| 15. Подведение итогов оптимизации (5 мин) | Предлагает группам представить результаты оптимизации, рассказать о примененных методах и достигнутом увеличении времени работы. | Представляют результаты оптимизации, рассказывают о внесенных изменениях в программу, демонстрируют увеличение времени работы, объясняют принципы, которые использовали. | Обмен опытом оптимизации программ |
| 16. Обсуждение практического применения результатов (5 мин) | Организует обсуждение практического применения полученных знаний: “Как можно применить результаты исследования при создании новых роботов?”, “Какие правила энергоэффективности нужно учитывать при программировании?” | Участвуют в обсуждении, предлагают идеи по применению принципов энергоэффективности в будущих проектах, формулируют правила экономичного программирования роботов. | Осознание практической значимости исследования |
| 17. Рефлексия (3 мин) | Предлагает учащимся оценить свою работу с помощью метода “График энергии”: нарисовать график, показывающий свою активность и интерес на разных этапах урока. | Рисуют индивидуальные графики “энергии”, отмечают наиболее интересные и сложные этапы работы, оценивают свой вклад в результаты группы. | Развитие навыков самооценки |
| 18. Домашнее задание (2 мин) | Объясняет домашнее задание: 1) Оформить отчет о проведенном исследовании с графиками и выводами; 2) Предложить дополнительные способы оптимизации энергопотребления робота. | Записывают домашнее задание, задают уточняющие вопросы. | Понимание домашнего задания |
| 19. Подведение итогов урока (5 мин) | Обобщает результаты практической работы, отмечает успехи учащихся, подчеркивает важность энергоэффективности в робототехнике и повседневной жизни. | Слушают обобщение, высказывают свое мнение о проведенной работе, задают итоговые вопросы. | Осознание результатов практической работы |
- Оценка правильности проведения измерений потребляемого тока и мощности
- Анализ точности заполнения таблицы результатов и построения графика
- Проверка правильности выводов о зависимости времени работы от нагрузки
- Оценка эффективности оптимизации программы (процент увеличения времени работы)
- Наблюдение за работой учащихся в группах при проведении экспериментов
- Анализ качества представления результатов оптимизации
- Оценка понимания принципов энергоэффективности через вопросы и обсуждение