17. Физика движения роботов - трение и сцепление с поверхностью
ЦЕЛЕВОЙ БЛОК
Образовательная организация: ГБОУ Школа № 1362
Учитель: Ахметов Рустам
Дата проведения:
Модуль: Основы робототехники
Тема урока: Физика движения роботов: трение и сцепление с поверхностью
Цель урока: Сформировать у обучающихся представление о физических основах движения роботов, роли сил трения и сцепления с поверхностью при проектировании робототехнических систем.
Планируемые результаты:
- Личностные: развитие любознательности и интереса к физическим явлениям в робототехнике; формирование научного мировоззрения; воспитание настойчивости при решении практических задач.
- Предметные: понимание роли силы трения в движении роботов; формирование умения выбирать материалы колес в зависимости от поверхности; освоение способов преодоления препятствий роботами.
- Метапредметные:
- Регулятивные УУД: развитие умения планировать эксперимент для исследования сил трения; формирование навыков анализа результатов и формулирования выводов.
- Коммуникативные УУД: развитие умения объяснять физические принципы движения роботов; формирование навыков коллективного решения экспериментальных задач.
- Познавательные УУД: развитие умения устанавливать причинно-следственные связи между характеристиками поверхности и движением робота; формирование навыков моделирования физических процессов.
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ БЛОК
Задачи урока:
- Познакомить учащихся с видами трения и их ролью в движении роботов
- Объяснить зависимость сцепления от материалов колес и поверхности
- Научить расчету сил, действующих на робота при движении
- Сформировать навыки выбора оптимальных материалов для колес в зависимости от задачи
- Обеспечить практическое применение знаний о трении при проектировании роботов
Тип урока: комбинированный (изучение нового материала + лабораторная работа)
Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение:
- Роботы с различными типами колес (резиновые, пластиковые, гусеничные)
- Набор разных поверхностей для тестирования (гладкая, шероховатая, наклонная плоскость)
- Динамометры для измерения силы трения
- Весы для определения массы роботов
- Набор грузов для изменения нагрузки на колеса
- Секундомеры для измерения скорости движения
- Рабочие листы для записи результатов экспериментов
- Презентация “Физика движения роботов”
- Видеоматериалы о механизмах преодоления препятствий
ОРГАНИЗАЦИОННО-ДЕЯТЕЛЬНОСТНЫЙ БЛОК
Образовательные технологии: проблемное обучение, исследовательская деятельность, эксперимент, информационно-коммуникационные технологии.
Межпредметные связи:
- Физика: сила трения, коэффициент трения, виды трения, законы Ньютона
- Математика: расчет сил, действующих на робота, пропорциональные зависимости, векторы
Основные понятия: сила трения, коэффициент трения, трение покоя, трение скольжения, трение качения, сцепление с поверхностью, центр тяжести, момент силы, преодоление препятствий, оптимизация движения.
Этап урока | Деятельность учителя | Деятельность ученика | Планируемые результаты |
---|---|---|---|
1. Организационный момент (2 мин) | Приветствует учащихся, проверяет готовность к уроку, создает позитивный настрой. | Готовятся к уроку, проверяют наличие необходимых принадлежностей. | Психологическая готовность к занятию |
2. Актуализация знаний (5 мин) | Задает вопросы о движении роботов: “От чего зависит способность робота двигаться по разным поверхностям?”, “Почему на гладкой поверхности робот может пробуксовывать?”. Предлагает вспомнить, что известно о силе трения из курса физики. | Отвечают на вопросы, вспоминают известные факты о трении, предлагают свои объяснения наблюдаемым явлениям. | Актуализация знаний о движении и трении |
3. Целеполагание (3 мин) | Формулирует тему урока и предлагает учащимся самостоятельно определить цель: “Что нам важно узнать о силе трения в контексте робототехники?” | Участвуют в формулировке цели урока, предлагают аспекты, которые необходимо изучить. | Осознание цели учебной деятельности |
4. Межпредметная связь с физикой: Виды трения и их роль в движении роботов (10 мин) | Объясняет виды трения (покоя, скольжения, качения), демонстрирует каждый вид с помощью простых опытов. Рассказывает о роли трения в движении роботов. Показывает, как трение может быть как полезным (обеспечивает сцепление), так и вредным (увеличивает расход энергии). | Слушают объяснение, наблюдают демонстрации, делают записи в тетради, задают уточняющие вопросы. | Формирование представлений о видах трения и их роли в движении роботов |
5. Демонстрационный эксперимент: Измерение силы трения (7 мин) | Проводит демонстрационный эксперимент: измеряет с помощью динамометра силу трения при перемещении робота по разным поверхностям. Обращает внимание на факторы, влияющие на силу трения. | Наблюдают за экспериментом, фиксируют результаты в рабочих листах, анализируют зависимость силы трения от типа поверхности. | Понимание методов измерения силы трения |
6. Межпредметная связь с математикой: Расчет сил, действующих на робота (8 мин) | Объясняет формулу для расчета силы трения (F_тр = μ·N), показывает, как рассчитывать силу трения в зависимости от веса робота и коэффициента трения. Демонстрирует расчет на конкретных примерах. | Изучают формулы, записывают их в тетрадь, выполняют простые расчеты силы трения для робота на разных поверхностях. | Формирование навыков математического расчета сил трения |
7. Физкультминутка (2 мин) | Проводит короткую физкультминутку с элементами имитации движения и преодоления препятствий. | Выполняют физические упражнения, имитирующие движение с разным сопротивлением. | Снятие физического напряжения |
8. Влияние материалов колес и поверхности на движение робота (10 мин) | Рассказывает о влиянии различных материалов колес (резина, пластик, металл) и типов поверхностей на сцепление. Демонстрирует образцы разных колес и материалов. Объясняет понятие коэффициента трения и его роль в выборе материала колес. | Слушают объяснение, изучают образцы материалов, делают предположения о наиболее эффективных комбинациях колес и поверхностей для разных задач. | Понимание зависимости сцепления от материалов колес и поверхности |
9. Лабораторная работа: Исследование влияния материала колес на движение робота (15 мин) | Организует работу в группах, раздает инструкции для проведения лабораторной работы. Задание: исследовать скорость движения и способность преодолевать наклонную плоскость для роботов с разными типами колес. | Работают в группах, проводят эксперименты с роботами, оснащенными разными колесами, измеряют скорость движения, определяют максимальный угол наклона для подъема, записывают результаты. | Формирование навыков экспериментального исследования |
10. Обсуждение результатов лабораторной работы (5 мин) | Предлагает группам представить результаты экспериментов, помогает сделать выводы о зависимости характеристик движения от типа колес. | Представляют результаты исследований, сравнивают данные разных групп, формулируют выводы о оптимальных типах колес для разных условий. | Развитие навыков анализа экспериментальных данных |
11. Преодоление препятствий роботами (10 мин) | Объясняет физические принципы преодоления препятствий роботами. Демонстрирует видео с различными механизмами преодоления препятствий. Рассказывает о роли центра тяжести, момента силы и сцепления при преодолении препятствий. | Смотрят видеоматериалы, обсуждают увиденные механизмы, задают вопросы о физических принципах преодоления препятствий. | Понимание физических основ преодоления препятствий |
12. Практическая работа: Оптимизация робота для преодоления препятствий (15 мин) | Предлагает группам модифицировать своих роботов для эффективного преодоления препятствия (небольшой порог или горка). Консультирует группы, направляет их работу. | Разрабатывают и реализуют изменения в конструкции робота (изменение положения центра тяжести, замена колес, добавление элементов для лучшего сцепления). Тестируют модифицированных роботов. | Применение знаний о трении для оптимизации конструкции |
13. Демонстрация результатов оптимизации (7 мин) | Организует демонстрацию роботов, преодолевающих препятствия. Предлагает учащимся объяснить, какие изменения они внесли и почему они оказались эффективными. | Демонстрируют работу своих роботов, объясняют внесенные изменения с точки зрения физики и их влияние на способность преодоления препятствий. | Развитие навыков презентации технических решений |
14. Оценка эффективности технических решений (3 мин) | Предлагает провести мини-соревнование: чей робот быстрее преодолеет полосу препятствий. Фиксирует результаты. | Участвуют в соревновании, наблюдают за работой других роботов, анализируют различные подходы. | Формирование навыков оценки эффективности технических решений |
15. Обобщение знаний о роли трения в робототехнике (5 мин) | Систематизирует изученный материал, подчеркивает ключевые моменты о роли трения и сцепления в движении роботов. Предлагает учащимся сформулировать основные правила выбора колес и оптимизации конструкции для разных условий движения. | Участвуют в обобщении материала, формулируют правила выбора колес и конструкции робота в зависимости от поверхности и задачи. | Систематизация знаний о трении в робототехнике |
16. Рефлексия (3 мин) | Предлагает учащимся оценить свое понимание темы, используя прием “Три М”: что меня удивило, что меня заинтересовало, что мне пригодится. | Заполняют таблицу рефлексии, анализируют полученные знания и опыт, определяют их практическую значимость. | Развитие навыков самооценки и рефлексии |
17. Домашнее задание (3 мин) | Объясняет домашнее задание: 1) Составить таблицу коэффициентов трения для разных материалов; 2) Предложить дизайн колеса робота для движения по песчаной поверхности. | Записывают домашнее задание, задают уточняющие вопросы. | Понимание домашнего задания |
18. Подведение итогов урока (2 мин) | Обобщает результаты работы на уроке, отмечает успехи учащихся, подчеркивает важность понимания физики движения для проектирования эффективных роботов. | Слушают, задают возникшие вопросы. | Осознание результатов урока |
Диагностика результатов:
- Оценка понимания физических принципов трения через ответы на вопросы
- Анализ результатов лабораторной работы и правильности расчетов сил трения
- Оценка эффективности оптимизации робота для преодоления препятствий
- Наблюдение за групповой работой при проведении экспериментов
- Анализ выводов учащихся о зависимости движения робота от характеристик колес и поверхности
- Оценка результатов мини-соревнования по преодолению препятствий
- Анализ таблицы рефлексии