Практическая работа «Создание робота с комплексной сенсорной системой»
Образовательная организация: ГБОУ Школа № 1362
Учитель: Ахметов Рустам
Дата проведения:
Класс: 6
Модуль: Мобильная робототехника
Тема урока: Практическая работа «Создание робота с комплексной сенсорной системой»
Цель урока: Создать условия для формирования практических навыков конструирования и программирования робота с комплексной сенсорной системой, способного одновременно следовать по линии и обходить препятствия на пути.
Предметные:
- Умение интегрировать в робота несколько типов датчиков
- Навык программирования алгоритмов обработки данных с разных датчиков
- Понимание принципов приоритезации действий робота на основе показаний разных датчиков
- Умение создавать комплексные алгоритмы управления с ветвлениями и условиями
Метапредметные:
- Регулятивные УУД: умение планировать сложную систему с несколькими сенсорами, отлаживать работу и находить оптимальные решения
- Познавательные УУД: умение устанавливать взаимосвязи между данными от различных датчиков, принимать решения на основе комплексной информации
- Коммуникативные УУД: умение работать в команде при создании сложной робототехнической системы, распределять задачи и координировать действия
Личностные:
- Развитие системного и инженерного мышления
- Формирование настойчивости при решении комплексных технических задач
- Воспитание ответственности за качество созданного технического продукта
- Развитие творческого подхода к решению многофакторных задач
Образовательные:
- Закрепить знания о принципах работы датчиков линии и расстояния
- Научить методам интеграции нескольких датчиков в единую систему
- Сформировать понимание логики приоритезации данных от разных датчиков
Развивающие:
- Развивать навыки комплексного программирования с использованием нескольких датчиков
- Формировать умение отладки сложных алгоритмов взаимодействия с окружающей средой
- Развивать аналитическое мышление при оптимизации работы сенсорной системы
Воспитательные:
- Воспитывать культуру проектирования сложных технических систем
- Формировать навыки командной работы и распределения ролей
- Развивать ответственность за результаты своего труда
Тип урока: Практическая работа
Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение:
- Робототехнические наборы (по одному на группу из 2-3 учащихся)
- Датчики линии (минимум два на группу)
- Датчики расстояния (ультразвуковые или инфракрасные, по одному на группу)
- Дополнительные конструктивные элементы для крепления датчиков
- Компьютеры с установленной средой программирования
- Полигон для тестирования с нарисованными линиями и расставленными препятствиями
- Презентация с примерами алгоритмов обработки данных с нескольких датчиков
- Схемы подключения датчиков к контроллеру
- Раздаточный материал с описанием возможных логических условий для принятия решений
Образовательные технологии:
- Проектное обучение
- Практико-ориентированное обучение
- Работа в малых группах
- Проблемное обучение
Межпредметные связи:
- Математика: Приоритезация данных от разных датчиков, логические условия выбора, пороговые значения, алгебра логики
- Физика: Объединение данных о расстоянии и положении для точной навигации, распространение волн, отражение сигналов
- Информатика: Условные операторы, составные условия, приоритеты выполнения операций, машина состояний
- Технология: Конструирование с учетом размещения нескольких датчиков, оптимальное расположение элементов
Основные понятия: Комплексная сенсорная система, датчик линии, датчик расстояния, приоритезация данных, логические условия, объединение сенсоров, параллельная обработка данных, пороговые значения, состояние системы, машина состояний, алгоритм принятия решений, ветвление, обход препятствий
| Этап урока | Деятельность учителя | Деятельность ученика | Планируемые результаты предметные | Планируемые результаты УУД |
|---|---|---|---|---|
| 1. Организационный момент (3 мин) | Приветствует учащихся, проверяет готовность к уроку. Проводит инструктаж по технике безопасности при работе с электронными компонентами и движущимися механизмами. | Готовят рабочие места, проверяют наличие необходимых компонентов | Знание правил безопасной работы с робототехническими наборами | Регулятивные: самоорганизация |
| 2. Постановка задачи (7 мин) | Формулирует цель практической работы: “Сегодня вы создадите робота, который одновременно может следовать по линии и обходить препятствия на пути”. Демонстрирует видео с примером работы такого робота. Объясняет условия успешного выполнения задачи: робот должен в приоритетном порядке избегать столкновений с препятствиями и при этом стремиться следовать по линии. | Слушают задание, смотрят видео, задают уточняющие вопросы, обсуждают стратегию решения задачи | Понимание целей практической работы и критериев успешного выполнения | Познавательные: целеполагание Коммуникативные: формулирование вопросов |
| 3. Актуализация знаний (5 мин) | Задает вопросы: “Как работают датчики линии?”, “Как работают датчики расстояния?”, “Какие алгоритмы следования по линии мы изучили ранее?”, “Как можно организовать обход препятствий?” | Отвечают на вопросы, вспоминают принципы работы датчиков и алгоритмы управления, делятся опытом предыдущих проектов | Актуализация знаний о работе датчиков и алгоритмах управления | Познавательные: извлечение имеющихся знаний Коммуникативные: участие в обсуждении |
| 4. Планирование комплексной сенсорной системы (10 мин) | Объясняет принципы создания комплексной сенсорной системы: 1) Выбор и размещение датчиков на роботе 2) Определение приоритетов обработки данных 3) Составление логических условий для принятия решений 4) Проектирование алгоритма с учетом всех возможных ситуаций Показывает примеры размещения датчиков на роботе для оптимального восприятия информации. | Слушают объяснения, делают записи, обсуждают в группах оптимальное размещение датчиков для своего робота, составляют схему расположения датчиков | Понимание принципов создания комплексной сенсорной системы | Познавательные: анализ и планирование Регулятивные: целеполагание и планирование |
| 5. Конструирование робота с комплексной сенсорной системой (20 мин) | Организует работу в группах по 2-3 человека. Консультирует по вопросам конструирования, обращает внимание на правильное размещение датчиков. Напоминает о необходимости учета взаимного влияния датчиков друг на друга. | Работают в группах: собирают базовую платформу робота, устанавливают датчики линии в нижней части корпуса, монтируют датчик расстояния в передней части, обеспечивают надежное крепление всех компонентов, подключают датчики к контроллеру | Умение конструировать робота с несколькими типами датчиков | Регулятивные: организация деятельности Коммуникативные: работа в группе |
| 6. Разработка алгоритма обработки данных (10 мин) | Объясняет принципы приоритезации данных от разных датчиков и логику принятия решений: 1) Определение пороговых значений для каждого датчика 2) Создание иерархии приоритетов (например, избегание препятствий важнее следования по линии) 3) Разработка алгоритма с состояниями (нормальное следование по линии, обход препятствия) Демонстрирует блок-схему алгоритма с комплексной обработкой данных. | Разрабатывают алгоритм работы своего робота: определяют пороговые значения для датчиков, создают иерархию приоритетов, проектируют логику переключения между различными состояниями, составляют блок-схему алгоритма | Умение разрабатывать алгоритмы обработки данных от нескольких датчиков | Познавательные: алгоритмическое мышление Регулятивные: планирование |
| 7. Программирование (20 мин) | Демонстрирует примеры программного кода для обработки данных с разных датчиков и организации ветвления алгоритма. Обращает внимание на необходимость использования составных логических условий (AND, OR). Консультирует группы в процессе программирования. | Программируют робота: создают функции чтения данных с датчиков, реализуют алгоритм следования по линии, добавляют проверку расстояния до препятствий, программируют логику обхода препятствий, объединяют всё в единую программу с приоритезацией | Умение программировать комплексные алгоритмы с обработкой данных от нескольких датчиков | Познавательные: применение знаний на практике Регулятивные: контроль и коррекция |
| 8. Тестирование и отладка (15 мин) | Организует тестирование роботов на специальном полигоне с линией и препятствиями. Предлагает провести несколько итераций тестирования с постепенным усложнением задачи (сначала только линия, потом добавление препятствий). Помогает выявлять и устранять проблемы. | Тестируют работу робота: проверяют корректность следования по линии, тестируют реакцию на препятствия, отлаживают программу, корректируют пороговые значения и алгоритмы, проводят повторные тесты после каждого изменения | Умение тестировать и отлаживать работу комплексной робототехнической системы | Регулятивные: контроль, коррекция Познавательные: анализ результатов |
| 9. Демонстрация и анализ результатов (12 мин) | Организует демонстрацию работы созданных роботов. Предлагает каждой группе показать функционирование своего робота и рассказать об особенностях реализации. Задает вопросы: “Как ваша программа определяет приоритет действий?”, “Какие проблемы возникли и как вы их решили?” | Демонстрируют работу своего робота, объясняют принципы обработки данных с разных датчиков, комментируют особенности алгоритма, отвечают на вопросы | Понимание принципов комплексной обработки сенсорных данных | Коммуникативные: презентация результатов Познавательные: рефлексия |
| 10. Рефлексия и подведение итогов (3 мин) | Подводит итоги практической работы, отмечает успешные решения и типичные проблемы. Задает вопросы: “Какие преимущества дает использование нескольких типов датчиков?”, “С какими сложностями вы столкнулись при объединении данных от разных сенсоров?” | Отвечают на вопросы, делятся впечатлениями, оценивают свои достижения, анализируют возникшие трудности и способы их преодоления | Осознание значимости комплексной обработки данных в робототехнике | Регулятивные: оценка результатов Познавательные: обобщение опыта |
Базовый уровень:
- Составить отчет о проделанной практической работе с описанием конструкции робота и алгоритма обработки данных
- Предложить способ улучшения разработанной системы (повышение точности, скорости реакции и т.д.)
Повышенный уровень:
3. Разработать концепцию робота с тремя типами датчиков и схемой их взаимодействия
4. Спроектировать алгоритм обработки данных при противоречивых показаниях датчиков (что делать, если один датчик “говорит одно”, а другой - противоположное)
Критерии оценивания практической работы:
- Качество конструкции робота и расположения датчиков (1-5 баллов)
- Корректность алгоритма и программы обработки данных (1-5 баллов)
- Эффективность следования по линии (1-5 баллов)
- Надежность обхода препятствий (1-5 баллов)
- Оптимальность решения при одновременном выполнении обеих задач (1-5 баллов)
Шкала оценивания:
- “5” - 21-25 баллов
- “4” - 16-20 баллов
- “3” - 10-15 баллов
- “2” - менее 10 баллов
По итогам урока учащиеся должны:
Знать:
- Принципы работы комплексной сенсорной системы
- Методы приоритезации данных от разных датчиков
- Способы объединения алгоритмов следования по линии и обхода препятствий
- Подходы к отладке сложных робототехнических систем
Уметь:
- Конструировать роботов с несколькими типами датчиков
- Программировать алгоритмы обработки комплексных сенсорных данных
- Реализовывать логику принятия решений на основе показаний нескольких датчиков
- Отлаживать работу сложных алгоритмов управления роботом
Владеть:
- Навыками создания комплексных робототехнических систем
- Методами интеграции нескольких сенсоров в единую систему
- Приемами оптимизации работы робота в сложных условиях
- Способами анализа и решения проблем при комплексной обработке данных
Дополнительные материалы к уроку:
- Схемы размещения датчиков на различных типах робототехнических платформ
- Примеры программ для комплексной обработки данных с нескольких датчиков
- Алгоритмы переключения между режимами следования по линии и обхода препятствий
- Таблица типичных проблем при совмещении нескольких сенсорных систем и способов их решения
- Видеоматериалы с примерами работы роботов с комплексной сенсорной системой