Алгоритмы регулирования скорости движения
Образовательная организация: ГБОУ Школа № 1362
Учитель: Ахметов Рустам
Дата проведения:
Класс: 6
Модуль: Мобильная робототехника
Тема урока: Алгоритмы регулирования скорости движения
Цель урока: Создать условия для формирования представлений о принципах регулирования скорости движения роботов и разработки блок-схемы работы пропорционального регулятора.
Предметные:
- Знание принципов пропорционального регулирования
- Понимание различий между типами регуляторов (пропорциональный, интегральный, дифференциальный)
- Умение составлять блок-схему работы пропорционального регулятора
- Представление о влиянии регуляторов на плавность движения робота
Метапредметные:
- Регулятивные УУД: умение анализировать отклонения от заданных параметров, вносить корректировки в систему
- Познавательные УУД: умение устанавливать математические зависимости между входными и выходными параметрами системы
- Коммуникативные УУД: умение точно формулировать алгоритмы и представлять их в виде блок-схем
Личностные:
- Развитие аналитического мышления
- Формирование понимания необходимости точной настройки систем
- Воспитание внимательности и аккуратности при разработке алгоритмов
Задачи урока:
Образовательные:
- Познакомить учащихся с принципами работы регуляторов скорости
- Изучить различные типы регуляторов и их применение
- Сформировать понимание математических основ пропорционального регулирования
Развивающие:
- Развивать навыки алгоритмического мышления
- Формировать умение представлять алгоритмы в виде блок-схем
- Развивать способность анализировать поведение системы и вносить корректировки
Воспитательные:
- Воспитывать системный подход к решению технических задач
- Формировать понимание важности точности в инженерных расчетах
- Развивать культуру технического мышления
Тип урока: Комбинированный (теория + практика)
Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение:
- Компьютер, проектор, экран
- Презентация по теме “Алгоритмы регулирования скорости движения”
- Робототехнические наборы для демонстрации (опционально)
- Программное обеспечение для построения блок-схем
- Раздаточный материал с примерами регуляторов
- Графики поведения различных типов регуляторов
- Рабочие листы для практического задания
Образовательные технологии:
- Проблемное обучение
- Информационно-коммуникационные технологии
- Практико-ориентированное обучение
- Работа в малых группах
Межпредметные связи:
- Математика: Пропорциональное регулирование, вычисление отклонений, интегралы и производные, обработка рядов данных
- Физика: Ускорение, замедление, равномерное движение, инерция, трение, преобразование энергии
- Информатика: Алгоритмизация, блок-схемы, циклы, условные операторы, обработка данных
- Технология: Управление двигателями, обратная связь в технических системах
Основные понятия: Регулирование скорости, пропорциональный регулятор (P-регулятор), интегральный регулятор (I-регулятор), дифференциальный регулятор (D-регулятор), ПИД-регулирование, обратная связь, ошибка регулирования, коэффициент пропорциональности, отклонение, целевое значение, фактическое значение, петля регулирования
| Этап урока | Деятельность учителя | Деятельность ученика | Планируемые результаты предметные | Планируемые результаты УУД |
|---|---|---|---|---|
| 1. Организационный момент (2 мин) | Приветствует учащихся, проверяет готовность к уроку. Создает позитивный настрой. | Готовятся к уроку, занимают рабочие места | - | Регулятивные: самоорганизация |
| 2. Мотивация и целеполагание (5 мин) | Демонстрирует видеофрагменты движения роботов: один движется рывками, резко ускоряясь и тормозя, другой - плавно и равномерно. Задает вопросы: “В чем отличие движения этих роботов?”, “Почему важна плавность движения?”, “Как можно добиться плавного движения?” | Смотрят видео, отвечают на вопросы, высказывают предположения, участвуют в формулировании темы и цели урока | Актуализация представлений о важности плавного регулирования скорости | Познавательные: мотивация к изучению темы Коммуникативные: участие в диалоге |
| 3. Актуализация знаний (5 мин) | Задает вопросы: “Что такое скорость?”, “Как мы управляем скоростью двигателей роботов?”, “Что происходит при резком изменении скорости?”, “Как человек регулирует скорость при ходьбе или беге?” | Отвечают на вопросы, вспоминают материал из курсов физики и математики, обсуждают примеры регулирования скорости из повседневной жизни | Актуализация знаний о скорости и управлении движением | Познавательные: извлечение имеющихся знаний Коммуникативные: формулирование мыслей |
| 4. Изучение нового материала (15 мин) | Объясняет принципы регулирования скорости движения, сопровождая рассказ презентацией: 1) Проблемы прямого управления скоростью (резкие изменения, неточность) 2) Концепция обратной связи в системах управления 3) Принципы пропорционального регулирования: - Измерение текущей скорости - Вычисление отклонения от заданной скорости - Внесение корректировок пропорционально отклонению 4) Типы регуляторов: - Пропорциональный (P) регулятор - Интегральный (I) компонент - накопление ошибки - Дифференциальный (D) компонент - учет скорости изменения 5) Комбинированные регуляторы: PI, PD, PID Демонстрирует графики работы различных регуляторов, обращая внимание на характер реакции системы. | Слушают объяснения, делают записи, изучают графики поведения различных регуляторов, задают уточняющие вопросы | Формирование знаний о принципах регулирования скорости и типах регуляторов | Познавательные: усвоение новой информации, установление причинно-следственных связей |
| 5. Физкультминутка (2 мин) | Проводит короткую динамическую паузу, имитирующую различные типы движения (резкое, плавное). | Выполняют физические упражнения, имитируя разные типы движения | - | Регулятивные: переключение внимания |
| 6. Демонстрация работы регуляторов (8 мин) | Демонстрирует работу различных регуляторов на примере робототехнической системы или с помощью компьютерной симуляции. Показывает: 1) Реакцию системы без регулятора 2) Работу пропорционального регулятора с разными коэффициентами 3) Поведение системы с ПИД-регулятором Комментирует особенности каждого типа регулирования. | Наблюдают за демонстрацией, делают заметки, задают вопросы, обсуждают наблюдаемые эффекты | Понимание влияния различных регуляторов на поведение системы | Познавательные: наблюдение, сравнение, анализ |
| 7. Построение блок-схемы работы пропорционального регулятора (15 мин) | Объясняет структуру блок-схемы пропорционального регулятора: 1) Блок задания целевой скорости 2) Блок измерения текущей скорости 3) Блок вычисления ошибки (отклонения) 4) Блок расчета управляющего воздействия 5) Блок корректировки мощности двигателей Демонстрирует пример блок-схемы, поясняет логику работы алгоритма. | Изучают пример блок-схемы, разбирают логику работы пропорционального регулятора, делают заметки о структуре и компонентах схемы | Понимание структуры и принципа работы пропорционального регулятора | Познавательные: системный анализ, моделирование |
| 8. Практическая работа (15 мин) | Организует работу в парах или малых группах. Задание: “Разработать блок-схему работы пропорционального регулятора скорости для робота, движущегося по прямой линии”. Раздает рабочие листы с шаблоном блок-схемы. Консультирует учащихся в процессе работы, обращает внимание на необходимость учета всех компонентов регулятора. | Работают в парах/группах: разрабатывают блок-схему пропорционального регулятора, детализируют алгоритм работы, обозначают входные и выходные параметры каждого блока, описывают взаимосвязи между компонентами | Умение разрабатывать блок-схему работы пропорционального регулятора | Регулятивные: планирование работы Познавательные: построение моделей Коммуникативные: работа в паре/группе |
| 9. Представление и обсуждение результатов (10 мин) | Организует представление результатов работы групп. Задает уточняющие вопросы: “Что происходит при слишком высоком коэффициенте пропорциональности?”, “Как можно улучшить работу вашего регулятора?”, “Какие проблемы остаются нерешенными в пропорциональном регуляторе?” | Представляют разработанные блок-схемы, объясняют принцип работы своего решения, отвечают на вопросы, анализируют возможные проблемы и способы их решения | Умение анализировать работу регуляторов и выявлять их ограничения | Коммуникативные: представление результатов, аргументация Познавательные: критический анализ |
| 10. Обсуждение практического применения (5 мин) | Организует обсуждение применения различных типов регуляторов в реальных робототехнических системах. Приводит примеры: стабилизация дронов, круиз-контроль в автомобилях, балансирующие роботы. | Участвуют в обсуждении, приводят свои примеры систем с регуляторами, предлагают сценарии применения изученных алгоритмов | Понимание практической значимости регуляторов в робототехнике | Познавательные: применение знаний в новых контекстах Коммуникативные: участие в дискуссии |
| 11. Рефлексия и подведение итогов (3 мин) | Подводит итоги урока, задает вопросы: “Что нового вы узнали о регулировании скорости?”, “Какие преимущества дает использование пропорционального регулятора?”, “В каких случаях необходимы более сложные регуляторы?” | Отвечают на вопросы, делятся впечатлениями, оценивают свою работу на уроке | Систематизация знаний о регуляторах скорости движения | Регулятивные: оценка результатов Познавательные: рефлексия |
Базовый уровень:
- Составить блок-схему работы пропорционального регулятора для конкретной задачи (например, поддержание заданной скорости при движении робота на подъем)
- Подготовить краткое описание ситуаций, когда пропорциональное регулирование дает хорошие результаты, а когда нет
Повышенный уровень:
- Разработать блок-схему работы ПИД-регулятора с описанием функций каждого компонента
- Исследовать и подготовить сообщение о применении регуляторов скорости в реальных технических системах (например, в беспилотных автомобилях или промышленных роботах)
Критерии оценивания блок-схемы пропорционального регулятора:
- Правильность структуры алгоритма (1-5 баллов)
- Корректность обозначения входных и выходных параметров (1-5 баллов)
- Учет всех необходимых элементов регулирования (1-5 баллов)
- Логическая связность компонентов схемы (1-5 баллов)
- Понимание принципа работы регулятора (при защите схемы) (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 регулирования скорости движения роботов
- Особенности различных типов регуляторов (P, I, D)
- Структуру и компоненты пропорционального регулятора
- Способы представления алгоритмов управления в виде блок-схем
Уметь:
- Составлять блок-схему работы пропорционального регулятора
- Анализировать поведение системы с различными типами регуляторов
- Определять подходящий тип регулятора для конкретной задачи
- Выявлять возможные проблемы в системах регулирования
Владеть:
- Навыками разработки алгоритмов регулирования
- Пониманием математических основ работы регуляторов
- Способностью анализировать влияние параметров регулятора на поведение системы
Дополнительные материалы к уроку:
- Примеры блок-схем различных регуляторов
- Графики поведения систем с разными типами регуляторов
- Шаблоны для построения блок-схем
- Таблица сравнения различных типов регуляторов
- Справочная информация о настройке параметров регуляторов
- Примеры применения регуляторов в реальных робототехнических системах