«Программирование пропорционального регулятора для следования по линии»
Образовательная организация: ГБОУ Школа № 1362
Учитель: Ахметов Рустам
Дата проведения:
Класс: 6
Модуль: Мобильная робототехника
Тема урока: Практическая работа «Программирование пропорционального регулятора для следования по линии»
Цель урока: Создать условия для формирования практических навыков программирования и настройки пропорционального регулятора для точного следования робота по линии с постоянной скоростью.
Предметные:
- Умение реализовывать алгоритм пропорционального регулирования в программе для робота
- Навык настройки коэффициентов пропорционального регулятора
- Понимание влияния различных коэффициентов на поведение системы
- Умение обеспечивать плавность движения робота при следовании по линии
Метапредметные:
- Регулятивные УУД: умение проводить эксперименты с различными параметрами, анализировать результаты и оптимизировать решение
- Познавательные УУД: умение применять математические методы для настройки технических систем, устанавливать причинно-следственные связи
- Коммуникативные УУД: умение работать в паре/группе при решении технических задач, обсуждать результаты экспериментов
Личностные:
- Развитие инженерного мышления и аналитических способностей
- Формирование терпения и настойчивости при настройке технических систем
- Воспитание внимания к деталям и стремления к оптимальному результату
- Развитие культуры технического эксперимента
Образовательные:
- Закрепить знания о принципах работы пропорционального регулятора
- Научить реализовывать алгоритм пропорционального регулирования в программе
- Сформировать понимание связи между коэффициентами регулирования и поведением робота
Развивающие:
- Развивать навыки отладки и оптимизации программ
- Формировать умение проводить систематические эксперименты с изменением параметров
- Развивать способность к анализу данных и выявлению закономерностей
Воспитательные:
- Воспитывать настойчивость при решении сложных технических задач
- Формировать культуру технического эксперимента
- Развивать ответственность за качество выполненной работы
Тип урока: Практическая работа
Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение:
- Робототехнические наборы с контроллерами и датчиками линии (по одному на пару/группу)
- Компьютеры с установленной средой программирования
- Полигоны для тестирования роботов с нанесенными линиями
- Презентация с примерами реализации пропорционального регулятора
- Рабочие листы для фиксации результатов эксперимента
- Секундомеры для измерения времени прохождения трассы
- Таблицы для записи коэффициентов и результатов тестирования
- Инструкция по настройке пропорционального регулятора
Образовательные технологии:
- Проектное обучение
- Экспериментальное исследование
- Работа в малых группах
- Практико-ориентированное обучение
Межпредметные связи:
- Математика: Расчет коэффициентов регулирования, анализ устойчивости системы, пропорциональные зависимости
- Физика: Измерение скорости и ускорения при разных коэффициентах регулирования, плавность движения, инерция
- Информатика: Алгоритмизация, программирование, отладка программ, условные операторы, циклы
- Технология: Конструирование роботов, оптимизация технических систем
Основные понятия: Пропорциональный регулятор (P-регулятор), коэффициент пропорциональности, ошибка регулирования, отклонение от линии, устойчивость системы, колебательность, перерегулирование, установившийся режим, постоянная скорость, плавность движения, метод подбора коэффициента
| Этап урока | Деятельность учителя | Деятельность ученика | Планируемые результаты предметные | Планируемые результаты УУД |
|---|---|---|---|---|
| 1. Организационный момент (3 мин) | Приветствует учащихся, проверяет готовность к уроку. Проверяет наличие и работоспособность робототехнических наборов и компьютеров. | Готовят рабочие места, проверяют наборы и включают компьютеры | Подготовка к практической работе | Регулятивные: самоорганизация |
| 2. Постановка задачи (7 мин) | Формулирует цель практической работы: “Сегодня вы создадите программу с пропорциональным регулятором для точного следования робота по линии с постоянной скоростью. Ваш робот должен двигаться плавно, с минимальными колебаниями”. Демонстрирует видео с примером успешной реализации следования по линии с пропорциональным регулятором. Объясняет критерии оценки успешной работы: плавность движения, точность следования, отсутствие резких колебаний. | Слушают задание, смотрят демонстрационное видео, задают уточняющие вопросы | Понимание целей и критериев успешного выполнения задания | Познавательные: целеполагание Коммуникативные: формулирование вопросов |
| 3. Актуализация знаний (5 мин) | Задает вопросы: “Что такое пропорциональный регулятор?”, “Как вычисляется управляющее воздействие в P-регуляторе?”, “Что происходит при слишком малом/большом коэффициенте пропорциональности?”. Организует мини-опрос о структуре пропорционального регулятора. | Отвечают на вопросы, вспоминают материал предыдущего урока, обсуждают принцип работы пропорционального регулятора | Актуализация знаний о пропорциональном регулировании | Познавательные: извлечение имеющихся знаний Коммуникативные: участие в обсуждении |
| 4. Инструктаж перед практической работой (10 мин) | Объясняет алгоритм реализации пропорционального регулятора для следования по линии: 1) Считывание показаний датчика линии 2) Вычисление отклонения от целевого значения 3) Расчет управляющего воздействия (мощность моторов = базовая скорость ± коэффициент * отклонение) 4) Применение управляющего воздействия к моторам Демонстрирует пример кода с пропорциональным регулятором и объясняет каждую часть программы. Предлагает план экспериментов с различными коэффициентами. | Слушают объяснения, делают записи, анализируют демонстрируемый код, задают вопросы по реализации алгоритма | Понимание алгоритма реализации P-регулятора для следования по линии | Познавательные: анализ алгоритмов |
| 5. Программирование регулятора (15 мин) | Организует работу в парах или малых группах. Консультирует учащихся в процессе программирования, обращает внимание на ключевые моменты реализации пропорционального регулятора. | Работают в парах/группах: пишут программу следования по линии с пропорциональным регулятором, реализуют считывание данных с датчика, вычисление ошибки и управляющего воздействия | Умение программировать алгоритм пропорционального регулирования | Познавательные: применение знаний на практике Коммуникативные: работа в паре/группе |
| 6. Физкультминутка (2 мин) | Проводит короткую динамическую паузу, имитирующую движение робота по линии с разными коэффициентами регулирования. | Выполняют упражнения, имитируя разные режимы движения робота | - | Регулятивные: переключение внимания |
| 7. Начальное тестирование и отладка (10 мин) | Организует первичное тестирование программы с начальным коэффициентом пропорциональности. Консультирует по вопросам отладки. | Загружают программу в робота, тестируют работу на полигоне, выявляют проблемы, вносят базовые корректировки в программу | Навык отладки программы с пропорциональным регулятором | Регулятивные: контроль и коррекция |
| 8. Экспериментальная настройка коэффициентов (20 мин) | Организует серию экспериментов с различными значениями коэффициента пропорциональности. Предлагает методику настройки: начать с малого значения и постепенно увеличивать, фиксируя результаты. Раздает рабочие листы для записи результатов экспериментов. | Проводят серию экспериментов: тестируют робота с разными значениями коэффициента, наблюдают за поведением робота, измеряют скорость и плавность движения, фиксируют результаты в таблице | Умение экспериментально настраивать коэффициенты регулирования | Регулятивные: планирование эксперимента Познавательные: анализ данных |
| 9. Анализ результатов экспериментов (10 мин) | Организует анализ полученных результатов. Задает направляющие вопросы: “Как меняется поведение робота при увеличении/уменьшении коэффициента?”, “При каком значении коэффициента достигается наиболее плавное движение?”, “Почему слишком большой коэффициент приводит к колебаниям?” | Анализируют результаты экспериментов, выявляют закономерности изменения поведения робота при разных коэффициентах, определяют оптимальное значение для своего робота | Понимание влияния коэффициентов на поведение системы | Познавательные: установление причинно-следственных связей |
| 10. Финальная оптимизация (5 мин) | Предлагает внести финальные корректировки на основе анализа результатов для достижения наиболее плавного движения. | Вносят корректировки в программу, тестируют окончательную версию, оптимизируют значения параметров | Умение оптимизировать параметры регулятора | Регулятивные: коррекция Познавательные: оптимизация решения |
| 11. Демонстрация результатов (10 мин) | Организует демонстрацию работы роботов. Предлагает каждой группе продемонстрировать движение своего робота по линии и рассказать об оптимальном значении коэффициента. | Демонстрируют работу своего робота, комментируют выбранное значение коэффициента, объясняют, как оно влияет на плавность и точность движения | Умение представлять и обосновывать технические решения | Коммуникативные: презентация результатов |
| 12. Рефлексия и подведение итогов (3 мин) | Подводит итоги практической работы, задает вопросы: “Какие закономерности вы выявили при изменении коэффициента пропорциональности?”, “Каковы признаки оптимально настроенного регулятора?”, “Какие проблемы остаются у пропорционального регулятора?” | Отвечают на вопросы, делятся наблюдениями, оценивают свою работу, анализируют достигнутые результаты | Обобщение знаний о настройке пропорционального регулятора | Регулятивные: оценка результатов Познавательные: рефлексия |
Базовый уровень:
- Составить отчет о проделанной практической работе с описанием экспериментов и их результатов
- Подготовить график зависимости плавности движения робота от значения коэффициента пропорциональности
Повышенный уровень:
- Разработать и описать алгоритм автоматической настройки коэффициента пропорциональности
- Исследовать возможности улучшения пропорционального регулятора (например, добавление интегральной или дифференциальной составляющих)
Критерии оценивания практической работы:
- Корректность реализации алгоритма пропорционального регулирования (1-5 баллов)
- Качество проведения экспериментов с различными коэффициентами (1-5 баллов)
- Плавность движения робота по линии (1-5 баллов)
- Точность следования по линии (1-5 баллов)
- Качество анализа и обоснованность выбора оптимального коэффициента (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 реализации пропорционального регулятора в программе робота
- Методы экспериментальной настройки коэффициентов регулирования
- Признаки оптимально настроенного регулятора
- Влияние различных коэффициентов на поведение робота
Уметь:
- Программировать алгоритм пропорционального регулирования для следования по линии
- Проводить эксперименты с различными параметрами регулятора
- Анализировать поведение робота при разных коэффициентах
- Оптимизировать значения параметров для достижения плавного движения
Владеть:
- Навыками отладки программы пропорционального регулятора
- Методами экспериментального определения оптимальных параметров
- Техникой анализа поведения робототехнической системы
- Приемами оптимизации движения робота по линии
Дополнительные материалы к уроку:
- Шаблон программы пропорционального регулятора для различных платформ
- Таблица для записи результатов экспериментов с разными коэффициентами
- Графики поведения системы с разными коэффициентами пропорциональности
- Справочные материалы по типичным проблемам при настройке регуляторов
- Видеоматериалы с примерами работы роботов при разных настройках регулятора