Энергоэффективность транспортных роботов
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА УРОКА
Образовательная организация: ГБОУ Школа № 1362
Учитель: Ахметов Рустам
Дата проведения:
Класс: 6
ЦЕЛЕВОЙ БЛОК
Модуль: Мобильная робототехника
Тема урока: Энергоэффективность транспортных роботов
Цель урока: Создать условия для формирования представлений о факторах, влияющих на энергопотребление мобильных роботов, и способах оптимизации энергоэффективности через исследование и построение графика зависимости времени автономной работы от режима движения и нагрузки.
Планируемые результаты:
Предметные:
- Знание факторов, влияющих на энергопотребление транспортных роботов
- Понимание принципов работы различных типов источников энергии для роботов
- Умение рассчитывать энергопотребление при различных режимах движения
- Представление о методах оптимизации энергоэффективности робототехнических систем
Метапредметные:
- Регулятивные УУД: умение проводить эксперимент по измерению энергопотребления, анализировать результаты
- Познавательные УУД: умение устанавливать причинно-следственные связи между режимом работы и энергопотреблением
- Коммуникативные УУД: умение представлять результаты исследования в виде графиков, обсуждать пути повышения энергоэффективности
Личностные:
- Развитие экологического мышления через понимание важности энергоэффективности
- Формирование ответственного отношения к использованию энергоресурсов
- Воспитание культуры исследовательской деятельности
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ БЛОК
Задачи урока:
Образовательные:
- Познакомить учащихся с факторами, влияющими на энергопотребление транспортных роботов
- Сформировать представление о различных типах источников энергии для роботов
- Научить методам расчета и оптимизации энергопотребления
Развивающие:
- Развивать навыки проведения исследований и анализа данных
- Формировать умение выявлять закономерности и делать прогнозы
- Развивать способность находить оптимальные решения для сложных систем
Воспитательные:
- Воспитывать бережное отношение к энергоресурсам
- Формировать понимание значимости энергоэффективных технологий
- Развивать культуру технического мышления
Тип урока: Комбинированный (теория + практика)
Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение:
- Компьютер, проектор, экран
- Презентация по теме “Энергоэффективность транспортных роботов”
- Робототехнические наборы для экспериментов
- Мультиметры или специализированные модули для измерения энергопотребления
- Разные типы аккумуляторов и батарей для демонстрации
- Программное обеспечение для построения графиков
- Рабочие листы для записи результатов измерений
- Секундомеры для измерения времени автономной работы
- Различные поверхности для тестирования движения (гладкая, шероховатая)
- Разные типы грузов для изменения нагрузки на робота
ОРГАНИЗАЦИОННО-ДЕЯТЕЛЬНОСТНЫЙ БЛОК
Образовательные технологии:
- Проблемное обучение
- Исследовательская деятельность
- Информационно-коммуникационные технологии
- Групповая работа
Межпредметные связи:
- Физика: Потребление энергии при различных режимах движения, КПД системы, электрический ток, напряжение, мощность, трение, механическая работа
- Математика: Расчет оптимальных параметров движения для экономии энергии, построение и анализ графиков, нахождение оптимумов функций
- Информатика: Алгоритмы управления энергопотреблением, сбор и обработка данных
- Экология: Ресурсосбережение, экологические аспекты использования различных источников энергии
Основные понятия: Энергопотребление, КПД, аккумулятор, батарея, ёмкость источника питания, разрядная характеристика, рекуперация энергии, энергосбережение, оптимальный режим движения, мощность, время автономной работы, ток потребления, напряжение, нагрузка, трение, инерция, аэродинамическое сопротивление
| 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 видео с марсоходом Perseverance и задает вопросы: “Почему для космических роботов так важна энергоэффективность?”, “Как можно увеличить время автономной работы робота?”. Создает проблемную ситуацию: “Представьте, что ваш робот должен выполнить миссию на ограниченном заряде батареи. Как максимально продлить время его работы?” | Смотрят видео, отвечают на вопросы, высказывают предположения, участвуют в формулировании темы и цели урока | Актуализация представлений о важности энергоэффективности | Познавательные: мотивация к изучению темы Коммуникативные: участие в диалоге |
| 3. Актуализация знаний (5 мин) | Задает вопросы: “Что такое энергия?”, “Какие виды энергии вы знаете?”, “Как связаны мощность, время работы и энергия?”, “Какие факторы влияют на затраты энергии при движении?” | Отвечают на вопросы, вспоминают материал из курса физики, обсуждают факторы, влияющие на энергопотребление | Актуализация знаний об энергии и факторах, влияющих на энергопотребление | Познавательные: извлечение имеющихся знаний Коммуникативные: формулирование мыслей |
| 4. Изучение нового материала (15 мин) | Объясняет факторы, влияющие на энергопотребление мобильных роботов, сопровождая рассказ презентацией: 1) Механические факторы: - Трение в механизмах - Масса робота и полезной нагрузки - Тип поверхности для движения - Аэродинамическое сопротивление 2) Электрические факторы: - Эффективность моторов - КПД преобразователей напряжения - Потребление электроники (контроллеры, датчики) 3) Алгоритмические факторы: - Режимы движения (ускорение, торможение, постоянная скорость) - Оптимизация маршрута движения - Рекуперация энергии при торможении 4) Источники энергии: - Типы аккумуляторов и их характеристики - Саморазряд и деградация аккумуляторов - Альтернативные источники энергии для роботов Демонстрирует разные типы аккумуляторов и их характеристики. | Слушают объяснения, делают записи, изучают представленные типы аккумуляторов, задают уточняющие вопросы | Формирование знаний о факторах, влияющих на энергопотребление роботов, и источниках энергии | Познавательные: усвоение новой информации, установление причинно-следственных связей |
| 5. Физкультминутка (2 мин) | Проводит короткую динамическую паузу, связанную с темой энергии (имитация зарядки и разрядки). | Выполняют физические упражнения | - | Регулятивные: переключение внимания |
| 6. Демонстрация измерения энергопотребления (8 мин) | Демонстрирует методы измерения энергопотребления робота: 1) Использование мультиметра для измерения тока 2) Расчет потребляемой мощности (P = UI) 3) Оценка времени автономной работы Показывает, как изменяется потребление энергии при разных режимах движения (медленное, быстрое, с ускорением). | Наблюдают за демонстрацией, делают заметки о методике измерений, задают вопросы | Понимание методов измерения и расчета энергопотребления | Познавательные: наблюдение, анализ |
| 7. Практическая работа (20 мин) | Организует групповую работу. Делит класс на группы по 3-4 человека. Задание: “Исследовать зависимость времени автономной работы робота от режима движения и нагрузки и построить соответствующий график”. Предлагает провести серию экспериментов: 1) Измерение базового энергопотребления в состоянии покоя 2) Измерение при движении с разной скоростью 3) Измерение при разгоне и торможении 4) Измерение при движении с разной нагрузкой 5) Измерение при движении по разным поверхностям Раздает рабочие листы для записи результатов. Консультирует группы в процессе работы. | Работают в группах: проводят серию экспериментов с роботами, измеряют ток потребления в различных режимах, фиксируют данные в таблицы, рассчитывают время автономной работы при разных условиях, строят графики зависимости | Умение экспериментально определять энергопотребление и строить графики зависимости | Регулятивные: планирование работы Познавательные: сбор и обработка данных Коммуникативные: работа в группе |
| 8. Представление результатов (10 мин) | Организует представление результатов исследований. Задает уточняющие вопросы: “Какой режим движения оказался наиболее энергоэффективным?”, “Как влияет нагрузка на энергопотребление?”, “Какие закономерности вы выявили?” | Представители групп демонстрируют полученные графики, объясняют выявленные закономерности, отвечают на вопросы, сравнивают результаты разных групп | Умение анализировать зависимость энергопотребления от различных факторов | Коммуникативные: представление результатов, аргументация Познавательные: обобщение информации |
| 9. Методы оптимизации энергопотребления (10 мин) | Объясняет способы оптимизации энергопотребления роботов: 1) Механические оптимизации: - Снижение трения в механизмах - Оптимизация массы конструкции - Улучшение аэродинамики 2) Электрические оптимизации: - Выбор эффективных моторов - Использование драйверов с низкими потерями - Режим сна для электроники 3) Алгоритмические оптимизации: - Плавные разгоны и торможения - Оптимальная скорость движения - Умное управление питанием компонентов Организует обсуждение того, какие из этих методов можно применить к роботам, созданным учащимися. | Слушают объяснения, записывают способы оптимизации, участвуют в обсуждении применимости различных методов, предлагают собственные идеи по повышению энергоэффективности | Понимание методов оптимизации энергопотребления робототехнических систем | Познавательные: систематизация знаний Коммуникативные: участие в обсуждении |
| 10. Практическое применение (5 мин) | Предлагает учащимся внести изменения в своих роботов для повышения энергоэффективности и провести повторные измерения для оценки эффекта. Консультирует по предлагаемым изменениям. | Вносят изменения в конструкцию или программу робота, проводят повторные измерения, оценивают эффективность внесенных изменений | Умение применять знания для оптимизации энергопотребления | Регулятивные: коррекция Познавательные: применение знаний |
| 11. Рефлексия и подведение итогов (3 мин) | Подводит итоги урока, задает вопросы: “Какие факторы больше всего влияют на энергопотребление робота?”, “Какие методы оптимизации энергопотребления вы считаете наиболее эффективными?”, “Почему важно учитывать энергоэффективность при проектировании роботов?” | Отвечают на вопросы, делятся впечатлениями, оценивают свою работу на уроке, формулируют выводы об энергоэффективности роботов | Систематизация знаний об энергоэффективности транспортных роботов | Регулятивные: оценка результатов Познавательные: рефлексия |
ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
Базовый уровень:
- Завершить анализ полученных графиков и сделать выводы о наиболее энергоэффективных режимах работы
- Подготовить краткое сообщение о новых технологиях в области аккумуляторов для робототехники
Повышенный уровень:
- Разработать план оптимизации энергопотребления для конкретного робота с прогнозом увеличения времени автономной работы
- Исследовать и описать альтернативные источники энергии для мобильных роботов (солнечные батареи, топливные элементы и др.)
ОЦЕНИВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Критерии оценивания практической работы (графика зависимости):
- Точность проведения измерений (1-5 баллов)
- Полнота исследования различных режимов и факторов (1-5 баллов)
- Корректность построения графика (1-5 баллов)
- Глубина анализа полученных результатов (1-5 баллов)
- Обоснованность выводов о путях оптимизации (1-5 баллов)
Шкала оценивания:
- “5” - 21-25 баллов
- “4” - 16-20 баллов
- “3” - 10-15 баллов
- “2” - менее 10 баллов
ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
По итогам урока учащиеся должны:
Знать:
- Факторы, влияющие на энергопотребление транспортных роботов
- Характеристики различных источников энергии для роботов
- Методы измерения и расчета энергопотребления
- Способы оптимизации энергоэффективности робототехнических систем
Уметь:
- Проводить измерения энергопотребления робота в разных режимах работы
- Строить и анализировать графики зависимости времени автономной работы от различных факторов
- Рассчитывать оптимальные параметры движения для экономии энергии
- Применять методы оптимизации энергопотребления в конструкции и программе робота
Владеть:
- Навыками экспериментального исследования энергопотребления
- Методами анализа данных и построения графиков
- Подходами к решению задач энергоэффективности в робототехнике
Дополнительные материалы к уроку:
- Таблицы характеристик различных типов аккумуляторов и батарей
- Формулы для расчета энергопотребления и времени автономной работы
- Примеры графиков энергопотребления роботов в различных режимах
- Шаблоны для проведения исследования и фиксации результатов
- Информация о современных трендах в области энергоэффективности роботов
- Справочные материалы по методам оптимизации энергопотребления