Практическая работа «Оптимизация движения робота для увеличения времени автономной работы»
Образовательная организация: ГБОУ Школа № 1362
Учитель: Ахметов Рустам
Дата проведения:
Класс: 6
Модуль: Мобильная робототехника
Тема урока: Практическая работа «Оптимизация движения робота для увеличения времени автономной работы»
Цель урока: Создать условия для формирования практических навыков исследования энергопотребления робота и оптимизации алгоритмов движения для увеличения времени автономной работы.
Предметные:
- Умение измерять энергопотребление робота при различных режимах движения
- Навык анализа графиков энергопотребления и выявления закономерностей
- Понимание связи между скоростью движения и энергоэффективностью
- Умение оптимизировать алгоритм движения для увеличения времени автономной работы
Метапредметные:
- Регулятивные УУД: умение планировать эксперимент, собирать данные, анализировать результаты и вносить корректировки
- Познавательные УУД: умение строить и анализировать графики зависимостей, выявлять оптимальные параметры работы
- Коммуникативные УУД: умение работать в команде при проведении исследования, представлять и обсуждать результаты
Личностные:
- Развитие ответственного отношения к использованию энергоресурсов
- Формирование научного подхода к решению практических задач
- Воспитание настойчивости при поиске оптимальных решений
- Развитие экологического мышления через понимание важности энергосбережения
Образовательные:
- Закрепить знания о факторах, влияющих на энергопотребление роботов
- Научить методам измерения тока потребления при разных режимах работы
- Сформировать понимание зависимости энергопотребления от параметров движения
Развивающие:
- Развивать навыки проведения научного эксперимента
- Формировать умение анализировать данные и строить графики зависимостей
- Развивать способность оптимизировать алгоритмы на основе экспериментальных данных
Воспитательные:
- Воспитывать бережное отношение к энергоресурсам
- Формировать культуру проведения научных исследований
- Развивать ответственность за качество проделанной работы
Тип урока: Практическая работа
Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение:
- Робототехнические наборы с полностью заряженными аккумуляторами
- Мультиметры или специализированные датчики тока для измерения потребления
- Компьютеры с установленной средой программирования
- Программное обеспечение для построения графиков
- Секундомеры для измерения времени работы
- Рабочие листы для фиксации результатов измерений
- Тестовая трасса для движения робота (с разметкой для измерений)
- Презентация с примерами оптимизации алгоритмов движения
- Таблицы для записи результатов экспериментов
Образовательные технологии:
- Исследовательская деятельность
- Проблемное обучение
- Групповая работа
- Экспериментальный метод
Межпредметные связи:
- Математика: Построение графиков энергопотребления, расчет оптимальной скорости, нахождение минимумов функций, обработка экспериментальных данных
- Физика: Измерение тока потребления при различных режимах работы, связь между механической работой и электрической энергией, КПД системы
- Информатика: Оптимизация алгоритмов, программирование различных режимов движения
- Экология: Энергосбережение и экологичность технических систем
Основные понятия: Энергопотребление, потребляемый ток, оптимальная скорость, энергоэффективность, время автономной работы, режимы движения, ускорение, торможение, постоянная скорость, алгоритм движения, энергосбережение, батарея, емкость аккумулятора, КПД, рекуперация энергии
| 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 необходимого оборудования и зарядку аккумуляторов. | Готовят рабочие места, проверяют оборудование, подключают датчики тока | Подготовка к проведению исследовательской работы | Регулятивные: самоорганизация |
| 2. Постановка задачи (7 мин) | Формулирует цель практической работы: “Сегодня мы будем исследовать энергопотребление робота при различных алгоритмах движения и оптимизировать программу для увеличения времени автономной работы на 20-30%”. Объясняет план работы: 1) Измерение базового энергопотребления при стандартном движении 2) Исследование влияния разных параметров на энергопотребление 3) Разработка оптимизированного алгоритма 4) Тестирование и сравнение результатов | Слушают задание, задают уточняющие вопросы, осмысливают проблему и план работы | Понимание целей и этапов исследовательской работы | Познавательные: целеполагание Коммуникативные: формулирование вопросов |
| 3. Актуализация знаний (5 мин) | Задает вопросы: “Какие факторы влияют на энергопотребление робота?”, “Как связаны скорость движения и потребляемый ток?”, “Что происходит с энергопотреблением при резком старте и торможении?”, “Как правильно измерять потребляемый ток?” | Отвечают на вопросы, вспоминают материал предыдущего урока, обсуждают методы измерения и факторы энергопотребления | Актуализация знаний об энергопотреблении роботов и методах его измерения | Познавательные: извлечение имеющихся знаний Коммуникативные: участие в обсуждении |
| 4. Подготовка к эксперименту (10 мин) | Объясняет методику проведения эксперимента: 1) Настройка измерительного оборудования 2) Программирование базового алгоритма движения 3) Методы записи и систематизации результатов Демонстрирует подключение датчика тока и методику проведения измерений. Распределяет учащихся на исследовательские группы. | Подключают датчики тока к роботам, создают базовую программу для движения робота по тестовой трассе, подготавливают таблицы для записи результатов | Умение подготовить оборудование для проведения исследования энергопотребления | Регулятивные: планирование работы Познавательные: моделирование эксперимента |
| 5. Измерение базового энергопотребления (15 мин) | Руководит проведением базовых измерений. Предлагает измерить: 1) Ток потребления в состоянии покоя 2) Ток при равномерном движении с разной скоростью 3) Ток при старте и остановке 4) Время автономной работы при стандартном алгоритме движения Консультирует группы по методике измерений. | Проводят серию базовых измерений: программируют робота для движения с постоянной скоростью, измеряют ток потребления в разных режимах, фиксируют результаты в таблицах, рассчитывают базовое время автономной работы | Умение измерять энергопотребление робота в различных режимах | Регулятивные: контроль процесса измерений Познавательные: сбор данных |
| 6. Физкультминутка (2 мин) | Проводит короткую динамическую паузу, имитирующую разные режимы движения (плавный старт, резкое торможение и т.д.). | Выполняют физические упражнения, имитируя различные режимы движения | - | Регулятивные: переключение внимания |
| 7. Построение и анализ графиков (15 мин) | Организует работу по построению графиков зависимости тока потребления от скорости движения. Предлагает построить графики: 1) Ток потребления в зависимости от скорости 2) Ток потребления в зависимости от ускорения 3) Энергопотребление при разных алгоритмах старта и торможения Задает направляющие вопросы: “Есть ли оптимальная скорость с точки зрения энергоэффективности?”, “Как влияет резкость старта на энергопотребление?” | Обрабатывают полученные данные, строят графики зависимости тока потребления от различных параметров, анализируют графики, выявляют оптимальные параметры движения, определяют закономерности | Умение строить и анализировать графики энергопотребления, выявлять оптимальные параметры | Познавательные: анализ данных, выявление закономерностей Коммуникативные: обсуждение в группах |
| 8. Разработка оптимизированного алгоритма (20 мин) | Руководит работой по созданию оптимизированного алгоритма движения. Предлагает направления оптимизации: 1) Плавный старт и торможение 2) Движение с оптимальной скоростью 3) Минимизация остановок и изменений направления 4) Рекуперация энергии при торможении (если возможно) Консультирует группы в процессе программирования. | Разрабатывают оптимизированный алгоритм движения на основе выявленных закономерностей: программируют плавные разгоны и торможения, настраивают оптимальную скорость движения, оптимизируют маршрут для минимизации энергопотребления, реализуют энергосберегающие режимы | Умение оптимизировать алгоритм движения робота на основе экспериментальных данных | Регулятивные: планирование и реализация Познавательные: применение знаний Коммуникативные: сотрудничество |
| 9. Тестирование и сравнение результатов (15 мин) | Организует тестирование оптимизированных алгоритмов. Предлагает методику сравнения: 1) Измерение энергопотребления при оптимизированном алгоритме 2) Сравнение с базовыми показателями 3) Расчет увеличения времени автономной работы Следит за объективностью проведения сравнительных тестов. | Тестируют оптимизированный алгоритм: загружают программу в робота, проводят измерения энергопотребления, сравнивают с базовыми показателями, рассчитывают процент увеличения времени автономной работы, документируют результаты | Умение проводить сравнительное тестирование алгоритмов и оценивать эффект оптимизации | Регулятивные: контроль и оценка результатов Познавательные: анализ эффективности |
| 10. Представление и обсуждение результатов (10 мин) | Организует представление результатов работы групп. Задает вопросы: “Какие оптимизации дали наибольший эффект?”, “Насколько удалось увеличить время автономной работы?”, “Какие закономерности вы выявили при исследовании?” | Представляют результаты своей работы: демонстрируют графики энергопотребления, объясняют внесенные оптимизации, показывают результаты сравнительных тестов, отвечают на вопросы | Умение анализировать и представлять результаты исследования | Коммуникативные: презентация результатов Познавательные: обобщение информации |
| 11. Рефлексия и подведение итогов (3 мин) | Подводит итоги практической работы, задает вопросы: “Какие алгоритмические решения оказались наиболее энергоэффективными?”, “Какие еще способы оптимизации энергопотребления вы можете предложить?”, “Как полученные знания можно применить в других проектах?” | Отвечают на вопросы, делятся впечатлениями, оценивают свою работу, анализируют полученные результаты | Осознание приобретенных знаний и навыков оптимизации энергопотребления | Регулятивные: оценка результатов Познавательные: рефлексия |
Базовый уровень:
- Составить отчет о проведенном исследовании с графиками и выводами
- Подготовить схему оптимизированного алгоритма движения с пояснениями
Повышенный уровень:
- Разработать и описать дополнительные методы оптимизации энергопотребления для своего робота
- Исследовать влияние механических факторов (трение, аэродинамика, вес) на энергоэффективность робота
Критерии оценивания практической работы:
- Точность и корректность проведения измерений (1-5 баллов)
- Качество построения и анализа графиков энергопотребления (1-5 баллов)
- Эффективность оптимизированного алгоритма движения (1-5 баллов)
- Достигнутый процент увеличения времени автономной работы (1-5 баллов)
- Обоснованность выводов и качество документирования (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:
- Факторы, влияющие на энергопотребление робота при движении
- Методы измерения энергопотребления в различных режимах
- Принципы оптимизации алгоритмов движения для энергосбережения
- Связь между параметрами движения и временем автономной работы
Уметь:
- Проводить измерения энергопотребления робота
- Строить и анализировать графики зависимостей
- Находить оптимальные параметры движения для максимальной энергоэффективности
- Оптимизировать алгоритмы движения для увеличения времени автономной работы
Владеть:
- Навыками проведения исследовательской работы с робототехническими системами
- Методами оптимизации энергопотребления мобильных роботов
- Техникой анализа экспериментальных данных
- Приемами программирования энергоэффективных алгоритмов движения
Дополнительные материалы к уроку:
- Шаблоны таблиц для записи результатов измерений
- Примеры графиков энергопотребления при различных режимах движения
- Образцы оптимизированных алгоритмов движения
- Руководство по подключению датчиков тока и проведению измерений
- Справочные материалы по энергопотреблению различных компонентов робота
- Рекомендации по практическому применению результатов исследования