Групповой учебный проект по робототехнике. Сборка и программирование модели робота
Образовательная организация: ГБОУ Школа № 1362
Учитель: Ахметов Рустам
Дата проведения:
Класс: 6
Модуль: Мобильная робототехника
Тема урока: Групповой учебный проект по робототехнике. Сборка и программирование модели робота
Цель урока: Создать условия для формирования практических навыков конструирования и программирования транспортного робота в соответствии с разработанным техническим заданием.
Предметные:
- Умение реализовывать конструкцию робота с учетом физических законов
- Навык программирования алгоритмов управления роботом
- Понимание принципов оптимизации конструкции для обеспечения устойчивости
- Умение отлаживать программу и настраивать механические элементы
Метапредметные:
- Регулятивные УУД: умение планировать этапы сборки и программирования, осуществлять контроль качества, вносить корректировки
- Познавательные УУД: умение применять физические и математические знания при создании робота, анализировать проблемы и находить решения
- Коммуникативные УУД: умение эффективно взаимодействовать в проектной команде, распределять задачи, согласовывать действия
Личностные:
- Развитие ответственности за реализацию общего проекта
- Формирование упорства в преодолении технических трудностей
- Воспитание культуры совместной работы
- Развитие инженерного мышления и творческого подхода к решению проблем
Образовательные:
- Закрепить знания о принципах конструирования транспортных роботов
- Научить применять физические законы при оптимизации конструкции
- Сформировать навыки реализации математических алгоритмов в программе управления
Развивающие:
- Развивать навыки конструирования сложных механических систем
- Формировать умение разрабатывать и отлаживать алгоритмы управления
- Развивать способность решать технические проблемы в процессе сборки и программирования
Воспитательные:
- Воспитывать культуру командной работы при реализации проекта
- Формировать ответственность за качество выполненной работы
- Развивать настойчивость в достижении результата
Тип урока: Практическая работа
Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение:
- Робототехнические наборы с необходимыми компонентами
- Дополнительные материалы для конструирования (при необходимости)
- Компьютеры с установленной средой программирования
- Технические задания, разработанные на предыдущем уроке
- Инструменты для сборки и настройки механизмов
- Тестовые полигоны для проверки работы робота
- Инструкции по безопасной работе с инструментами и электроникой
- Справочные материалы по программированию и конструированию
- Примеры программных модулей для базовых алгоритмов управления
Образовательные технологии:
- Проектное обучение
- Практико-ориентированное обучение
- Командная работа
- Метод проб и ошибок
Межпредметные связи:
- Физика: Оптимизация конструкции с учетом физических законов, баланс и устойчивость, моменты сил, центр тяжести, трение, инерция
- Математика: Реализация математических алгоритмов в программе управления, расчет траекторий, координатные системы, пропорциональное регулирование
- Информатика: Структурное программирование, отладка программ, модульная организация кода
- Технология: Конструирование механизмов, сборка узлов, прочность соединений
Основные понятия: Конструирование робота, устойчивость конструкции, центр тяжести, оптимизация конструкции, кинематическая схема, программные модули, алгоритмы управления, отладка программы, интеграция систем, распределение нагрузки, прочность конструкции, программная архитектура
| 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 технических заданий и необходимых материалов. Проводит инструктаж по технике безопасности при работе с инструментами и электронными компонентами. | Готовят рабочие места, распределяют материалы, проверяют наличие необходимых компонентов | Подготовка к практической работе | Регулятивные: самоорганизация |
| 2. Постановка задачи (7 мин) | Формулирует цель практической работы: “Сегодня вы будете реализовывать проект транспортного робота в соответствии с разработанным техническим заданием. Необходимо собрать механическую часть и разработать базовые алгоритмы управления”. Обращает внимание на критичные параметры из технического задания. Предлагает составить план реализации с учетом времени урока. | Слушают задание, повторно изучают техническое задание, определяют ключевые этапы работы, составляют план реализации проекта на урок | Понимание целей и задач практической работы | Познавательные: целеполагание Регулятивные: планирование |
| 3. Анализ технического задания и распределение подзадач (10 мин) | Организует работу команд по детализации технического задания и распределению текущих подзадач. Консультирует команды, помогает определить приоритеты в работе. Предлагает учесть физические ограничения при планировании конструкции. | Работают в командах: анализируют техническое задание, выделяют ключевые компоненты для реализации, распределяют подзадачи между участниками команды, определяют последовательность действий | Умение анализировать требования и планировать реализацию | Регулятивные: планирование Коммуникативные: распределение задач |
| 4. Конструирование базовой платформы (20 мин) | Консультирует команды в процессе конструирования. Обращает внимание на критически важные аспекты: устойчивость конструкции, правильное расположение центра тяжести, надежность креплений. Акцентирует внимание на физических принципах устойчивости и баланса. | Конструируют базовую платформу робота: собирают раму, устанавливают колесную или гусеничную базу, монтируют моторы, обеспечивают устойчивость конструкции, учитывают распределение массы и центр тяжести | Умение конструировать устойчивую платформу с учетом физических законов | Познавательные: применение физических знаний на практике Регулятивные: реализация плана |
| 5. Физкультминутка (2 мин) | Проводит короткую динамическую паузу для снятия напряжения. | Выполняют физические упражнения | - | Регулятивные: переключение внимания |
| 6. Монтаж дополнительных механизмов и датчиков (15 мин) | Руководит процессом установки дополнительных механизмов (манипуляторов, конвейеров и т.д.) и датчиков в соответствии с техническим заданием. Консультирует по вопросам оптимального размещения и подключения компонентов. | Устанавливают дополнительные механизмы и датчики: монтируют датчики в оптимальных позициях, устанавливают дополнительные механизмы согласно техническому заданию, выполняют электрические подключения, проверяют работоспособность отдельных компонентов | Умение интегрировать датчики и механизмы в робототехническую систему | Познавательные: применение технических знаний Регулятивные: контроль качества |
| 7. Разработка программной архитектуры (10 мин) | Организует работу над проектированием программной архитектуры. Предлагает организовать код модульно, с выделением функций для отдельных подсистем. Обращает внимание на необходимость математических алгоритмов для управления движением. | Проектируют программную архитектуру: разбивают программу на логические модули, определяют структуру данных, проектируют интерфейсы между подсистемами, выбирают математические алгоритмы для реализации | Умение проектировать модульную программную архитектуру | Познавательные: системный анализ Регулятивные: планирование |
| 8. Программирование базовых алгоритмов (25 мин) | Консультирует команды в процессе программирования. Обращает внимание на реализацию математических алгоритмов (пропорциональное регулирование, расчет траекторий, фильтрация данных с датчиков). Советует использовать модульный подход и комментировать код. | Программируют базовые алгоритмы: создают функции управления движением, реализуют обработку данных с датчиков, внедряют математические алгоритмы для управления, организуют код в модули, комментируют программу | Умение программировать алгоритмы управления с применением математических методов | Познавательные: реализация математических алгоритмов в программном коде Регулятивные: самоконтроль |
| 9. Интеграция и первичное тестирование (15 мин) | Организует процесс интеграции механической части и программного обеспечения. Руководит первичным тестированием отдельных функций робота. Предлагает методику поэтапного тестирования: сначала проверка движения, затем работа датчиков и дополнительных механизмов. | Интегрируют системы и проводят тестирование: загружают программы в контроллеры роботов, проверяют базовое функционирование механизмов и датчиков, проводят пошаговое тестирование всех подсистем, выявляют и фиксируют проблемы | Умение интегрировать механическую и программную части, проводить тестирование | Регулятивные: контроль и коррекция Познавательные: анализ результатов |
| 10. Отладка и оптимизация (15 мин) | Руководит процессом отладки и оптимизации конструкции и программы. Консультирует по выявленным проблемам, предлагает пути их решения. Акцентирует внимание на физических аспектах оптимизации (устранение трения, балансировка, энергоэффективность). | Отлаживают и оптимизируют систему: устраняют выявленные проблемы в конструкции, корректируют программный код, оптимизируют параметры алгоритмов, улучшают физические характеристики робота, проводят повторное тестирование | Умение выявлять и устранять проблемы в робототехнической системе | Регулятивные: коррекция Познавательные: анализ и решение проблем |
| 11. Демонстрация результатов (10 мин) | Организует демонстрацию работы роботов. Предлагает каждой команде показать реализованные функции и рассказать об особенностях конструкции и программы. Задает вопросы о применении физических и математических принципов. | Демонстрируют работу своих роботов: показывают функционирование основных механизмов, объясняют принципы работы алгоритмов, комментируют физические аспекты конструкции, отвечают на вопросы | Умение представлять результаты проектной работы | Коммуникативные: презентация результатов Познавательные: обобщение опыта |
| 12. Рефлексия и подведение итогов (3 мин) | Подводит итоги практической работы, отмечает успехи и типичные проблемы. Задает вопросы: “Какие физические принципы вы учли при конструировании?”, “Какие математические алгоритмы реализовали в программе?”, “С какими трудностями столкнулись и как их преодолели?” | Отвечают на вопросы, оценивают свою работу, анализируют возникшие проблемы и способы их решения, обсуждают применение физических и математических знаний | Осознание связи между теоретическими знаниями и практической реализацией | Регулятивные: оценка результатов Познавательные: рефлексия |
Базовый уровень:
- Проанализировать выявленные проблемы и подготовить предложения по их устранению
- Составить подробную документацию по собранному роботу (конструкция и программа)
Повышенный уровень:
- Разработать предложения по улучшению конструкции с применением дополнительных физических принципов
- Спроектировать усовершенствованные алгоритмы управления с использованием более сложных математических моделей
Критерии оценивания практической работы:
- Соответствие реализации техническому заданию (1-5 баллов)
- Качество и надежность конструкции (1-5 баллов)
- Эффективность программных алгоритмов (1-5 баллов)
- Функциональность и работоспособность робота (1-5 баллов)
- Применение физических и математических принципов в проекте (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 конструирования устойчивых и сбалансированных робототехнических систем
- Методы интеграции механической и электронной частей робота
- Принципы организации модульной программной архитектуры
- Физические факторы, влияющие на работу транспортного робота
Уметь:
- Конструировать транспортного робота с учетом физических законов
- Программировать алгоритмы управления с применением математических методов
- Проводить тестирование и отладку робототехнических систем
- Оптимизировать конструкцию и программу на основе результатов тестирования
Владеть:
- Навыками реализации технического задания
- Методами интеграции и отладки комплексных систем
- Техникой построения программной архитектуры
- Приемами оптимизации конструкции с учетом физических законов
Дополнительные материалы к уроку:
- Справочник по механическим соединениям в робототехнике
- Библиотека программных модулей для базовых функций
- Рекомендации по отладке и тестированию робототехнических систем
- Чек-лист проверки качества сборки и функционирования робота
- Памятка по применению физических принципов в робототехнике
- Примеры типовых проблем и способов их решения