Программирование моделей роботов в компьютерно-управляемой среде
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА УРОКА
Образовательная организация: ГБОУ Школа № 1362
Учитель: Ахметов Рустам
Дата проведения:
Класс: 6
ЦЕЛЕВОЙ БЛОК
Модуль: Программирование и моделирование роботов
Тема урока: Программирование моделей роботов в компьютерно-управляемой среде
Цель урока: Создать условия для формирования представлений о виртуальном моделировании роботов, принципах работы симуляторов и их использовании для тестирования и отладки программ через сравнительный анализ реальной и виртуальной отладки.
Планируемые результаты:
Предметные:
- Знание основных сред виртуального моделирования роботов
- Понимание принципов моделирования физических взаимодействий в виртуальной среде
- Умение сравнивать преимущества и ограничения реальной и виртуальной отладки роботов
- Представление о практическом применении симуляторов в робототехнике
Метапредметные:
- Регулятивные УУД: умение анализировать достоинства и недостатки различных подходов к разработке
- Познавательные УУД: умение устанавливать связи между виртуальным и реальным поведением роботов
- Коммуникативные УУД: умение представлять и обосновывать результаты сравнительного анализа
Личностные:
- Развитие логического и аналитического мышления
- Формирование современного технического мировоззрения
- Понимание значимости компьютерного моделирования в современной инженерии
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ БЛОК
Задачи урока:
Образовательные:
- Познакомить учащихся с популярными средами виртуального моделирования роботов
- Сформировать представление о принципах работы физических симуляторов
- Научить выявлять преимущества и ограничения разных подходов к отладке программ роботов
Развивающие:
- Развивать аналитическое мышление при сравнении разных подходов
- Формировать системное понимание процесса разработки робототехнических систем
- Развивать навыки классификации и систематизации информации
Воспитательные:
- Воспитывать культуру исследовательской деятельности
- Формировать понимание важности предварительного моделирования в инженерном деле
- Развивать интерес к современным технологиям разработки
Тип урока: Комбинированный (теория + практика)
Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение:
- Компьютеры с доступом в интернет
- Программное обеспечение для виртуального моделирования роботов (например, Gazebo, V-REP/CoppeliaSim, Webots или RobotBenchmark)
- Мультимедийный проектор и экран
- Презентация по теме “Виртуальное моделирование роботов”
- Раздаточный материал для сравнительного анализа
- Примеры виртуальных моделей роботов
- Робототехнические наборы для демонстрации (опционально)
ОРГАНИЗАЦИОННО-ДЕЯТЕЛЬНОСТНЫЙ БЛОК
Образовательные технологии:
- Информационно-коммуникационные технологии
- Проблемное обучение
- Технология развития критического мышления
- Групповая работа
Межпредметные связи:
- Физика: Моделирование физических взаимодействий в виртуальной среде, законы механики, трение, гравитация
- Математика: Системы координат, векторы движения, математические модели поведения, интерполяция и аппроксимация
- Информатика: Алгоритмизация, программирование, трехмерная графика, визуализация данных
- Технология: Конструирование и проектирование роботов, техническая эстетика
Основные понятия: Виртуальная среда, симулятор, физический движок, система координат, степень свободы, датчик, исполнительный механизм, физическая модель, коллизия, интерфейс программирования, карта глубин, URDF-формат, твердое тело, детерминированность, параметризация
| Этап урока | Деятельность учителя | Деятельность ученика | Планируемые результаты предметные | Планируемые результаты УУД |
|---|---|---|---|---|
| 1. Организационный момент (2 мин) | Приветствует учащихся, проверяет готовность к уроку. | Готовятся к уроку, настраиваются на работу | - | Регулятивные: самоорганизация |
| 2. Мотивация и целеполагание (5 мин) | Демонстрирует видеоролик о разработке роботов с использованием виртуального моделирования. Задает вопросы: “Почему важно сначала тестировать роботов в виртуальной среде?”, “Какие риски могут возникнуть при тестировании только на реальных роботах?” | Просматривают видео, участвуют в обсуждении, формулируют возможные преимущества виртуального тестирования (безопасность, экономия ресурсов, возможность быстрой проверки разных идей) | Понимание значимости виртуального моделирования в робототехнике | Познавательные: актуализация знаний, мотивация к изучению темы |
| 3. Актуализация знаний (5 мин) | Задает вопросы: “Что вы знаете о компьютерном моделировании?”, “Как можно представить поведение физических объектов в виртуальной среде?”, “С какими симуляторами вы уже сталкивались?” | Отвечают на вопросы, делятся имеющимся опытом работы с симуляторами, вспоминают знания из физики и математики, необходимые для понимания темы | Актуализация знаний о моделировании и симуляции | Познавательные: извлечение имеющихся знаний Коммуникативные: выражение своих мыслей |
| 4. Изучение нового материала (15 мин) | Проводит презентацию по теме “Виртуальное моделирование роботов”: 1) Обзор популярных сред виртуального моделирования (Gazebo, CoppeliaSim, Webots) 2) Принципы работы физических движков (моделирование твердых тел, коллизий, трения) 3) Особенности задания параметров виртуальной среды 4) Типы виртуальных датчиков и исполнительных механизмов 5) Программирование виртуальных моделей | Слушают материал, делают записи, задают уточняющие вопросы | Формирование представлений о средах виртуального моделирования и принципах их работы | Познавательные: восприятие и осмысление новой информации |
| 5. Физкультминутка (2 мин) | Проводит короткую динамическую паузу: “Представим, что мы - роботы в виртуальной среде, и у нас есть определенные степени свободы” | Выполняют физические упражнения, имитируя движения роботов с ограниченными степенями свободы | - | Регулятивные: переключение внимания |
| 6. Демонстрация виртуальной среды (8 мин) | Демонстрирует работу с одной из сред виртуального моделирования: создание простой виртуальной модели робота, настройка параметров среды, запуск простой программы. Обращает внимание на физические взаимодействия в виртуальной среде. | Наблюдают за демонстрацией, задают вопросы, отмечают особенности моделирования физических взаимодействий | Понимание принципов работы со средой виртуального моделирования | Познавательные: наблюдение, анализ |
| 7. Практическая работа (15 мин) | Организует групповую работу. Делит класс на группы по 3-4 человека. Задание: “Провести сравнительный анализ реальной и виртуальной отладки роботов”. Раздает таблицу-шаблон для заполнения с категориями: стоимость, безопасность, скорость разработки, точность моделирования, повторяемость результатов, учет непредвиденных факторов и т.д. Консультирует группы в процессе работы. | Работают в группах, заполняют сравнительную таблицу, анализируя преимущества и ограничения реальной и виртуальной отладки по различным критериям. Приводят примеры ситуаций, когда предпочтительнее виртуальная или реальная отладка. | Умение анализировать преимущества и недостатки разных подходов к отладке роботов | Регулятивные: планирование работы Познавательные: сравнительный анализ Коммуникативные: взаимодействие в группе |
| 8. Представление результатов (8 мин) | Организует представление результатов работы групп. Модерирует обсуждение, задает уточняющие вопросы: “В каких случаях виртуальная отладка может давать неточные результаты?”, “Когда лучше использовать комбинированный подход?” | Представители групп озвучивают результаты анализа, аргументируют свои выводы, приводят примеры из практики | Понимание ограничений и преимуществ разных подходов к отладке роботов | Коммуникативные: представление результатов, аргументация Познавательные: обобщение информации |
| 9. Рефлексия и подведение итогов (5 мин) | Подводит итоги урока, систематизирует основные выводы. Задает вопросы: “Какие преимущества виртуального моделирования вы считаете наиболее важными?”, “Какие ограничения необходимо учитывать при использовании виртуальных сред?”, “Как вы думаете, может ли виртуальное моделирование полностью заменить реальное тестирование?” | Отвечают на вопросы, делятся мнением о важности темы, оценивают свое понимание материала | Систематизация знаний о виртуальном моделировании | Регулятивные: оценка результатов Познавательные: рефлексия |
ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
Базовый уровень:
- Подготовить краткий обзор одной из сред виртуального моделирования роботов (на выбор)
- Дополнить сравнительную таблицу реальной и виртуальной отладки 2-3 собственными критериями сравнения
Повышенный уровень:
- Исследовать возможности бесплатных онлайн-симуляторов роботов и подготовить краткую презентацию об одном из них
- Подготовить сообщение о применении виртуального моделирования в реальных робототехнических проектах (например, в космической или военной робототехнике)
ОЦЕНИВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Критерии оценивания практической работы (сравнительной таблицы):
- Полнота анализа преимуществ и ограничений (1-5 баллов)
- Корректность приведенных примеров (1-5 баллов)
- Обоснованность выводов (1-5 баллов)
- Учет различных аспектов (технических, экономических, практических) (1-5 баллов)
- Качество оформления и представления результатов (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:
- Основные среды виртуального моделирования роботов
- Принципы моделирования физических взаимодействий в виртуальной среде
- Преимущества и ограничения виртуальной отладки по сравнению с реальной
Уметь:
- Анализировать достоинства и недостатки разных подходов к отладке роботов
- Выбирать оптимальный подход к тестированию робототехнических решений
- Определять ситуации, когда виртуальная отладка имеет преимущества
Владеть:
- Пониманием роли виртуального моделирования в современной робототехнике
- Навыками сравнительного анализа технических решений
- Терминологией в области компьютерного моделирования роботов
Дополнительные материалы к уроку:
- Обзор популярных сред виртуального моделирования роботов
- Примеры задач, решаемых с помощью виртуального моделирования
- Таблица-шаблон для сравнительного анализа
- Ссылки на бесплатные онлайн-симуляторы для самостоятельного изучения
- Примеры проектов, разработанных с использованием виртуального моделирования
- Глоссарий терминов по теме “Виртуальное моделирование роботов”