23. Робототехнические системы в исследовании окружающей среды
Модуль: Прикладная робототехника
Тема урока: 23. Робототехнические системы в исследовании окружающей среды
Цель урока: Сформировать у учащихся представление о применении робототехнических систем для исследования и мониторинга окружающей среды, познакомить с основными типами сенсоров и методами сбора данных.
Планируемые результаты:
Предметные:
- Знать основные типы датчиков для измерения параметров окружающей среды
- Понимать принципы работы автономных измерительных станций
- Уметь подбирать сенсоры для решения задач экологического мониторинга
- Владеть навыками концептуального проектирования робототехнических систем экологического назначения
Метапредметные:
- Регулятивные УУД: умение разрабатывать и планировать работу системы для решения комплексной задачи
- Познавательные УУД: установление межпредметных связей (физика, химия, экология, информатика), анализ и интерпретация данных
- Коммуникативные УУД: работа в группе при проектировании системы, представление результатов проектирования
Личностные:
- Формирование экологического мышления
- Развитие ответственного отношения к окружающей среде
- Воспитание интереса к исследовательской деятельности
- Понимание роли технологий в решении экологических проблем
Задачи урока:
- Познакомить учащихся с применением робототехнических систем для исследования окружающей среды
- Рассмотреть типы датчиков, используемых для экологического мониторинга
- Изучить методы сбора, передачи и анализа экологических данных
- Сформировать представление об автономных измерительных станциях
- Организовать разработку концептуальной модели робототехнической системы экологического мониторинга
Тип урока: Комбинированный (изучение нового материала + практическая работа)
Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение:
- Компьютерный класс с проектором и интерактивной доской
- Презентация по теме “Робототехнические системы в исследовании окружающей среды”
- Видеоматериалы с примерами роботов-исследователей
- Образцы датчиков для экологического мониторинга (при наличии)
- Робототехнические наборы с датчиками температуры, влажности, освещенности
- Раздаточный материал с информацией о различных типах сенсоров
- Шаблоны для разработки концептуальной модели
- Карточки с заданиями для групповой работы
- Бумага, цветные карандаши и маркеры для создания схем
Образовательные технологии: Проблемное обучение, метод проектов, работа в малых группах, информационно-коммуникационные технологии
Межпредметные связи:
- Физика: измерение физических параметров окружающей среды (температура, влажность, освещенность, давление)
- Химия: принципы работы химических сенсоров, анализ состава воздуха и жидкостей
- Экология: экологический мониторинг, сбор и анализ данных о состоянии среды
- Информатика: обработка и визуализация данных, программирование систем мониторинга
- География: пространственное распределение данных, картографирование
| 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, занимают рабочие места. | Регулятивные: самоорганизация | |
| 2. Мотивация и актуализация знаний (5 мин) | Демонстрирует видеофрагменты о современных экологических проблемах и роботах, помогающих их решать (например, робот для очистки океана от пластика, дрон для мониторинга лесных пожаров). Задает вопросы: - С какими экологическими проблемами сталкивается наша планета? - Как можно использовать технологии для их решения? - Какие параметры окружающей среды важно контролировать? - Какие датчики мы уже изучали на предыдущих уроках? |
Просматривают видеофрагменты. Отвечают на вопросы, высказывают предположения о возможностях использования роботов для экологического мониторинга. Вспоминают изученные ранее датчики и их характеристики. |
Актуализация знаний об экологических проблемах и возможностях их решения с помощью технологий. Понимание важности экологического мониторинга. |
Познавательные: установление связей между экологическими проблемами и технологическими решениями. Коммуникативные: участие в диалоге. Личностные: осознание экологических проблем и личной ответственности. |
| 3. Целеполагание (3 мин) | Организует формулировку темы и целей урока. Обращает внимание на практический результат урока – разработку концептуальной модели робототехнической системы экологического мониторинга. Подчеркивает междисциплинарный характер темы (связь с физикой, химией, экологией). |
Участвуют в формулировке целей урока. Осмысливают межпредметные связи темы. |
Регулятивные: целеполагание, планирование. Познавательные: понимание межпредметных связей. |
|
| 4. Изучение нового материала: Введение в робототехнические системы экологического мониторинга (8 мин) | Объясняет с использованием презентации основные понятия и виды робототехнических систем для исследования окружающей среды: 1. Определение и назначение систем экологического мониторинга 2. Виды робототехнических систем для исследования среды: - Стационарные автономные станции - Мобильные наземные роботы - Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) - Подводные исследовательские роботы 3. Задачи, решаемые с помощью таких систем: - Непрерывный мониторинг параметров - Раннее обнаружение опасных явлений - Картографирование загрязнений - Сбор проб и образцов 4. Примеры успешного применения (экологические проекты) |
Воспринимают информацию. Делают записи в тетрадях. Задают уточняющие вопросы. |
Знание основных видов робототехнических систем для экологического мониторинга. Понимание задач, решаемых с помощью таких систем. |
Познавательные: восприятие новой информации, систематизация знаний. Коммуникативные: формулирование вопросов для уточнения информации. |
| 5. Изучение нового материала: Датчики для экологического мониторинга (12 мин) | Рассказывает о различных типах сенсоров для измерения параметров окружающей среды, связывая их с соответствующими научными дисциплинами: 1. Физические датчики: - Температуры (термисторы, термопары) - Влажности (емкостные, резистивные) - Атмосферного давления (барометры) - Освещенности (фоторезисторы, фотодиоды) - Радиации (счетчики Гейгера) 2. Химические сенсоры: - Газовые датчики (CO2, CO, NOx, CH4) - pH-метры - Датчики солености - Датчики тяжелых металлов 3. Экологические комплексные системы: - Анализаторы качества воды - Анализаторы загрязнения воздуха - Датчики для мониторинга почвы Для каждого типа датчиков объясняет: - Принцип работы - Измеряемые параметры - Практическое применение - Связь с соответствующей научной дисциплиной Демонстрирует доступные образцы датчиков или их изображения. |
Слушают объяснения. Делают записи о типах датчиков и их характеристиках. Рассматривают образцы датчиков (если имеются). Устанавливают связи с предметами естественнонаучного цикла. |
Знание основных типов датчиков для экологического мониторинга. Понимание принципов их работы и областей применения. Умение соотносить измеряемые параметры с нужным типом датчика. |
Познавательные: классификация, анализ, установление межпредметных связей (физика, химия, экология). Личностные: формирование научного мировоззрения. |
| 6. Изучение нового материала: Методы сбора и анализа данных (7 мин) | Объясняет основные методы сбора, передачи и анализа данных с экологических сенсоров: 1. Системы сбора данных: - Автономные регистраторы - Беспроводные сенсорные сети - Облачные системы хранения 2. Технологии передачи данных: - Проводные системы - Wi-Fi, Bluetooth - GSM/GPRS - LoRaWAN и другие протоколы IoT 3. Методы анализа и визуализации: - Графики и диаграммы - Карты загрязнений - Прогнозирование тенденций - Системы раннего оповещения 4. Автономность и энергообеспечение: - Солнечные батареи - Аккумуляторы - Энергосберегающие режимы работы |
Воспринимают информацию. Записывают ключевые понятия. Задают вопросы. Устанавливают связи с информатикой. |
Знание методов сбора, передачи и анализа данных экологического мониторинга. Понимание принципов работы автономных измерительных станций. |
Познавательные: анализ информации, установление причинно-следственных связей. Коммуникативные: формулирование вопросов. |
| 7. Физкультминутка (2 мин) | Проводит короткую физкультминутку с движениями, имитирующими работу различных сенсоров и роботов. | Выполняют физические упражнения. | Регулятивные: саморегуляция. | |
| 8. Объяснение концептуального проектирования (5 мин) | Объясняет основы концептуального проектирования робототехнических систем экологического мониторинга: 1. Составные части проекта: - Постановка задачи и целей мониторинга - Выбор параметров для измерения - Подбор необходимых сенсоров - Определение способов передвижения или размещения - Выбор методов передачи и анализа данных 2. Требования к системе: - Точность измерений - Автономность - Надежность - Защита от внешних воздействий 3. Представляет шаблон для выполнения практической работы. |
Воспринимают информацию. Знакомятся с шаблоном для выполнения практической работы. Задают уточняющие вопросы по выполнению проекта. |
Знание основ концептуального проектирования робототехнических систем. Понимание требований к системам экологического мониторинга. |
Познавательные: усвоение алгоритма проектирования. Регулятивные: принятие учебной задачи. |
| 9. Инструктаж по практической работе (5 мин) | Объясняет задание для практической работы: “Разработка концептуальной модели робототехнической системы экологического мониторинга”. Представляет варианты экологических проблем для мониторинга (карточки с заданиями): 1. Мониторинг качества воздуха в городе 2. Исследование водных объектов 3. Мониторинг лесных экосистем 4. Исследование почвы в сельском хозяйстве 5. Мониторинг климатических изменений Объясняет структуру концептуальной модели: - Описание экологической проблемы - Измеряемые параметры - Типы используемых сенсоров - Тип робототехнической системы (стационарная/мобильная) - Способы сбора и передачи данных - Схема расположения компонентов - Особенности функционирования Организует деление класса на группы по 3-4 человека. |
Воспринимают задание. Формируют рабочие группы. Выбирают экологическую проблему для проектирования системы мониторинга. Распределяют роли в группе. Задают уточняющие вопросы. |
Регулятивные: планирование деятельности. Коммуникативные: распределение обязанностей в группе. |
|
| 10. Практическая работа: Разработка концептуальной модели (20 мин) | Консультирует группы в процессе разработки концептуальных моделей: - Помогает определить ключевые параметры для мониторинга - Подсказывает оптимальные типы сенсоров - Направляет при выборе способа размещения и передвижения - Консультирует по вопросам автономности и энергообеспечения - Помогает структурировать описание концептуальной модели Обращает внимание на установление межпредметных связей при выборе параметров и сенсоров. |
Работают в группах над созданием концептуальной модели: - Анализируют выбранную экологическую проблему - Определяют параметры, которые необходимо измерять - Подбирают соответствующие типы сенсоров - Выбирают тип робототехнической системы - Продумывают систему сбора и передачи данных - Разрабатывают схему расположения компонентов - Оформляют концептуальную модель - Готовят краткое представление проекта |
Умение анализировать экологическую проблему и определять параметры для мониторинга. Навыки подбора соответствующих сенсоров для измерения выбранных параметров. Умение разрабатывать структуру робототехнической системы. |
Познавательные: анализ, синтез, применение знаний для решения практической задачи. Коммуникативные: работа в группе, обсуждение идей, достижение консенсуса. Регулятивные: самоорганизация, распределение времени, контроль выполнения задания. |
| 11. Представление результатов (12 мин) | Организует представление результатов работы групп: - Предоставляет каждой группе 2-3 минуты для представления - Задает уточняющие вопросы по выбору параметров и сенсоров - Обращает внимание на межпредметные связи - Стимулирует обсуждение представленных проектов - Предлагает учащимся задавать вопросы другим группам |
Представители групп демонстрируют разработанные концептуальные модели: - Описывают выбранную экологическую проблему - Объясняют, какие параметры важно контролировать - Представляют выбранные типы сенсоров - Объясняют принцип работы системы - Демонстрируют схему расположения компонентов - Отвечают на вопросы Остальные учащиеся задают вопросы и участвуют в обсуждении. |
Умение обосновать выбор параметров и сенсоров для решения конкретной экологической задачи. Понимание взаимосвязи между экологической проблемой, измеряемыми параметрами и техническими решениями. |
Коммуникативные: представление результатов работы, участие в дискуссии. Познавательные: анализ и оценка различных подходов к решению задачи. Личностные: уверенность при публичном выступлении. |
| 12. Обобщение и систематизация (5 мин) | Организует обобщение результатов всех групп: - Выделяет общие подходы к проектированию систем мониторинга - Подчеркивает разнообразие возможных решений - Акцентирует внимание на межпредметных связях - Обсуждает реальные перспективы применения подобных систем Формулирует вместе с учащимися общие принципы создания робототехнических систем экологического мониторинга. |
Участвуют в обобщающей беседе. Формулируют выводы о принципах проектирования робототехнических систем экологического мониторинга. Устанавливают связи между различными дисциплинами (физика, химия, экология) в контексте проектирования. |
Систематизация знаний о робототехнических системах экологического мониторинга. Понимание комплексного характера проектирования таких систем. |
Познавательные: обобщение, систематизация, установление межпредметных связей. Коммуникативные: участие в коллективном формулировании выводов. |
| 13. Рефлексия и подведение итогов (5 мин) | Организует рефлексию с использованием метода “Экологический след”: - Что нового вы узнали о применении роботов в экологии? - Какой “след” может оставить ваш проект в решении экологических проблем? - Как полученные знания могут быть применены в повседневной жизни? Подводит итоги урока. Оценивает работу групп. |
Участвуют в рефлексии. Оценивают полученные знания и их практическую значимость. Определяют возможности применения полученных знаний. |
Регулятивные: оценка результатов деятельности. Личностные: осознание ценности полученных знаний, экологическое мышление. Коммуникативные: выражение своих мыслей. |
|
| 14. Домашнее задание (4 мин) | Объясняет домашнее задание: 1. Обязательная часть: найти и описать реальный пример применения робототехнической системы для экологического мониторинга 2. Творческое задание (по желанию): предложить усовершенствование для разработанной на уроке концептуальной модели Рекомендует источники информации для подготовки. |
Записывают домашнее задание. Задают уточняющие вопросы. |
Регулятивные: планирование самостоятельной работы. |
Описание проблемы: В крупных городах качество воздуха часто не соответствует нормам из-за выбросов транспорта, промышленности и других факторов. Необходимо создать систему мониторинга, которая поможет выявить очаги загрязнения и отслеживать изменения. Задача: Разработать концептуальную модель робототехнической системы для мониторинга качества воздуха в городской среде. Что нужно учесть:
- Какие параметры воздуха необходимо контролировать?
- Какие типы датчиков потребуются?
- Как будет перемещаться или располагаться система?
- Как будут собираться и передаваться данные?
- Как обеспечить автономность работы?
Описание проблемы: Состояние рек, озер и других водоемов влияет на экосистемы и здоровье людей. Загрязнения, изменения температуры и другие факторы могут негативно сказываться на водной среде. Задача: Разработать концептуальную модель робототехнической системы для мониторинга состояния водных объектов. Что нужно учесть:
- Какие параметры воды необходимо контролировать?
- Какие типы датчиков потребуются?
- Как система будет перемещаться по воде или вблизи неё?
- Как будут собираться и передаваться данные?
- Как обеспечить защиту электроники от воды?
Описание проблемы: Леса играют важную роль в поддержании экологического баланса, но они подвергаются угрозам вырубки, пожаров, заболеваний деревьев и изменения климата. Задача: Разработать концептуальную модель робототехнической системы для мониторинга состояния лесных экосистем. Что нужно учесть:
- Какие параметры лесной экосистемы важно контролировать?
- Какие типы датчиков потребуются?
- Как система будет перемещаться в лесной местности?
- Как будут собираться и передаваться данные в условиях отсутствия интернета?
- Как обеспечить работу системы длительное время?
Описание проблемы: Качество почвы напрямую влияет на урожайность и качество сельскохозяйственных культур. Необходимо контролировать состав почвы, влажность и другие параметры для оптимизации сельскохозяйственных процессов. Задача: Разработать концептуальную модель робототехнической системы для мониторинга состояния почвы на сельскохозяйственных угодьях. Что нужно учесть:
- Какие параметры почвы необходимо контролировать?
- Какие типы датчиков потребуются?
- Как будет перемещаться или располагаться система?
- Как будут использоваться полученные данные?
- Как система может помочь в оптимизации полива и внесения удобрений?
Описание проблемы: Глобальные климатические изменения влияют на все экосистемы планеты. Для понимания этих процессов необходим долговременный мониторинг различных параметров в разных регионах. Задача: Разработать концептуальную модель робототехнической системы для мониторинга климатических параметров. Что нужно учесть:
- Какие климатические параметры необходимо отслеживать?
- Какие типы датчиков потребуются?
- Как обеспечить работу системы в различных погодных условиях?
- Как организовать сбор данных на протяжении длительного времени?
- Как обеспечить точность и достоверность измерений?
КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
Название проекта: _________________________________
Группа: __________________________________________
1. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА
- Описание проблемы: _________________________
- Цель мониторинга: __________________________
- Область применения: ________________________
2. ИЗМЕРЯЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ
| Параметр | Единицы измерения | Диапазон измерений | Периодичность |
|----------|-------------------|-------------------|---------------|
| | | | |
| | | | |
| | | | |
3. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СЕНСОРЫ
| Параметр | Тип сенсора | Характеристики | Обоснование выбора |
|----------|-------------|----------------|-------------------|
| | | | |
| | | | |
| | | | |
4. ТИП РОБОТОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
□ Стационарная измерительная станция
□ Наземный мобильный робот
□ Беспилотный летательный аппарат (дрон)
□ Водный/подводный робот
□ Другое: _____________________
5. СПОСОБ СБОРА И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
- Метод сбора данных: _________________________
- Способ передачи: ___________________________
- Периодичность передачи: ____________________
- Формат данных: _____________________________
6. АВТОНОМНОСТЬ И ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ
- Источник энергии: __________________________
- Расчетное время автономной работы: __________
- Способы энергосбережения: __________________
7. СХЕМА СИСТЕМЫ
[Место для рисунка/схемы с указанием расположения
компонентов системы и их взаимосвязей]
8. ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
- Режимы работы: ____________________________
- Способы адаптации к условиям среды: _________
- Защита от внешних воздействий: _____________
9. ОБРАБОТКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ
- Методы анализа данных: ____________________
- Формы представления результатов: ___________
- Практическое применение полученной информации: __________
-
Датчики температуры:
- Термисторы (изменение сопротивления с температурой)
- Термопары (генерация напряжения при разнице температур)
- Цифровые датчики температуры (DS18B20, DHT22)
- Инфракрасные термометры (бесконтактное измерение)
-
Датчики влажности:
- Емкостные (изменение емкости при изменении влажности)
- Резистивные (изменение сопротивления)
- Комбинированные датчики температуры и влажности (DHT11, DHT22)
- Датчики влажности почвы
-
Датчики атмосферного давления:
- Пьезорезистивные датчики (BMP280, BME280)
- Барометры на MEMS-технологии
-
Датчики освещенности:
- Фоторезисторы (LDR)
- Фотодиоды
- Датчики ультрафиолетового излучения (VEML6070)
- Люксметры (BH1750)
-
Датчики ионизирующего излучения:
- Счетчики Гейгера-Мюллера
- Дозиметры
-
Газовые сенсоры:
- Электрохимические датчики
- Полупроводниковые датчики (MQ-серия)
- Датчики CO₂ (MH-Z19, CCS811)
- Датчики угарного газа CO (MQ-7)
- Датчики NO₂, SO₂, O₃ и других загрязнителей
-
Датчики качества воды:
- pH-метры (измерение кислотности)
- ORP-сенсоры (окислительно-восстановительный потенциал)
- Датчики электропроводности
- Датчики мутности
- Датчики растворенного кислорода
-
Датчики для анализа почвы:
- Датчики влажности почвы
- pH-метры для почвы
- Датчики засоленности почвы
- Датчики содержания питательных веществ (NPK)
-
Датчики частиц и пыли:
- Оптические датчики пыли (GP2Y1010AU0F)
- Лазерные счетчики частиц (PMS5003, SDS011)
- Датчики PM2.5, PM10
-
Метеостанции:
- Анемометры (измерение скорости ветра)
- Флюгеры (направление ветра)
- Осадкомеры
-
Специальные биологические датчики:
- Датчики содержания хлорофилла
- Датчики биолюминесценции
- Системы обнаружения микроорганизмов
-
Проводные системы:
- Ethernet
- USB
- RS-485, RS-232
-
Беспроводные системы ближнего радиуса действия:
- Wi-Fi (IEEE 802.11)
- Bluetooth, BLE
- ZigBee (IEEE 802.15.4)
- RF (радиочастотная передача)
-
Беспроводные системы большого радиуса:
- GSM/GPRS/3G/4G/LTE
- LoRaWAN
- Sigfox
- NB-IoT (Narrow Band IoT)
-
Спутниковые системы связи:
- Iridium
- Globalstar
- ARGOS
Обоснованность выбора параметров (0-5 баллов):
- Соответствие выбранных параметров экологической проблеме (0-2)
- Полнота охвата необходимых для мониторинга параметров (0-2)
- Реалистичность измерения выбранных параметров (0-1)
Техническая реализация (0-5 баллов):
- Правильность подбора сенсоров для измеряемых параметров (0-2)
- Обоснованность выбора типа робототехнической системы (0-1)
- Адекватность выбранной системы сбора и передачи данных (0-1)
- Проработанность вопросов энергообеспечения и автономности (0-1)
Структура и оформление (0-3 балла):
- Логичность и целостность концептуальной модели (0-1)
- Качество схемы расположения компонентов (0-1)
- Детальность проработки (0-1)
Представление проекта (0-2 балла):
- Четкость объяснения концепции (0-1)
- Ответы на вопросы (0-1)
Максимальный балл: 15 Шкала перевода в оценку:
- 13-15 баллов - “5”
- 10-12 баллов - “4”
- 7-9 баллов - “3”
- менее 7 баллов - “2”
Фамилия, имя: _________________________
Что нового я узнал(а) о применении роботов в экологии:
_________________________________________________
_________________________________________________
Какой "след" может оставить наш проект в решении экологических проблем:
_________________________________________________
_________________________________________________
Как я могу применить полученные знания в повседневной жизни:
_________________________________________________
_________________________________________________
Что было самым интересным на уроке? _____________________
_________________________________________________
Что было самым сложным? _____________________________
_________________________________________________