Конструирование моделей роботов. Управление роботами
Модуль: Основы робототехнического конструирования и управления
Тема урока: Конструирование моделей роботов. Управление роботами
Цель урока: Сформировать у обучающихся навыки конструирования функциональных моделей роботов и программирования базовых алгоритмов управления ими с учетом поставленных задач.
Планируемые результаты:
Предметные:
- Знать основные принципы конструирования устойчивых робототехнических моделей
- Уметь создавать модели роботов с заданными функциональными характеристиками
- Владеть базовыми навыками программирования алгоритмов управления роботами
- Понимать связь между конструкцией робота и способами его программного управления
Метапредметные:
- Регулятивные УУД: умение планировать этапы создания робота, осуществлять контроль и корректировку конструкции
- Познавательные УУД: умение анализировать задачу и выбирать оптимальную конструкцию, моделировать технические решения
- Коммуникативные УУД: умение работать в команде, распределять обязанности, согласовывать действия
Личностные:
- Формирование ответственного отношения к учебно-практической деятельности
- Развитие инженерного и алгоритмического мышления
- Воспитание настойчивости в достижении цели, умения преодолевать трудности
Задачи урока:
- Обобщить знания о базовых принципах конструирования роботов
- Научить создавать устойчивые и функциональные модели роботов
- Развить навыки программирования роботов в соответствии с конструктивными особенностями
- Сформировать умение тестировать и оптимизировать созданные модели
- Развить навыки командной работы при конструировании и программировании
Тип урока: Комбинированный (теоретическая часть + практическая работа)
Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение:
- Робототехнические наборы (LEGO Mindstorms EV3/SPIKE Prime, Arduino или аналоги) из расчета 1 набор на 2-3 учащихся
- Компьютеры с установленной средой программирования
- Проектор и интерактивная доска для демонстрации
- Презентация “Основы конструирования роботов”
- Технические карты с вариантами конструкций роботов
- Демонстрационные модели роботов с различными типами конструкций
- Поля для испытания роботов (полигоны с препятствиями, линиями)
- Рабочие листы для проектирования моделей
Образовательные технологии: Проектная деятельность, практико-ориентированное обучение, работа в малых группах, проблемное обучение
Межпредметные связи:
- Физика: центр тяжести, устойчивость конструкций, механика движения
- Математика: расчёт передаточных отношений, геометрические параметры конструкций
- Информатика: алгоритмы управления, программирование
- Технология: материалы и инструменты, технические решения
| 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. Личностные: психологическая готовность к уроку. |
|
| 2. Актуализация знаний (5 мин) | Проводит фронтальный опрос: - Какие типы конструкций роботов вы изучали в 5-6 классах? - Какие базовые механизмы можно использовать в робототехнике? - Что необходимо учитывать при конструировании роботов? Демонстрирует изображения различных роботов, просит определить их тип и назначение. |
Отвечают на вопросы, актуализируют знания из курса 5-6 классов. Анализируют изображения роботов, определяют их тип и функциональное назначение. |
Воспроизведение знаний о типах конструкций роботов и базовых механизмах. | Познавательные: актуализация имеющихся знаний. Коммуникативные: умение выражать свои мысли. |
| 3. Мотивация и постановка цели (3 мин) | Демонстрирует видеоролик с соревнований роботов или реального применения роботов в промышленности. Ставит проблемный вопрос: “Как конструкция робота влияет на его функциональные возможности и эффективность?" Помогает сформулировать цель урока. |
Смотрят видеоролик. Участвуют в обсуждении проблемного вопроса. Формулируют цель урока. |
Регулятивные: целеполагание. Познавательные: осознание практической значимости изучаемого материала. |
|
| 4. Изучение нового материала (10 мин) | Объясняет с использованием презентации: 1. Принципы выбора конструкции в зависимости от задачи (маневренность, скорость, грузоподъемность) 2. Основные компоновочные схемы роботов для различных задач 3. Связь между конструкцией и программным управлением 4. Требования к устойчивости и надежности конструкций Демонстрирует на модели основные конструктивные решения. |
Воспринимают новую информацию. Делают записи в тетрадях. Задают уточняющие вопросы. Анализируют демонстрационные модели. |
Знание принципов конструирования роботов с учетом выполняемых задач. Понимание связи между конструкцией и программным управлением. |
Познавательные: восприятие и осмысление новой информации, анализ, синтез. Коммуникативные: умение задавать вопросы. |
| 5. Инструктаж перед практической работой (5 мин) | Объясняет задание для практической части: 1. Разделение на группы по 2-3 человека 2. Выбор варианта задания (тип робота для конструирования) 3. Этапы работы (проектирование, конструирование, программирование, тестирование) 4. Требования к результату и критерии оценки Обращает внимание на правила техники безопасности при работе с конструктором. |
Слушают инструкцию. Распределяются по группам. Выбирают вариант задания. Задают уточняющие вопросы по выполнению работы. |
Регулятивные: планирование деятельности. Коммуникативные: взаимодействие в группе. |
|
| 6. Практическая работа: проектирование модели (10 мин) | Организует работу групп на этапе проектирования: - Предлагает заполнить рабочие листы с эскизом будущего робота - Консультирует группы при необходимости - Задает наводящие вопросы для оптимизации конструкции Варианты заданий: 1. Робот для преодоления полосы препятствий 2. Робот-манипулятор для перемещения объектов 3. Робот для следования по линии с возможностью объезда препятствий |
Работают в группах над проектированием робота: - Обсуждают конструкцию - Распределяют роли в группе - Создают эскиз робота - Определяют необходимые детали и механизмы - Планируют этапы конструирования |
Умение проектировать конструкцию робота в соответствии с поставленной задачей. | Регулятивные: планирование. Познавательные: моделирование. Коммуникативные: совместная деятельность, распределение ролей. |
| 7. Практическая работа: конструирование модели (25 мин) | Контролирует процесс конструирования: - Наблюдает за работой групп - Оказывает помощь при необходимости - Обращает внимание на распространенные ошибки - Задает вопросы о выбранных конструктивных решениях |
Конструируют модель робота: - Подбирают необходимые детали - Собирают механическую часть - Устанавливают датчики и моторы - Проверяют работоспособность механизмов - При необходимости корректируют конструкцию |
Умение создавать функциональную конструкцию робота с использованием различных механизмов. Понимание принципов размещения датчиков и моторов. |
Регулятивные: контроль и коррекция. Познавательные: практическое применение знаний. Личностные: развитие терпения и настойчивости. |
| 8. Физкультминутка (2 мин) | Проводит короткую физкультминутку для снятия напряжения. | Выполняют упражнения. | Регулятивные: саморегуляция. | |
| 9. Практическая работа: программирование и тестирование (20 мин) | Объясняет особенности программирования для созданных конструкций: - Обращает внимание на взаимосвязь конструкции и алгоритма управления - Напоминает о необходимости учета расположения датчиков - Предлагает провести тестирование роботов на специальных полигонах Организует испытания созданных моделей. |
Разрабатывают программу для управления роботом: - Создают алгоритм в соответствии с задачей - Учитывают особенности конструкции - Тестируют работу робота - Вносят корректировки в программу и/или конструкцию - Проводят финальные испытания |
Умение программировать робота с учетом его конструктивных особенностей. Навыки отладки и оптимизации программы. |
Регулятивные: самоконтроль и коррекция. Познавательные: алгоритмическое мышление. Коммуникативные: совместное решение проблем. |
| 10. Демонстрация результатов (10 мин) | Организует представление результатов работы каждой группы: - Просит продемонстрировать работу робота - Задает вопросы о конструктивных особенностях - Предлагает объяснить принципы программного управления - Просит рассказать о возникших трудностях и способах их решения |
Представляют созданную модель робота: - Демонстрируют работу робота - Объясняют конструктивные решения - Рассказывают об особенностях программы - Делятся опытом решения проблем - Отвечают на вопросы учителя и одноклассников |
Умение демонстрировать результаты работы и объяснять принципы конструирования и программирования. | Коммуникативные: публичное представление результатов. Познавательные: рефлексия деятельности. Личностные: уверенность в своих силах. |
| 11. Анализ и обобщение (5 мин) | Организует обсуждение результатов работы всех групп: - Предлагает сравнить различные конструктивные решения - Выявляет наиболее удачные решения и объясняет их преимущества - Обращает внимание на типичные ошибки - Подчеркивает связь между конструкцией и возможностями программного управления |
Участвуют в обсуждении: - Анализируют свою работу и работу других групп - Высказывают мнение о преимуществах и недостатках разных конструкций - Делают выводы о взаимосвязи конструкции и программы |
Умение анализировать и сравнивать различные конструктивные решения. Понимание связи между конструкцией робота и алгоритмом управления. |
Познавательные: сравнение, анализ, обобщение. Коммуникативные: участие в дискуссии, уважение к мнению других. |
| 12. Рефлексия и подведение итогов (5 мин) | Подводит итоги урока. Организует рефлексию по методу “3-2-1”: - 3 вещи, которые узнали на уроке - 2 вопроса, которые остались - 1 навык, который усовершенствовали Выставляет оценки с комментариями. |
Оценивают свою работу на уроке. Заполняют листы рефлексии. Формулируют, что получилось, а над чем еще нужно работать. |
Регулятивные: оценка результатов деятельности. Познавательные: рефлексия. Личностные: адекватная самооценка. |
|
| 13. Домашнее задание (3 мин) | Объясняет домашнее задание: 1. Обязательная часть: подготовить эскиз усовершенствованной модели созданного робота с описанием улучшений 2. Творческая часть: найти информацию о реальных роботах, имеющих конструктивные особенности, схожие с созданными на уроке моделями |
Записывают домашнее задание. Задают уточняющие вопросы. |
Регулятивные: планирование самостоятельной работы. Познавательные: поиск информации. |
Задача: Сконструировать и запрограммировать робота, способного преодолевать препятствия различного типа (подъемы, спуски, неровности). Требования к конструкции:
- Высокая проходимость
- Устойчивость на неровных поверхностях
- Оптимальное расположение центра тяжести
- Использование не менее одного датчика для определения препятствий
Задача: Создать робота с манипулятором, способного захватывать и перемещать объекты различной формы. Требования к конструкции:
- Устойчивая платформа
- Манипулятор с не менее чем двумя степенями свободы
- Эффективный механизм захвата
- Использование датчиков для определения объектов
Задача: Разработать робота, который следует по черной линии и способен обнаруживать и объезжать препятствия. Требования к конструкции:
- Маневренная ходовая часть
- Оптимальное расположение датчиков линии
- Датчик для обнаружения препятствий
- Механизмы для точного поворота
-
Конструкция робота (до 5 баллов):
- Соответствие требованиям задания (0-1)
- Устойчивость и надежность конструкции (0-1)
- Функциональность механизмов (0-1)
- Оригинальность и рациональность решений (0-1)
- Качество сборки (0-1)
-
Программирование (до 3 баллов):
- Работоспособность программы (0-1)
- Оптимальность алгоритма (0-1)
- Использование различных программных конструкций (0-1)
-
Результаты испытаний (до 3 баллов):
- Успешное выполнение основной задачи (0-1)
- Скорость выполнения задачи (0-1)
- Точность выполнения задачи (0-1)
-
Командная работа и презентация (до 2 баллов):
- Эффективность распределения ролей (0-1)
- Качество представления результатов (0-1)
РАБОЧИЙ ЛИСТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РОБОТА
Группа: _______________________________
Участники: ___________________________
Вариант задания: _____________________
1. Эскиз робота (с указанием основных узлов):
[место для рисунка]
2. Необходимые компоненты:
□ Контроллер Количество: ___
□ Моторы Количество: ___
□ Датчик цвета Количество: ___
□ Датчик расстояния Количество: ___
□ Другие датчики: _________________
3. Основные механизмы:
□ Колесная база
□ Гусеничный привод
□ Манипулятор
□ Захват
□ Другое: _________________________
4. Ожидаемые трудности и способы их решения:
_____________________________________
_____________________________________
5. План работы команды:
Участник 1: _________________________
Участник 2: _________________________
Участник 3: _________________________