Роботы? В школе?? Вы не шутите?! Разговор об изучении робототехники в гимназии. Ведет разговор руководитель клуба «Робот» Сыров Е.М. Педагог дополнительного образования, к.т.н.
Хочу записать сына в кружок… Однажды у меня раздался звонок. Звонила одна мама. Можно записать к Вам в кружок моего сына? А в каком классе он учится? Он ещё в старшей группе детского сада, но он такой талантливый! Он бредит роботами, и их у него уже несколько штук! Он их сам собрал из конструктора и запрограммировал? Нет, мы купили их в магазине. Эти роботы – просто игрушки. А для того, чтобы создать настоящего робота, Вашему сыну нужно ещё очень многое узнать и многому научиться. Пусть немного подрастет, а классе в 3 или 4 милости прошу ко мне. Но при одном условии: у него в четвертях не должно быть ни одной тройки. Троечников я не беру, а получивших тройку в четверти отправляю из кружка до исправления оценок.
Так что ж такое роботы? Обычно робота представляют себе таким Или таким Ну, в общем, похожим на человека. Он должен уметь говорить, ходить, пожимать руку... Но может и быть страшным воином из «Звездных войн». Тогда ему лучше не попадаться на глаза… Эффектно? Да, конечно. Но это всего лишь игрушки, хотя и большие.
На самом же деле… Вот какие направления роботостроения были представлены на выставке роботов в Сокольниках. Один из экспонатов А вот и наши роботы!
Что такое образовательная робототехника? Образовательная робототехника (ОРТ) представляет собой новую, актуальную педагогическую технологию. ОРТ находится на стыке перспективных областей знания: механика, электроника, автоматика, конструирование, программирование, схемотехника и технический дизайн. Если говорить коротко, смысл ОРТ, ее ядро – приобретение знаний детьми в процессе изготовления робота. Обучение производится с использованием робототехнических наборов. Наиболее востребованы из них в настоящее время – наборы Lego Mindstorms. Мы будем учиться на основе новейшего из них: набора Lego Mindstorms EV3. Обучение детей с использованием робототехнического оборудования - это и обучение в процессе игры, и техническое творчество одновременно, что способствует воспитанию активных, увлеченных своим делом, самодостаточных людей нового типа. Необходимо отметить, что образовательная робототехника, как педагогическая технология, основывается на использовании предметов школьной программы. Для решения конкретной задачи, а именно – разработки, проектирования и создания робота необходимо интегрировать в одном процессе когнитивные достижения ряда дисциплин, преподаваемых в учебных заведениях (математика, физика, химия, информатика, технология, философия и др.).
Образовательная робототехника: 5 дисциплин (видов деятельности) в 1 предмете Образовательная робототехника Учебная деятельность: Понятие об управлении роботом Разработка алгоритма управления роботом. Создание и отладка программы Образовательная робототехника Разработка конструкции робота Исследования и испытания робота Творческая деятельность: разработка робота, которого ещё не было Мда… Несколько сложновато для дошкольника, не правда ли? Впрочем, мамочки, не всё так плохо: есть и для ваших талантливых ребят кое-что. См далее.
Робототехнические наборы. Возможности и возрастная ориентированность В продаже имеется большое разнообразие конструкторов, рассчитанных на возраст от 4 до 90 лет. Они отличаются вычислительными возможностями микропроцессоров, являющихся «мозгом» робота, элементной базой комплектующих, составом датчиков, языками программирования и другими особенностями (см. следующий слайд). Среди них, пожалуй, доминирующее положение на рынке занимают наборы датской компании LEGO Dacta. Первые робототехнические наборы этой компании получили название Lego Education и появились на рынке на рубеже тысячелетий. За полтора десятка лет компания выпустила уже третье поколение конструкторов, а возрастная категория, на которую они рассчитаны, расширилась и составляет от 4 до 18 лет и старше. В серию Lego Education входят конструкторы Lego WeDo и Lego Mindstorms. Первый рассчитан на детей от 4 до 11 лет, второй – от 10 лет и старше. Наша гимназия подала заявку на приобретение обоих наборов, однако, на их освоение нужно какое-то время. В нынешнем учебном году мы будем работать с набором Lego Mindstorms EV3 – новейшим продуктом фирмы.
Возрастная ориентация наборов.
Как мы будем учиться? Занятия проводятся в классе информатики, оснащенном компьютерами, интерактивной доской, с использованием робототехнических наборов Lego Mindstorms EV3. Численность группы для занятий – до 12 человек. Учащиеся объединяются в бригады – по 2 ученика в каждой бригаде. Каждая бригада располагается на одном рабочем месте (РМ). В состав РМ входит компьютер и набор для конструирования роботов. Набор закрепляется за бригадой на весь учебный год. Программа обучения рассчитана на одно занятие в неделю продолжительностью 2 часа.
Основной метод обучения – проектная деятельность Принципиальная особенность процесса обучения робототехнике в нашей гимназии: впервые мы переходим к использованию метода учебного проектирования в качестве основного при организации учебного процесса. Метод учебного проектирования (МУП)– наиболее совершенный и передовой из известных методов организации учебного процесса. Его суть заключается в том, что перед учащимися ставится проблема, которую необходимо решить в ходе выполнения проекта. Это должна быть законченная конструкция робота, выполняющего заданные функции с достаточной эффективностью. МУП – альтернатива широко распространенному методу классно-урочной деятельности- основному методу преподавания школьных предметов. В ходе проектирования учащиеся сами формулируют задачи и последовательность их решения, распределяют время между задачами, выполняют необходимые учебные действия, в том числе самостоятельное либо под руководством учителя изучение информационных материалов, конструирование, программирование и др. (см. слайд 6), а по окончании проектирования выступают перед «коллегами» с презентацией выполненной работы и оценкой степени выполнения целей проектирования и вклада каждого члена бригады в реализацию проекта (рефлексия результатов). Роль учителя: он выступает в качестве тьютора – советника, помощника учащихся в самостоятельной работе над проектом. Наша гимназия имеет значительный опыт использования учебного проектирования, в том числе и в начальных классах.
Слагаемые эффективности метода учебного проектирования Значимость проекта в глазах учащихся заинтересованность в его реализации стимул к познанию; Основа обучения – не получение «готовых знаний», неизвестно когда и для чего могущих понадобиться (пример: законы Гей-Люссака, Бойля-Мариотта и др. «газовые законы» в физике, от которых в памяти, в лучшем случае, остаются лишь имена их первооткрывателей), а выяснение, какие знания нужны для выполнения проекта, где их взять и как использовать. Это и есть процесс продуцирования знаний, необходимых конкретно для решения поставленной задачи. Добытые самостоятельно знания закрепляются в памяти навечно; Контроль и подсказка. Учитель должен постоянно контролировать ход проектирования, своевременно помогать в устранении возникших трудностей необходимость дистанционного контроля информации на экранах мониторов рабочих мест учащихся с рабочего места учителя. Подсказка – в виде сообщений, выдаваемых на мониторы учащихся; Качество учебно-методических пособий и материалов степень удовлетворения «информационного голода» учащихся длина «очереди» к учителю ; Привитие навыков самостоятельной работы учащихся с информацией, критического анализа своей работы, поиска и принятия эффективных решений в ходе проектирования.
Наши проекты. Метапроект «Танки» Использует естественную тягу мальчишек к военной тематике. Учебные цели: Знакомство с конструктором Lego Mindstorms EV3, составом деталей и технологией работы в этой среде; взаимодействие человек-компьютер-робот; Изучение способов управления роботом в системах управления без обратной связи; Конструирование полноприводной транспортной тележки и универсальной гусеничной платформы «Сармат»; Создание и отладка первых программ в программной среде EV3; Исследования и испытания роботов; Проектирование и изготовление танкодрома – поля для проведения соревнований танкового биатлона. Включает в себя 4 проекта: «Танки, вперед!» - управление прямолинейным движением транспортной тележки с помощью мотора, используемого в качестве генератора электроэнергии для тяговых моторов; с помощью пульта дистанционного управления; конструирование платформы «Сармат» и исследование принципов управления моторами с помощью соответствующих блоков программной среды EV3; «Маневры танков» - исследование возможностей управления курсовым положением роботов; создание модулей программ, реализующих маневры; «Танкодром» - разработка требований к трассе, составу упражнений, выполняемых танками во время соревнований, проектирование и создание рабочего поля для соревнований танков; «Танковый биатлон» – разработка правил, организация и проведение внутришкольных соревнований на танкодроме.
Наши проекты. Метапроект «Кегельринг» Учебная задача мета проекта: Использование датчиков для управления роботом в системах с обратной связью при выполнении упражнения «Кегельринг». Включает в себя два проекта: «Кегельринг классик». Учебная задача: Использование датчиков расстояния и цвета для обнаружения и выталкивания кеглей с рабочего поля; «Кегельринг супер». Учебная задача: использование алгоритмов управления роботом при следовании по линии для повышения эффективности выполнения упражнения. В результате выполнения мета проекта должна быть создана конструкция, разработана и отлажена программа и проведены исследования и испытания для участия в соревнованиях городского уровня.
Наши проекты. Метапроект «Линия» Учебная задача мета проекта: Изучение принципов управления роботом в системах с обратной связью. Создание и испытания программ, реализующих различные алгоритмы следования по линии. Состав мета проекта: Учебный проект «Циклоп». Учебная задача: Следование по линии с одним датчиком цвета на основе алгоритма релейного регулятора; Учебный проект «Циклоп-С». Учебная задача: Исследование путей совершенствования робота на основе релейного регулятора; Учебный проект «Двуглазик». Учебная задача: Следование по линии на основе релейного регулятора с двумя датчиками цвета; Учебный проект «Пропорциональный регулятор». Учебная задача: Следование по линии на основе пропорционального регулятора с двумя датчиками цвета. Каждый проект имеет законченный вид: готовая конструкция, отлаженная программа, выполненные испытания с оценкой эффективности программы («сертификат качества»). Робот должен быть полностью готов к участию в соревнованиях.
Учебной целью мета проекта является закрепление пройденного материала по изучению принципов управления роботом в системах с обратной связью на примере алгоритма поиска выхода из лабиринта. Это одно из интереснейших и зрелищных соревнований для учащихся первого года обучения. Использование рабочего поля с трансформируемой конфигурацией создает дополнительную сложность при программировании. Метапроект включает два учебных проекта: Проект «Платформа "Тесей": первые шаги». Учебные задачи: Доработка платформы "Сармат" для следования в лабиринте (платформа "Тесей"). Движение прямо в лабиринте; Проект «Развороты». Учебная задача: разработка модулей программы прохождения лабиринта на основе исследований, выполненных в проекте «Танки». Результаты проектирования: полностью готовый к проведению соревнований робот; отчет (презентация) о выполненной работе; рефлексия степени успешности выполнения целей проектирования и вклада каждого члена бригады в его осуществление. Наши проекты. Метапроект «Лабиринт»
Ожидаемые результаты В результате занятий учащиеся овладеют следующими знаниями, умениями и навыками (по видам деятельности): 1. Урочная деятельность: Принципы управления роботизированными устройствами с использованием обратной связи и без обратной связи; Знакомство с понятиями «Автономные и телеуправляемые роботы»; использование инфракрасного маяка в качестве пульта дистанционного управления; Принципы управления роботами при следовании по линии с использованием различных алгоритмов управления в системах с обратной связью; Использование датчиков цвета и расстояния в задачах следования по линии, обнаружения препятствий и др.; Основы построения алгоритмов и программ управления роботами. Основные конструкции языка программирования среды EV3. 2. Конструирование: Сборка типовых конструкций роботов на гусеничной платформе и 3-колесном шасси с двумя ведущими и одним опорным колесом-волокушей по картам сборки и по памяти; Использование механических передач для ускорения движения или увеличения тягового усилия робота.
Ожидаемые результаты (по видам учебной деятельности) 3. Алгоритмизация и программирование: Представление алгоритмов в виде словесных описаний и языка блок- схем; Реализация алгоритмов в программной среде EV3 с использованием модульного принципа построения; Отладка программ управления роботами. Использование мотора в качестве датчика для оперативного задания значений варьируемых параметров. 4. Исследования и испытания: Поиск путей повышения эффективности алгоритма управления роботом; Оптимальный (квазиоптимальный) подбор варьируемых параметров управления роботом по критерию минимального времени выполнения упражнения; Поиск оптимального решения методом мозгового штурма.
Благодарю за внимание! Более подробно об образовательной робототехнике, конструкторах и их возможностях и много другой полезной информации Вы можете получить по ссылке: 0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB% D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%80%D0%BE%D0%B1%D0% BE%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D0 %BA%D0%B0