Применение конструкторов Lego Mindstorms во внеурочной деятельности в контексте ФГОС
план-конспект занятия по информатике и икт (6 класс) на тему

Робототехника в образовании. Использование робототехнического оборудования на занятиях

Применение конструкторов Lego Mindstorms во внеурочной деятельности в контексте ФГОС

В работе представлено занятие по внеурочной деятельности «Робототехника» для 6 класса. Уроки проводятся с использованием конструктора Lego Mindstorms и лицензионного программного обеспечения для программирования роботов NXT 2.0.

Робототехника является одним из важнейших направлений научно-технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта.

Изучение основ робототехники очень перспективно и важно именно сейчас. За последние годы успехи в робототехнике и автоматизированных системах изменили личную и деловую сферы нашей жизни. Роботы широко используются в транспорте, в исследованиях Земли и космоса, в хирургии, в военной промышленности, при проведении лабораторных исследований, в сфере безопасности, в массовом производстве промышленных товаров и товаров народного потребления. Переход экономики России на новый технологический уклад предполагает широкое использование наукоёмких технологий и оборудования с высоким уровнем автоматизации и роботизации.  

Робототехника – это сегодняшние и будущие инвестиции и, как следствие, новые рабочие места. Одной из ключевых проблем в России является ее недостаточная обеспеченность инженерными кадрами в условиях существующего демографического спада, а также низкого статуса инженерного образования при выборе будущей профессии выпускниками школ. В последнее время руководство страны четко сформулировало первоочередной социальный заказ в сфере образования в целом. Необходимо активно начинать популяризацию профессии инженера уже в средней школе и учитывать концептуальные положения Общероссийской образовательной программы «Робототехника: инженерно-технические кадры инновационной России».

Образовательная робототехника является популярным и эффективным методом для изучения важных областей науки, технологии, конструирования, интегрируется в учебный процесс средней школы, опираясь на такие школьные учебные дисциплины, как информатика, математика, технология, физика, химия и биология. Робототехника активизирует развитие учебно-познавательной компетентности учащихся. На  занятиях  робототехники следует подводить ученика к пониманию разницы между виртуальным и реальным миром. Для решения поставленной социальной задачи в рамках  основной и средней школы необходим «комбинированный» вариант обучения, в котором виртуальная реальность и действительность будут тесно переплетены. Необходимость вызвана стремительно увеличивающимся разрывом между постоянно развивающейся теоретической подготовкой учащихся и недостаточной практикой применения этих знаний. Необходимо  сократить этот разрыв. Для этого предполагается постановка проблем для практического применения теоретических знаний, полученных на школьных занятиях. Создавая и программируя различные управляемые устройства, ученики получают знания о техниках, которые используются в настоящем мире науки, конструирования и дизайна. Они разрабатывают, строят и программируют полностью функциональные модели, учатся вести себя как молодые ученые, проводя простые исследования, просчитывая и изменяя поведение, записывая и представляя свои результаты. Общепризнанно, что ученик должен быть активным участником учебного процесса. Это становится возможным, если создана учебная среда, побуждающая ученика взаимодействовать и общаться в ходе решения различных задач с учителем, изучаемым материалом и другими учениками. Обучающий комплекс по робототехнике позволяет сделать это. Наше время требует нового человека – исследователя проблем, а не простого исполнителя. Сегодня и завтра обществу ценен человек-творец. Образовательная робототехника в школе приобретает все большую значимость и актуальность в настоящее время.

Используемый на занятиях по внеурочной деятельности конструктор Lego Mindstorms предоставляет ученикам возможность приобретать важные знания, умения и навыки в процессе создания, программирования и тестирования роботов.  

Конструктор Lego и программное обеспечение к нему предоставляет прекрасную возможность учиться ребенку на собственном опыте. Такие знания вызывают у детей желание двигаться по пути открытий и исследований, а любой признанный и оцененный успех добавляет уверенности в себе. Обучение происходит особенно успешно, когда ребенок вовлечен в процесс создания значимого и осмысленного продукта, который представляет для него интерес. Важно, что при этом ребенок сам строит свои знания, а учитель лишь консультирует его.

В данной работе представлена разработка одного из занятий по внеурочной деятельности «Робототехника» для 6 класса.

Конспект занятия на тему «Движение по геометрическим фигурам»

Занятие из курса внеурочной деятельности «Робототехника», раздел – «Управление». На занятии, используя конструктор LEGO Mindstorms 9797, обучающиеся строят модель колесного робота. Затем составляют в среде программирования NXT-G программу, загружают ее в робота и демонстрируют выполнение представленных алгоритмов. Рассмотренные на уроке алгоритмы движения визуально представляют собой различные геометрические фигуры.

Цели:

•  ознакомление с робототехникой с помощью конструктора LEGO Mindstorms 9797;
•  систематизация знаний по теме «Алгоритмы» (на примере работы Роботов NXT);
•  усвоение понятий алгоритм, исполнитель, свойства алгоритма, дать представление о составлении простейших алгоритмов в среде программирования NXT-G.

В ходе занятия обучающиеся должны продемонстрировать следующие результаты в виде универсальных учебных действий:

• Регулятивные: 
• систематизировать и обобщить знания по теме «Алгоритмы» для успешной реализации алгоритма работы собранного робота;
• Научиться программировать роботов с помощью среды программирования NXT-G.
• Познавательные: 
• Изучение робототехники, создание собственного робота, умение программировать в среде NXT-G;
• экспериментальное исследование, оценка (измерение) влияния отдельных факторов.
• Коммуникативные: развить коммуникативные умения при работе в группе или команде.
• Личностные: развитие памяти и мышления, возможность изучения робототехники в старших классах.

Тип урока: комбинированный

Вид урока: практическая работа

Оборудование: мультимедиа проектор, конструктор LEGO Mindstorms 9797 (5 шт.), в набор которого входят 431 элемент, включая программируемый блок управления NXT, 3 сервомотора, датчики звука, расстояния, касания и освещенности.

План урока:

1. Организационный момент (2 мин)
2. Повторение теоретического материала предыдущего урока (10 мин)
3. Практическая работа: разработка алгоритма для робота (23 мин)
4. Подведение итогов урока. Рефлексия (3 мин)
5. Этап информации о домашнем задании (2 мин)

Ход урока:

1. Организационный момент.

Учитель: Добрый день, ребята! На прошлом уроке мы занимались конструированием роботов из конструктора NXT. Сегодня мы будем создавать для них программы, которые он будут выполнять.

II. Повторение теоретического материала предыдущего урока.

1. Учитель: Для начала давайте вспомним, какие виды алгоритмов мы знаем?

Дети отвечают на вопрос (линейный, циклический и разветвляющийся)

2. Для какого вида алгоритмов используются следующие блоки из среды программирования NXT-G (блоки показаны на слайде)?

Дети отвечают на вопрос (движение, цикл, ветвление).

3. Какие действия может выполнить робот NXT с помощью блока «Движение»?

Дети отвечают на вопрос (Ехать вперед, Ехать назад, Поворот влево, Поворот вправо, Свободный поворот (любой угол), Разворот.)

4. Какие простейшие геометрические фигуры вы знаете?

Дети отвечают на вопрос (круг, квадрат, треугольник)

5. Укажите, какие углы могут быть у указанных геометрических фигур:

Дети отвечают на вопрос (прямой, острый, тупой)

III. Практическая работа: разработка алгоритма для робота

Теперь давайте обратимся к нашим роботам (на данном уроке это колесные роботы, созданные без инструкций), которые мы собирали на прошлом занятии.

Задание 1: Составить линейный алгоритм для движения робота по квадрату с заданной стороной.

Сначала определим, какие команды нам понадобятся, в какую сторону должен вращаться сервомотор, промежуток времени работы сервомотора для движения по одной стороне и последовательность выполнения команд.

Правильный вариант (способ поворота – отключение одного сервомотора):

Примечание: время работы сервомотора в каждом отдельном случае будет разное, т.к. ученик настраивает вращение на свое время или количество оборотов. Соответственно для каждого случая сторона квадрата будет разной. И вариант поворота каждый обучающийся применяет свой.

После выполнения данного задания ученикам задается вопрос: какой еще вид алгоритмов можно использовать для выполнения предложенного задания?

Правильный ответ: циклический.

Задание 2: изменить созданный линейный алгоритм на циклический для выполнения этого же задания.

Правильный вариант:

Способ поворота в примере тот же, что и в предыдущем. Цикл настроен на Счетчик (количество повторений - 4).

Учитель: ребята, давайте сравним разработанные алгоритмы и сделаем вывод. Какой алгоритм вам больше нравится и почему?

Ребята отвечают на вопрос (циклический, потому что алгоритм компактнее).

Задание 3: создать алгоритм для движения робота по треугольнику:

Правильный вариант для равностороннего треугольника:

Способ поворота в примере тот же, что и в предыдущем. Цикл настроен на Счетчик (количество повторений - 3).

Задание 4 (дополнительное): Составить программу для движения робота по кругу с заданным диаметром.

Учитель: Ребята, давайте подумаем, каким образом можно заставить робота двигаться не по прямой линии, а по окружности?

Ведется дискуссия, в результате которой обучающиеся дают правильный ответ (необходимо, чтобы одновременно вращались оба колеса, но с разной скоростью, т.е. у сервомоторов должна быть разная мощность).

Правильный вариант для окружности определенного диаметра:

В данном примере цикл настроен на время, которое подбирается так, чтобы робот делал один полный круг, а не двигался по окружности бесконечно.

IV. Подведение итогов урока. Рефлексия.

Итак, ребята, давайте подведем итоги нашей работы.

• Какие виды алгоритмов мы с вами сегодня использовали при составлении программ?
• Какой блок необходим для движения по геометрическим фигурам?
• Возможно ли использовать блок цикла для движения робота по разностороннему пятиугольнику и почему?

V. Этап информации о домашнем задании.

Запишите домашнее задание: составить блок-схему алгоритма работы робота.

«Алгоритмы»

Каждый из нас ежедневно использует различные алгоритмы: инструкции, правила, рецепты и т.д. Обычно мы это делаем не задумываясь. Например, вы хорошо знаете, как заварить чай. Но допустим, нам надо научить этому младшего брата или сестру. Значит, нам придется четко указать действия и порядок их выполнения.

Что это будут за действия и какой их порядок?  

1. Вскипятить воду.
2. Окатить заварочный чайник кипятком.
3. Засыпать заварку в чайник.
4. Залить кипятком.
5. Закрыть крышечкой.
6. Накрыть полотенцем.

Итак, алгоритм – это описание последовательности действий, строгое исполнение которых приводит к решению поставленной задачи за конечное число шагов.

Исполнитель – человек, группа людей, животное, техническое устройство, способные выполнять заданные команды.

Свойства алгоритмов:

• Результативность. Получение требуемого результата за конечное число шагов; это означает, что неправильный алгоритм, который не достигает цели, вообще не нужно считать алгоритмом.
• Дискретность (пошаговость). Под дискретностью понимают, что алгоритм состоит из последовательности действий, шагов. Выполнение каждого следующего шага невозможно без выполнения предыдущих. Последний шаг, как правило, выдаёт результат действия алгоритма.
• Определённость. Означает, что действия, выполняемые на каждом шаге, однозначно и точно определены.
• Понятность. Алгоритм должен быть понятен не только автору, но и исполнителю.
• Выполнимость. Алгоритм должен содержать команды, записанные на понятном языке и выполнимые исполнителем.
• Массовость. Один тот же алгоритм может применяться для решения большого количества однотипных задач с различающимися условиями.

Формы представления алгоритма:

• устная форма;
• письменная форма (на естественном языке, например на том, на котором мы разговариваем);
• письменная форма (на формальном языке, т.е. на языке, понятном исполнителю);
• графическая форма (блок-схема).

Виды алгоритмов:

1. Линейный алгоритм (описание действий, которые выполняются однократно в заданном порядке);
2. Циклический алгоритм (описание действий, которые должны повторятся указанное число раз или пока не выполнено условие);
3. Разветвляющий алгоритм (алгоритм, в котором в зависимости от условия выполняется либо одна, либо другая последовательность действий)
4. Вспомогательный алгоритм (алгоритм, который можно использовать в других алгоритмах, указав только его имя).