Материалы для составления рабочей программы по робототехнике
методическая разработка на тему

Материалы для составления рабочей программы

«Основы робототехники»

Научно-технический прогресс связан с интенсивным развитием и использованием робототехники и других перспективных технологий требует формирование в нашей стране научно-технологического потенциала, адекватного современным вызовам мирового технологического развития.

Подготовка кадрового потенциала для решения научно-практических задач может начинаться с изучения курса «Робототехника» в общеобразовательной школе и продолжаться в учреждениях профессионального образования. При изучении курса «Робототехника» обучающиеся получат исходные представления и умения моделирования, конструирования и программирования роботов и робототехнических систем, представления о мире науки, технологий и техносферы, влиянии технологий на общество и окружающую среду, о сферах человеческой деятельности и общественного производства. Интересы нашей страны на данном этапе развития требуют, чтобы особое внимание было обращено на ориентацию обучающихся на инженерно-техническую деятельность в сфере высокотехнологического производства.

Курс «Робототехника» систематизирует научно-технические знания, раскрывает способы их применения в различных областях деятельности человека. Важную роль в курсе играет самостоятельная проектно-исследовательская деятельность учащихся, способствующая их творческому развитию.

«Робототехника» при наличии материального, методического и кадрового обеспечения является практико-ориентированным курсом в школе, в которой практически реализуются знания, полученные при изучении технологии, математики, информатики и естественнонаучных дисциплин.

Робототехника – область науки и техники, ориентированная на создание роботов и робототехнических систем, построенных на базе мехатронных модулей (информационно-сенсорных, исполнительных и управляющих).

Курс «Робототехника» интегрированный курс для обучающихся 5-9 классов, который сочетает в себе элементы механики, электроники, программирования (для смешанных групп могут быть привлечены обучающиеся 4 классов).

         Курс может быть реализован через три направления:

1. Инженерно-техническое.
2. Естественнонаучное.
3. Спортивное.

Инженерно-техническое направление – направление, при котором происходит создание роботов, робототехнических систем для развития изобретательских и рационализаторских способностей через проектную и учебно-исследовательскую деятельность.

Естественнонаучное направление – направление, при котором происходит создание роботов, робототехнических систем для изучения учебных предметов (физика, биология, химия, география) через учебно-исследовательскую деятельность.

Спортивное направление – направление, при котором происходит создание роботов для решения алгоритмических задач и технических решений робототехнических олимпиад через игровую и проектную деятельность.

Для системного освоения материала курс  включает инвариантную, вариативные и дополнительные части содержания. Для создания преемственности образовательного курса профориентации обучающихся на инженерно-технические специальности введена инвариантная часть (неизменная обязательная часть) «Основы робототехники». Такой подход к содержанию необходим для преемственности программ основного общего образования с программами профессионального образования.

Инвариант курса содержит 6 основных модулей: «Введение в робототехнику»,   «Язык программирования NXT-G», «Контроллер. Сенсорные системы», «Основы конструирования машин и механизмов LEGO Technic», «Система передвижения роботов», «Манипуляционные системы».

Основным оборудованием для организации занятий курса «Робототехника» является образовательный конструктор LEGO Mindstorms NXT.

Цель курса: Формирование и развитие у обучающихся системы технологических знаний и умений, необходимых для осваивания разнообразных способов и средств работы с образовательными конструкторами для создания роботов и робототехнических систем.

Задачи курса:

1. помочь обучающимся овладеть методами познания, освоения и совершенствования техники использования информационно-коммуникационных технологий в поиске новых технических решений, работать с литературой;
2. научить школьников устной и письменной технической речи со всеми присущими ей качествами (простотой, ясностью, наглядностью, полнотой); четко и точно излагать свои мысли и технические замыслы;
3. помочь обучающимся овладеть минимумом научно-технических сведений, необходимых для активной познавательной деятельности, для решения практических задач, возникающих в повседневной жизни;
4. научить пользоваться различными программно-аппаратными комплексами;
5. воспитать устойчивый интерес к методам технического моделирования, проектирования, конструирования, программирования;
6. выявить и развить у обучающихся технические природные задатки и способности (восприятие, воображение, мышление, память и т.п.).

Для курса «Робототехники» в основной школе определим следующие требования к результатам:

личностные:

• формирование познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей обучающихся;
• формирование целостного мировоззрения, соответствующего современному уровню развития науки и технологий;
• самостоятельность в приобретении новых знаний и практических умений;
• готовность к выбору жизненного пути в соответствии с собственными интересами и возможностями;
• проявление технико-технологического мышления при организации своей деятельности;
• мотивация образовательной деятельности школьников на основе личностно ориентированного подхода;
• формирование ценностных отношений друг к другу, учителю, авторам открытий и изобретений, результатам обучения;
• формирование коммуникативной компетентности в процессе проектной, учебно-исследовательской, игровой деятельности.

метапредметные:

• овладение составляющими исследовательской и проектной деятельности: умения видеть проблему, ставить вопросы, выдвигать гипотезы, давать определения понятиям, классифицировать, наблюдать, проводить эксперименты, делать выводы и заключения, структурировать материал, объяснять, доказывать, защищать свои идеи;
• умение самостоятельно определять цели своего обучения, ставить и формулировать для себя новые задачи в учёбе и познавательной деятельности, развивать мотивы и интересы своей познавательной деятельности;
• овладение основами самоконтроля, самооценки, принятия решений и осуществления осознанного выбора в учебной и познавательной деятельности;
• умение создавать, применять и преобразовывать знаки и символы, модели и схемы для решения учебных и познавательных задач;
• развитие монологической и диалогической речи, умения выражать свои мысли, способности выслушивать собеседника, понимать его точку зрения, признавать право другого человека на иное мнение;
• формирование умений работать в группе с выполнением различных социальных ролей, представлять и отстаивать свои взгляды и убеждения, вести дискуссию;
• комбинирование известных алгоритмов технического и технологического творчества в ситуациях, не предполагающих стандартного применения одного из них;
• поиск новых решений возникшей технической или организационной проблемы;
• самостоятельная организация и выполнение различных творческих работ по созданию технических изделий;
• виртуальное и натурное моделирование технических объектов и технологических процессов;
• проявление инновационного подхода к решению учебных и практических задач в процессе моделирования изделия или технологического процесса;
• выявление потребностей, проектирование и создание объектов, имеющих потребительную стоимость;
• формирование и развитие компетентности в области использования информационно-коммуникационных технологий.

предметные:

• умение использовать термины области «Робототехника»;
• умение конструировать механизмы для преобразования движения;
• умение конструировать модели, использующие механические передачи, редукторы;
• умение конструировать мобильных роботов, используя различные системы передвижения; умение программировать микроконтролер NXT и сенсорные системы;
• умение конструировать модели промышленных роботов с различными геометрическими конфигурациями; умение составлять линейные алгоритмы управления исполнителями и записывать их на  выбранном языке программирования;
• умение использовать логические значения, операции и выражения с ними; умение формально выполнять алгоритмы, описанные с использованием конструкций ветвления (условные операторы) и повторения (циклы), вспомогательных алгоритмов, простых и табличных величин; умение создавать и выполнять программы для решения несложных алгоритмических задач в выбранной среде программирования;
• умение использовать готовые прикладные компьютерные программы и сервисы в выбранной специализации, умение работать с описаниями программ и сервисами;
• навыки выбора способа представления данных в зависимости от постановленной задачи;
• рациональное использование учебной и дополнительной технической и технологической информации для проектирования и создания роботов и робототехнических систем;
• владение алгоритмами и методами решения организационных и технических задач; владение методами чтения и способами графического представления технической, технологической и инструктивной информации;
• применение общенаучных знаний по предметам естественнонаучного и математического цикла в процессе подготовки и осуществления технологических процессов;
• владение формами учебно-исследовательской, проектной, игровой деятельности;
• планирование технологического процесса в процессе создания роботов и робототехнических систем.

. Содержание инвариантной части:

1) Введение: История робототехники.  Основные понятия и принципы конструирования роботов. Конструктор LEGO Mindstorms NXT

Практические работы: 

1. Конструирование робота по технологической карте LEGO Mindstorms NXT.
2. Программирование робота,  используя среду NXT Program. 

2) Язык программирования NXT-G:

Общие сведения о языке программирования NXT-G. Интерфейс программного обеспечения. Основы алгоритмизации. Правила. Оформления программ на графическом языке программирования. Основные группы команд и их назначение. Составление первой программы на языке NXT-G. Ускорение и остановка. Программирование поворотов. Блоки ожидания и их влияние на работу моторов.

Практические работы:

1. Движение с остановкой.
2. Квадрат.
3. Движение по траектории.
4. Змейка.
5. Исследователь.
6. Минутка творчества.
7. Лабиринт.
8. Парковка.

3) Контроллер. Сенсорные системы:

Память микроконтроллера. Графика на дисплее микроконтроллера. Звук. Работа с динамиком микроконтроллера. Настройка Bluetooth соединения. Сенсоры, их назначение и использование в программировании робота. Программирование датчиков и переходников совместимых с LEGO Mindstorms NXT.

Практические работы:

1. Эмоциональный робот
2. Измерение расстояния.
3. Правила передвижения.
4. Вежливый робот.
5. Моцарт.
6. Клоунада.
7. Побег.
8. Черно-белый робот.
9. Двойной контроль.
10.  Нет предела совершенству.
11.  Светофор.
12.  Кнопочное управление.
13.  «Стой! Кто идет?».
14.  Художник.
15.  Радуга.
16.  Точный расчет.
17.  Лаборатория 1.
18.  Лаборатория 2.
19.  Сигналы.
20.  Сторож.
21.  Лаборатория HiTechnic.
22.  Робот спасатель.
23.  Ралли».
24.  А мы пойдем на Север.
25.  И снова квадраты

4) Работы с данными различных типов в NXT-G:

Команды вкладки Data (Данные). Команды вкладки Advanced (Дополнения). Команды Record/Play и Stop. Парарельные задачи. Регистрация данных. Создание подпрограмм.

        Практические работы:

1. Математик.
2. Случайности не случайны.
3. Логика.
4. Диапазон.
5. Калибровка.
6. Работа с файлами.
7. Строки.
8. «Не спать!».
9. Повторение.
10. Параллельные дороги.
11. Эксперимент 1.
12. Эксперимент 2.
13. Эксперимент 3.
14. Матрешка.

5) Основы конструирования машин и механизмов LEGO Technic:

Конструирование. Художественное конструирование. Механические передачи. Передаточное отношение. Эффективность. Люфт. Моторы LEGO Technic. Механизмы преобразующие вращательное в поступательное движение.

Проекты:

1. Автоматический шлагбаум.
2. Поворотная платформа.
3. Раздвижные автоматические двери.
4. Роботизированная тележка №01.
5. Роботизированная тележка №02.
6. Автоматический миксер.
7. Двухступенчатый редуктор (мультипликатор).
8. Автоматический стеклоочиститель.

6) Колесные системы передвижения роботов:

Общее представление о колесных системах передвижения мобильных роботов. Группа роботов, использующих при движении два колеса. Трехколесные роботы. Гусеничные роботы. Четырехколесные роботы. Всенаправленные роботы.

Практическая работа: Проверка зависимости периметра от диаметра колеса.

Проекты:

1. Молот.
2. Робот сегвей.
3. Трехколесный робот, использующий при движении два ведущих колеса.
4. Трехколесный робот, использующий при движении привод для управления поворотом пары ведущих колес.
5. Трехколесный робот использующего при движении три ведущих колеса.
6. Гусеничный робот с базовой схемой ходовой части.
7. Гусеничный робот с ходовой частью повышенной проходимости» (вариант 1).
8. Гусеничный робот с ходовой частью повышенной проходимости» (вариант 2).
9. Робот-посыльный.
10.  Робот - патрульный.
11.  Робот-гонщик.
12.  Трехколесный всенаправленный робот.

7)  Шагающие системы передвижения роботов:

Основные принципы проектирования шагающих роботов. Проектирование ног шагающих роботов. Конструирование и программирование шагающих роботов.

Проекты:

1. «Стопоходящая машина» П.Л. Чебышева.
2. Шагающий робот – простая модель» (авторская).
3. Шагающий робот, использующий при движении механизм Кланна.
4. Шагающий робот, использующий при движении механизм Тео Янсена.
5. Шагающий робот – сложная модель» (авторская).

8. Манипуляционные системы:

Конструирование и программирование манипуляторов. Промышленные роботы.

Практические работы:

1. Умный робот.
2. Сортировщик.
3. Поиск цели.
4. Сигнальные огни.
5. Подъемник с поиском груза.
6. Перенос груза.
7. Игры машин.
8. И снова огни.

       Проекты:

1. Робот манипулятор.
2. Мобильный промышленный робот.
3. Робот сапер

Примерный учебно-тематический план кружка

«Основы робототехники»