Рабочая программа по Робототехнике
рабочая программа (5 класс) на тему

Образовательная программа

                 « Робототехника: конструирование и программирование»

Возраст учащихся: 10-17 лет

Срок реализации программы: 3 года

Автор: Маркеев Максим Александрович

Комсомольск-на-Амуре

2017г.

Содержание

1. Пояснительная записка        3

1.1.Краткая характеристика предмета        3

1.2.Направленность образовательной программы        3

1.3. Новизна, актуальность и педагогическая целесообразность        3

1.4. Цель образовательной программы        4

1.5. Задачи образовательной программы        4

1.6. Отличительные особенности        5

1.7. Возраст детей, участвующих в реализации данной программы        5

1.8. Сроки реализации программы        5

1.9. Режим занятий        6

2. Учебно-тематический план дополнительной образовательной программы "Робототехника: конструирование и программирование".        7

2.1. Задачи первого года обучения        7

2.3. Ожидаемые результаты первого года обучения        8

2.4. Задачи второго года обучения        8

2.6. Ожидаемые результаты второго года обучения        9

2.7. Задачи третьего года обучения        9

2.9. Ожидаемые результаты третьего года обучения        11

3. Содержание дополнительной образовательной программы "Робототехника: конструирование и программирование"        12

3.1. Первый год обучения        12

3.2. Второй год обучения        13

3.3. Третий год обучения        15

4. Методическое обеспечение дополнительной образовательной программы "Робототехника: конструирование и программирование"        19

4.1. Формы организации занятий и деятельности детей        19

4.2. Методы организации учебного процесса        19

4.3. Ожидаемые результаты и способы определения их результативности        20

4.4. Формы подведения итогов реализации ДОП        20

4.5. Первый год обучения        21

4.6. Второй год обучения        22

4.7. Третий год обучения        23

5. Список литературы        26

5.1. Для педагога        26

5.2. Для детей и родителей        26

1. Пояснительная записка 

1. 1.1.Краткая характеристика предмета

С началом нового тысячелетия в большинстве стран робототехника стала занимать существенное место в школьном и университетском образовании, подобно тому, как информатика появилась в конце прошлого века и потеснила обычные предметы. По всему миру  проводятся конкурсы и состязания роботов для школьников и студентов: научно-технический фестиваль «Мобильные роботы» им. профессора Е.А. Девянина с 1999 г., игры роботов «Евробот» – с 1998 г., международные состязания роботов в России – с 2002 г., всемирные состязания роботов в странах Азии – с 2004 г., футбол роботов Robocup с 1993 г. и т.д. Лидирующие позиции в области школьной робототехники на сегодняшний день занимает фирма Lego (подразделение Lego Education) с образовательными конструкторами серии Mindstorms. В некоторых странах (США, Япония, Корея и др.) при изучении робототехники используются и более сложные кибернетические конструкторы.

В настоящее время активное развитие школьной робототехники наблюдается в Москве в результате целевого финансирования правительства столицы, в Челябинской области и некоторых других регионах России. Комсомольск на Амуре существенно отстает по количеству школ, занимающихся робототехникой, хотя уровень подготовки отдельных преподавателей и учащихся достаточно высокий. Назрела необходимость в некотором движущем центре, способном вовлечь в процесс как детей и педагогов, так и администрации школ и районов Дальневосточного региона.

2. 1.2.Направленность образовательной программы

Направленность программы - научно-техническая. Программа направлена на привлечение учащихся к современным технологиям конструирования, программирования и использования роботизированных устройств.

3. 1.3. Новизна, актуальность и педагогическая целесообразность

Последние годы одновременно с информатизацией общества лавинообразно расширяется применение микропроцессоров в качестве ключевых компонентов автономных устройств, взаимодействующих с окружающим миром без участия человека. Стремительно растущие коммуникационные возможности таких устройств, равно как и расширение информационных систем, позволяют говорить об изменении среды обитания человека. Авторитетными группами международных экспертов область взаимосвязанных роботизированных систем признана приоритетной, несущей потенциал революционного технологического прорыва^[1] и требующей адекватной реакции как в сфере науки, так и в сфере образования.

В связи с активным внедрением новых технологий в жизнь общества постоянно увеличивается потребность в высококвалифицированных специалистах. В ряде ВУЗов Санкт-Петербурга присутствуют специальности, связанные с робототехникой, но в большинстве случаев не происходит предварительной ориентации школьников на возможность продолжения учебы в данном направлении. Многие абитуриенты стремятся попасть на специальности, связанные с информационными технологиями, не предполагая о всех возможностях этой области. Между тем, игры в роботы, конструирование и изобретательство присущи подавляющему большинству современных детей. Таким образом, появилась возможность и назрела необходимость в непрерывном образовании в сфере робототехники. Заполнить пробел между детскими увлечениями и серьезной ВУЗовской подготовкой позволяет изучение робототехники в школе на основе специальных образовательных конструкторов.

Введение дополнительной образовательной программы «Робототехника» в школе неизбежно изменит картину восприятия учащимися технических дисциплин, переводя их из разряда умозрительных в разряд прикладных. Применение детьми на практике теоретических знаний, полученных на математике или физике, ведет к более глубокому пониманию основ, закрепляет полученные навыки, формируя образование в его наилучшем смысле. И с другой стороны, игры в роботы, в которых заблаговременно узнаются основные принципы расчетов простейших механических систем и алгоритмы их автоматического функционирования под управлением программируемых контроллеров, послужат хорошей почвой для последующего освоения сложного теоретического материала на уроках. Программирование на компьютере (например, виртуальных исполнителей) при всей его полезности для развития умственных способностей во многом уступает программированию автономного устройства, действующего в реальной окружающей среде. Подобно тому, как компьютерные игры уступают в полезности играм настоящим.

Возможность прикоснуться к неизведанному миру роботов для современного ребенка является очень мощным стимулом к познанию нового, преодолению инстинкта потребителя и формированию стремления к самостоятельному созиданию. При внешней привлекательности поведения, роботы могут быть содержательно наполнены интересными и непростыми задачами, которые неизбежно встанут перед юными инженерами. Их решение сможет привести к развитию уверенности в своих силах и к расширению горизонтов познания.

Новые принципы решения актуальных задач человечества с помощью роботов, усвоенные в школьном возрасте (пусть и в игровой форме), ко времени окончания вуза и начала работы по специальности отзовутся в принципиально новом подходе к реальным задачам. Занимаясь с детьми на кружках робототехники, мы подготовим специалистов нового склада, способных к совершению инновационного прорыва в современной науке и технике.

4. 1.4. Цель образовательной программы

• Создание условий для мотивации, подготовки и профессиональной ориентации школьников для возможного продолжения учебы в ВУЗах и последующей работы на предприятиях по специальностям, связанным с робототехникой.

1. 1.5. Задачи образовательной программы

1. Образовательные

• Использование современных разработок по робототехнике в области образования, организация на их основе активной внеурочной деятельности учащихся
• Ознакомление учащихся с комплексом базовых технологий, применяемых при создании роботов
• Реализация межпредметных связей с физикой, информатикой и математикой
• Решение учащимися ряда кибернетических задач, результатом каждой из которых будет работающий механизм или робот с автономным управлением

1. Развивающие

• Развитие у школьников инженерного мышления, навыков конструирования, программирования и эффективного использования кибернетических систем
• Развитие мелкой моторики, внимательности, аккуратности и изобретательности
• Развитие креативного мышления и пространственного воображения учащихся
• Организация и участие в играх, конкурсах и состязаниях роботов в качестве закрепления изучаемого материала и в целях мотивации обучения

1. Воспитательные

• Повышение мотивации учащихся к изобретательству и созданию собственных роботизированных систем
• Формирование у учащихся стремления к получению качественного законченного результата
• Формирование навыков проектного мышления, работы в команде

1. 1.6. Отличительные особенности

Данная образовательная программа имеет ряд отличий от уже существующих аналогов.

• Элементы кибернетики и теории автоматического управления адаптированы для уровня восприятия детей, что позволяет начать подготовку инженерных кадров уже с 5 класса школы.
• Существующие аналоги предполагают поверхностное освоение элементов робототехники с преимущественно демонстрационным подходом к интеграции с другими предметами. Особенностью данной программы является нацеленность на конечный результат, т.е. ребенок создает не просто внешнюю модель робота, дорисовывая в своем воображении его возможности. Ребенок создает действующее устройство, которое решает поставленную задачу.
• Программа плотно связана с массовыми мероприятиями в научно-технической сфере  для детей (турнирами, состязаниями, конференциями), что позволяет, не выходя за рамки учебного процесса, принимать активное участие в конкурсах различного уровня: от школьного до международного.

1. 1.7. Возраст детей, участвующих в реализации данной программы

• 10-13 лет – основная группа
• 14-17 лет – старшая группа

Программа может быть скорректирована в зависимости от возраста учащихся. Некоторые темы взаимосвязаны со школьным курсом и могут с одной стороны служить пропедевтикой, с другой стороны опираться на него. Например, передаточные отношения связаны с обыкновенными дробями, которые изучаются во второй половине 5 класса. Понятие скорости появляется на физике в 7 классе, но играет существенную роль в построении дифференциального регулятора.

Если кружок начинает функционирование в старшей группе, на многие темы потребуется гораздо меньше времени, но коснуться, так или иначе, нужно всего. Работая со старшеклассниками, проявившими интерес к робототехнике незадолго до окончания школы, приходится особенно бережно и тщательно относится к их времени: создавать индивидуальные планы и при необходимости сокращать трехгодичный курс до одного года.

2. 1.8. Сроки реализации программы

Программа рассчитана на трехгодичный цикл обучения.

В первый год учащиеся проходят курс конструирования, построения механизмов с электроприводом, а также знакомятся с основами программирования контроллеров базового набора.

Во второй год учащиеся изучают пневматику, возобновляемые источники энергии, сложные механизмы и всевозможные датчики для микроконтроллеров. Программирование в графической инженерной среде изучается углубленно. Происходит знакомство с программированием виртуальных роботов на языке программирования, схожем с Си.

На третий год учащиеся изучают основы теории автоматического управления, интеллектуальные и командные игры роботов, строят роботов-андроидов, а также занимаются творческими и исследовательскими проектами.

3. 1.9. Режим занятий

Занятия проводятся 2 раза в неделю по 2 учебных часа (144 часа) в первый и второй год обучения и 3 раза в неделю в 3 год обучения (216 часов).

1. 2. Учебно-тематический план дополнительной образовательной программы
   "Робототехника: конструирование и программирование".

1. 2.1. Задачи первого года обучения

1. Образовательные

• Использование современных разработок по робототехнике в области образования, организация на их основе активной внеурочной деятельности учащихся
• Ознакомление учащихся с комплексом базовых технологий, применяемых при создании роботов
• Реализация межпредметных связей с математикой

1. Развивающие

• Развитие у школьников инженерного мышления, навыков конструирования, программирования и эффективного использования кибернетических систем
• Развитие мелкой моторики, внимательности, аккуратности и изобретательности
• Развитие креативного мышления, и пространственного воображения учащихся
• Организация и участие в играх, конкурсах и состязаниях роботов в качестве закрепления изучаемого материала и в целях мотивации обучения

1. Воспитательные

• Повышение мотивации учащихся к изобретательству и созданию собственных роботизированных систем
• Формирование у учащихся стремления к получению качественного законченного результата

2.2. Содержание программы первого года обучения

Знакомство с конструктором, основными деталями и принципами крепления. Создание простейших механизмов, описание их назначения и принципов работы. Создание трехмерных моделей механизмов в среде визуального проектирования. Силовые машины. Использование встроенных возможностей микроконтроллера: просмотр показаний датчиков, простейшие программы, работа с файлами. Знакомство со средой программирования Robolab, базовые команды управления роботом, базовые алгоритмические конструкции. Простейшие регуляторы: релейный, пропорциональный. Участие в учебных состязаниях.

2. 2.3. Ожидаемые результаты первого года обучения

1. Образовательные

Освоение принципов работы простейших механизмов. Расчет передаточного отношения. Понимание принципа устройства робота как кибернетической системы. Использование простейших регуляторов для управления роботом. Решение задачи с использованием одного регулятора. Умение собрать базовые модели роботов и усовершенствовать их для выполнения конкретного задания. Навыки программирования в графической среде.

2. Развивающие

Изменения в развитии мелкой моторики, внимательности, аккуратности и особенностей мышления конструктора-изобретателя проявляется на самостоятельных задачах по механике. Строительство редуктора с заданным передаточным отношением и более сложных конструкций из множества мелких деталей является регулярной проверкой полученных навыков.

3. Воспитательные

Воспитательный результат занятий робототехникой можно считать достигнутым, если учащиеся проявляют стремление к самостоятельной работе, усовершенствованию известных моделей и алгоритмов, созданию творческих проектов. Участие в научных конференциях для школьников, открытых состязаниях роботов и просто свободное творчество во многом демонстрируют и закрепляют его.

Кроме того, простым, но важным результатом будет регулярное содержание своего рабочего места и конструктора в порядке, что само по себе непросто.

3. 2.4. Задачи второго года обучения

1. Образовательные

• Использование современных разработок по робототехнике в области образования, организация на их основе активной внеурочной деятельности учащихся
• Реализация межпредметных связей с информатикой и математикой
• Решение учащимися ряда кибернетических задач, результатом каждой из которых будет работающий механизм или робот с автономным управлением

1. Развивающие

• Развитие у школьников инженерного мышления, навыков конструирования, программирования и эффективного использования кибернетических систем
• Развитие мелкой моторики, внимательности, аккуратности и изобретательности
• Развитие креативного мышления и пространственного воображения учащихся
• Организация и участие в играх, конкурсах и состязаниях роботов в качестве закрепления изучаемого материала и в целях мотивации обучения

1. Воспитательные

• Повышение мотивации учащихся к изобретательству и созданию собственных роботизированных систем
• Формирование у учащихся стремления к получению качественного законченного результата

2.5. Содержание программы второго года обучения

Использование регуляторов. Решение задач с двумя контурами управления или с дополнительным заданием для робота (например, двигаться по линии и объезжать препятствия). Программирование виртуальных исполнителей. Текстовые среды программирования. Более сложные механизмы: рулевое управление, дифференциал, манипулятор и др. Двусоставные регуляторы. Участие в учебных состязаниях.

4. 2.6. Ожидаемые результаты второго года обучения

1. Образовательные

Использование регуляторов для управления роботом. Решение задачи с использованием двух регуляторов или дополнительного задания для робота. Умение конструировать сложные модели роботов с использованием дополнительных механизмов. Расширенные возможности графического программирования. Навыки программирования исполнителей в текстовой среде.

2. Развивающие

Изменения в развитии мелкой моторики, внимательности, аккуратности и особенностей мышления конструктора-изобретателя проявляется на самостоятельных задачах по механике. Новые алгоритмические задачи позволяют научиться выстраивать сложные параллельные процессы и управлять ими.

3. Воспитательные

Воспитательный результат занятий робототехникой можно считать достигнутым, если учащиеся проявляют стремление к самостоятельной работе, усовершенствованию известных моделей и алгоритмов, созданию творческих проектов. Самостоятельная подготовка к состязаниям, стремление к получению высокого результата.

5. 2.7. Задачи третьего года обучения

1. Образовательные

• Использование современных разработок по робототехнике в области образования, организация на их основе активной внеурочной деятельности учащихся
• Ознакомление учащихся с комплексом базовых технологий, применяемых при создании роботов
• Реализация межпредметных связей с физикой, информатикой и математикой
• Решение учащимися ряда кибернетических задач, результатом каждой из которых будет работающий механизм или робот с автономным управлением

1. Развивающие

• Развитие у школьников инженерного мышления, навыков конструирования, программирования и эффективного использования кибернетических систем
• Развитие креативного мышления и пространственного воображения учащихся
• Организация и участие в играх, конкурсах и состязаниях роботов в качестве закрепления изучаемого материала и в целях мотивации обучения

1. Воспитательные

• Повышение мотивации учащихся к изобретательству и созданию собственных роботизированных систем
• Формирование у учащихся стремления к получению качественного законченного результата
• Формирование навыков проектного мышления, работы в команде

2.8. Содержание программы третьего года обучения

Освоение текстового программирования в среде RobotC. Исследовательский подход к решению задач. Использование памяти робота для повторения комплексов действий. Элементы технического зрения. Расширения контроллера для получения дополнительных возможностей робота. Работа над творческими проектами. Выступления на детских научных конференциях. Участие в учебных состязаниях. Решение задач на сетевое взаимодействие роботов.

6. 2.9. Ожидаемые результаты третьего года обучения

1. Образовательные

Знакомство с языком Си. Расширенные возможности текстового программирования. Умение составить программу для решения многоуровневой задачи. Процедурное программирование. Использование нестандартных датчиков и расширений контроллера. Умение пользоваться справочной системой и примерами.

2. Развивающие

Способность к постановке задачи и оценке необходимых ресурсов для ее решения. Планирование проектной деятельности, оценка результата. Исследовательский подход к решению задач, поиск аналогов, анализ существующих решений.

3. Воспитательные

Воспитательный результат занятий робототехникой можно считать достигнутым, если учащиеся проявляют стремление к самостоятельной работе, усовершенствованию известных моделей и алгоритмов, созданию творческих проектов. Участие в научных конференциях для школьников, открытых состязаниях роботов и просто свободное творчество во многом демонстрируют и закрепляют его. Способность работать в команде является результатом проектной деятельности.

2. 3. Содержание дополнительной образовательной программы
   "Робототехника: конструирование и программирование"

1. 3.1. Первый год обучения

1. Инструктаж по ТБ.
2. Введение: информатика, кибернетика, робототехника.
3. Основы конструирования (Простейшие механизмы. Принципы крепления деталей. Рычаг. Зубчатая передача: прямая, коническая, червячная. Передаточное отношение. Ременная  передача, блок. Колесо, ось. Центр тяжести. Измерения. Решение практических задач).

1. Названия и принципы крепления деталей.
2. Строительство высокой башни.
3. Хватательный механизм.
4. Виды механической передачи. Зубчатая и ременная передача. Передаточное отношение.
5. Повышающая передача. Волчок.
6. Понижающая передача. Силовая «крутилка».
7. Редуктор. Осевой редуктор с заданным передаточным отношением
8. Зачет.

4. Моторные механизмы (механизмы с использованием электромотора и батарейного блока. Роботы-автомобили, тягачи, простейшие шагающие роботы)

1. Стационарные моторные механизмы.
2. Одномоторный гонщик.
3. Преодоление горки.
4. Робот-тягач.
5. Сумотори.
6. Шагающие роботы.
7. Маятник Капицы.
8. Зачет.

5. Трехмерное моделирование (Создание трехмерных моделей конструкций из Lego)

1. Введение в виртуальное конструирование. Зубчатая передача.
2. Простейшие модели.

6. Введение в робототехнику (Знакомство с контроллером NXT. Встроенные программы. Датчики. Среда программирования. Стандартные конструкции роботов. Колесные, гусеничные и шагающие роботы. Решение простейших задач. Цикл, Ветвление, параллельные задачи.)

1. Знакомство с контроллером NXT.
2. Одномоторная тележка.
3. Встроенные программы.
4. Двухмоторная тележка.
5. Датчики.
6. Среда программирования Robolab.
7. Колесные, гусеничные и шагающие роботы.
8. Решение простейших задач.
9. Цикл, Ветвление, параллельные задачи.
10. Кегельринг.
11. Следование по линии.
12. Путешествие по комнате.
13. Поиск выхода из лабиринта.

7. Основы управления роботом (Эффективные конструкторские и программные решения классических задач. Эффективные методы программирования: регуляторы, события, параллельные задачи, подпрограммы, контейнеры и пр.)

1. Релейный регулятор.
2. Пропорциональный регулятор.
3. Защита от застреваний.
4. Траектория с перекрестками.
5. Пересеченная местность.
6. Обход лабиринта по правилу правой руки.
7. Анализ показаний разнородных датчиков.
8. Синхронное управление двигателями.
9. Робот-барабанщик.

8. Удаленное управление (Управление роботом через bluetooth.)

1. Передача числовой информации.
2. Кодирование при передаче.
3. Управление моторами через bluetooth.
4. Устойчивая передача данных.

9. Игры роботов (Боулинг, футбол, баскетбол, командные игры с использованием инфракрасного мяча и других вспомогательных устройств. Использование удаленного управления. Проведение состязаний, популяризация новых видов робо-спорта.)

1. «Царь горы».
2. Управляемый футбол роботов.
3. Теннис роботов.
4. Футбол с инфракрасным мячом (основы).

10. Состязания роботов (Подготовка команд для участия в состязаниях роботов различных уровней, вплоть до всемирных. Регулярные поездки. Использование микроконтроллеров NXT и RCX.)

1. Сумо.
2. Перетягивание каната.
3. Кегельринг.
4. Следование по линии.
5. Слалом.
6. Лабиринт.
7. Интеллектуальное сумо.

11. Творческие проекты^[2] (Разработка творческих проектов на свободную тематику. Одиночные и групповые проекты. Регулярные выставки и поездки.)

1. Правила дорожного движения.
2. Роботы-помощники человека.
3. Роботы-артисты.
4. Свободные темы.

2. 3.2. Второй год обучения

1. Инструктаж по ТБ.
2. Повторение. Основные понятия (передаточное отношение, регулятор, управляющее воздействие и др.).
3. Базовые регуляторы (Задачи с использованием релейного многопозиционного регулятора, пропорционального регулятора).

1. Следование за объектом. Одномоторная тележка. Контроль скорости. П-регулятор.
2. Двухмоторная тележка. Следование по линии за объектом. Безаварийное движение.
3. Объезд объекта. Слалом.
4. Движение по дуге с заданным радиусом. Спираль.
5. Вывод данных на экран. Работа с переменными.
6. Следование вдоль стены. ПД-регулятор.
7. Поворот за угол. Сглаживание. Фильтр первого рода.
8. Управление положением серводвигателей.

4. Пневматика^[3] (Построение механизмов, управляемых сжатым воздухом. Использование помп, цилиндров, баллонов, переключателей и т.п.)

1. Пресс
2. Грузоподъемники
3. Евроокна
4. Регулируемое кресло
5. Манипулятор
6. Штамповщик
7. Электронасос
8. Автоматический регулятор давления

5. Трехмерное моделирование (Создание трехмерных моделей конструкций из Lego)

1. Проекция и трехмерное изображение.
2. Создание руководства по сборке.
3. Ключевые точки.
4. Создание отчета.

6. Программирование и робототехника (Эффективные конструкторские и программные решения классических задач. Эффективные методы программирования и управления: регуляторы, события, параллельные задачи, подпрограммы, контейнеры и пр. Сложные конструкции: дифференциал, коробка передач, транспортировщики, манипуляторы, маневренные шагающие роботы и др.)

1. Траектория с перекрестками.
2. Поиск выхода из лабиринта.
3. Транспортировка объектов.
4. Эстафета. Взаимодействие роботов.
5. Шестиногий маневренный шагающий робот.
6. Ралли по коридору. Рулевое управление и дифференциал.
7. Скоростная траектория. Передаточное отношение и ПД-регулятор.
8. Плавающий коэффициент. Кубический регулятор.

7. Элементы мехатроники (управление серводвигателями, построение робота-манипулятора)

1. Принцип работы серводвигателя.
2. Сервоконтроллер.
3. Робот-манипулятор. Дискретный регулятор.

8. Решение инженерных задач (Сбор и анализ данных. Обмен данными с компьютером. Простейшие научные эксперименты и исследования.)

1. Подъем по лестнице.
2. Постановка робота-автомобиля в гараж.
3. Погоня: лев и антилопа.

9. Альтернативные среды программирования (Изучение различных сред и языков программирования роботов на базе NXT.)

1. Структура программы.
2. Команды управления движением.
3. Работа с датчиками.
4. Ветвления и циклы.
5. Переменные.
6. Подпрограммы.
7. Массивы данных.

10. Игры роботов (Теннис, футбол, командные игры с использованием инфракрасного мяча и других вспомогательных устройств. Программирование удаленного управления. Проведение состязаний, популяризация новых видов робо-спорта.)

1. Управляемый футбол.
2. Теннис.
3. Футбол с инфракрасным мячом. Пенальти.

11. Состязания роботов (Подготовка команд для участия в состязаниях роботов различных уровней, вплоть до всемирных. Регулярные поездки. Использование различных контроллеров).

1. Интеллектуальное Сумо.
2. Кегельринг-макро.
3. Следование по линии.
4. Лабиринт.
5. Слалом.
6. Дорога-2.
7. Эстафета.
8. Лестница.
9. Канат.
10. Инверсная линия.
11. Гонки шагающих роботов.
12. Международные состязания роботов (по правилам организаторов).

12. Среда программирования виртуальных роботов Ceebot.

1. Знакомство с языком Cbot. Управление роботом.
2. Транспортировка объектов.
3. Радар. Поиск объектов.
4. Циклы. Ветвления.
5. Цикл с условием. Ожидание события.
6. Ориентация в лабиринте. Правило правой руки.
7. Ралли по коридору.
8. ПД-регулятор с контролем скорости.
9. Летательные аппараты.
10. Тактика воздушного боя.

13. Творческие проекты^[4] (Разработка творческих проектов на свободную тематику. Одиночные и групповые проекты. Регулярные выставки, доклады и поездки.)

1. Человекоподобные роботы.
2. Роботы-помощники человека.
3. Роботизированные комплексы.
4. Охранные системы.
5. Защита окружающей среды.
6. Роботы и искусство.
7. Роботы и туризм.
8. Правила дорожного движения.
9. Роботы и космос.
10. Социальные роботы.
11. Свободные темы.

1. 3.3. Третий год обучения

1. Инструктаж по ТБ.
2. Повторение. Основные понятия (передаточное отношение, регулятор, управляющее воздействие и др.).
3. Знакомство с языком RobotC.

1. Вывод на экран.
2. Управление моторами. Встроенные энкодеры.
3. Графика на экране контроллера.
4. Работа с датчиками. Вывод графиков показаний на экран.
5. Подпрограммы: функции с параметрами.
6. Косвенная рекурсия. Алгоритм «Ханойские башни».
7. Массивы. Запоминание положений энкодера.
8. Параллельные задачи. Воспроизведение положений энкодера.
9. Операции с файлами.
10. Запоминание пройденного пути в файл. Воспроизведение.
11. Множественный выбор. Конечный автомат.

4. Применение регуляторов (задачи стабилизации, поиска объекта, движение по заданному пути).

1. Следование за объектом.
2. Следование по линии.
3. Следование вдоль стенки.
4. Управление положением серводвигателей.
5. Перемещение манипулятора.

5. Элементы ТАУ (релейный многопозиционный регулятор, пропорциональный регулятор, дифференциальный регулятор, кубический регулятор, плавающие коэффициенты, периодическая синхронизация, фильтры)

1. Релейный многопозиционный регулятор.
2. Пропорциональный регулятор.
3. Пропорционально-дифференциальный регулятор.
4. Стабилизация скоростного робота на линии.
5. Фильтры первого рода.
6. Движение робота вдоль стенки.
7. Движение по линии с двумя датчиками.
8. Кубический регулятор.
9. Преодоление резких поворотов.
10. Плавающие коэффициенты.
11. Гонки по линии.
12. Периодическая синхронизация двигателей.
13. Шестиногий шагающий робот.
14. ПИД-регулятор.

6. Роботы-андроиды^[5] (построение и программирование роботов на основе сервоприводов, сервоконтроллеров и модулей датчиков)

1. Шлагбаум.
2. Мини-манипулятор.
3. Серво постоянного вращения.
4. Колесный робот в лабиринте.
5. Мини-андроид.
6. Робот-собачка.
7. Робот-гусеница.
8. Трехпальцевый манипулятор.
9. Роботы-пауки.
10. Роботы-андроиды.
11. Редактор движений.
12. Удаленное управление по bluetooth.
13. Взаимодействие роботов.

7. Трехмерное моделирование (Создание трехмерных моделей конструкций из Lego)

1. Проекция и трехмерное изображение.
2. Создание руководства по сборке.
3. Ключевые точки.
4. Создание отчета.

8. Решение инженерных задач (Сбор и анализ данных. Обмен данными с компьютером. Простейшие научные эксперименты и исследования.)

1. Стабилизация перевернутого маятника на тележке.
2. Исследование динамики робота-сигвея.
3. Постановка робота-автомобиля в гараж.
4. Оптимальная парковка робота-автомобиля.
5. Ориентация робота на местности.
6. Построение карты.
7. Погоня: лев и антилопа.

9. Знакомство с языком Си^[6] (Изучение различных сред с языком программирования Си для микроконтроллеров.)

1. Структура программы.
2. Команды управления движением.
3. Работа с датчиками.
4. Ветвления и циклы.
5. Переменные.
6. Подпрограммы.
7. Массивы данных.

10. Сетевое взаимодействие роботов (Устойчивая передача данных, распределенные системы, коллективное взаимодействие.)

1. Устойчивая передача данных по каналу Bluetooth.
2. Распределенные системы.
3. Коллективное поведение.

11. Основы технического зрения^[7] (использование бортовой и беспроводной веб-камеры)

1. Поиск объектов.
2. Слежение за объектом.
3. Следование по линии.
4. Передача изображения.
5. Управление с компьютера.

12. Игры роботов (Футбол: командные игры с использованием инфракрасного мяча и других вспомогательных устройств.  Программирование коллективного поведения и удаленного управления. Простейший искусственный интеллект. Проведение состязаний, популяризация новых видов робо-спорта.)

1. Автономный футбол с инфракрасным мячом.
2. Теннис роботов.
3. Футбол роботов.

13. Состязания роботов (Подготовка команд для участия в состязаниях роботов различных уровней, вплоть до всемирных. Регулярные поездки. Использование различных контроллеров)

1. Интеллектуальное Сумо.
2. Кегельринг-макро.
3. Следование по линии.
4. Лабиринт.
5. Слалом.
6. Дорога-2.
7. Эстафета.
8. Лестница.
9. Канат.
10. Инверсная линия.
11. Гонки шагающих роботов.
12. Линия-профи.
13. Гонки балансирующих роботов-сигвеев.
14. Международные состязания роботов (по правилам организаторов).
15. Танцы роботов-андроидов.
16. Полоса препятствий для андроидов.

14. Творческие проекты (Разработка творческих проектов на свободную тематику. Одиночные и групповые проекты. Регулярные выставки, доклады и поездки.)

1. Человекоподобные роботы.
2. Роботы-помощники человека.
3. Роботизированные комплексы.
4. Охранные системы.
5. Защита окружающей среды.
6. Роботы и искусство.
7. Роботы и туризм.
8. Правила дорожного движения.
9. Роботы и космос.
10. Социальные роботы.
11. Свободные темы.

3. 4. Методическое обеспечение дополнительной образовательной программы
   "Робототехника: конструирование и программирование"

2. 4.1. Формы организации занятий и деятельности детей

1. Основная форма занятий

Преподаватель ставит новую техническую задачу, решение которой ищется совместно. При необходимости выполняется эскиз конструкции. Если для решения требуется программирование, учащиеся самостоятельно составляют программы на компьютерах (возможно по предложенной преподавателем схеме). Далее учащиеся работают в группах по 2 человека, ассистент преподавателя (один из учеников) раздает конструкторы с контроллерами и дополнительными устройствами. Проверив наличие основных деталей, учащиеся приступают к созданию роботов. При необходимости преподаватель раздает учебные карточки со всеми этапами сборки (или выводит изображение этапов на большой экран с помощью проектора). Программа загружается учащимися из компьютера в контроллер готовой модели робота, и проводятся испытания на специально приготовленных полях. При необходимости производится модификация программы и конструкции. На этом этапе возможно разделение ролей на конструктора и программиста. По выполнении задания учащиеся делают выводы о наиболее эффективных механизмах и программных ходах, приводящих к решению проблемы. Удавшиеся модели снимаются на фото и видео. На заключительной стадии полностью разбираются модели роботов и укомплектовываются конструкторы, которые принимает ассистент. Фото- и видеоматериал по окончании урока размещается на специальном школьном сетевом ресурсе для последующего использования учениками.

2. Дополнительная форма занятий

Для закрепления изученного материала, мотивации дальнейшего обучения и выявления наиболее способных учеников регулярно проводятся состязания роботов. Учащимся предоставляется возможность принять участие в состязаниях самых разных уровней: от школьных до международных. Состязания проводятся по следующему регламенту.

Заранее публикуются правила, материал которых соответствует пройденным темам на уроках и факультативе. На нескольких занятиях с учащимися проводится подготовка к состязаниям, обсуждения и тренировки. Как правило, в состязаниях участвуют команды по 2 человека. В день состязаний каждой команде предоставляется конструктор и необходимые дополнительные детали, из которых за определенный промежуток времени необходимо собрать робота, запрограммировать его на компьютере и отладить на специальном поле. Для некоторых видов состязаний роботы собираются заранее. Готовые роботы сдаются судьям на осмотр, затем по очереди запускаются на полях, и по очкам, набранным в нескольких попытках, определяются победители.

3. 4.2. Методы организации учебного процесса

Словесные методы (беседа, анализ) являются необходимой составляющей учебного процесса. В начале занятия происходит постановка задачи, которая производится, как правило самими детьми, в сократической беседе. В процессе – анализ полученных результатов и принятие решений о более эффективных методах и усовершенствованиях конструкции, алгоритма, а, может, и самой постановки задачи. Однако наиболее эффективными для ребенка, несомненно, являются наглядные и практические методы, в которых учитель не просто демонстрирует процесс или явление, но и помогает учащемуся самостоятельно воспроизвести его. Использование такого гибкого инструмента, как конструктор с программируемым контроллером, позволяет быстро и эффективно решить эту задачу.

4. 4.3. Ожидаемые результаты и способы определения их результативности

1. Образовательные

Результатом занятий робототехникой будет способность учащихся к самостоятельному решению ряда задач с использованием образовательных робототехнических конструкторов, а также создание творческих проектов. Конкретный результат каждого занятия – это робот или механизм, выполняющий поставленную задачу. Проверка проводится как визуально – путем совместного тестирования роботов, так и путем изучения программ и внутреннего устройства конструкций, созданных учащимися. Результаты каждого занятия вносятся преподавателем в рейтинговую таблицу. Основной способ итоговой проверки – регулярные зачеты с известным набором пройденных тем. Сдача зачета является обязательной, и последующая пересдача ведется «до победного конца».

2. Развивающие

Изменения в развитии мелкой моторики, внимательности, аккуратности и особенностей мышления конструктора-изобретателя проявляется на самостоятельных задачах по механике. Строительство редуктора с заданным передаточным отношением и более сложных конструкций из множества мелких деталей является регулярной проверкой полученных навыков.

Наиболее ярко результат проявляется в успешных выступлениях на внешних состязаниях роботов и при создании  защите самостоятельного творческого проекта. Это также отражается в рейтинговой таблице.

3. Воспитательные

Воспитательный результат занятий робототехникой можно считать достигнутым, если учащиеся проявляют стремление к самостоятельной работе, усовершенствованию известных моделей и алгоритмов, созданию творческих проектов. Участие в научных конференциях для школьников, открытых состязаниях роботов и просто свободное творчество во многом демонстрируют и закрепляют его.

Кроме того, простым, но важным результатом будет регулярное содержание своего рабочего места и конструктора в порядке, что само по себе непросто.

5. 4.4. Формы подведения итогов реализации ДОП

• В течение курса предполагаются регулярные зачеты, на которых решение поставленной заранее известной задачи принимается в свободной форме (не обязательно предложенной преподавателем). При этом тематические состязания роботов также являются методом проверки, и успешное участие в них освобождает от соответствующего зачета.
• По окончании курса учащиеся защищают творческий проект,  требующий проявить знания и навыки по ключевым темам.
• По окончании каждого года проводится переводной зачет, а в начале следующего он дублируется для вновь поступающих.
• Кроме того, полученные знания и навыки проверяются на открытых конференциях и международных состязаниях, куда направляются наиболее успешные ученики.
• Основные из таких конференций - «Школьная информатика и проблемы устойчивого развития», которая проводится в апреле уже много лет. С 2009 г. на базе ФМЛ №239 функционирует секция робототехники, где учащиеся делают доклады и представляют свои творческие проекты.
• Для робототехников всех возрастов и уровней подготовки возможно участие в международных состязаниях роботов, первый этап которых ежегодно проводится в Санкт-Петербурге, второй в Москве, третий – в одной из стран Азии. В 2014 г. Всемирная олимпиада роботов пройдет в России.
• Балтийский научно-инженерный конкурс проводится зимой и собирает разработки учащихся в самых разных областях науки и техники. Это конкурс доступен для ребят, серьезно занимающихся робототехникой.
• И, наконец, ведется организация собственных открытых состязаний роботов (например, командный футбол роботов и т.п.) с привлечением участников из других учебных заведений.

6. 4.5. Первый год обучения

7. 4.6. Второй год обучения

8. 4.7. Третий год обучения

4. 5. Список литературы

1. 5.1. Для педагога

1. Робототехника для детей и родителей^[8]. С.А.Филиппов. СПб: Наука, 2010.
2. Санкт-Петербургские олимпиады по кибернетике М.С.Ананьевский, Г.И.Болтунов, Ю.Е.Зайцев, А.С.Матвеев, А.Л.Фрадков, В.В.Шиегин. Под ред. А.Л.Фрадкова, М.С.Ананьевского. СПб.: Наука, 2006.
3. Журнал «Компьютерные инструменты в школе», подборка статей за 2010 г. «Основы робототехники на базе конструктора Lego Mindstorms NXT».
4. The LEGO MINDSTORMS NXT Idea Book. Design, Invent, and Build by Martijn Boogaarts, Rob Torok, Jonathan Daudelin, et al. San Francisco: No Starch Press, 2007.
5. LEGO Technic Tora no Maki, ISOGAWA Yoshihito, Version 1.00 Isogawa Studio, Inc., 2007, http://www.isogawastudio.co.jp/legostudio/toranomaki/en/.
6. CONSTRUCTOPEDIA NXT Kit 9797, Beta Version 2.1, 2008, Center for Engineering Educational Outreach, Tufts University, http://www.legoengineering.com/library/doc_download/150-nxt-constructopedia-beta-21.html.
7. Lego Mindstorms NXT. The Mayan adventure. James Floyd Kelly. Apress, 2006.
8. Engineering with LEGO Bricks and ROBOLAB. Third edition. Eric Wang. College House Enterprises, LLC, 2007.
9. The Unofficial LEGO MINDSTORMS NXT Inventor's Guide. David J. Perdue. San Francisco: No Starch Press, 2007.
10. http://www.legoeducation.info/nxt/resources/building-guides/
11. http://www.legoengineering.com/

1. 5.2. Для детей и родителей

12. Робототехника для детей и родителей^[9]. С.А.Филиппов. СПб: Наука, 2010.
13. Санкт-Петербургские олимпиады по кибернетике М.С.Ананьевский, Г.И.Болтунов, Ю.Е.Зайцев, А.С.Матвеев, А.Л.Фрадков, В.В.Шиегин. Под ред. А.Л.Фрадкова, М.С.Ананьевского. СПб.: Наука, 2006.
14. Журнал «Компьютерные инструменты в школе», подборка статей за 2010 г. «Основы робототехники на базе конструктора Lego Mindstorms NXT».
15. Я, робот. Айзек Азимов. Серия: Библиотека приключений. М: Эксмо, 2002.