Учебная программа дополнительного образования базового уровня "Робототехника"
учебно-методический материал

Пояснительная записка

Нормативно-правовые документы

1. Конституция РФ.

2. Конвенция о правах ребенка, одобренная Генеральной Ассамблеей ООН 20.11 1989г.

3.  Федеральный закон Российской Федерации от 29.12.2012 № 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации»

4. Федеральный  закон РФ от 24.07.1998 3124-Ф3 (в редакции от 21.12.2004) «Об основных гарантиях прав ребенка в Российской  Федерации»

5. Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 03.04.2003 №27 «О введении в действие санитарно-эпидемиологических правил и нормативов СанПиН 2.4.4.1251-03»

6. Приказом Министерства образования и науки РФ №196 от 09.11.2018 г. «Об утверждении порядка, организации и осуществления образовательной деятельности по дополнительным образовательным программам».

7. Приказом КГАОУ ДО «Центр развития творчества детей (Региональный модельный центр дополнительного образования детей Хабаровского края)» от 26.09.2019г №383 «Об утверждении Положения о дополнительной общеобразовательной программе, реализуемой в Хабаровском крае».

        Предмет робототехники  это создание и применение роботов, других средств робототехники и основанных на них технических систем и комплексов различного назначения.

        Возникнув на основе кибернетики и механики, робототехника, в свою очередь, породила новые направления развития и самих этих наук. В кибернетике это связано, прежде всего, с интеллектуальным направлением и бионикой как источником новых, заимствованных у живой природы идей, а в механике – с многостепенными механизмами типа манипуляторов.

        Робототехника - это проектирование и конструирование всевозможных интеллектуальных механизмов - роботов, имеющих модульную структуру и обладающих мощными микропроцессорами.

        На занятиях по Робототехнике осуществляется работа с образовательными конструкторами серии LEGO Mindstorms NXT/EV3. Для создания программы, по которой будет действовать модель, используется специальный язык программирования RoboLab.

        Образовательная программа по робототехнике "ROBOT "  это один из интереснейших способов изучения компьютерных технологий и программирования. Во время занятий обучающиеся научаться проектировать, создавать и программировать  роботов. Командная работа над практическими заданиями способствует глубокому изучению составляющих современных роботов, а визуальная программная среда позволит легко и эффективно изучить алгоритмизацию и программирование.

        В распоряжении детей будут предоставлены Лего-конструкторы, оснащенные специальным микропроцессором, позволяющим создавать программируемые модели роботов. С его помощью обучаемый может запрограммировать робота на выполнение определенных функций.

Дополнительным преимуществом изучения робототехники является создание команды единомышленников и ее участие в олимпиадах по робототехнике, что значительно усиливает мотивацию ребят к получению знаний.

        Образовательная программа  «Робототехника» является модифицированной.  Направленность данной программы научно-техническая, так как в наше время робототехники и компьютеризации ребенка необходимо учить решать задачи с помощью робототехнических устройств, которые он сам может спроектировать, защищать свое решение и воплотить его в реальной модели, т.е. непосредственно сконструировать и запрограммировать.         

        Актуальность развития этой темы заключается в том, что в настоящий момент в России развиваются нано технологии, электроника, механика и программирование. Т.е. созревает благодатная почва для развития компьютерных технологий и робототехники.

        В педагогической целесообразности этой темы не приходиться сомневаться, т.к. дети научатся объединять реальный мир с виртуальным. В процессе конструирования и программирования кроме этого дети   получат дополнительное образование в области физики, механики, электроники и информатики.

Возраст детей, участвующих в реализации данной дополнительной образовательной программы от 10 до 17 лет. В коллектив могут  быть приняты все желающие, не имеющие противопоказаний по здоровью.

Для реализации программ «Робототехника» необходимо следующее материально-техническое обеспечение:

1. Компьютерный класс – на момент программирования робототехнических средств, программирования контроллеров конструкторов, настройки самих конструкторов, отладки программ, проверка совместной работоспособности программного продукта и модулей конструкторов LEGO.

2. Наборы конструкторов:

- LEGO Mindstorm NXT Education – 4 шт.;

- LEGO Mindstorms EV3 – 2 шт.;

- программный продукт – по количеству компьютеров в классе;

- поля для проведения соревнования роботов –5 шт.;

- зарядное устройство для конструктора – 2 шт.

- ящик для хранения конструкторов.

Сроки реализации программы 2 года.

Режим работы: 1-й год обучения 2 занятия в неделю по 3 часа, часовая нагрузка - 216 часов в год;  2-й год обучения – 2 занятия в неделю по 3 часа, часовая нагрузка - 216 часов в год.

Цель: развитие творческих способностей и формирование раннего профессионального самоопределения подростков и юношества в процессе конструирования и проектирования.  

Задачи:

Предметные:

- дать первоначальные знания по устройству робототехнических устройств;

- научить основным приемам сборки и программирования робототехнических средств;

- сформировать общенаучные и технологические навыки конструирования и проектирования;

- ознакомить с правилами безопасной работы с инструментами необходимыми при конструировании робототехнических средств.

Метапредметные:

- формировать творческое отношение по выполняемой работе;

- воспитывать умение работать в коллективе.

Личностные:

- развивать творческую инициативу и самостоятельность;

- развивать психофизиологические качества обучающихся: память, внимание, способность логически мыслить, анализировать, концентрировать внимание на главном.

Прогнозируемый результат:

1 год обучения

Предметные:

− получены первоначальные знания о конструкциях механизмов повседневной техники,

приемах сборки различных механических устройств;

− изучены основные приемы и правила выполнения простейших механических

проектов;

− обучающиеся знают с правила безопасной работы с инструментами.

Личностные:

− развита творческая активность и самостоятельность в принятии решений при

выполнении проектной деятельности;

− сформировано техническое мышление.

Метапредметные:

− воспитана ответственность, развиты коммуникативные способности;

− развито умение работать в группах, распределять роли в команде;

− обучающиеся умеют находить общее решение и разрешать конфликты на основе

согласования позиций.

2 год обучения

Предметные:

− развиты навыки конструирования;

− развито техническое мышление обучающихся и сформирована современная картина

мира;

− изучены различные компоненты конструирования, материалы и инструменты;

− сформированы общенаучные и технологические навыки конструирования и

программирования;

− получены знания в части проведения необходимых математических расчетов;

− приобретены навыки работы с оборудованием.

Личностные:

− обучающиеся умеют ставить технические задачи и находить методы их решения.

− развито умение анализировать ситуацию.

Метапредметные:

− воспитаны ответственность, развиты коммуникативные способности;

− обучающиеся умеют взаимодействовать при работе над совместным проектом в

больших и малых группах;

− развиты навыки выполнения проектной деятельности (планирование предстоящих

действий, применение полученных знаний, приемов и опыта конструирования

механизмов);

− сформированы навыки планирования хода выполнения задания;

− обучающиеся приобщены к научным ценностям и достижениям современной

техники.

Ожидаемые результаты программы дополнительного образования и способы определения их результативности заключаются в следующем:

- результаты работ учеников будут зафиксированы на фото и видео в момент демонстрации созданных ими роботов из имеющихся в наличии учебных конструкторов по робототехнике;

- фото и видео материалы по результатам  работ учеников будут представлены для участия на фестивалях и олимпиадах разного уровня.

Механизм отслеживания результатов

Предусматриваются различные формы подведения итогов реализации дополнительной образовательной программы:

- соревнования;

- учебно-исследовательские конференции (например: научно практическая конференция городских учебно-исследовательских работ)

- отчеты обучающихся со своими работами по телевидению;

- отчеты о проделанной работе в местной прессе;

- подготовка рекламных буклетов о проделанной работе;

- отзывы преподавателя и родителей на сайте образовательного учреждения дополнительного образования.

Учебный  план  

1-й год обучения.

Учебно-тематическое планирование.

Содержание.

1. Робототехника для начинающих, базовый уровень.(8ч.)

Теория: Рассказ о развитии робототехники в мировом сообществе и в частности в России. Показ видео роликов о роботах и роботостроении. Правила техники безопасности.  Основы робототехники.   Понятия: датчик, интерфейс, алгоритм и т.п.

Практика: Алгоритм программы представляется по принципу LEGO. Из визуальных блоков составляется программа. Каждый блок включает конкретное задание и его выполнение. По такому же принципу собирается сам робот из различных комплектующих узлов (датчик, двигатель, зубчатая передача и т.д.) узлы связываются при помощи интерфейса (провода, разъемы, системы связи, оптику и т.д.)

2. Технология NXT/EV3. (12ч.)

Теория:  О технологии NXT/EV3.

- Установка батарей.

- Главное меню.

- Сенсор цвета и цветная подсветка.

- Сенсор нажатия.

- Ультразвуковой сенсор.

- Интерактивные сервомоторы.

- Использование  Bluetooth.

Практика:  NXT является «мозгом» робота MINDSTORMS. Это интеллектуальный, управляемый компьютером элемент конструктоа LEGO, позволяющий роботу ожить и осуществлять различные действия.

Различные сенсоры необходимы для выполнения определенных действий. Обход препятствия. Движение по траектории и т.д.

3. Знакомство с конструктором.  (12ч.)

Теория: Твой конструктор (состав, возможности).

- Основные детали (название и назначение).

- Датчики (назначение, единицы измерения).

- Двигатели.

-Микрокомпьютер NXT/EV3.

- Аккумулятор (зарядка, использование)

- Как правильно разложить детали в наборе.

Практика: В конструкторе MINDSTORMS NXT/EV3 применены новейшие технологии робототехники: современный 32 – битный программируемый микроконтроллер; программное обеспечение, с удобным интерфейсом на базе образов и с возможностью перетаскивания объектов, а так же с поддержкой интерактивности; чувствительные сенсоры и интерактивные сервомоторы; разъемы для беспроводного Bluetooth и USB подключений. Различные сенсоры необходимы для выполнения определенных действий. Определение цвета и света. Обход препятствия. Движение по траектории и т.д.

4. Начало работы.  (16ч.)

Теория: Включение \ выключение микрокомпьютера (аккумулятор, батареи, включение, выключение).

- Подключение двигателей и датчиков (комплектные элементы, двигатели и датчики NXT/EV3).

- Тестирование (Try me).

- Мотор.

- Датчик освещенности.

- Датчик звука.

- Датчик касания.

- Ультразвуковой датчик.

- Структура меню NXT/EV3.

- Снятие показаний с датчиков (view).

Практика: Для начала работы заряжаем  батареи. Учимся включать и выключать микроконтроллер. Подключаем двигатели и различные датчики с последующим тестирование конструкции робота.

5. Программное обеспечение NXT/EV3.  (30ч.)

Теория: Требования к системе.

- Установка программного обеспечения.

- Интерфейс программного обеспечения.

- Палитра программирования.

- Панель настроек.

- Контроллер.

- Редактор звука.

- Редактор изображения.

- Дистанционное управление.

- Структура языка программирования NXT/EV3

- Установка связи с NXT/EV3.

- USB.

- BT.

- Загрузка программы.

- Запуск программы на NXT/EV3.

- Память NXT/EV3: просмотр и очистка.

Практика: Моя первая программа (составление простых программ на движение).

Разъяснение и использование всей палитры программирования содержащей все блоки для программирования, которые понадобятся для создания программ. Каждый блок задает возможные действия или реакцию робота. Путем комбинирования блоков в различной последовательности можно создать программы, которые оживят робота.

6. Первая модель.  (24ч.)

Теория: Инструкция в комплекте с комплектующими.

Практика: - Сборка модели по технологическим картам.

- Составление простой программы для модели, используя встроенные возможности NXT/EV3 (программа из ТК + задания на понимание принципов создания программ).

Первую модель собираем ShooterBot, являющейся продолжением модели «быстрого старта», находящегося в боксе.

7. Модели с датчиками.  (32ч.)

Теория: Датчик звука.

- Датчик касания.

- Датчик света.

- Датчик касания.

- Подключение лампочки.

Практика: Сборка моделей и составление программ из ТК.

- Выполнение дополнительных заданий и составление собственных программ.

- Соревнования.  

Проводится сборка моделей роботов и составление программ по технологическим картам, которые находятся в комплекте с комплектующими для сборки робота. Далее составляются собственные программы.

8. Составление программ. (36ч.)

Теория: При конструировании робота из данного набора  существует множество вариантов его изготовления и программирования, начинаем с программ, предложенных  в инструкции и описании конструктора.

Практика: Составление простых программ по линейным и псевдолинейным алгоритмам.

-  Соревнования.  

9. Алгоритмизация. (36ч.)

Теория: Датчики цвета (сенсоры) являются одним из двух датчиков, которые заменяют роботу зрение (другой датчик - ультразвуковой). У этого датчика совмещаются три функции. Датчик цвета позволяет роботу различать цвета и отличать свет от темноты. Он может различать 6 цветов, считывать интенсивность света в помещении, а также  измерять цветовую интенсивность окрашенных поверхностей.

Датчик нажатия позволяет роботу осуществлять прикосновения. Датчик нажатия может определить момент нажатия на него чего-либо,  а так же момент освобождения.

Ультразвуковой датчик позволяет роботу видеть и обнаруживать объекты. Его также можно использовать для того, чтобы робот мог обойти препятствие, оценить и измерить рас стояние, а также зафиксировать движение объекта.

В каждый серво мотор встроен датчик вращения. Он позволяет точнее вести управление движениями робота.

Практика: Составление простых программ по алгоритмам, с использованием ветвлений и циклов».

- Соревнования.

10.  День показательных соревнований. (10ч.)

Теория: Подведение итогов образовательной деятельности объединения «Робототехника».

Практика: День показательных соревнований по категориям.

Категории могут быть различными.

Категории соревнований заранее рассматриваем различные. Используем  видео материалы соревнований по конструированию роботов и повторяем их на практике. За тем применяем все это на соревнованиях.

Учебный план

2-й год обучения.

Учебно-тематическое планирование.

Содержание.

1. Введение  (2 ч.)

Правила поведения и ТБ в кабинете информатики и при работе с конструкторами.

2. Конструирование (64 ч.)

Теория: Правила работы с конструктором Lego.

Основные детали конструктора Lego. Спецификация конструктора.

Сбор непрограммируемых моделей. Знакомство с RCX. Кнопки управления. Инфракрасный передатчик. Передача программы.

Практика: Запуск программы. Отработка составления простейшей программы по шаблону, передачи и запуска программы. Параметры мотора и лампочки. Изучение влияния параметров на работу модели.

Модель «Выключатель света». Сборка модели. Повторение изученных команд. Разработка и сбор собственных моделей.

3. Программирование (70 ч.)

Теория: История создания языка Lab View. Визуальные языки программирования

 Разделы программы, уровни сложности.  Знакомство с RCX. Инфракрасный передатчик. Передача программы. Запуск программы. Команды визуального языка программирования Lab View. Изучение Окна инструментов. Изображение команд в программе и на схеме.

Знакомство с командами: запусти мотор вперед; включи лампочку; жди; запусти мотор назад; стоп. Линейная и циклическая программа.

Практика: Работа с пиктограммами, соединение команд.

Отработка составления простейшей программы по шаблону, передачи и запуска программы. Составление программы.

Сборка модели с использованием мотора. Составление программы, передача, демонстрация. Сборка модели с использование лампочки. Составление программы, передача, демонстрация.

Составление программы с использованием параметров, зацикливание программы..  Условие, условный переход.

     4.  Проектная деятельность в группах (78 ч.)

Теория: Разработка собственных моделей  в группах, подготовка к мероприятиям, связанным с ЛЕГО. Выработка и утверждение темы, в рамках которой будет реализовываться проект.  

Практика: Конструирование модели, ее программирование группой разработчиков.  Презентация  моделей. Выставки. Соревнования.

5. Итоговое занятие (2 ч.)         
   Повторение изученного ранее материала.

Методическое обеспечение

Наряду с современным образовательным технологиям, отраженными  в принципах, формах и методах обучения: индивидуальности, доступности,  преемственности, результативности, - широко используется работа по методу творческого проекта.  На занятиях предлагается выполнить мини-проект по изучаемой теме  из деталей LEGO конструктора. Помимо связи с проектной деятельностью дети под руководством педагога, выполняют и отдельные тематические  LEGO-проекты по изучаемым разделам.

Основным методом контроля является конкурсный просмотр  тематических творческих проектов,  фото- и видео сопровождение, ТСО, интерактивная доска, наборы конструкторов «LEGO». Всё должно быть направлено на:

- создание условий для развития личности ребенка;

- развитие мотивации личности ребенка к познанию и творчеству;

- обеспечение эмоционального благополучия ребенка;

- приобщение обучающихся к общечеловеческим ценностям;

- профилактику асоциального поведения;

- создание условий для социального, культурного и профессионального самоопределения, творческой самореализации личности ребенка, его интеграции в системе отечественной культуры;

- целостность процесса психического и физического, умственного и духовного развития личности ребенка;

- взаимодействие с семьей.

Организация занятий

ФРОНТАЛЬНАЯ РАБОТА

1. Изучение основных способов соединения деталей.
2. Демонстрация работы моделей.
3. Обсуждение результатов наблюдений.

РАБОТА В СОСТАВЕ ГРУПП

1. Выполнение заданий из рабочих бланков.
2. Совместная сборка моделей и проведение изменений.
3. Обсуждение и представление результатов выполненной работы.

ИНДИВИДУАЛЬНАЯ РАБОТА

1. Анализ собственных результатов и объединение их с результатами других обучающихся.
2. Демонстрация своих результатов преподавателю.

Работа учащихся с конструктором LEGO

Некоторые вопросы, на  которые могут отвечать обучающиеся на занятии:

1. Что я узнал?
2. Хорошо ли я это понял?
3. Было ли мне интересно?
4. Как я могу применить полученные знание в повседневной жизни?
5. Насколько хорошо прошла работа в моей группе? Что тут можно улучшить?

Оценить деятельность можно через:

• Наблюдение за обучающимся во время работы;
• Чтение ученических тетрадей и журналов;
• Беседа с обучающимся;
• Введение оценочного листа результатов аттестации учащихся;(Приложение1)
• Оценка его отчётов об исследованиях и методах выполнения заданий на решении проблем;
• Оценка презентаций.

Список литературы для педагога

1. Конвенция ООН о правах ребёнка.
2. Федеральный закон Российской Федерации от 29 декабря 2012 г.          N 73-ФЗ "Об образовании в Российской Федерации".
3. Е.Юревич. Основы робототехники, 2-издание, Учебное пособие БХВ – Петербург, 2005.
4.  Кто есть кто в робототехнике. Справочник ДМК-ПРЕСС, Москва, 2005
5.  М. Предко. Создайте робота своими руками на NXT – микроконтроллере,  Пер. с англ.яз., М. ДМК, ПРЕСС 2006.
6.  РОБОТОТЕХНИКА. Издательство МГТУ.

С.А. Вортников «Информационные устройства робототехнических систем»

      7. Телепрограммы по каналам «Дискавери», «Рамблер».

Список литературы для обучающихся.

1. Барацков А.П. Кто есть кто в робототехнике. 
2. Кабельные телепередачи «Дискавери»: «Битвы роботов», «Техноигры».

Приложение 1.

Оценочный лист результатов аттестации учащихся 1 год обучения

1 Цель: исследования имеющихся навыков и умений у учащихся.

2. Форма проведения: собеседование, тестирование, практическое

задание.

3 Форма оценки: уровень (высокий, средний, низкий).

Оценочный лист результатов аттестации учащихся 2 год обучения

1. Цель: исследования имеющихся навыков и умений у учащихся.

2. Форма проведения: практическое задание на более углубленном

уровне.

3. Форма оценки: уровень (высокий, средний, низкий).

Методика определения результатов.

Положительный результат (+) по трём заданиям – высокий уровень, по

двум заданиям – средний уровень, по одному заданию или при

невыполнении двух или трёх заданий (-) – низкий уровень.

Приложение2

Инструкция по технике безопасности и правилам поведения в компьютерном кабинете для учащихся

Общее положения:

К работе в компьютерном кабинете допускаются лица, ознакомленные с данной инструкцией по технике безопасности и правилам поведения.

Работа учащихся в компьютерном кабинете  разрешается только в присутствии преподавателя (инженера, лаборанта).

Во время занятий посторонние лица могут находиться в кабинете только с разрешения преподавателя.

Во время перемен между занятиями проводится обязательное проветривание компьютерного кабинета с обязательным выходом учащихся из помещения.

Помните, что каждый учащийся в ответе за состояние своего рабочего места и сохранность размещенного на нем оборудования.

Перед началом работы необходимо:

Убедиться в отсутствии видимых повреждений на рабочем месте;

Разместить на столе тетради, учебные пособия так, что бы они не мешали работе на компьютере;

Принять правильною рабочую позу.

Посмотреть на индикатор монитора и системного блока и определить, включён     или выключен компьютер.  Переместите мышь, если компьютер находится в энергосберегающем состоянии или включить  монитор, если он был выключен.

При работе в компьютерном кабинете категорически запрещается:

Находиться в кабинете в  верхней одежде;

Класть одежду и сумки на столы;

Находиться в кабинете с напитками и едой;

Располагаться сбоку или сзади от включенного монитора;

Присоединять или отсоединять кабели, трогать разъемы, провода и розетки;

Передвигать компьютеры и мониторы;

Открывать системный блок;

Включать и выключать компьютеры самостоятельно.

Пытаться самостоятельно устранять неисправности в работе аппаратуры;

Перекрывать вентиляционные отверстия на системном блоке и мониторе;

Ударять по клавиатуре, нажимать бесцельно на клавиши;

Класть книги, тетради и другие вещи на клавиатуру, монитор и системный блок;

Удалять и перемещать чужие файлы;

Приносить и запускать компьютерные игры.

Находясь в компьютерном кабинете, учащиеся обязаны:

Соблюдать тишину и порядок;

Выполнять требования педагога;

Находясь в сети работать только под своим именем и паролем;

Соблюдать режим работы (согласно п. 9.4.2. Санитарных правил и норм);

При появлении рези в глазах, резком ухудшении видимости, невозможности сфокусировать взгляд или навести его на резкость, появления боли в пальцах и кистях рук, усиления сердцебиения немедленно покинуть рабочее место, сообщить о происшедшем педагогу и обратиться к врачу;

После окончания работы завершить все активные программы и корректно выключить компьютер;

Оставить рабочее место чистым.

Работая за компьютером, необходимо соблюдать правила:

Расстояние от экрана до глаз – 70 – 80 см (расстояние вытянутой руки);

Вертикально прямая спина;

Плечи опущены и расслаблены;

Ноги на полу и не скрещены;

Локти, запястья и кисти рук на одном уровне;

Локтевые, тазобедренные, коленные, голеностопные суставы под прямым углом.

Требования безопасности в аварийных ситуациях:

При появлении программных ошибок или сбоях оборудования учащийся должен немедленно обратиться к педагогу.

При появлении запаха гари, необычного звука немедленно прекратить работу,  и сообщить педагогу.