Дополнительная образовательная программа кружка «Робототехника»

Муниципальное общеобразовательное учреждение 

«Гимназия № 6» г. Воркуты

Дополнительная образовательная программа кружка

«Робототехника»

Направленность: естественнонаучная

Срок реализации программы: 1 год

Возраст детей: 12-13 лет

Составитель:      Янактаев Е. В.

г. Воркута

2015

Пояснительная записка

«Уже в школе дети должны получить возможность раскрыть свои способности, подготовиться к жизни в высокотехнологичном конкурентном мире»

Д. А. Медведев

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

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. Многие устройства, принимающие решения на основе полученных от сенсоров данных, тоже можно считать роботами — таковы, например, лифты, без которых уже немыслима наша жизнь.

По данным Международной федерации робототехники  к 2025 году оборот робототехнической отрасли составит более 66 млрд. долларов. В новостях нас практически ежедневно знакомят с различными роботизированными устройствами в домашнем секторе, в медицине, в общественном секторе и на производстве. Робототехника - это сегодняшние и будущие инвестиции и, как следствие, новые рабочие места.

Наше время требует нового человека - исследователя проблем, а не простого исполнителя. Сегодня и завтра обществу ценен человек-творец. Поэтому задача школы дать ребёнку возможность не только получить готовое, но и открывать что-то самостоятельно; помочь ребёнку построить научную картину мира.

Первоочередной социальный заказ в сфере образования в целом: стране не хватает инженеров. Необходимо активно начинать популяризацию профессии инженера уже в средней школе. Детям нужны образцы для подражания в области инженерной деятельности, чтобы пробудить в них интерес и позволить ощутить волшебство в работе инженера, а робототехника является популярным и эффективным методом для изучения важных областей науки, технологии, конструирования и математики. Это естественно, молодое поколение упорно тянет к компьютеру, не столько как к средству развлечений, но и уже как средству профессиональной работы. Для решения поставленной социальной задачи в рамках средней школы необходим «комбинированный» вариант обучения, в котором виртуальная реальность и действительность будут тесно переплетены. 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. С простого запоминания фактов и правил и последующего исполнения рутинных инструкций акцент переносится на способность отыскивать факты, предполагать еще не имеющие прецедента возможности, понимать и изобретать правила, ставить перед собой разнообразные задачи, самостоятельно планировать и выстраивать исполнительные действия. На уровне общей идеи - это попытка создать целостную картину рукотворного мира от момента зарождения идеи, потребности человека в каких-то объектах - материальных, энергетических, информационных - до рождения ее на свет, т. е. знакомство с процессом проектирования на практике и в теории.

Общая характеристика программы

Программа рассчитана на 1 год обучения на 70 учебных часов для учащихся ­6-7 классов. Программа базируется на официальном курсе компании Lego Education. В основу программы положено моделирование роботов, как прогрессивного, наглядного и одновременно практически полезного раздела - робототехники, вобравшего в себя ее передовые достижения. В программе освещены темы, интересные учащимся как теоретически, так и для самостоятельного конструирования и моделирования разнообразных роботов.

Одновременно рассматриваются принципиальные теоретические положения, лежащие в основе работы ведущих групп робототехнических систем. Такой подход предполагает сознательное и творческое усвоение закономерностей робототехники, с возможностью, их реализации в быстро меняющихся условиях, а также в продуктивном использовании в практической и опытно-конструкторской деятельности.

В процессе теоретического обучения воспитанники знакомятся с назначением, структурой и устройством роботов, с технологическими основами сборки и монтажа, основами вычислительной техники, средствами отображения информации. Программа содержит сведения по истории современной электроники, информатики и робототехники, о ведущих ученых и инженерах в этой области и их открытиях с целью воспитания интереса учащихся к профессиональной деятельности, направлениям развития и перспективам робототехники.

Программа включает проведение практикума начинающего робототехника, включающего проведение лабораторно-практических, исследовательских работ и прикладного программирования. В ходе специальных заданий воспитанники приобретают обще-трудовые, специальные и профессиональные умения и навыки по сборке готовых роботов, их программированию, закрепляемые в процессе разработки проекта. Содержание практических работ и виды проектов могут уточняться, в зависимости от наклонностей учащихся, наличия материалов, средств и др.

Учебные занятия предусматривают особое внимание соблюдению учащимися правил безопасности труда, противопожарных мероприятий, выполнению экологических требований.

Содержание программы реализуется во взаимосвязи с предметами школьного цикла. Теоретические и практические знания по робототехнике значительно углубят знания учащихся по ряду разделов физики (статика и динамика, электрика и электроника, оптика), черчению (включая основы технического дизайна), математике и информатике.

Курс «Робототехника» является базовым и не предполагает наличия у обучаемых навыков в области робототехники и программирования. Уровень подготовки учащихся может быть разным.

Содержание и структура кружка «Робототехника» направлены на формирование устойчивых представлений о робототехнических устройствах как едином изделии определенного функционального назначения и с определенными техническими характеристиками, а также на развитие исследовательских качеств личности.

Итоги изученных тем подводятся созданием учениками собственных автоматизированных моделей, с написанием программ, используемых в своих проектах, и защитой этих проектов.

Цель: научить использовать средства информационных технологий, чтобы проводить исследования и решать задачи в межпредметной деятельности.

Задачи:

·         активизация познавательной деятельности школьников и стимулирование творческой изобретательности;

·         развитие умения излагать мысли в четкой логической последовательности, отстаивать свою точку зрения, анализировать ситуацию и самостоятельно находить ответы на вопросы путем логических рассуждений;

·         ранняя ориентация на инновационные технологии и методы организации практической деятельности в сферах общей кибернетики и роботостроения;

• усвоение основ программирования, получить умения составления алгоритмов;
• формирование умений использовать системы регистрации сигналов датчиков, понимание принципов обратной связи;
• проектирование роботов и программирование их действий;

·         стимулирование желания к практическому применению теоретических знаний по физике и программированию, а также техническому английскому языку;

• через создание собственных проектов прослеживать пользу применения роботов в реальной жизни;

·         способствовать формированию умения достаточно самостоятельно решать технические задачи в процессе конструирования моделей ;

• расширение области знаний о профессиях;

·         приобретение навыков коллективного и конкурентного труда

Условия реализации программы

Оборудование:

·      набор для изучения робототехники LEGO Mindstorms EV3 версии 45544 - 8 шт.;

·      программное обеспечение LEGO Mindstorms EV3 (групповая лицензия)

·      персональный компьютер - 10 шт.;

·      лазерный принтер - 1 шт.;

·      мультимедиа проектор - 1 шт.

Официальные документы и материалы, с учетом которых составлена программа

·         Закон РФ «Об образовании».

·         Послание президента РФ Федеральному Собранию РФ (2006 г.).

·         Письмо Минобрнауки России от 11.12.2006 г. № 06-1844 «О примерных требованиях к программам дополнительного образования детей».

·         Программа выявления и продвижения перспективных кадров для высокотехнологичных отраслей «Робототехника: инженерно-технические кадры инновационной России».

Ожидаемые результаты обучения учащихся

Учащиеся, войдя в занимательный мир роботов, погружаются в сложную среду информационных технологий, позволяющих роботам выполнять широчайший круг функций. Данный курс призван решить следующие образовательные и развивающие задачи.

Учащиеся должны знать

·   правила техники безопасной работы с механическими устройствами;

·   основные компоненты роботизированных программно-управляемых устройств;

·   конструктивные особенности различных моделей, сооружений и механизмов;

·   компьютерную среду визуального программирования роботов;

·   компьютерную среду визуального 3D моделирования Lego Digital Designer;

·   виды подвижных и неподвижных соединений в конструкторе;

·   основные приемы конструирования роботов и управляемых устройств;

Учащиеся должны уметь

·         демонстрировать технические возможности роботов;

·         конструктивные особенности различных роботов;

·         самостоятельно решать технические задачи в процессе конструирования роботов (планирование предстоящих действий, самоконтроль, применять полученные знания, приемы и опыт конструирования с использованием специальных элементов, и других объектов и т.д.);

·         создавать реально действующие модели роботов при помощи специальных элементов по разработанной схеме, по собственному замыслу;

·         создавать программы на компьютере для различных роботизированных устройств, корректировать программы при необходимости;

·         работать с литературой, с журналами, с каталогами, в Интернете (изучать и обрабатывать информацию);

·        создавать действующие модели роботов на основе конструктора Lego Mindstorms.

Поурочное планирование

№	Тема	Кол-во часов
1	Роботы. Сборочный конвейнер. Робототехника и её законы. Что такое робот. Робот Mindstorms EV3. Правила работы. Сборочный конвейер. Проект «Валли». Культура производства. Робототехника и ее законы. Передовые направления в робототехнике. Программа для управления роботом. Графический интерфейс пользователя. Проект «Незнайка». Первые ошибки. Как выполнять несколько дел одновременно. Параллельное программирование.	2
2	Искусственный интеллект. Проект «Первые исследования» Тест Тьюринга и премия Лёбнера. Искусственный интеллект. Интеллектуальные роботы. Справочные системы. Исполнительное устройство. Блок «Движение»	2
3	Эмоциональный робот. Проект «Встреча». Конкурентная разведка. Проект «Разминирование». Роботы и эмоции. Проявление эмоций. Эмоциональный робот. Блок «Экран». Блок «Звук». Проект «Встреча». Конкурентная разведка. Блок «Ожидание». Проект «Разминирование»	2
4	Имитация. Роботы симуляторы. Свойства алгоритма. Проект «Выпускник» Имитация. Роботы-симуляторы. Алгоритм и композиция. Свойства алгоритма. Система команд исполнителя. Проект «Выпускник»	2
5	Звуковые имитации. Проект «Послание». Космические исследования. Проект «Первый спутник». Звуковые имитации. Звуковой редактор и конвертер. Проект «послание». Проект «Пароль и отзыв». Космонавтика. Роботы в космосе. Проект «Первый спутник». Проект «Живой груз». Исследования Луны. Гравитационный маневр. Проект «Обратная сторона Луны»	2
6	Концепт-кары. Кольцевые автогонки. Проблема парковки в мегаполисе. Проект «Парковка» Концепт-кары. Что такое концепт-кар? Минимальный радиус поворота. Как может поворачивать робот EV3. Настройки блока «Движение» для поворотов. Кольцевые автогонки. Парковка в городе. Плотность автомобильного парка. Проблема парковки в мегаполисе. Проект «Парковка»	2
7	Сервопривод. Тахометр. Проект «Тахометр». Моторы для роботов. Сервопривод. Тахометр. Проект «Тахометр»	2
8	Модели и моделирование. Цифровой дизайнер. 3D модель. Компьютерное моделирование. Модели и моделирование. Lego Digital Designer. Первая 3D модель. Трехмерное моделирование	2
9	Вложенные циклы. Вспомогательные алгоритмы. Проект «Правильный тахометр» Вложенные циклы. Вспомогательные алгоритмы. Блок вспомогательного алгоритма «Мой блок». Создание персонального блока команд. Проект «Правильный тахометр»	2
10	Многоугольники и пропорции. Как замостить поверхность. Проект «Пентагон». Правильные многоугольники. Углы правильных многоугольников. Метод пропорции. Проект «Квадрат». Как замостить поверхность правильными многоугольниками. Проект «Пентагон». Проект «Пчеловод».	2
11	Органы чувств робота. Датчик звука. Проект «Инстинкт самосохранения». Чувственное познание. Органы чувств робота. Датчики и сенсоры. Датчик 2звука. Проект «На старт, внимание, марш!». Проект «Инстинкт с2амосохранения». Проект «Автоответчик».	2
12	Как измерить звук. Децибелы. Проект «Измерение уровня шума». Все в мире относительно. Шкалы. Как измерить звук. Децибелы. Проект «Измеритель уровня шума». Конкатенация.	2
13	Военные роботы. Проект «Система акустической разведки». Военные роботы. Новинки вооружений. Проект «Система акустической разведки». Передача информации. Коммуникация	2
14	Описание процессов. Наблюдение процессов во времени. Проект «Домашний шумомер». Описание процессов. ВПК и конверсия. Наблюдение процессов во времени. Координаты на плоскости и на экране. Проект «Домашний шумомер»	2
15	Безопасность дорожного движения. Датчик освещенности. Проект «Дневной автомобиль». Безопасность дорожного движения. Третье воскресенье ноября. Решаем проблему. Датчик освещенности (цвета поверхности). Проект «Дневной автомобиль». Потребительские свойства товара.	2
16	Альтернатива. Ветвление. Проект «Безопасный автомобиль». Альтернатива и ветвление. Проекты «Безопасный автомобиль», «Трехскоростное авто», «Ночная молния».	2
17	Фотометрия. 1 люкс. Проект «Измеритель освещенности» 1 люкс. Оптика и фотометрия. Разные шкалы измерений: опять «попугаи». Режим дня. Проект «Режим дня». Проект «Измеритель освещенности».	2
18	Нажми на кнопку! Тактильные ощущения. Проект «Перерыв 15 минут» Тактильные ощущения. Как измерить тактильные ощущения? Датчики касания. Схема работы датчика касания. Способы использования датчиков: снятие показаний, ожидание значений, условия выхода из цикла, выбор действий. Проект «Система автоматического контроля дверей». Рабочий график и простои. Проект «Перерыв 15 минут». Счетчик нажатий. Проект «Кто не работает – тот не ест!».	2
19	Сложные проекты. Проект «Система газ-тормоз» Как работать над проектом. Планирование, анализ, проверка, обобщение. Сложные проекты. Проект «Система газ- тормоз». Анализ и исправление (улучшение) результатов проекта.	2
20	Системы перевода. Язык «Человек-компьютер». Транслит. Компьютерные переводчики. Словари. Системы машинного перевода. Интернет-переводчики. Сравнение интернет-переводчиков. Критерии оценивания компьютерных переводчиков.	2
21	Научный метод познания. Определяем цвет поверхности. Цвет в жизни человека. Как роботу определить цвет. Датчик определения цвета поверхности. Принцип работы датчика. Определяем цвет поверхности. Эксперимент. Научный метод познания. Изменение направления датчика освещенности. Научный метод в исследовании.	2
22	Симфония цвета. Частота колебаний. Частота звука. 1Гц. Инфразвук, звук, ультразвук. Сабвуфер. Проект «Симфония цвета». Соответствие нот и звуковых частот.	2
23	Число «Пи». Проект «Робот калькулятор» Окружность, радиус, диаметр. Проблемы округления. Диаметр колеса: какие данные использовать при расчетах и прогнозировании. Эксперимент «Ищем взаимосвязь величин». Разброс в показаниях. Почему экспериментальные данные отличаются от теоретических. История числа «Пи». Проект «Робот калькулятор».	2
24	Измеряем расстояние. Проект «Одометр». Измеряем расстояние. Курвиметр и одометр. Математическая модель одометра. Робот-одометр. Проект «Одометр». Калибровкаробота-одометра. Модель курвиметра. Цифровой курвиметр.	2
25	Время. Проект «Секундомеры» Секунда. Эфемеридная секунда. Атомная секунда. Время. Таймер. Блок «Таймер». Вывод значения таймера на экран. Проект «Секундомеры».	2
26	Системы спортивного хронометража. Проект «Стартовая калитка. Компьютерный хронометраж. Системы спортивного хронометража. Стартовая калитка. Проект «Секундомер- вредитель». Проект «Стартовая калитка». Проект «Самый простой хронограф».	2
27	Скорость. Проект «Спидометр». Скорость. Спидометр. Цифровой спидометр. Математическая модель цифрового спидометра. Измеряем скорость движения робота. Скорость равномерного движения. Скорость неравномерного движения. Средняя скорость. Проект «Спидометр». Зависимость скорости от мощности мотора.	2
28	Бионика. Проект «Соблюдение дистанции на транспорте» Бионика. Биологическая, теоретическая и техническая бионика. Эйфелева башня. Кевлар. Датчик определения расстояния. Ультразвуковой датчик. Схема работы ультразвукового датчика. Измеряем расстояние до объекта. Проект «Робот-прилипала». Проект «Соблюдение дистанции на транспорте». Проект «Охранная система».	2
29	Изобретательство. Проект «Терменвокс» Терменвокс.Проект «Терменвокс». Проект «Умный дом»	2
30	Системы подсчета посетителей. Подсчет посетителей. Системы подсчета. Экономическая эффективность. Переменные. Типы переменных. Проект «Создаем переменную». Проект «Считаем посетителей». Проект «Счастливый посетитель». Проект «Проход через турнике»т.	2
31	Программный продукт. Проект «Управление электромобилем». Как из программы сделать программный продукт? Требования к программному продукту. Свойства математических действий. Вспомогательная переменная. Блок «Сравнение». Проект «Управление электромобилем». Баги. Поиск багов.	2
32	Кодирование. Проект «Телеграф». Азбука Морзе. Российский телеграф. Проект «Телеграф». Код и кодирование. Графы и деревья. Дерево для кода Морзе. Борьба с ошибками при передаче. Избыточный код.	2
33	Механические передачи. Проект «Мгновенная скорость». Зубчатые передачи. Повышающая и понижающая передачи. Проект «Передаточные отношения». Математическая модель одометра для робота с коробкой переключения передач. Проект «Мгновенная скорость».	2
34	Импровизация. Проект «Конкурс танцев» Импровизация и робот. Случайные числа. Блок «Случайное число». Проект «Игра в кости». Проект «Конкурс танцев». Множественный выбор. Проект «Робот говорит выпавшее число».	2
35	Разработка собственных проектов. Защита проектов.	2

Литература для учащихся

1.      Руководство пользователя ПервоРобот EV3 Lego mindstorms education.

2.      Сайт разработчиков конструктора ПервоРобот EV3 Lego mindstorms education [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.mindstorms.su

Литература для педагога

1.      Руководство пользователя ПервоРобот EV3 Lego mindstorms education.

2.      Сайт разработчиков конструктора ПервоРобот EV3 Lego mindstorms education [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.mindstorms.su

3.      Копосов Д.Г., Первый шаг в робототехнику: практикум для 5-6 классов / Д.Г.Копосов -М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014 - 286 с.

4.      Копосов Д.Г., Первый шаг в робототехнику: рабочая тетрадь для 5-6 классов / Д.Г.Копосов - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014 - 87 с.