Инфоурок Физика Другие методич. материалыМетодические рекомендации "Роботы на уроках физики"

Методические рекомендации "Роботы на уроках физики"

Скачать материал

Автор: Василенко О.В.

Учитель физики, первой квалификационной категории

 

 

Роботы на уроках физики

 

В настоящее время сохраняется высокая конкуренция развитых стран в научно-технической сфере. Результаты такой конкуренции определяют не только степень обороноспособности страны и роль её на мировой арене, но и многие политические, экономические, социальные процессы, происходящие в обществе. Приоритетные научно-технические направления Стратегии развития науки и инноваций в Российской Федерации определяются Федеральным законом «О науке и государственной научно технической политике», а также Указом Президента Российской Федерации от 07 июля 2011 г. № 899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации». Эти направления включают развитие таких систем, как информационно телекоммуникационные, транспортные, авиационные и космические системы, перспективные вооружения, военная и специальная техника. Осваивая новейшие технологии, Россия в последние годы сделала значительный шаг в развитии информационно коммуникационной сферы и начала двигаться по линии развития робототехники.

Актуальность развития робототехники в сфере образования обусловлена необходимостью подготовки инженерно-технических кадров для промышленных отраслей. В связи с этим перед сферой образования встаёт задача включения робототехники в различные уровни учебного процесса. В ряде регионов Российской Федерации образовательная робототехника развивается достаточно интенсивно: ведётся подготовка педагогических кадров, разрабатываются методические материалы, выпускаются учебные фильмы, организуются профессиональные конкурсы и выставки образовательных робототехнических конструкторов, выстраиваются связи между различными уровнями образования и промышленными предприятиями с целью согласования учебных программ на всех этапах подготовки специалистов.

Для организации деятельности школьников в сфере образовательной робототехники сегодня на рынке предлагается ряд конструкторов, которые позволяют школьнику достаточно быстро собрать конструкцию, подключить датчики и электродвигатели, составить программу и запустить модель робота. Следует отметить, что почти все образовательные конструкторы для сборки роботов разработаны и выпускаются за рубежом. Наиболее популярным конструктором для организации занятий по робототехнике в большинстве учебных заведений является конструктор LEGO MINDSTORMS (Дания).

Эти конструкторы выпускаются с 1998 года и широко распространены не только в России, но во многих странах мира. Высокое качество деталей конструктора LEGO сочетается с достаточной прочностью, безопасностью, простотой сборки, не требующей специальных инструментов. Системы программирования конструкторов адаптированы для соответствующего возраста детей. Имеется методическая и дидактическая поддержкаразличных наборов в виде пошаговых инструкций, рекомендаций для педагога, разработок занятий, учебных курсов. Существует ряд фирм (HiTechnic, Mindsensors, Vernier), выпускающих оборудование, совместимое с конструкторами LEGO, что позволяет значительно расширить возможности базового конструктора.

Для использования новых технологий в учебном процессе компания LEGO производит ряд специализированных наборов по физике и технологии. Известны следующие тематические наборы:

«Технология и физика»,

«Возобновляемые источники энергии»,

«Энергия, работа, мощность»,

«Индустрия развлечений»,

«Пневматика».

Каждый набор сопровождаются соответствующим методическим пособием по использованию конструктора в учебном процессе.

Наиболее популярными для программирования роботов LEGO являются программные продукты компании National instruments (США). Эта компания является одним из мировых лидеров в технологии программного управления системами сбора данных и управления техническими объектами и технологическими процессами, а также вразработке и изготовлении аппаратного и программного обеспечения для систем автоматизированного тестирования. Фирма имеет более 40 представительств в различныхстранах мира. Среда графического инженерного программирования LabVIEW компанииNational instruments с 1986 года успешно используется в управлении техническими объектами и технологическими процессами. В последних версиях программы имеются специализированные блоки для программирования микропроцессора NXT робототехнических конструкторов LEGO MINDSTORMS. Кроме того фирмой разработаны адаптированные для учащихся школ модификации среды: Robolab,LEGOEducationWeDo, NXT-G.

В связи с внедрением Федеральных государственных образовательных стандартов(ФГОС) нового поколения одним из возможных вариантов изменения форм организациисовременного учебного процесса является встраивание образовательной робототехники,в различные составляющие учебного процесса:

1) урочные формы работы (выполнение учебных проектов, подготовка демонстрационного эксперимента, экспериментальных установок для лабораторных работ и работ школьного физического практикума);

2) формы внеурочной деятельности (творческие проектно-конструкторские работыучащихся, участие в конкурсах и научно-практических конференциях, включая их дистанционные и сетевые формы реализации);

3) работа в системе дополнительного образования (клубная и кружковая работа).

Современные требования ФГОС хорошо согласуются с базовыми принципами организации деятельности школьников при работе с робототехническими комплексами.

Конструирование, моделирование, программирование роботов в комплексе с использованием ИКТ-технологий, как правило, отличается высокой степенью творчества, самостоятельности, соперничества, коммуникации в группе. У учащихся формируются компетенции, необходимые современному школьнику. Среди них предметные, метапредметные, ИКТ-компетенции, коммуникативные.

Несмотря на положительный эффект применения робототехники в урочной деятельности, как показывает опыт многих учителей-предметников, образовательная робототехника пока превалирует в клубной и кружковой работе. Это объясняется недостаточной разработанностью методики использования робототехники в учебном процессе,отсутствием учебных пособий для учащихся и методических рекомендаций для учителей. Вместе с тем можно отметить, что существует ряд методических пособий зарубежных авторов по использованию робототехники в проектной работе по физике, химии, биологии, что может быть использовано в работе учителей-предметников.

При разработке методики применения образовательной робототехники в преподавании учебных предметов, в частности физики, прежде всего необходимо сформулировать цели ее использования:

1) демонстрация возможностей робототехники как одного из ключевых направлений научно-технического прогресса;

2) демонстрация роли физики в проектировании и использовании современнойтехники;

3) повышение качества образовательной деятельности:

 углубление и расширение предметного знания,

 развитие экспериментальных умений и навыков,

 совершенствование знаний в области прикладной физики,

 формирование умений и навыков в сфере технического проектирования, моделирования и конструирования;

4) развитие у детей мотивации изучения предмета, в том числе познавательногоинтереса;

5) усиление предпрофильной и профильной подготовки учащихся, их ориентацияна профессии инженерно-технического профиля.

 Возможно выделить следующиенаправления использования роботов в преподавании физики:

1. Робот как объект изучения. Изучение физических принципов работы датчиков,двигателей и других систем конструктора.

2. Робот как средство измерения в традиционном эксперименте. Датчики базового конструктора и дополнительные виды датчиков (Vernier, HiTechnic и др.) используются как измерительная система в физическом эксперименте с обработкой и фиксациейего результатов в различных видах.

3. Робот как средство постановки физического эксперимента (роботизированныйэксперимент). Комплексное использование двигателей, систем оповещения, датчиков,робототехнического конструктора в демонстрационном и лабораторном эксперименте.

4. Робот как средство учебного моделирования и конструирования. Применениеобразовательной робототехники в проектно-исследовательской и конструкторской работе учащихся:

 использование имеющихся роботов с другими системами,

 создание нового робота,

 модернизация робота (разработка и проектирование новых датчиков и другихсистем робота, расширяющих возможности его использования, в том числе вновых условиях).

Можно выделить следующие положительные стороны использования элементовробототехники на уроках, включающих демонстрационный физический эксперимент,а также на лабораторных занятиях по физике:

1. Обработка результатов измерения физических величин может быть запрограммирована и проведена в автоматическом режиме при выполнении программы.

2. Исключаются случайные ошибки измерения, связанные с использованием органов чувств человека при измерении: со скоростью реакции человека, глазомером, восприятием событий на слух и т.д.

3. Непрерывный мониторинг значения физической величины в ходе экспериментав течение указанного промежутка времени и с регулируемой частотой снятия показанийдатчика от единичного измерения за всё время эксперимента до нескольких десятков разв секунду.

5. График, полученный в результате эксперимента, а также инструменты для егоисследования дают дополнительные возможности для анализа закономерностей физического процесса:

 

Кроме названных достоинств можно указать недостатки использования робототехнических комплексов в школьном эксперименте.

Во-первых, экспериментальная установка с применением робота требует предварительной сборки и программирования, что сопровождается затратам времени. Для минимизации временных затрат рекомендуется:

 предварительное создание пошаговых инструкций по сборке установки;

 создание банка программ, подготовленных для использования на различных установках;

 замена некоторых узлов конструкции установки неразборными аналогами;

 предварительная сборка установки школьниками до урока (в рамках выполненияиндивидуального или группового творческого задания).

Во-вторых, наличие инструментальной погрешности датчиковых систем и необходимость их учёта.

При проведении лабораторных работ с применением робототехники возможенразный уровень сложности выполнения учебных заданий. Данный уровень определяется:

1) степенью участия школьников в сборке и настройке автоматизированного эксперимента:

 работа на готовой установке;

 самостоятельная сборка и наладка установки, программная настройка датчиков, разработка программы для обработки результатов;

2) уровнем дидактической поддержки учебной работы школьников:

 выполнение проекта по инструкции;

 выполнение проекта по инструкции с применением конструктивных схем посборке;

 выполнение проекта по инструкции с указаниями по программированию робота;

 комбинированный вариант .

Рассмотрим несколько примеров использования робототехники на уроках физики вучебном процессе с некоторыми рекомендациями по их использованию.

Пример 1. Лабораторная установка по определению ускорения.

В состав конструкции лабораторной работы по определению ускорения входит наклонный жёлоб, закреплённый с помощью штатива, шарик из набора Mindstorms, датчики света, закреплённые вверху и внизу жёлоба, пусковое устройство, отпускающее шарик по сигналу с микропроцессорного модуля NXT, и датчик расстояния, определяющийперемещение шарика.

При запуске шарика по наклонной плоскости происходит срабатывание первогодатчика света, в результате чего запускается секундомер в микропроцессорном модулеNXT. Когда шарик прокатывается мимо второго шарика, срабатывает второй датчик.

При сигнале со второго датчика происходит остановка секундомера и результат измерения промежутка времени выводится на дисплей модуля NXT. Одновременно происходит измерение расстояния, которое прокатился шарик с помощью ультразвукового датчика. Датчик расстояния работает по принципу эхолота в ультразвуковом диапазоне ирасположен на уровне стартовой позиции шарика.

Рис. 1 Рис. 2

Данная работа предполагает варианты использования других датчиков. Возможныразличные комбинации использования датчиков света, звука и касания:

1) заменить нижний датчик света датчиком касания. В этом случае датчик касаниянужно установить на жёлобе таким образом, чтобы шарик при ударе нажимал кнопкудатчика. В программе потребуется изменить тип датчика. Эту работу могут проделатьучащиеся на уроке;

2) заменить нижний датчик света датчиком звука. Остановка секундомера можетбыть запрограммирована на срабатывание датчика звука при ударе шарика о препятствие;

3) заменить верхний датчик света датчиком касания и развернуть его кнопкойвверх для удобства нажатия. В программе нужно настроить одновременный запуск шарика и секундомера;

4) заменить верхний датчик света датчиком звука. В программе нужно настроитьодновременный запуск шарика и секундомера при срабатывании датчика звука, например, на хлопок в ладоши;

5) заменить оба датчика света датчиками звука и касания в любой комбинацииверхнего и нижнего положения.

Для демонстрации магнитного взаимодействия возможен и другой вариант,

имеющий простую конструкцию (рис. 6). В этой модели использованы два магнита с чередующимися линейными полюсами, один из которых закреплён на оси электродвигателя. Для этой модели подойдут и простые магниты подковообразного типа. Даннаяконструкция собрана из деталей набора LEGO WeDo, который используется для обучения робототехнике в начальной школе.

 

Пример 3. Лабораторная установка по определению ускорения свободного падения.

Предлагаемая лабораторная установка по определению ускорения свободного падения имеет простую конструкцию, включающую блок NXT и датчик расстояния. Дляопределения времени падения и пройденного расстояния используется стандартнаяфункция построения графика в языке NXT-G. Следует отметить, что для данной работыне требуется составление программы. Все необходимые данные берутся из графика (рис.

Датчик расстояния крепится на штативе и устанавливается таким образом, чтобыбыло удобно измерять расстояние от датчика до падающего предмета (рис. 8). В качестве падающего предмета удобнее всего взять небольшой планшет или кусок фанеры размером формата А4 –А5. Шарик для данного опыта не подходит, так как от него ультразвук в обратном направлении практически не отражается.

Пример 4. Лабораторная установка по определению КПД наклонной плоскости.

 

Реализуя различные варианты сборки и настройки лабораторной установки, учащиеся знакомятся с принципом модульности современной техники, алгоритмами сборкии разборки технических конструкций, их ремонта, получают представление о некоторыхтехнологических процессах.

Возможности применения робототехнических конструкторов в учебном процесседостаточно широки и их реализация требует от учителя методической и техническойподготовки. Соотнося задачи школьного образования с перспективами автоматизации ироботизации современного производства, необходимо координировать усилия образовательных учреждений, промышленных предприятий, вузов, органов управления образованием для эффективного развития технического мышления школьников, целенаправленного развития способностей инженерно-технического направления.

 

Просмотрено: 0%
Просмотрено: 0%
Скачать материал
Скачать материал "Методические рекомендации "Роботы на уроках физики""

Методические разработки к Вашему уроку:

Получите новую специальность за 2 месяца

Научный руководитель

Получите профессию

Методист-разработчик онлайн-курсов

за 6 месяцев

Пройти курс

Рабочие листы
к вашим урокам

Скачать

Скачать материал

Найдите материал к любому уроку, указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

6 679 360 материалов в базе

Скачать материал

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

  • Скачать материал
    • 14.05.2017 2240
    • DOCX 1.7 мбайт
    • 30 скачиваний
    • Оцените материал:
  • Настоящий материал опубликован пользователем Василенко Ольга Владимировна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт

    Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

    Удалить материал
  • Автор материала

    Василенко Ольга Владимировна
    Василенко Ольга Владимировна
    • На сайте: 7 лет и 7 месяцев
    • Подписчики: 0
    • Всего просмотров: 2352
    • Всего материалов: 1

Ваша скидка на курсы

40%
Скидка для нового слушателя. Войдите на сайт, чтобы применить скидку к любому курсу
Курсы со скидкой

Курс профессиональной переподготовки

Няня

Няня

500/1000 ч.

Подать заявку О курсе

Курс повышения квалификации

ЕГЭ по физике: методика решения задач

36 ч. — 180 ч.

от 1700 руб. от 850 руб.
Подать заявку О курсе
  • Сейчас обучается 117 человек из 43 регионов
  • Этот курс уже прошли 1 121 человек

Курс повышения квалификации

Актуальные вопросы преподавания физики в школе в условиях реализации ФГОС

72 ч.

2200 руб. 1100 руб.
Подать заявку О курсе
  • Сейчас обучается 210 человек из 62 регионов
  • Этот курс уже прошли 1 011 человек

Курс повышения квалификации

Особенности подготовки к сдаче ЕГЭ по физике в условиях реализации ФГОС СОО

36 ч. — 180 ч.

от 1700 руб. от 850 руб.
Подать заявку О курсе
  • Сейчас обучается 48 человек из 25 регионов
  • Этот курс уже прошли 461 человек

Мини-курс

Успешные деловые сделки: от встреч до заключения контракта

4 ч.

780 руб. 390 руб.
Подать заявку О курсе

Мини-курс

Реклама для роста бизнеса: эффективные стратегии и инструменты

6 ч.

780 руб. 390 руб.
Подать заявку О курсе
  • Сейчас обучается 40 человек из 21 региона

Мини-курс

Психология детства и подросткового возраста

3 ч.

780 руб. 390 руб.
Подать заявку О курсе
  • Сейчас обучается 99 человек из 48 регионов
  • Этот курс уже прошли 78 человек