Преподавание основ образовательной робототехники с помощью конструктора LEGO MINDSTORMS EDUCATION EV3

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ КРЫМ

«КРЫМСКИЙ РЕСПУБЛИКАНСКИЙ ИНСТИТУТ ПОСТДИПЛОМНОГО ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ»

Кафедра естественно-математического образования

Сабитова Д.А., преподаватель

ТЕМА 2.9.

ПРЕПОДАВАНИЕ ОСНОВ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ РОБОТОТЕХНИКИ С ПОМОЩЬЮ КОНСТРУКТОРА

LEGO MINDSTORMS EDUCATION EV3

(практическое занятие -  4 часа)

План

1.         Современная образовательная парадигма. Принципы применения образовательной робототехники в соответствии с требованиями ФГОС.

2.        Робототехника как средство развития детского технического творчества. Первоначальное знакомство с оборудованием LEGO EV3.

3.        Схемы сборки типовых моделей. Принцип построения занятий с применением LEGO.

1.        Современная образовательная парадигма. Принципы применения образовательной робототехники в соответствии с требованиями ФГОС

В соответствии с требованиями ФГОС основного общего образования обучающийся должен владеть универсальными учебными действиями, способностью их использовать в учебной, познавательной и социальной практике, уметь самостоятельно планировать и осуществлять учебную деятельность, создавать, применять и преобразовывать знаки и символы, использовать ИКТ. Для достижения требований стандарта к результатам обучения учащихся, склонных к естественным наукам, технике или прикладным исследованиям, важно вовлечь их в такую учебно-познавательную деятельность уже в начальной школе и развить их способности на следующих этапах школьного образования. Технологии образовательной робототехники способствуют эффективному овладению обучающимися универсальными учебными действиями, так как объединяют разные способы деятельности при решении конкретной задачи. Использование конструкторов значительно повышает мотивацию к изучению отдельных образовательных предметов на ступени основного общего образования, способствует развитию коллективного мышления и самоконтроля.

Основная задача современного образования - создать среду, облегчающую ребёнку возможность раскрытия собственного потенциала. Это позволит ему свободно действовать, познавая эту среду, а через неё и окружающий мир. Новая роль педагога состоит в том, чтобы организовать и оборудовать соответствующую образовательную среду и побуждать ребёнка к познанию и к деятельности.

Образовательная среда ЛЕГО, объединяет в себе специально скомпонованные для занятий в группе комплекты ЛЕГО, тщательно продуманную систему заданий для детей и четко сформулированную образовательную концепцию.

ЛЕГО-конструирование – одна из самых известных и распространённых ныне педагогических систем, широко использующая трёхмерные модели реального мира и предметно-игровую среду обучения и развития ребёнка. «Лего» в переводе с датского языка означает «умная игра». ЛЕГО конструктор побуждает работать, в равной степени, и голову, и руки учащегося. Конструктор помогает детям воплощать в жизнь свои задумки, строить и фантазировать, увлечённо работая и видя конечный результат. Именно ЛЕГО позволяет учиться играя и обучаться в игре.

Стратегия модернизации образования предполагает обновление содержания образования на основе «ключевых компетенций», которые в личностном плане проявляются как компетентности. Такую компетентностную стратегию образования легко реализовать в образовательной среде робототехника.

Робототехника является эффективным методом для изучения важных областей науки, технологии, конструирования, математики и входит в новую международную парадигму: STEM-образование (Science, Technology, Engineering, Mathematics).

Современные образовательные технологии обеспечивают включение в образовательный процесс специально организованной деятельности учащихся. Этот механизм компетентностного подхода хорошо моделируется внедрением курса робототехники в образовательный процесс школы.

Образовательная робототехника — это новое междисциплинарное направление обучения школьников. Единая линейка робототехнических конструкторов — от LEGO Education WeDo до роботов на базе микрокомпьютора EV3 — это не только средство для увлекательного конструирования, но и эффективный инструмент, который можно использовать при изучении информатики, технологии, физики и математики.

Подробнее об истории создания компании Lego можно ознакомиться по ссылке: http://edurobots.ru/2014/11/lego-bolshe-chem-konstruktor/

2. Робототехника как средство развития детского технического творчества. Первоначальное знакомство с оборудованием LEGO EV3

Платформа LEGO MINDSTORMS Education EV3 представляет собой универсальное образовательное средство как для урочного применения, так и для межпредметных проектов, на базе которой можно эффективно изучать современные технологии, создавать работающие модели живых организмов 
или механических устройств, выполнять физические и биологические эксперименты, осваивая при этом основы информатики и алгоритмики, компьютерное управление и робототехнику.

Состав ресурсного набора LEGO MINDSTORMS EV3:

ü  Программируемый блок EV3.

ü  Два больших сервомотора.

ü  Средний сервомотор.

ü  Два датчика касания.

ü  Датчик цвета (может также использоваться как датчик освещенности).

ü  Ультразвуковой датчик.

ü  Гироскопический датчик.

ü  Перезаряжаемая аккумуляторная батарея.

ü  Удобный пластиковый контейнер с лотками.

ü  Соединительные кабеля.

ü  Инструкции по сборке.

ü  528 пластмассовых деталей Lego Technic.

Для сбора моделей роботов можно использовать инструкции, которые предлагаются программным обеспечением, которое можно скачать с официального сайта Lego по ссылке: https://education.lego.com/ru-ru/downloads/mindstorms-ev3/software. Программное обеспечение для Lego Mindstorms создано на основе LabView.

LabView — язык графического программирования, в котором для создания приложений используются графические образы (иконки) вместо традиционного текстового кода. От пользователя не требуется знаний языков программирования, но понятие об алгоритме, цикле, выходе по условию и т.п. иметь нужно. Все действия сводятся к простому построению структурной схемы приложения в интерактивной графической системе с набором всех необходимых библиотечных образов, из которых собираются объекты, называемые Виртуальными Инструментами (VI).

На сайте Lego Education предлагаются учебные материалы по проведению занятий по информатике: legoeducation.ru/downloads. Кроме того здесь можно скачать примеры простых программ для роботов., инструкции по сборке.

Состав и возможности аппаратного обеспечения представлены на рисунке ниже.

Рис. 1. Аппаратное обеспечение базового набора

 Для виртуальной сборки 3d – модели робота можно использовать программу LEGO Digital Designer. Подробнее об этом ПО можно ознакомиться по ссылке: https://legorobot.jimdofree.com/%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B3%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%BC%D0%B0-lego-digital-designer/, а также  скачать по ссылке: https://www.lego.com/en-us/ldd#full-section-2

3. Схемы сборки типовых моделей. Принцип построения занятий с применением LEGO

Для программирования робота можно использовать визуальную среду, например, LabView или Sratch. Если загрузить в программируемый блок дополнительный модуль, то можно использовать Pyton или C++.

Принцип построения урока и схемы сборки представлены на официальном сайте Лего.

Рассмотрим один урок с использованием базового набора Lego Mindstorms Education EV3.

Тема урока: Цвета и линии

План урока

1. Подготовка

·         Ознакомьтесь с материалами для учащихся в приложении Education EV3 Classroom.

·         Соберите информацию о принципе работы Датчика цвета, о режимах определения цвета и измерения яркости отражённого света.

·         Вам понадобится чёрная изолента для разметки широкой чёрной линии.

·         К концу урока ученики должны собрать модель Приводной платформы. Это займёт около 30 минут.

2. Обсуждение (5 мин.)

·         Используйте идеи, приведенные в разделе Начало обсуждения, чтобы вовлечь учеников в дискуссию по теме урока.

·         Разделите класс на пары.

3. Исследование (20 мин.)

·         Попросите каждую пару учащихся собрать устройство «Направленный вниз датчик цвета» для Приводной платформы.

·         Дайте им время воспользоваться предоставляемыми подпрограммами, чтобы понять, как использовать Датчик цвета для распознавания линий и движения по ним.

4. Объяснение (10 мин.)

·         Попросите учеников откалибровать Датчик цвета с помощью подпрограмм и пронаблюдать за результатом.

·         Проведите дискуссию о том, почему важно откалибровать Датчик цвета.

5. Дополнение (10 мин.)

·         Дайте учащимся задание создать программу для более точного движения по линии.

·         Не забудьте оставить время на уборку.

6. Оценка

·         Дайте оценку работе каждого учащегося.

·         Для упрощения этой задачи вы можете использовать раздел оценки.

Инструкции по программированию робота и полный конспект приведен на официальном сайте по ссылке: https://education.lego.com/ru-ru/lessons/ev3-robot-trainer/4-colors-and-lines#Planitem0

Практическое задание:

1)    Разобрать урок, представленный в приложении.

2)    Собрать 3D - модель в LEGO Digital Designer.

3)    Написать программу для собранного робота.

Вопросы для самоконтроля

1.     Какие компетенции формируются у школьников в процессе обучения основам робототехники?

2.     Приведите примеры предметных, личностных и метапредметных компетенций, формируемых на одном уроке информатики с использованием робототехники.

3.     Какие среды программирования позволяет использовать образовательный набор

4.     Какие датчики входят в состав базового набора LEGO MINDSTORMS Education EV3?

Основная литература

1.   Руководство пользователя LEGO MINDSTORMS Education EV3, LEGOEducation, 2012. Режим доступа:https://education.lego.com/ru-ru/support/mindstorms-ev3/user-guides

2.   Курс программирования робота Lego Mindstorms EV3 в среде EV3:основные подходы, практические примеры, секреты мастерства / Д. Н.Овсяницкий, А. Д. Овсяницкий. — Челябинск: ИП Мякотин И. В., 2014. —204 с.

3.    Уроки Лего-конструирования в школе: методическое пособие/ А. С.Злаказов, Г. А. Горшков, С. Г. Шевалдина; под науч. ред. В. В. Садырина, В.Н. Халамова. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. — 120 с.: ил

4.   Доусон М. Программируем на Python — СПб.: Питер, 2012. — 432 с.

Дополнительная литература

1.        Сузи Р. А. Язык программирования Python: Учебное пособие. — М.: ИНТУИТ, БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. — 328 с.

2.        LEGO® MINDSTORMS® Education EV3 Вдохновляющая робототехника – Электронный ресурс. – Режим доступа: https://le-www-live-s.legocdn.com/sc/media/files/marketing-tools/ev3/brochure-aw3-rus-aaad12d63bc0343c540ea53187c78070.pdf

3.        Развитие творческих способностей учеников на STEAM-уроках в основной школе – Электронный ресурс. – Режим доступа: https://le-www-live-s.legocdn.com/sc/media/files/marketing-tools/teacher%20of%20the%20year/lerus_ms_08_mukanova-7ebd9fb142ee6cab4389bd2b22495a7a.pdf

4.        Внедрение робототехники в учебный процесс – Электронный ресурс. – Режим доступа: https://le-www-live-s.legocdn.com/sc/media/files/marketing-tools/teachers%20articles/lerus_ms_05_mukhina-robo-0079ebf44ce58959c6d79733105f9588.pdf

Интернет - ресурсы:

1.        Официальный сайт компании Lego Education – Электронный ресурс. – Режим доступа: https://education.lego.com/

2.        Программа занятий по информатике LEGO® MINDSTORMS® Education EV3 – Электронный ресурс. – Режим доступа: https://education.lego.com/ru-ru/support/mindstorms-ev3/coding-activities

3.        Инструкции по сборке для моделей из Базового набора– Электронный ресурс. – Режим доступа:  https://education.lego.com/ru-ru/support/mindstorms-ev3/building-instructions

4.        Использование языка  Scratch для программирования роботов – Электронный ресурс. – Режим доступа: https://legorobot.jimdofree.com/%D1%8F%D0%B7%D1%8B%D0%BA-%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B3%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%BC%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F-scratch/

Приложение

Тема урока: Использование захвата

План урока

1. Подготовка

• Ознакомьтесь с материалами для учащихся в приложении Education EV3 Classroom.
• Соберите информацию о моторизованных инструментах и о том, как они используются в робототехнике.
• К концу урока ученики должны собрать модель Приводной платформы. Это займёт около 30 минут.

2. Обсуждение (5 мин.)

• Используйте идеи, приведенные в разделе Начало обсуждения, чтобы вовлечь учеников в дискуссию по теме урока.
• Разделите класс на пары.

3. Исследование (20 мин.)

• Попросите каждую пару учащихся собрать Кубоид и устройства «Средний мотор» и «Ультразвуковой датчик» для своих Приводных платформ.
• Дайте им время воспользоваться предоставляемыми подпрограммами, чтобы понять, как переместить Кубоид с помощью моторизованного инструмента.

4. Объяснение (5 мин.)

• Обсудите основные особенности и ограничения устройства «Средний мотор».

5. Дополнение (15 мин.)

• Дайте учащимся задание запрограммировать Приводную платформу так, чтобы она с помощью Ультразвукового датчика остановилась возле Кубоида, опустила манипулятор, захватила Кубоид и вернула его на место.
• Не забудьте оставить время на уборку.

6. Оценка

• Дайте оценку работе каждого учащегося.
• Для упрощения этой задачи вы можете использовать раздел оценки.

Начало обсуждения

Для выполнения различных задач роботов можно оснащать моторизованными инструментами. Некоторые из них «заточены» под одну конкретную задачу, другие — более универсальны.

Используйте эти вопросы для начала дискуссии о том, как роботы могут использовать моторизованные инструменты.

• Какие задачи должен выполнять моторизованный манипулятор?
• В каких ситуациях вы бы выбрали узкоспециализированный моторизованный инструмент?
• Когда лучше использовать универсальный инструмент?

Советы по сборке

Инструкции по сборке

• Приводная платформа
•  Средний мотор — Приводная платформа
• Ультразвуковой датчик — Приводная платформа
• Кубоид

Не разбирайте Приводную платформу после использования.

Советы по программированию

Основная программа

Пример решения

Индивидуальный подход

Способы упростить задание

• Позвольте ученикам разместить Кубоид на известном фиксированном расстоянии.
• Уделите больше времени разъяснению, как использовать Ультразвуковой датчик.

Способы сделать задание ещё интереснее

• Попросите учащихся модифицировать устройство «Средний мотор» так, чтобы можно было перемещать предметы разных форм и размеров.
• Дайте им задание создать собственные инструменты для Приводной платформы.

Возможности для оценки

Журнал педагога
Разработайте критерии оценки, максимально соответствующие вашим задачам, например следующие.

1.     Задание выполнено частично.

2.     Задание выполнено полностью.

3.     Результаты превзошли ожидания.

Используйте следующие критерии для оценки успеваемости учащихся.

• Учащиеся умеют передвигать и ставить предметы с помощью моторизованного инструмента.
• Учащиеся могут определить, когда активировать моторизованный инструмент, с помощью Ультразвукового датчика.
• Учащиеся могут дополнить программу так, чтобы вернуть предмет на стартовую позицию Приводной платформы.

Самостоятельная оценка
Попросите каждого ребёнка выбрать уровень, который, по его мнению, соответствует качеству его работы на занятии.

• Бронзовый. Я переместил (-а) и отпустил (-а) Кубоид с помощью моторизованного инструмента.
• Серебряный. С помощью Ультразвукового датчика я вовремя активировал (-а) моторизованный инструмент, чтобы переместить и отпустить Кубоид.
• Золотой. С помощью Ультразвукового датчика я вовремя активировал (-а) моторизованный инструмент, чтобы переместить Кубоид на стартовую позицию Приводной платформы.
• Платиновый. С помощью Ультразвукового датчика я вовремя активировал (-а) моторизованный инструмент, чтобы переместить различные предметы на стартовую позицию Приводной платформы.

Развитие языковых навыков

Для разностороннего развития языковых навыков предложите ученикам

• Подготовить и провести презентацию работы Приводной платформы с моторизированным инструментом, уделяя особое внимание её преимуществам, использованным компонентам и т. д.

Примечание. Для выполнения этого задания требуется дополнительное время.

Краткое описание документа:

Конспект посвящен актуальным вопросам преподавания образовательной робототехники в общеобразовательных учреждениях