Программа по курсу "Лего-робототехника"

Муниципальное общеобразовательное учреждение  средняя общеобразовательная школа № 27 пгт Смоляниново  Шкотовского района Приморского края

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА КУРСА

«Основы робототехники на платформе LEGO Mindstorms NXT»

 

Руководители:  Ковальчук Е.В.

Никольская Л.В.

2016 – 2017 учебный год

Аннотация

Образовательная робототехника - это новое и стремительно развивающееся явление в нашей стране, оно активно развивается и распространяется по образовательным учреждениям. Развитие науки и техники в последнее время сильно повлияло на мир увлечений и интересов детей.

Радиоуправляемые модели  и роботы, занимают умы цифрового поколения.

Технологии робототехники способствуют эффективному овладению обучающимися универсальными учебными действиями, так как объединяют разные способы деятельности при решении конкретной задачи. Применение конструкторов LEGO во внеурочной деятельности в школе, позволяет существенно повысить мотивацию учащихся, организовать их творческую и исследовательскую работу, способствует развитию коллективного мышления и самоконтроля. А также позволяет школьникам в форме познавательной игры узнать многие важные идеи и развивать необходимые в дальнейшей жизни навыки. Изучая простые механизмы, дети учатся работать руками (развитие мелких и точных движений), развивают элементарное конструкторское мышление, фантазию. 

Основное назначение образовательной программы состоит в подготовке подрастающего поколения к полноценной работе в условиях глобальной информатизации всех сторон общественной жизни.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение …………………………………………………… стр. 4-6

Программа образовательного курса………………………. стр.7-9

Тематическое планирование………………………………. стр. 10-13 Литература …………………………………………………. стр. 14

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня существуют два подхода к обучению школьников робототехники: робоспорт и STEM-робототехника. У них разные цели и разные методики обучения.

Робоспорт. Задача этого подхода – научить ребят решать конкурсные задачи и проекты. Выбирается группа талантливых ребят, которые представляют школу на соревнованиях различного уровня. 

Методика обучения в таких случаях сводится к следующим шагам:

1.                   познакомить учащихся с элементной базой и базовыми конструкциями;

2.                   познакомить учащихся с основными конструкциями языка программирования;

3.                   научить обучаемых решать классические задачи: движение по линии, обнаружение препятствий и их объезд, выход из лабиринта (т.е. вводятся понятия регулирования и stateмашин);

4.                   взять регламенты очередных состязаний и итеративно решать задачу конструирования и программирования робота, для подготовки к данному состязанию

Это хорошие, выверенные методики подготовки, которые при правильном подходе преподавателя к обучению дают высокий результат. Школьник, решивший достаточно большой объем данных задач, может уметь комбинировать разные решения вместе, подготавливаясь к соревнованиям более сложного уровня.

Даже подготовка творческих проектов к выставкам происходит по подобной схеме:

знания по решению той или иной прикладной задачи уже приобретаются в ходе работы над самим проектом. Эти знания, по природе приобретения, не имеют четкой системы и, довольно часто, направлены на частное использование.

У данного подхода есть, очевидно, и плюсы и минусы. Основным плюсом, является высокая мотивация школьников поскольку они видят результат, получаемый в сравнительно небольшие сроки — робот готовиться к состязаниям, робот побеждает. Также мотивирует и соревновательный эффект — хочется побороться за звание лучшего робототехника школы, области или даже мира. Также, выбирая соревновательную робототехнику, учебное заведение сможет уже в ближайшем будущем показывать какой-то публичный результат — обучающиеся будут участвовать в соревнованиях.

Минусы «спортивной» робототехники вытекают из плюсов: быстрый результат не значит быстрое приобретение качественных знаний, высокая мотивация на победу приводит к тому, что школьники перегорают, если долгое время не занимают никаких призовых мест. Явная направленность на участие в как можно больших состязаниях приводит к тому, у педагога не бывает много времени, чтобы адекватно выстроить учебный процесс, поскольку после участия в одном состязании сразу начинается подготовка к другому. А это, в свою очередь, означает, что учащиеся, в большинстве своем, умеют решать только небольшой набор задач, знания их неглубокие и узко специализированные

STEM. В противоположность предыдущему подходу в образовательной робототехнике, можно поставить подход STEM — Science Technology Engineering Mathematics (иногда еще называют STEAM, добавляя Art). Данная парадигма пришла к нам с Запада, где занятия по робототехнике давно уже обосновались в школах, курируемые крупными университетами. В ходе этих занятий ребята не только и не столько занимаются робототехникой, сколько используют ее, как некий интерактивный элемент, с помощью которого некие теоретические знания закрепляются на практике. Теоретические знания могут быть, как по точным наукам: математике и физике, так и по естественным: химии, астрономии, биологии, экологии. Одним из ярких и простых примеров закрепления знаний из школьного курса математики является расчет траектории движения робота. В зависимости от уровня знаний здесь могут использоваться как и обычный метод проб и ошибок, так и научный подход: здесь им могут понадобиться и свойства пропорции (6-7 класс), и знание формулы длины окружности (8-9ый) и даже тригонометрия (10-11 класс).

Большое значение, в занятиях по STEM-робототехнике, уделяется также так называемым soft skills — школьники объединяются в проектные команды, оттачивая свои навыки по совместной работе, коммуникации, презентации и умению давать обратную связь. Весь курс, в таком случае, разбит на серию модулей, в ходе каждого из них происходит создание полноценного проекта: с планированием времени и ведением инженерной тетради, с декомпозицией, с разделением членов команд на роли и даже со сдачей проекта заказчикупедагогу.

Важной частью учебной программы является привязка к реальному миру, за счет чего учитель повышает уровень эрудированности учащихся, рассказывая о явлениях в жизни и исторических событиях, связанных с тем или иным модулем. Ребята рассматривают данные факты с точки зрения науки, с помощью педагога анализируют их, учатся делать выводы. умение делать презентацию. Поскольку STEM-программы нацелены на приобретение и закрепление фундаментальных знаний, на развитие навыков необходимых современному ученому и инженеру, именно они подходят больше всего для интеграции в современную школу. С учетом роста спроса на IT-специалистов данный подход к образовательной робототехнике приобретает все большую популярность — его внедряют в школу не только высшие учебные заведения, но и простые учителя.

Образовательные программы, связанные с робототехникой в России тоже редко бывают чисто спортивными или чисто STEM. 

По мнению большинства педагогов, эти два направления – лишь компоненты, которые помогут сформировать полноценную образовательную программу и сделают развитие ребенка в области технического творчества целостным, даст выпускнику школ инструмент, благодаря которому он сможем трансформировать свое детское хобби в профессиональный интерес, дело всей своей жизни.

В нашей программе мы постарались объединить оба направления.

ПРОГРАММА ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО КУРСА

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

Отличительными особенностями данной программы является мультипредметность содержательного наполнения (мехатроника, математика,  физика, технология, информатика, кибернетика).

Программа реализует системно-деятельнотный подход, что позволяет строить процесс обучения на основе практико-ориентированной деятельности, предусматривающей формирование системного видения решаемых проблем жизненного характера.  Цели курса образовательной программы:

 перевести уровень общения ребят с техникой «на ты», овладение навыками начального технического конструирования и программирования, развитие информационной культуры, учебно-познавательных и поисково-исследовательских навыков, развитие интеллекта, научить ребят грамотно выразить свою идею, спроектировать ее техническое и программное решение, реализовать ее в виде модели, способной к функционированию; формирование раннего профессионального самоопределения подростков в процессе их творческой самореализации при проектировании, конструировании и программировании автономных модельных робототехнических систем.  

 Задачи:

Обучающие: дать первоначальные знания об устройстве и функционировании робототехнических систем; сформировать общенаучные и технологические навыки проектирования и конструирования; научить применению алгоритмов автоматического управления при создании роботов на базе программируемых микроконтроллеров.

Развивающие: развивать творческое мышление, инициативу и самостоятельность; память, внимание; логическое, алгоритмическое, критическое мышление; рефлексивные навыки; стимулировать познавательную активность учащихся посредством включения их в различные виды индивидуальной и командной деятельности; развивать интерес обучающихся к основами кибернетики;

Воспитательные: формировать умение командной работы; творческое отношение по выполняемой работе; развивать у обучающихся целеустремленность, усидчивость, упорство в достижении цели, трудолюбие; воспитывать бережное отношение материальным ресурсам, умение эффективно организовывать свое рабочее место.

На занятиях по робототехнике осуществляется работа с образовательными конструкторами серии LEGO Mindstorms. В распоряжении детей будут предоставлены Лего-конструкторы, оснащенные специальным микропроцессором, позволяющим создавать программируемые модели роботов. Модели собираются либо по технологическим картам, либо в силу фантазии детей.

Можно выделить следующие этапы обучения:

І этап – начальное конструирование и моделирование, где дети действуют согласно своим представлениям и личному опыту.

ІІ этап – на этом этапе ребята собирают модели по схемам, стараются понять принцип соединений, чтобы в последующем использовать при решении задач.

Личностные, метапредметные и предметные результаты освоения курса

Регулятивные универсальные учебные действия: планирование последовательности шагов алгоритма для достижения цели; поиск ошибок в плане действий и внесение в него изменений.

Познавательные универсальные учебные действия: моделирование – преобразование объекта из чувственной формы в модель, где выделены существенные характеристики объекта (пространственно-графическая или знаково-символическая); анализ объектов с целью выделения признаков (существенных, несущественных); синтез – составление целого из частей, в том числе самостоятельное достраивание с восполнением недостающих компонентов; выбор оснований и критериев для сравнения, классификации объектов; подведение под понятие; установление причинно-следственных связей; построение логической цепи рассуждений.

Коммуникативные универсальные учебные действия: аргументирование своей точки зрения на выбор оснований и критериев при выделении признаков, сравнении и классификации объектов; выслушивание собеседника и ведение диалога; признавание возможности существования различных точек зрения и права каждого иметь свою.

Предметные результаты

В результате обучения учащиеся должны знать:

•        основные компоненты конструкторов ЛЕГО, элементную базу, при помощи которой собирается устройство; конструктивные особенности различных моделей, сооружений и механизмов, органы управления и дисплей NXT, датчики NXT, сервомотор NXT, порядок взаимодействия механических узлов робота с электронными и оптическими устройствами;

•        компьютерную среду, включающую в себя графический язык программирования, основы

программирования,   программные             блоки,             интерфейс программы Lego Mindstorms Education NXT;

•        виды подвижных и неподвижных соединений в конструкторе;

•        основные приемы конструирования роботов; как передавать программы в NXТ; как использовать созданные программы. 

В результате изучения материала учащиеся должны уметь:

•        структурировать поставленную задачу и составлять план ее решения;

•        использовать приёмы оптимальной работы на компьютере, извлекать информацию из различных источников, составлять алгоритмы обработки информации, ставить задачу и видеть пути её решения; разрабатывать и реализовывать проект; проводить монтажные работы, наладку узлов и механизмов; проводить сборку робототехнических средств с применением LEGO конструкторов;

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

•        создавать программы на компьютере для различных роботов; корректировать программы при необходимости; 

•        демонстрировать технические возможности роботов,

•        работать с литературой, с журналами, с каталогами, в интернете (изучать и обрабатывать информацию).

Достижение образовательных результатов реализовывается в виде: разработки и презентации технических проектов, участия в научно-практических конференциях, участия в выставках исследовательских работ, участия в робототехнических мероприятиях (олимпиадах, фестивалях, учебно-тренировочных сборах).

Программа  рассчитана на школьников 8 - 9 классов – 1 год обучения.

34 часа (1 час в неделю)

	Тема	Содержание		Материалы к занятиям	Количество часов
		I БЛОК. МИР РОБОТОТЕХНИКИ (11 часов)
	1.Роботы и робототехника		Рассказ о развитии робототехники в мировом сообществе и в частности в России. Показ видео роликов о роботах и роботостроении. Рассказ о соревнованиях роботов: фестивали, олимпиады роботов, бои роботов.  Конструкторы и «самодельные» роботы.	ü    http://roboreview.ru/nauka-orobotah/istoriya-razvitiyarobototehniki.html ü    http://www.robo- hunter.com/news/istoriya-robotov-otcherteja-da-vinchi-do-aiko-chihira ü    http://androbots.ru	1
	2.Знакомимся с набором Lego Mindstorms		Модуль NXT с батарейным блоком; датчики: ультразвуковой (датчик расстояния), касания, звука - микрофон, освещенности; соединительные кабели разной длины для подключения датчиков и сервоприводов к NXT и USB - кабели для подключения NXT к компьютеру.  Для начала работы заряжаем батареи.  Технология NXT. О технологии NXT. Главное меню. Сенсор     цвета     и    цветная    подсветка.    Сенсор      нажатия. Ультразвуковой сенсор. Интерактивные сервомоторы.	ü файл «Набор элементов конструктора» ü  файл «набор1	1
	3.Начало работы.  Конструирование Первая модель.		Подключение двигателей и датчиков (комплектные элементы, двигатели и датчики NXT). Мотор. Учимся включать и выключать микроконтроллер. Подключаем двигатели и различные датчики. Практика. Собираем первую модель робота «Пятиминутка» по инструкции.	ü Файл «Робот 5минутка»	2

	4.Движение с датчиками	Подключение датчика звука. Движение робота с реакцией на звук.  Подключение датчика расстояния, движения робота вперед уходя от препятствия.		2
	5.Конструирование	Конструирование своей модели. Движение вперед-назад, обход препятствий, реакция на звук. Демонстрация моделей.		2
	6.Проект «Забавные животные»  и «Самоделкин»	Сбор и исследование одной из моделей роботов на выбор или собственной модели. Публичная защита проектов.	ü Видео «Паук и паутина»	3
II БЛОК. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ (12 часов)
	7.Программное обеспечение NXT.	Программное обеспечение NXT Требования          к          системе.Установка    программного обеспечения. Понятия: датчик, интерфейс, алгоритм и т.п. Интерфейс программного обеспечения. Структура меню NXT Палитра программирования. Панель настроек. Контроллер. Редактор звука. Редактор изображения. Установка связи с NXT- Usb- Загрузка программы. Запуск программы на NXT Память NXT: просмотр и очистка Составление простых программ по линейным алгоритмам. Составление программ передвижения робота вперед и назад, который имеет мотор, способный изменять вращение оси машины. Сборка и программирование робота Mindstorms NXT, который должен двигаться вперед и поворачивать под прямым углом направо.  Путем комбинирования блоков в различной последовательности можно создать программы, которые оживят робота.	ü Видео 3	2
	8.Модели с датчиками.	Составление программ по алгоритмам, с использованием ветвлений и циклов. Ультразвуковой датчик позволяет роботу видеть и обнаруживать объекты.	ü Видео 4,  видео «Обход препятствий»	1

		Составление программы обход препятствий.
	9.Движение по черной линии	Сбор модели робота.  Составление программ по алгоритмам, с использованием ветвлений и циклов. Датчики цвета (сенсоры) - заменяют роботу зрение.  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. Составление программы движения по черной линии.	ü Видео5, видео «Движение по черной линии. Конструирование»	2
	10.Кегль-ринг	Сборка модели по инструкции. Составление программы  для движения робота по рингу с кеглями.	ü Видео «Кегльринг. Программирование»,  файл «Кегльринг. Конструирование»	2
	11.Робот-сумоист соревнования роботов	Сборка модели по инструкции. Составление программы. Испытание и соревнование.	ü Видео «Сумо.Программа», видео «Сумо бой»	2
	12.Собираем гусеничного робота по инструкции	Создаём       и        тестируем        "Гусеничного        робота". Сборка  по инструкции. Модель должна быть устойчива, не должно быть выступающих частей. Гусеницы должны быть оптимально натянуты. Движение по ступенькам.		1
	13. Разработка проектов по группам	Задача учеников самостоятельно найти и смастерить конструкцию робота, которая сможет выполнять задания школьной олимпиады ( движение по трассе с препятствиями: проезд тоннеля, движение по линии,  въезд на горку и съезд с горы, движение по мосту)		2
III БЛОК. ПРОЕКТНАЯ РАБОТА (11 часов)
	14.Олимпиада. Проект             «Забавные животные»	Сбор и исследование одной из моделей роботов на выбор или собственной модели. Публичная защита проектов.	ü Видео «Паук и паутина»
	15.Проект «Экогород»	Задания из учебного пособия по робототехнике — строительство зданий в энергоэффективном городе и программирование роботов для выполнения таких задач, как строительство ветряной турбины или закрытой плотины.		10
	16. Завершение курса	Публичная защита проекта		1

Приморский форум образовательных инициатив 2016

Конкурс «Бренд образования»: Образовательная робототехника

Учебно-методический комплект:

1.      Робототехника для детей и их родителей. Книга для учителя. С.А. Филиппов, - 263 с., илл., Руководство пользователя LEGO MINDSTORMS NXT 2.0, - 64 стр.

2.      Образовательный Лего-конструктор: LEGO MINDSTORMS NXT 2.0 , дополнительный ресурсный набор, набор «Экоград»; персональные компьютеры (ноутбуки); поля для соревнований; проекционное и мультимедийное оборудование;

3.      ЦОР: Программное обеспечение LEGO MINDSTORMS NXT-G, сайт с инструкциями и уроками: http://www.prorobot.ru/lego  

4.      Сайт https://sites.google.com/site/robototehnikasmolaninovo27/

 

5.      Сайт «ВСЕ о РОБОТАХ» http://androbots.ru/

6.      Сайт «РОБОТЫ ОБРАЗОВАНИЕ ТВОРЧЕСТВО» http://xn----8sbhby8arey.xn--p1ai/

7.      Видео        соревнований            роботов:         https://www.youtube.com/watch?v=3iQD7tpuUg4

Самарская область.  27 марта 2014 года в Самаре на базе СОЦДЮТТ состоялся III областной фестиваль робототехники, в котором приняло участие 41 команда из учреждений Самарской области . Ребята соревновались в номинациях шагающие роботы, траектория, лабиринт и сумо. 

14