Рабочая программа элективного курса «Образовательная робототехника»

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

За последние годы успехи в робототехнике и автоматизированных системах изменили личную и деловую сферы нашей жизни. Сегодня промышленные, обслуживающие и домашние роботы широко используются на благо экономик ведущих мировых держав: выполняют работы более дёшево, с большей точностью и надёжностью, чем люди, используются на вредных для здоровья и опасных для жизни производствах. 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. Роботы играют всё более важную роль в жизни, служа людям и выполняя каждодневные задачи. Интенсивная экспансия искусственных помощников в нашу повседневную жизнь требует, чтобы пользователи обладали современными знаниями в области управления роботами, что позволит быстро развивать новые, умные, безопасные и более продвинутые автоматизированные и роботизированные системы.

В последнее десятилетие значительно увеличился интерес к образовательной робототехнике. В школы закупаются новое учебное оборудование. Робототехника в образовании — это междисциплинарные занятия, интегрирующие в себе науку, технологию, инженерное дело, математику (Science Technology Engineering Mathematics = STEM), основанные на активном обучении учащихся. Во многих ведущих странах есть национальные программы по развитию именно STEM образования. Робототехника представляет учащимся технологии 21 века, способствует развитию их коммуникативных способностей, развивает навыки взаимодействия, самостоятельности при принятии решений, раскрывает их творческий потенциал. Дети и подростки лучше понимают, когда они что-либо самостоятельно создают или изобретают. Такую стратегию обучения помогает реализовать образовательная среда RoboRobo.

Новые ФГОС требуют освоения основ конструкторской и проектно-исследовательской деятельности, и программы по робототехнике полностью удовлетворяют эти требования.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

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

Актуальность развития этой темы заключается в том, что в настоящий момент в России развиваются нанотехнологии, электроника, механика и программирование. Т.е. созревает благодатная почва для развития компьютерных технологий и робототехники. Успехи страны в XXI веке будут определять не природные ресурсы, а уровень интеллектуального потенциала, который определяется уровнем самых передовых на сегодняшний день технологий. Уникальность образовательной робототехники заключается в возможности объединить конструирование и программирование в одном курсе, что способствует интегрированию преподавания информатики, математики, физики, черчения, естественных наук с развитием инженерного мышления, через техническое творчество. Техническое творчество — мощный инструмент синтеза знаний, закладывающий прочные основы системного мышления. Таким образом, инженерное творчество и лабораторные исследования — многогранная деятельность, которая должна стать составной частью повседневной жизни каждого обучающегося.

Педагогическая целесообразность этой программы заключается в том что, она является целостной и непрерывной в течении всего процесса обучения, и позволяет школьнику шаг за шагом раскрывать в себе творческие возможности и само реализоваться в с современном мире . В процессе конструирования и программирования дети получат дополнительное образование в области физики, механики, электроники и информатики.

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.

Содержание и структура элективного курса «Робототехника» направлены на формирование устойчивых представлений о робототехнических устройствах как едином изделии определенного функционального назначения и с определенными техническими характеристиками.

Данный курс рассчитан на 34 часа (1 час в неделю) и предназначен для учащихся 8 классов.

Целью данного курса является овладение навыками начального технического конструирования, развитие мелкой моторики, развитие навыков взаимодействия в группе

Задачи курса:

- дать первоначальные знания о конструкции робототехнических устройств;

- научить приемам сборки и программирования робототехнических устройств;

- сформировать общенаучные и технологические навыки конструирования и проектирования;

- ознакомить с правилами безопасной работы с инструментами

- формировать творческое отношение к выполняемой работе;

- воспитывать умение работать в коллективе, эффективно распределять обязанности.

- развивать творческую инициативу и самостоятельность;

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

- Развивать умения излагать мысли в четкой логической последовательности, отстаивать свою точку зрения, анализировать ситуацию и самостоятельно находить ответы на вопросы путем логических рассуждений.

Ожидаемые результаты

привлечение школьников к исследованиям в области робототехники;

обмен технической информацией и начальными инженерными знаниями между учащимися;

развитие новых научно – технических идей учащихся;

внедрение в образовательный процесс информационных и коммуникационных технологий;

мотивация к изучению учебных дисциплин у учащихся;

организация занятости школьников во внеурочное время.

Методика преподавания курса

Межпредметный элективный курс «Робототехника» представляет учащимся технологии 21 века, способствует развитию их коммуникативных способностей, развивает навыки взаимодействия, самостоятельности при принятии решений, раскрывает их творческий потенциал.

Межпредметный элективный курс «Робототехника» строится на базовых составляющих содержания предметов:

«Технология» - раздел «Электрорадиотехника» - 8-9 класс;

«Физика» - разделы «Электрические явления» и «Электрический ток и его действия» - 8 класс; разделы «Электромагнитные явления» и «Электромагнитные колебания и волны» - 9 класс.

Кроме того при изучении курса предполагается выход за рамки вышеназванных учебных предметов. Практическая деятельность по выполнению действующей модели робота, требует от учащихся синтеза знаний, охватывающих целый спектр разделов механики, математики, биологии, английского языка.

Данный курс носит ориентационный характер, и знакомит учащихся с комплексными проблемами и задачами, требующими синтеза знаний по ряду предметов индустриально-технологического и физико-математического профилей обучения. Данный вариант программы рассчитан на углубленное изучение одного из направлений робототехники – автоматизации производственных процессов - промышленной робототехники.

Основу программы составляет обзорный теоретический материал, который охватывает вопросы истории развития робототехники, социально-экономического значения робототехники, анализа теоретических основ использования робототехники в промышленности.

Реализация данного курса в практическом плане позволяет

систематизировать сведения о типаже промышленных роботов в соответствии с их назначением;

систематизировать сведения о рабочих органах, функциональных узлах и системах управления;

сформировать знания о типовых применениях промышленных роботов в различных производственных системах.

сформировать знания о социально-экономическом значении роботизации.

Методы используемые при преподавании курса:

Познавательный (восприятие, осмысление и запоминание учащимися нового материала с привлечением наблюдения готовых примеров, моделирования, изучения иллюстраций, восприятия, анализа и обобщения демонстрируемых материалов);

Метод проектов (при усвоении и творческом применении навыков и умений в процессе разработки собственных моделей)

Систематизирующий (беседа по теме, составление систематизирующих таблиц, графиков, схем и т.д.)

Контрольный метод (при выявлении качества усвоения знаний, навыков и умений и их коррекция в процессе выполнения практических заданий)

Групповая работа (используется при совместной сборке моделей, а также при разработке проектов)

СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ

Введение в робототехнику. Предыстория робототехники. Возникновение и развитие современной робототехники. Развитие отечественной робототехники. Социально-экономическое значение робототехники.

Робот это...? Устройство робота. Мир робота.

Простой робот. Правила техники использования элементов конструктора. Сборка готовой модели робота.

Робот-дерево. Понятие процессорная плата, приемы работы с ней. Сборка готовой модели.

Программа Rogic. Основные элементы программы Rogic 1.01 (русскоязычная версия), приемы работы в программе. Пример написания программ для готовых моделей роботов.

Робот-самолёт. Знакомство с платой светодиода и зуммера. Сборка готовой модели. Написание программы, для движения лопастей самолёта.

Робот-автогонщик. Знакомство с электромотором и принципом его действия. Сборка готовой модели и написание программы к ней.

Робот-танцор. Знакомство с платой управления электромотором. Сборка готовой модели и написание программы к ней.

Управляемый робот. Модуль кнопки. Сборка готовой модели и написание программы к ней.

Робот-клавиатура. RS232C-кабель. Сборка готовой модели и написание программы к ней.

Бамперный робот. Роботы, использующие бамперы. Сборка готовой модели и написание программы к ней.

Распознающий робот. Плата IR-сенсора. Сборка готовой модели и написание программы к ней.

Робот Кикборд. Понятие «Датчик». Принципы работы с датчиками. Сборка готовой модели и написание программы к ней.

Робот-воин. Сборка готовой модели и написание программы к ней.

Проектирование. Понятие проектирование. Виды, структура и методы проектирования

Проект и основные этапы его разработки. Что такое проект? Типы проектов. Основные этапы разработки проекта.

Разработка итогового проекта.

Примерные темы проектов: Мой робот будущего. Робототехника: проблемы и перспективы. Создание программы для готовой модели робота. Электрические платы и их взаимодействия. Программирование в среде Rogic/

Защита итогового проекта.

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАНИРОВАНИЕ

КАЛЕНДАРНО-ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ

ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ПОДГОТОВКИ УЧАЩИХСЯ

По окончанию курса обучения учащиеся должны

- знать правила безопасной работы;

- знать основные компоненты конструкторов;

- знать конструктивные особенности различных моделей, сооружений и механизмов;

- знать компьютерную среду, включающую в себя графический язык программирования;

- знать виды подвижных и неподвижных соединений в конструкторе;
основные приемы конструирования роботов;

- знать конструктивные особенности различных роботов;

- знать порядок создания алгоритма программы, действия робототехнических средств;

- знать как использовать созданные программы;

-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 роботов;

-корректировать программы при необходимости;

-уметь принимать или намечать учебную задачу, ее конечную цель.

- уметь проводить сборку робототехнических средств, с применением конструкторов;

- уметь создавать программы для робототехнических средств.

- уметь прогнозировать результаты работы.

- уметь планировать ход выполнения задания.

- уметь рационально выполнять задание.

- уметь руководить работой группы или коллектива.

- уметь высказываться устно в виде сообщения или доклада.

- уметь высказываться устно в виде рецензии ответа товарища.

- уметь представлять одну и ту же информацию различными способами

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

Бабич А.В., Баранов А.Г., Калабин И.В. и др. Промышленная робототехника: Под редакцией Шифрина Я.А. – М.: Машиностроение, 2012.

Богатырев А.Н. Электрорадиотехника. Учебник для 8-9 класса общеобразовательных учреждений. М.: Просвещение, 2010.

Гордин А.Б. Занимательная кибернетика. – М.: Радио и связь, 2007.

Перышкин А.В. Физика. учебник для учащихся общеобразовательной школы. 8 класс. – М.: Дрофа, 2012.

Громов СВ., Родина Н.А. Физика. учебник для учащихся общеобразовательной школы. 9 класс. – М.: Дрофа, 2012.

Фу К., Гансалес Ф., Лик К. Робототехника: Перевод с англ. – М. Мир, 2010.

Шахинпур М. Курс робототехники: Пер. с англ. – М.; Мир, 2010.

Ф.Жимарши Сборка и программирование мобильных роботов в домашних условиях – М., НТ Пресс, 2008 г.

Д. Вильямс Программированный робот, управляемый с КПК – М., НТ Пресс, 2006 г.

Д. Вильямс Программируемые роботы – М., НТ Пресс, 2006 г.

Интеллектуальная школа робота RoboRobo.

www.myrobot.ru

www.easyelectronics.ru

www.roboforum.ru

http://www.roboclub.ru РобоКлуб. Практическая робототехника.

http://www.robot.ru Портал Robot.Ru Робототехника и Образование.

http://learning.9151394.ru

http://mon.gov.ru/pro/fgos/ - Сайт Министерства образования и науки Российской Федерации/Федеральные государственные образовательные стандарты:

http://www.openclass.ru/wiki-pages/123792

www.uni-altai.ru/info/journal/vesnik/3365-nomer-1-2010.html

http://confer.cschool.perm.ru/tezis/Ershov.doc

http://www.openclass.ru/wiki-pages/123792

http://pedagogical_dictionary.academic.ru

http://learning.9151394.ru/course/view.php?id=17

МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КУРСА.

Комплекты RoboKids № 1 и № 2

Персональные компьютеры

Программное обеспечение Rogic

Пример проекта обучающегося.

Программирование действий робота-танцора

с использованием платы управления электромотором.

Содержание.

Введение

1. Теоретические основы использования электромотора в различных моделях роботов

1.1 Модели роботов, использующие в своей основе электромотор

1.2 Плата управления электромотором

1.3 Блок электромотора. Программирование движений робота.

2. Создание модели робота, выполняющего танец.

2.1 Сборка готовой модели робота

2.2 Программа, позволяющая роботу выполнять танец.

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В настоящее время исследования в области робототехники являются весьма актуальными. Одними из популярных конструкций роботов, являются робототехнические комплексы различного назначения.

В настоящей работе рассматривается пример создание робота-танцора, выполняющего танец под заданную музыку

Цель научно-исследовательской работы:

1. Проведение литературного обзора процессов создания аналитических моделей робототехники с использованием электромоторов.

2. Написание программы для робота-танцора.

3. Пример корректировки модели.

При разработке общей методики проведения исследований выделены следующие основные направления: проработка конструкции робототехнического комплекса, проработка системы программирования робота.

В основной части работы приведены:

1) примеры использования электромотора постоянного тока в различных моделях роботов;

2) примеры программ управления электромоторами в программной среде Rogic 3.01 (русифицированная версия);

3) обобщение и оценка результатов исследований, включающих оценку полноты решения поставленной задачи и предложения по дальнейшим направлениям работ.

1. Теоретические основы использования электромотора в различных моделях роботов

Мотор - механизм, вращающий ось. Сейчас двигатели используются повсюду, даже в тех местах, где большинство людей и не подозревает. Они преобразуют электроэнергию в механическое движение, необходимое в автомобилях и бытовой технике. Рассмотрим как используется мотор (в нашем случае электромотор постоянного тока) в различных моделях роботов.

1.1 Модели роботов, использующие в своей основе электромотор

Электромотор постоянного тока - главная часть для движения и поворотов робота.

Приведем наиболее популярные модели роботов, где одним из основных устройств выступает электромотор:

1. Робот для разминирования – "Hobo". Этот робот использовался продвинутыми странами для разминирования без опасности для людей.

2. Робот-охранник – "Сторожевая собака" Этот робот может обнаружить злоумышленника или возгорание. Другая функция - записывать изображения и посылать их в PC или мобильный телефон пользователя.

3. Различные типы автомобилей

Анализируя большинство моделей роботов, где используются электромотор, можно сделать вывод: в большинстве случаев электромотор путем вращения колес, позволяет роботу перемещаться по заданной траектории.

1.2 Плата управления электромотором.

Когда электромотор подсоединён проводами к (+) и (-) полюсам батареи, его вал начинает вращаться. Однако зачем нам плата управления электромотором? Давайте выяснять причину.

Как сказано выше, вращение происходит только при соединении с батареей. Но если мы хотим изменить направление вращения, что надо сделать? Верно! Можно изменить полярность. Однако нелегко изменить полярность, если робот перемещается.

Плата управления электродвигателем необходима для сложного управления им, изменения направления и скорости вращения электродвигателя.

Если процессор дает плате управления электродвигателем команду прямого вращения, плата подаёт мотору электрический ток для прямого вращения. Таким образом, двигатель начнёт работать. Если процессор дает команду обратного вращения, плата управления электродвигателем подаёт электрический ток противоположной полярности.

1.3 Блок электромотора. Программирование движений робота.

Внешний вид блока электромотора:

Развернутый вид блока электромотора:

При программировании роботов данный блок выполняет, следующую функцию: управляет скоростью и направлением вращения электромотора.

Использование: Выбирается порт, к которому подключен электромотор. Устанавливается направление и скорость (от 0 до 15) вращения электромотора.

Приведем примеры программ, позволяющие различным моделям роботов перемешаться:

1. Программа, позволяющая роботу самолету вращать пропеллер 3 секунды по часовой стрелке и медленно 3 секунды против часовой стрелки.

2. Программа позволяющая включить мотор для движения назад (робот-карт или робот-автогонщик)

3. Программа, позволяющая роботу-танцору вращаться.

или

4. Программа, позволяющая роботу-танцору передвигаться по прямой линии.

2. Создание модели робота, выполняющего танец.

Для написания программы использовалась программная оболочка Rogic 3.01 (русифицированная версия). Данная программа находиться в свободном доступе на айте создателей: http:// roborobo.ru.

2.1 Сборка готовой модели робота

Для сборки данной модели робота понадобятся следующие элементы:

процессорная плата;

плата управления электромотором постоянного тока

плата светодиода (2 шт.)

электромотор постоянного тока (2 шт.)

батарейный отсек

батарейки (4 шт.)

обод колеса (2 шт.)

3-контактный кабель (4 шт.)

каркасы (планки с 8 отверстиями – 2 шт., средний каркас – 9Х3 отверстий – 2 шт.)

крепеж мотора (2 шт)

L – планка или уголок (L2X2 – 2 шт., L2X6 – 2 шт.)

опоры (7мм – 6 шт., 35мм – 4 шт., 20 мм – 4шт.)

винты и гайки для соединения деталей.

Подробная схема сборки модели можно найти в книге RoboRobo. Интеллектуальная школа робота. Шаг 1.стр 71-75.

Собранная модель имеет вид:

2.2 Программа, позволяющая роботу выполнять танец.

Для написания программы использовалась программная оболочка Rogic 3.01 (русифицированная версия). Данная программа находиться в свободном доступе на айте создателей: http:// roborobo.ru. Робот «танцует» под композицию Because I’m Happy! исполнитель Pharrell Williams.

Текст программы приведен ниже.

Заключение

Робототехника одно из актуальных направлений сегодняшнего времени, которое позволяет людям развивать свои технические способности и таланты. Но кроме сборки моделей роботов необходимо освоить систему программирования для данных моделей в нашем случае речь идет о программе Rogic 3.01. Но мало просто создать и запрограммировать робота, необходимо знать где в дальнейшем его можно будет использовать.

В процессе создания данной работы была написана программа позволяющая роботу –танцору «танцевать» под композицию Because I’m Happy! исполнитель Pharrell Williams.

Зная процесс программирования движений данного робота можно написать программу под любую композицию. Кроме того, в место одной платы светодиода на руке можно использовать две, что позволит создать элементы цветомузыки или закрепить еще один электромотор постоянного тока, что позволит роботу делать вращательные движения руками.

Список использованной литературы

http://www.keldysh.ru/pages/anniver/achievment/21_robot.htm - Робототехника и мехатроника

http://www.roborobo.ru

RoboRobo. Интеллектуальная школа робота. Шаг 1.стр 71-75