ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА НА ЗАНЯТИЯХ ПО РОБОТОТЕХНИКЕ Кожин М.Г.,Надеева О.Г.

Уральский государственный педагогический университет


Номер: 6-5
Год: 2016
Страницы: 21-25
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

робототехника, датчик, фотореле, демонстрационный эксперимент, robot technology, the sensor, photorelay, the demonstration experiment

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В статье обосновывается целесообразность использования демонстрации физических явлений на занятиях по робототехнике. Приведена разработка урока, на котором ученики должны научиться использовать датчики освещённости Lego Education 9844 и написать программу с регулятором для движения робота по черной линии. Демонстрация фотореле поможет ученикам в процессе программирования робота лучше понять физические принципы работы датчика освещенности.

Текст научной статьи

В современной России становится актуальной задача возрождения технического творчества на основе информационно-коммуникационных технологий. В этой связи после 2010 года в России был запущен большой исследовательский проект РВК и Intel в сотрудничестве с Европейским университетом в Санкт-Петербурге, Делойт, GoTo, Хабрахабр и Edutainme. По сообщению edurobots.ru, в рамках исследования проект Edutainme изучал такое явление, как дети-изобретатели, проанализировал структуру кружков робототехники и школьных объединений технического творчества. Из результатов исследования портала Edutainme следует, что несмотря активное развитие центров дополнительного образования для школьников, техническое творчество в них менее популярно, чем спорт и искусство, в 5-7 раз. В подтверждение приводятся данные Федерального статистического наблюдения по форме № 1-ДО за 2014 год: «за 2014 год более 439 тысяч школьников были задействованы в более чем 31 тысяче кружков технического творчества, в то время, как и художественным творчеством, и спортом занимались более 3 млн. соответственно» [5]. Одну из причин выделили эксперты - основатели проекта «Занимательная робототехника» - Динара и Александр Гагарины: «Главная проблема - слабый спрос на дополнительное образование в сфере технического творчества, так как родители очень плохо информированы об имеющихся возможностях». Эта проблема частично решается, через объявления центров дополнительного образования в общеобразовательных учреждениях. Примером может служить объявление на стенде в МАОУ СОШ № 66 г. Екатеринбурга, в котором детей и родителей приглашают посетить Отделение дополнительного политехнического образования детей, расположенного в микрорайоне. В списке направлений представлены: «Первые конструкции и механизмы», «Юный ЛЕГО-конструктор», «Авиамоделирование», «Компьютерная графика», «Основы фотографии» и др. При этом, агитируя на занятия по РОБОТОТЕХНИКЕ, родителей информируют, чему научатся их дети в центре творчества: «На занятиях дети научатся собирать различные модели механизмов роботов по предложенным инструкциям, производить сборку различных соединений, писать программы, управляющие движением конструктивных частей робота … и многое другое!!!». Таким образом, кружки технической направленности, в первую очередь робототехники, пусть медленно, но все больше набирают популярность среди детей 7-12 лет, поколение которых выросло в информационно-технической среде. В настоящее время осуществляются эксперименты по внедрению робототехники и в учебный процесс, например вместо предмета «Технология» в начальной школе. Использование роботов целесообразно и на уроках физики, информатики, в частности для формирования инженерного мышления [1]. «Робототехника - лучший способ изучать инженерные науки - физику, геометрию, моделирование и программирование - в игровой форме» - пишет Дмитрий Спивак, основатель кружка робототехники Fab Kids в Петербурге. Однако он же отмечает, что «большинство кружков робототехники обучают работе с легороботами. Легороботы хороши для обучения механике: как собрать робота, какие к нему подобрать части, программирование - не основная задача. Дети, которые изучают таких роботов, скорее всего, не понимают того, как они работают» [5]. Итак, занятия по техническому конструированию вызывают наибольший интерес у современных школьников, в первую очередь, вследствие их сильных связей с компьютерной техникой, информационно-коммуникационными технологиями. Поэтому использование робототехники для развития интереса к инженерным специальностям уже у младших подростков не вызывает сомнения. Однако для этого важно, чтобы конструирование легороботов было не только игрой, а работало на формирование инженерного мышления. Так, в пособии «Формирование инженерной элиты индустриального региона» [3] отмечено, что деятельность инженера находится на стыке творческой научной работы и технической практики, поэтому на занятиях технического кружка надо подводить подростков к пониманию роли естественнонаучных знаний, в частности физики, в деятельности будущего инженера-механика или инженера-программиста. Для решения этой задачи, по нашему мнению, целесообразно включение на занятиях по робототехнике демонстрационного физического эксперимента. Ниже приведена разработка такого занятия. УРОК ПО РОБОТОТЕХНИКЕ С ДАТЧИКОМ ОСВЕЩЁННОСТИ. Первый раз датчик освещенности начинает изучаться последним из всех стандартных датчиков в конце третьей четверти. Датчик освещённости содержит в себе светодиод красного цвета, который можно включить и выключить программно, а также фототранзистор, который измеряет яркость попадающего на него света. Включенная подсветка позволяет измерять свет, отражённый от поверхности объекта, в то время как при выключенной подсветке фотоэлемент измеряет яркость окружающего освещения. 1 этап. В начале занятия учащиеся повторяют режимы работы датчика освещенности Lego Education 9844: · регистрации общей освещенности, · регистрации своего отраженного света фотоэлементом. Перед детьми на занятии ставится задача: Учащиеся отвечают, что мы применяем в данном случае регистрацию отраженного света. 2 этап. Ученики переходят с сборке стандартной тележки на трех колесах. Работа с роботами осуществляется в парах, при этом учащиеся могут как программировать, так и конструировать робота. Учитель составляет на доске программу (рис. 1) под диктовку учашихся так, как они считают нужным. При возникновении затруднения учитель подсказывает, а так же дополняет их рассказ новыми элементами, которые дети еще не проходили. При записи формул обязательно необходимо проговаривать что обозначают эти надписи (left=s1 - значения датчика в первом порту рассматриваются как параметры датчика слева, обнуляются значения переменной, прописываются коэффициенты). 3 этап. Учащиеся записывают программу в робота и проверяют его работоспособность на специальном поле. В случае обнаружения учителем каких-либо недостатков в движении робота (например, робот нечетко едет по линии, съезжает с неё), для исправления проблемы он должен направить учащихся на доработку программы. Рис. 1. Программа для езды робота по черной линии В частности, он может рекомендовать поменять коэфициенты в ней, а они подбирают новые коэфициенты и самостоятельно проверяют, подходят ли они, повторно запуская робота. Достаточно часто возникает ситуация, когда робот подруливает не в ту сторону. Учитель опять должен увидеть проблему и порекомендовать исправить ее либо программно, либо конструкционно. Тогда, учащиеся коллективно в своей команде решают, где они будут вносить изменения. 4 этап. Каждая команда показывает всей группе результаты своей работы по конструированию и программированию легоробота. При этом ученики не только сравнивают, кто справился с заданием лучше, но, главное, определяют направления совершенствования своей модели. По нашему мнению, в конце первого этапа занятия или в ходе третьего этапа целесообразно продемонстриовать реальный фотоэлемент и его действие в электрической цепи. Для выбора опыта в методической литературе по учебному физическому эксперименту, например [4], представлено большое количество демонстраций на внешний и внутренний фотоэффект и его применение в технике. Считаем оптимальным (доступным по содержанию и нетребующим больших затрат времени) использовать на данном занятии по робототехнике фотореле на панели (рис. 2). Принцип работы прибора подробно описан в его техническом паспорте: «Прибор работает следующим образом: если рабочая поверхность фотосопротивления не освещена, то сопротивление последнего очень велико и через обмотку электромагнитного реле протекает незначительный ток, недостаточный для срабатывания реле. При освещении фотосопротивления его электрическое сопротивление резко уменьшается в несколько десятков раз, во столько же раз увеличивается ток, протекающий по обмотке электромагнитного реле. Реле при этом срабатывает и коммутирует на выходных гнездах 7 напряжение питающей сети. Конденсатор 6 служит для уменьшения пульсации выпрямленного диодом Д7Д напряжения». Рис. 1. Фотореле: 1 - доска; 2 - металлическая ножка; 3 - фотосопротивление; 4 - электромагнитное реле; 5 - диод полупроводниковый; 6 - шунтирующий конденсатор; 7, 8 - клеммы выхода и входа. Однако младшие подростки еще не изучали физику, поэтому рассказывать им устройство фотоэлемента, внешний и внутренний фотоэффект, принцип действия фотореле (в полном объеме) неразумно и даже вредно. Поэтому мы рекомендуем подключить к модели в качестве нагрузки лампу накаливания мощностью 40-60 Вт и демонстрировать только работу фотореле. Во-первых, показываем влияние степени освещенности фотоэлемента на срабатывание реле. Во-вторых, возможность применения фотореле в технике, используя разные режимы его работы: а) в режиме «свет - темно» моделируем принцип автоматической установки зажигания уличного освещения; б) в режиме «свет - свет» моделируем устройство для сигнализации (например, при возникновении пожара на складе огнеопасных материалов). Положительные эмоции, полученные учениками во время демонстраций, направляются учителем на осознанное определение ими коэффициентов при программировании робота для езды по черной линии с использованием датчиков освещённости. По нашему мнению, серия подобных занятий по робототехнике, на которых применяются датчики (напр., ультразвука для определения расстояния, датчик цвета), с использованием демонстрационного физического эксперимента будет способствовать формированию технического мышления младших школьников и пониманию ими роли физики в деятельности инженера.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.