Датчики расстояния: назначение и функции
Цели и задачи
- Цель по SMART: к концу урока учащиеся объяснят назначение датчика расстояния, назовут не менее двух областей его применения, различат ультразвуковой и инфракрасный способы измерения расстояния и составят алгоритм реакции устройства на обнаружение препятствия.
- Сформировать представление о датчиках расстояния как устройствах, которые обнаруживают объект и передают контроллеру информацию о дистанции до него.
- Научить устанавливать связь между показанием датчика, условием программы и действием исполнительного устройства.
- Развивать умение анализировать техническую ситуацию, работать с информационной схемой и аргументированно выбирать датчик для конкретной задачи.
- Воспитывать ответственное отношение к технике, навыки безопасной работы с электронными компонентами и готовность сотрудничать в паре или группе.
Планируемые результаты
Личностные
- Проявляют интерес к использованию автоматических устройств в быту, промышленности и робототехнике.
- Понимают ценность точной информации для безопасной работы робота или автоматической системы.
- Осознают необходимость соблюдать правила безопасного обращения с электронными компонентами и оборудованием.
- Проявляют инициативу при обсуждении технической задачи и принимают ответственность за результат работы пары.
Метапредметные
- Выделяют из описания технической ситуации объект, препятствие, расстояние, условие и необходимое действие устройства.
- Преобразуют текстовую информацию в схему «датчик — контроллер — исполнительный механизм».
- Планируют последовательность решения задачи и проверяют соответствие выбранного датчика поставленной цели.
- Формулируют вопросы, аргументируют выбор решения и учитывают мнение партнёра.
- Используют условные конструкции «если — то — иначе» для описания поведения автоматического устройства.
Предметные
- Знать назначение датчика расстояния и его основные функции: обнаружение объекта, измерение или оценка расстояния, передача сигнала контроллеру.
- Уметь объяснять работу системы «датчик — контроллер — исполнительное устройство» на примере робота, шлагбаума или системы парковки.
- Различать ультразвуковой и инфракрасный способы определения расстояния по принципу действия.
- Уметь выбирать подходящий датчик для предложенной технической ситуации и обосновывать свой выбор.
- Владеть навыком составления простого алгоритма реакции устройства на приближение объекта.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личный интерес к робототехнике и автоматическим системам через обсуждение реальных примеров.
- Осознают смысл изучения датчиков для создания безопасных и полезных устройств.
- Проявляют самостоятельность при выборе способа выполнения группового задания.
- Оценивают собственный вклад в работу пары и соблюдение правил безопасного поведения.
Регулятивные УУД
- Принимают учебную цель и формулируют последовательность действий для её достижения.
- Планируют решение технического кейса по шагам: определить объект, выбрать датчик, задать условие, указать действие.
- Осуществляют самопроверку по критериям: правильность принципа, полнота алгоритма, обоснованность выбора.
- Обнаруживают ошибку в алгоритме и предлагают способ её исправления.
- Оценивают результат работы на этапе рефлексии и формулируют затруднение.
Познавательные УУД
- Извлекают информацию из схемы, краткого описания и изображения датчика расстояния.
- Сравнивают ультразвуковой и инфракрасный датчики по принципу действия и условиям применения.
- Устанавливают причинно-следственную связь между расстоянием до объекта и командой исполнительному устройству.
- Моделируют работу автоматической системы с помощью стрелочной схемы и условной записи.
- Классифицируют технические ситуации по необходимости бесконтактного обнаружения препятствия.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли в паре: аналитик, оформитель и докладчик могут сменять друг друга.
- Задают уточняющие вопросы о принципе действия датчика и проверяют понимание партнёра.
- Представляют решение группы с использованием технических терминов.
- Аргументированно соглашаются или не соглашаются с предложенным выбором датчика.
- Соблюдают регламент обсуждения и конструктивно исправляют неточности в ответах одноклассников.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить два демонстрационных образца: ультразвуковой датчик расстояния и инфракрасный датчик либо их изображения с обозначенными рабочими элементами.
- Подготовить непрозрачный экран, линейку или рулетку и два предмета для демонстрации: картонную коробку и прозрачную пластиковую ёмкость.
- Распечатать карточки с тремя техническими кейсами — по одной карточке на каждую пару, всего по числу пар в классе.
- Распечатать сравнительную таблицу «Ультразвуковой датчик — Инфракрасный датчик» по одной на каждого ученика.
- Подготовить карточки трёх цветов для приёма «Светофор»: зелёная, жёлтая и красная — по одному комплекту на каждого ученика.
- Вывести на доску схему «датчик → контроллер → исполнительное устройство» и памятку алгоритма «Если расстояние меньше заданного, то ... иначе ...».
- Подготовить слайд или плакат с фотографиями робота-пылесоса, автоматического шлагбаума, парковочного радара и робота, объезжающего препятствие.
- При наличии конструктора подготовить контроллер, ультразвуковой датчик, соединительные провода и светодиод либо зуммер для демонстрации без обязательной сборки учениками.
- Проверить исправность проектора, ноутбука, интерактивной доски и оборудования; напомнить правила безопасного подключения компонентов только при отключённом питании.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (4 мин)
Цель этапа: организовать класс, вызвать интерес к теме через проблемную техническую ситуацию и обозначить практическую значимость датчиков расстояния.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и проверяет готовность: "Здравствуйте, ребята. На столе должны быть тетрадь, ручка и рабочий лист. Сегодня мы будем рассуждать как инженеры: не просто узнаем название детали, а выясним, какую информацию она даёт автоматическому устройству. Проверьте, что оборудование без разрешения не подключаем и не разбираем." | Проверяют рабочее место, кладут перед собой тетрадь и рабочий лист, подтверждают готовность к работе. |
3 мин | Учитель показывает изображение робота-пылесоса и спрашивает: "Представьте, что робот движется к стене. У него нет глаз, и человек им не управляет. Как он понимает, что впереди препятствие? Какие последствия будут, если он узнает о стене слишком поздно? Предлагайте гипотезы, а я запишу их на доске." Учитель фиксирует ответы в виде слов «обнаружить», «измерить», «остановиться», «повернуть». | В приёме «Подумай — обсуди в паре — поделись» 30 секунд формулируют собственную гипотезу, минуту обсуждают её с соседом, затем предлагают ответы: «робот посылает сигнал», «внутри есть датчик», «датчик сообщает расстояние». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы выяснили, что автоматическому устройству недостаточно только двигателя: ему нужна информация об окружающем мире. Сегодня разберёмся, как датчик расстояния получает эту информацию и как контроллер превращает её в действие."
Этап 2. Актуализация знаний (5 мин)
Цель этапа: актуализировать представления о датчиках, сигналах, контроллере и исполнительных устройствах.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель показывает на доске три изображения: датчик освещённости, кнопку и двигатель. "Рассмотрите изображения. Что из них получает информацию, что передаёт команду, а что выполняет действие? Объясните, почему кнопку можно считать источником сигнала, а двигатель — исполнительным устройством." | Распределяют изображения по группам, отвечают: «датчик и кнопка формируют сигнал, двигатель выполняет действие», записывают в тетради связку «сигнал — обработка — действие». |
3 мин | Учитель проводит мини-викторину «Верно — неверно»: "Датчик всегда выполняет движение. Контроллер принимает сигнал и обрабатывает его. Исполнительный механизм может включать свет, звук или двигатель. Один датчик может использоваться в разных устройствах." После каждого утверждения просит кратко обосновать выбор. | Поднимают зелёную или красную карточку, отмечают утверждения в рабочем листе и объясняют: «датчик не двигает механизм, он передаёт информацию»; «контроллер сравнивает данные с условием»; «один датчик применяют в роботе, сигнализации и парковочной системе». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы вспомнили, что датчик сообщает системе о состоянии среды, контроллер обрабатывает сигнал, а исполнительное устройство действует. Теперь проверим, достаточно ли этих знаний, чтобы объяснить работу датчика расстояния."
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: выявить затруднение и совместно сформулировать цель и план изучения нового материала.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель демонстрирует датчик и закрывает его рукой на разном расстоянии: "Перед вами небольшая деталь. Она не касается коробки, но должна сообщить роботу, насколько близко препятствие. Что именно необходимо узнать о её работе? Какой сигнал она может послать контроллеру?" | Формулируют вопросы: «Как датчик определяет расстояние?», «Что он измеряет?», «Как контроллер понимает, когда остановить робота?». |
2 мин | Учитель записывает на доске план: 1) назначение датчика; 2) принцип действия; 3) связь с контроллером; 4) применение. "Сформулируйте цель одним предложением. В конце урока вы должны будете выбрать датчик для конкретной ситуации и записать алгоритм его работы." | Формулируют цель: «понять, как датчик расстояния обнаруживает объект и помогает устройству выбрать действие», принимают план работы и записывают тему урока. |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Проблема поставлена: нам нужно превратить неизвестный сигнал датчика в понятный алгоритм действия. Сначала исследуем, какую информацию получают разные датчики расстояния."
Этап 4. Открытие нового знания (10 мин)
Цель этапа: сформировать представление о назначении, функциях и двух распространённых принципах работы датчиков расстояния.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель показывает ультразвуковой датчик и схему распространения сигнала: "Датчик посылает ультразвуковой импульс, который человек обычно не слышит. Импульс отражается от препятствия и возвращается. По времени возвращения система оценивает расстояние: чем дальше объект, тем больше времени проходит. Датчик не касается предмета, поэтому такой способ называют бесконтактным." | Рассматривают схему, пальцем показывают путь сигнала «датчик — объект — датчик», формулируют вывод: «расстояние оценивается по времени возвращения отражённого сигнала». |
3 мин | Учитель показывает инфракрасный датчик и другую схему: "Инфракрасный датчик использует невидимое инфракрасное излучение. Объект отражает часть излучения, а приёмник фиксирует отражённый сигнал. Такой датчик также может обнаружить препятствие без прикосновения, однако на точность влияют цвет, поверхность и освещённость объекта." | Заполняют в таблице строку об инфракрасном датчике, сравнивают его с ультразвуковым и отвечают: «для разных поверхностей результаты могут отличаться». |
2 мин | Учитель соединяет на доске элементы схемы стрелками: "Датчик получает информацию, контроллер принимает и сравнивает её с условием, исполнительное устройство выполняет команду. Посмотрите на пример: если расстояние до стены меньше 20 сантиметров, робот останавливается, иначе продолжает движение." | Восстанавливают пропущенные элементы схемы, проговаривают цепочку: «датчик сообщает — контроллер сравнивает — двигатель останавливается или работает». |
2 мин | Учитель обобщает функции: "Назовите функции датчика расстояния. Он обнаруживает объект, оценивает дистанцию, передаёт сигнал контроллеру. Сам датчик обычно не принимает решение и не выполняет движение — решение задаётся программой или схемой управления." | Записывают три функции в тетрадь и приводят примеры применения: робот-пылесос, парковочная система, автоматическая дверь, шлагбаум. |
Запись в тетрадях
Датчик расстояния — устройство, которое бесконтактно обнаруживает объект и определяет или оценивает расстояние до него. Основные функции: обнаружить объект; измерить или оценить расстояние; передать сигнал контроллеру. Схема: датчик → контроллер → исполнительное устройство. Алгоритм: если расстояние меньше заданного, то выполнить действие 1, иначе выполнить действие 2.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Теперь мы знаем, что датчик расстояния не является самостоятельным роботом: он поставляет данные системе. Следующий шаг — научиться применять эти сведения к конкретным техническим ситуациям и выбирать подходящее решение."
Этап 5. Первичное закрепление. Работа с кейсами (8 мин)
Цель этапа: закрепить новое знание через анализ реальных ситуаций и составление схемы работы автоматической системы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель делит класс на пары и раздаёт карточки трёх типов. "В каждой карточке описана техническая ситуация. Прочитайте её, подчеркните объект, который нужно обнаружить, выберите ультразвуковой или инфракрасный датчик и объясните выбор. Работайте по алгоритму: объект — датчик — условие — действие." | Получают карточку, распределяют роли «аналитик» и «докладчик», читают условие и выделяют ключевые данные. |
4 мин | Учитель предлагает кейсы: "Кейс 1: робот движется по коридору и должен остановиться перед картонной коробкой. Кейс 2: автоматическая дверь должна открыться, когда человек приблизился к входу. Кейс 3: парковочная система должна предупредить водителя о приближении к препятствию. Запишите решение стрелками и условием «если — то — иначе»." Учитель консультирует пары вопросами: "Что именно измеряет датчик? Какое действие запускается?" | Составляют схемы. Пример ответа по кейсу 1: «ультразвуковой датчик — контроллер — двигатель; если расстояние меньше 20 см, то остановить робота, иначе продолжать движение». Обсуждают, что для двери можно использовать инфракрасный датчик обнаружения приближения. |
3 мин | Учитель организует короткую защиту двух решений: "Представители двух пар, назовите ситуацию, выбранный датчик и условие. Остальные сравните решение с критериями: есть ли объект, принцип действия, условие и команда?" | Докладчики представляют решения, остальные ставят отметки в листе проверки и задают уточняющие вопросы: «Почему выбран именно этот датчик?», «Что произойдёт при увеличении расстояния?» |
Эталон решения
Для робота, который должен остановиться перед стеной: 1) датчик получает отражённый сигнал от препятствия; 2) контроллер определяет расстояние d; 3) программа сравнивает d с порогом 20 см; 4) если d < 20 см, подаётся команда двигателю остановиться; 5) если d ≥ 20 см, робот продолжает движение. Условная запись: если d < 20 см, то стоп, иначе движение вперёд.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Вы увидели, что одинаковая схема может работать в разных устройствах, если изменить условие и команду. Теперь каждый самостоятельно проверит, умеет ли он объяснить назначение датчика и составить алгоритм без подсказки пары."
Этап 6. Самостоятельная работа с самопроверкой (7 мин)
Цель этапа: проверить индивидуальное понимание назначения и функций датчиков расстояния, а также умение применять условную конструкцию.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | Учитель раздаёт индивидуальные задания: "Выполните три пункта. Первый: допишите определение датчика расстояния. Второй: соедините стрелками ультразвуковой и инфракрасный способы с их признаками. Третий: составьте алгоритм для робота: если расстояние до препятствия меньше 15 сантиметров, робот должен остановиться и включить красный светодиод, иначе продолжать движение." | Индивидуально дописывают определение, соединяют признаки и записывают алгоритм: «если d < 15 см, то остановиться и включить красный светодиод, иначе продолжать движение». |
2 мин | Учитель открывает на доске эталон: "Проверьте не только ответ, но и полноту записи. В определении должны быть объект, расстояние и передача сигнала контроллеру. В алгоритме обязательны условие и два варианта действия." | Сверяют работу с эталоном, подчёркивают исправления другим цветом, ставят себе 1 балл за каждый выполненный пункт. |
1 мин | Учитель предлагает приём «Светофор»: "Покажите карточку. Зелёная — можете самостоятельно объяснить работу датчика; жёлтая — понимаете основную идею, но путаетесь в алгоритме; красная — нужна моя помощь." | Поднимают карточку, фиксируют в тетради личное затруднение: «выбор датчика», «составление условия» или «различие сигналов». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Индивидуальная проверка показала, что основную схему вы уже можете восстановить. Осталось связать новое знание с общей системой автоматизации и сформулировать, почему датчик важен для безопасности устройства."
Этап 7. Включение в систему знаний, рефлексия и домашнее задание (7 мин)
Цель этапа: обобщить знания, оценить достижение цели урока и дать дифференцированное домашнее задание.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель возвращается к проблемному вопросу: "Как робот понимает, что перед ним препятствие? Ответьте теперь полным техническим предложением. Назовите путь информации от датчика до действия механизма." | Формулируют ответ: «датчик расстояния бесконтактно обнаруживает объект, передаёт сигнал контроллеру, а контроллер по условию даёт команду двигателю остановиться или повернуть». |
2 мин | Учитель проводит приём «Одноминутка»: "За одну минуту запишите три ключевых слова урока и одно применение датчика расстояния. Затем добавьте фразу: «Теперь я умею...»" | Записывают: «датчик, расстояние, контроллер», пример применения и личный результат: «Теперь я умею составлять условие для робота». |
2 мин | Учитель разъясняет уровни домашнего задания: "Базовый уровень обязателен для всех. Средний помогает потренироваться в выборе датчика, а продвинутый предлагает спроектировать собственную систему. Выберите уровень по результату сегодняшней самопроверки." | Записывают выбранный уровень домашнего задания и задают уточняющие вопросы по формату схемы. |
1 мин | Учитель завершает урок: "Перед выходом проверьте себя по трём вопросам: что обнаруживает датчик, кому он передаёт сигнал и какое действие запускается при уменьшении расстояния?" | Устно отвечают: «объект и расстояние», «контроллеру», «остановка, поворот, сигнал или другое действие по программе». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Сегодня вы прошли путь от наблюдения за роботом до инженерного алгоритма его поведения. На следующем уроке мы рассмотрим подключение датчика к контроллеру и проверим работу условной программы на модели устройства."
Критерии оценивания практической работы
- «5» — правильно определены назначение и функции датчика, корректно сопоставлены ультразвуковой и инфракрасный способы, составлена полная схема «датчик — контроллер — исполнительное устройство», алгоритм содержит условие и оба варианта действия, выбор датчика обоснован.
- «4» — верно выполнены основные задания и составлен алгоритм, но допущена одна неточность в объяснении принципа действия или обосновании выбора датчика.
- «3» — ученик понимает общее назначение датчика, но выполняет только часть заданий; схема неполная или в алгоритме отсутствует один вариант действия, требуется помощь учителя.
- Ниже базового уровня — не раскрыто назначение датчика, перепутаны функции датчика и исполнительного устройства, алгоритм не содержит связи между расстоянием и действием.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что нового вы узнали о назначении датчика расстояния? | Выявление осознания ключевого предметного понятия и функций датчика. |
Как датчик, контроллер и исполнительное устройство связаны между собой? | Проверка понимания системной схемы автоматического устройства. |
Что было сложнее: выбрать датчик или составить условие «если — то — иначе»? | Выявление конкретной точки затруднения для последующей коррекции. |
Где в жизни вы применили бы датчик расстояния? | Перенос знания в реальный контекст и оценка практической значимости темы. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня мы выяснили, что датчик расстояния не просто «видит» препятствие, а передаёт контроллеру важную информацию для принятия решения. Мы научились связывать расстояние с условием программы и действием механизма. Помните типичную ошибку: датчик сообщает данные, но сам обычно не останавливает двигатель и не выбирает команду. На следующем уроке мы применим эту схему при подключении датчика к контроллеру и проверим работу автоматического устройства."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Составить в тетради схему работы датчика расстояния для робота, который подъезжает к стене: указать датчик, контроллер, исполнительный механизм и записать алгоритм с порогом 20 см. Дополнительно назвать два устройства, где применяется датчик расстояния. | Закрепляет назначение датчика, последовательность передачи информации и условную конструкцию; при проверке обратить внимание на наличие двух вариантов действия. |
Средний (повышающий) | Описать две ситуации: автоматическая дверь и парковочный помощник. Для каждой выбрать ультразвуковой или инфракрасный датчик, привести по два аргумента и записать условие с действием устройства. | Развивает сравнение способов измерения, умение выбирать техническое решение и применять знания в жизненном контексте. |
Продвинутый (дополнительный) | Спроектировать собственную систему с датчиком расстояния: придумать назначение устройства, изобразить схему «датчик — контроллер — исполнительный механизм» и записать не менее двух условий поведения устройства при разных расстояниях. | Формирует навыки технического проектирования, моделирования и создания алгоритма; при проверке оценить реалистичность решения, полноту схемы и ясность условий. |
Контрольные вопросы перед выходом: 1) Что измеряет или оценивает датчик расстояния? 2) Чем отличаются ультразвуковой и инфракрасный способы? 3) Кто принимает решение по сигналу датчика? 4) Как записать действие робота при условии d < 15 см?
