Мобильная робототехника: устройство и управление учебным роботом
Цели и задачи
- Цель урока по SMART: к концу урока учащиеся объяснят назначение основных компонентов мобильного робота, составят в визуальной среде алгоритм движения по заданному маршруту и проверят его работу на учебном поле.
- Сформировать представление о мобильном роботе как программируемом техническом устройстве, состоящем из корпуса, привода, источника питания, контроллера и датчиков.
- Научить определять последовательность команд для движения робота вперёд, остановки и поворота, а также находить простую ошибку в алгоритме.
- Развивать навыки парной работы, логического мышления, планирования, самоконтроля и безопасного обращения с цифровым оборудованием.
- Воспитывать интерес к инженерным профессиям, ответственное отношение к технике и понимание роли робототехники в повседневной жизни.
Планируемые результаты
Личностные
- Проявляют интерес к созданию и испытанию технических устройств.
- Понимают ценность точности, настойчивости и взаимопомощи при решении инженерной задачи.
- Осознают необходимость соблюдения правил безопасной работы с робототехническим и компьютерным оборудованием.
- Оценивают собственный вклад в работу пары и готовность корректировать ошибочные решения.
Метапредметные
- Читают условные обозначения и извлекают информацию из схемы, изображения и экранного интерфейса.
- Планируют последовательность действий, проверяют результат и вносят коррективы в алгоритм.
- Формулируют предположения, сравнивают варианты решения и аргументируют выбор команд.
- Сотрудничают в паре, распределяют роли программиста и инженера-испытателя, используют ИКТ для создания и проверки программы.
Предметные
- Знать назначение контроллера, двигателя, колёс, источника питания и датчика расстояния.
- Уметь описывать мобильного робота как систему «вход — обработка — действие».
- Уметь составлять простой алгоритм движения робота по клетчатому маршруту.
- Уметь загружать программу в учебного робота, запускать её и находить ошибку по результату испытания.
- Владеть базовыми правилами безопасной работы с конструктором, компьютером и аккумуляторным питанием.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личную учебную задачу: понять, как команда превращается в движение робота.
- Проявляют ответственное отношение к оборудованию и результату совместной работы.
- Оценивают трудность задания и выбирают способ получения помощи.
- Связывают мобильную робототехнику с профессиями инженера, программиста и оператора автоматизированных систем.
Регулятивные УУД
- Принимают и уточняют цель работы по маршруту.
- Планируют алгоритм до запуска робота.
- Сверяют результат движения с заданным маршрутом.
- Находят несоответствие, изменяют одну команду и повторно проверяют программу.
- Оценивают работу пары по заранее объявленным критериям.
Познавательные УУД
- Выделяют основные части мобильного робота и устанавливают их функции.
- Моделируют движение робота последовательностью условных команд.
- Сравнивают линейный алгоритм и алгоритм с условием остановки.
- Анализируют ошибочную программу по траектории движения.
- Используют экранную схему и данные испытания для формулировки вывода.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли в паре и договариваются о порядке действий.
- Задают уточняющие вопросы о назначении деталей и команд.
- Объясняют партнёру, почему выбран именно такой порядок команд.
- Корректно принимают замечание и предлагают способ исправления ошибки.
- Представляют классу результат испытания и кратко аргументируют решение.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить учебные мобильные робототехнические наборы из расчёта один набор на пару, проверить заряд аккумуляторов и исправность двигателей.
- Установить на компьютеры или планшеты визуальную среду программирования, заранее открыть рабочие проекты и проверить соединение с контроллерами.
- Распечатать карточки с изображениями компонентов робота — по одной на пару, а также карточки с командами движения — по одному комплекту на пару.
- Разложить на парты маршрутные поля из клеток с обозначенными стартом, финишем и препятствиями — по одному полю на пару.
- Подготовить листы наблюдений с графами «Команда», «Ожидаемое действие», «Результат испытания», «Ошибка и исправление» — по одному на пару.
- Вывести на доску схему «датчик — контроллер — двигатель» и памятку: «Сначала спланируй, затем запрограммируй, проверь, исправь».
- Подготовить слайд с изображением робота и вопросом: «Как заставить робота доставить груз, не задев препятствие?».
- Освободить безопасную зону для движения роботов, убрать провода и мелкие предметы.
- Подготовить секундомер, сигнальные карточки для рефлексии и карточки с заданиями базового и повышенного уровня.
- Проверить правила безопасной работы: не касаться движущихся колёс, не тянуть провода, запускать робота только по команде учителя.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (4 мин)
Цель этапа: включить учащихся в учебную деятельность и вызвать интерес к проблеме управления мобильным роботом.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс: "Здравствуйте, ребята. Проверьте, пожалуйста, готовность: на парте должны быть тетрадь, ручка и карточка наблюдений. Робототехнический набор пока не включаем. Сегодня мы будем не просто собирать устройство, а учиться давать ему точные команды." | Проверяют готовность рабочего места, не включают оборудование до разрешения учителя. |
3 мин | Учитель показывает на экране изображение робота, движущегося по складу: "Представьте, что робот должен доставить деталь от стартовой клетки к финишу и не столкнуться с препятствием. Что произойдёт, если команда будет неточной? Какие сведения нужны роботу, чтобы действовать?" Учитель принимает гипотезы и фиксирует ключевые слова: «команда», «движение», «датчик», «проверка». | В парах обсуждают 30 секунд, затем формулируют ответы: "Робот может повернуть не туда", "нужен маршрут", "датчик помогает заметить препятствие". |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы увидели, что робот сам не угадывает намерение человека. Ему нужны понятные команды и проверка результата. Теперь выясним, из каких частей состоит мобильный робот и как они связаны между собой."
Этап 2. Актуализация знаний и физкультминутка (5 мин)
Цель этапа: актуализировать представления о механизмах, алгоритме и безопасной работе, снять напряжение после начала урока.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель показывает изображения колеса, двигателя, батареи, контроллера и датчика: "Назовите знакомые устройства. Что произойдёт, если убрать двигатель? А если отключить питание? Составьте цепочку от команды пользователя до движения колеса." | Распознают детали, отвечают: "Без двигателя колесо не повернётся", "без питания система не заработает", составляют цепочку: "команда — контроллер — двигатель — колесо". |
2 мин | Учитель проводит физкультминутку «Робот и оператор»: "На слово 'вперёд' делаем два шага, на слово 'поворот' поворачиваемся, на слово 'стоп' замираем. Команды выполняем только после паузы и внимательно слушаем последовательность." | Выполняют движения по алгоритму, контролируют себя, отмечают, что пропуск одной команды меняет весь результат. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы вспомнили, что действие системы зависит от каждой части и каждой команды. Теперь поставим учебную проблему: как записать маршрут так, чтобы робот выполнил его без подсказок человека?"
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: сформулировать учебную задачу и критерии успешного алгоритма.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель демонстрирует маршрут из четырёх клеток: старт, две клетки прямо, поворот направо, одна клетка до финиша. "Попробуйте устно объяснить маршрут. Почему фраза 'езжай туда' не подходит для робота? Какие команды должны быть точными?" | Отвечают: "Нужно указать направление и расстояние", "команды должны идти по порядку". |
2 мин | Учитель фиксирует цель на доске: «Составить, проверить и исправить алгоритм движения мобильного робота». "К концу урока каждая пара должна провести робота от старта к финишу, объяснить назначение двух компонентов и показать, какую ошибку исправила." | Записывают тему и цель, формулируют критерии: робот достигает финиша, команды записаны по порядку, участники могут объяснить решение. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Цель определена: не угадать движение, а спроектировать его и доказать проверкой. Переходим к открытию принципа работы мобильного робота."
Этап 4. Открытие нового знания. Устройство и алгоритм (8 мин)
Цель этапа: установить функции основных компонентов и построить линейный алгоритм управления.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | Учитель показывает собранного робота и схему на доске: "Рассмотрим систему. Контроллер получает программу и обрабатывает сигналы. Двигатели создают движение, колёса передают его корпусу, аккумулятор даёт энергию, датчик сообщает о препятствии. Найдите эти элементы в наборе и покажите партнёру." | В парах находят детали, по очереди называют их функции, заполняют строку в листе наблюдений: «деталь — назначение». |
4 мин | Учитель демонстрирует блоки «двигаться вперёд», «поворот направо», «остановиться»: "Алгоритм — это точная последовательность команд. Сначала запишем маршрут словами, затем перенесём его в блоки. Что будет, если поставить остановку первой? Почему порядок важен?" | Составляют на карточках последовательность: «двигаться вперёд — двигаться вперёд — повернуть направо — двигаться вперёд — остановиться». Объясняют: "При другой последовательности робот не достигнет финиша". |
Запись в тетрадях
Мобильный робот — программируемое устройство, которое перемещается по командам контроллера. Основные элементы: источник питания, контроллер, двигатель, колёса, датчики. Алгоритм движения: команда 1 → команда 2 → команда 3 → проверка результата.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Теперь у нас есть модель: программа задаёт последовательность, контроллер передаёт команды, двигатели выполняют их, а человек проверяет результат. Проверим эту модель на практике в парах."
Этап 5. Парная практическая работа и межпредметная связь (10 мин)
Цель этапа: применить знания при программировании маршрута и связать робототехнику с математикой и физикой.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель распределяет роли: "В каждой паре один ученик — программист, второй — инженер-испытатель. Через 4 минуты поменяетесь ролями. Программист собирает команды, испытатель проверяет маршрут по клеткам. Не запускайте робота, пока партнёр не подтвердит готовность." | Распределяют роли, рассматривают маршрут, считают клетки и повороты. |
5 мин | Учитель раздаёт маршрутные поля: "Задание: провести робота от старта на две клетки вперёд, повернуть налево, проехать одну клетку, повернуть направо и остановиться у финиша. Сначала составьте алгоритм на карточках, затем перенесите его в программу. Вспомните математическое понятие направления и единицы длины: одна клетка — один шаг маршрута." | Записывают последовательность, создают программу в визуальной среде, загружают её в контроллер, запускают робота и отмечают результат в листе наблюдений. |
3 мин | Учитель предлагает межпредметный вопрос: "Почему робот может отклониться от линии даже при правильном алгоритме? Подумайте о трении, размере колёс, скорости и точности поворота. Если робот проехал лишнюю клетку, какую команду измените первой?" | Сравнивают ожидаемый и фактический маршрут, называют возможные причины, изменяют длительность движения или скорость, повторяют испытание. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Вы увидели, что алгоритм связан не только с программированием, но и с математикой, физикой и конструированием. Теперь каждая пара проверит себя по более чётким критериям и исправит одну найденную ошибку."
Этап 6. Первичное закрепление и взаимопроверка (5 мин)
Цель этапа: закрепить понимание функций компонентов и научиться объяснять исправление алгоритма.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель проводит приём «Подумай — обсуди в паре — поделись»: "Индивидуально ответьте: какой компонент принимает программу, какой создаёт движение, какой может обнаружить препятствие? Затем сравните ответы с партнёром и подготовьте одно объяснение для класса." | Сначала записывают ответы, затем сверяют их в паре: "Контроллер принимает и обрабатывает программу, двигатель создаёт движение, датчик обнаруживает препятствие". |
2 мин | Учитель показывает короткий ошибочный алгоритм: «вперёд — поворот направо — вперёд — стоп — вперёд». "Найдите ошибку и объясните, почему команда после остановки не нужна." | Отмечают лишнюю команду, объясняют: "После остановки робот уже не должен двигаться", предлагают удалить последнюю команду. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Вы научились видеть не только результат, но и причину ошибки в последовательности. Теперь выполните короткую самостоятельную проверку, чтобы понять, что уже можете сделать без подсказки пары."
Этап 7. Самостоятельная работа с самопроверкой (5 мин)
Цель этапа: диагностировать индивидуальное понимание алгоритма и правил безопасной работы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель раздаёт карточки двух уровней. "Выберите базовый или повышенный вариант. Базовый: расставьте команды для маршрута «вперёд — вперёд — налево — вперёд — стоп» и подпишите функции трёх деталей. Повышенный: добавьте условие остановки при обнаружении препятствия. Работайте самостоятельно." | Индивидуально выполняют выбранное задание, записывают порядок команд и функции компонентов. |
2 мин | Учитель показывает эталон на доске: «вперёд — вперёд — налево — вперёд — стоп»; «если препятствие обнаружено — остановиться». "Проверьте работу карандашом, исправьте только обнаруженные ошибки." | Сверяют ответы, подчёркивают верные части, исправляют ошибки, ставят знак самооценки: «могу», «нужна тренировка». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Самопроверка показала, какие команды вы уже умеете выстраивать самостоятельно. Осталось осмыслить результат урока, назвать трудность и определить следующий шаг."
Этап 8. Рефлексия и домашнее задание (4 мин)
Цель этапа: осознать приобретённые знания, оценить сотрудничество и получить задание для закрепления.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель проводит рефлексию «Светофор»: "Поднимите зелёную карточку, если можете объяснить назначение контроллера и составить простой маршрут; жёлтую — если нужна тренировка; красную — если пока трудно. На стикере допишите: 'Сегодня я научился...' и 'Мне нужно повторить...'" | Поднимают карточку, заполняют стикер конкретной фразой, прикрепляют его к доске в соответствующую зону. |
2 мин | Учитель сообщает домашнее задание: "Выберите уровень из таблицы. Перед уходом ответьте устно на два вопроса: почему порядок команд важен и чем контроллер отличается от двигателя?" | Фиксируют домашнее задание, отвечают: "Порядок определяет траекторию", "контроллер управляет, двигатель выполняет движение". |
Критерии оценивания практической работы
- «5» — пара правильно определила функции не менее пяти компонентов, составила алгоритм без ошибок, провела робота от старта к финишу и объяснила найденную или возможную ошибку.
- «4» — алгоритм в целом выполнен правильно, робот достиг маршрута после одной коррекции, функции основных компонентов названы верно, но объяснение причины ошибки неполное.
- «3» — составлена только часть алгоритма, допущены ошибки в порядке команд или названии компонентов, результат достигнут с помощью учителя.
- Ниже базового уровня — учащийся не соблюдает последовательность безопасной работы и не может объяснить назначение контроллера и двигателя; требуется повторная практическая тренировка.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Какие части мобильного робота вы сегодня научились различать и для чего нужна каждая? | Проверка осознания функций компонентов и предметного результата. |
Какую команду в алгоритме было труднее всего выбрать или исправить? | Выявление точек затруднения при построении последовательности. |
Что помогло вашей паре успешно провести робота по маршруту? | Оценка сотрудничества, распределения ролей и регулятивных действий. |
Что вы измените в следующей программе после сегодняшнего испытания? | Формирование установки на анализ ошибки и коррекцию результата. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня вы убедились, что мобильный робот выполняет не догадки, а точную последовательность команд. Мы разобрали связь между контроллером, двигателем, датчиками и движением, составили маршрут и проверили его на практике. Типичная ошибка — запускать робота без предварительной проверки порядка команд. На следующем уроке мы научимся использовать датчик расстояния, чтобы робот мог реагировать на препятствие и выбирать действие по условию."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Составить на бумаге три алгоритма движения робота по клетчатому полю: прямо и стоп; прямо, поворот и движение; маршрут с двумя поворотами. Подписать назначение контроллера, двигателя и источника питания. | Закрепляет понятие линейного алгоритма и функции основных компонентов; при проверке обратить внимание на точный порядок команд. |
Средний (повышающий) | Разработать алгоритм доставки виртуального груза от старта к финишу через одно препятствие, изобразить маршрут стрелками и записать не менее шести команд. | Развивает пространственное мышление и планирование; при проверке оценить соответствие команд нарисованной траектории. |
Продвинутый (дополнительный) | Предложить алгоритм с условием: если датчик обнаруживает препятствие, робот останавливается или поворачивает. Записать условие словами и представить его блок-схемой. | Формирует понимание ветвления и связи датчика с действием; при проверке обратить внимание на наличие условия и двух возможных действий. |
Контрольные вопросы перед выходом: «Какую роль выполняет контроллер?», «Какая часть робота создаёт движение?», «Почему программу нужно проверять до запуска?», «Что следует сделать, если робот отклонился от маршрута?»
