Конструирование моделей роботов. Управление роботами
Цели и задачи
- Цель урока по SMART: к концу урока учащиеся сконструируют в парах простую модель робота из доступных деталей, разработают алгоритм её движения и продемонстрируют управление моделью по заданной траектории, объяснив связь конструкции, датчиков и программы.
- Сформировать представление о взаимосвязи конструкции робота, исполнительных механизмов, датчиков и алгоритма управления.
- Научить планировать конструкцию модели робота и выбирать способ управления в зависимости от поставленной задачи.
- Развивать умение работать в парах, распределять роли, проверять гипотезы и корректировать алгоритм по результатам испытания.
- Воспитывать ответственное отношение к технике, интерес к инженерным и цифровым профессиям, готовность учитывать безопасность и интересы других людей.
Планируемые результаты
Личностные
- Проявляют интерес к робототехнике и видят связь учебной деятельности с профессиями инженера, программиста и оператора роботизированных систем.
- Осознают ценность точности, настойчивости и ответственности при проектировании и испытании технического устройства.
- Принимают необходимость безопасного и этичного использования робототехнических систем.
- Оценивают собственный вклад в парную работу и уважительно относятся к иной инженерной гипотезе.
Метапредметные
- Формулируют проблему, выдвигают гипотезу и планируют последовательность конструирования и испытаний.
- Извлекают информацию из схемы, инструкции, интерфейса среды программирования и результатов эксперимента.
- Сотрудничают в паре, распределяют роли конструктора и программиста, аргументируют выбор решения.
- Сравнивают ожидаемое и фактическое поведение модели, находят причину ошибки и вносят коррективы.
- Используют цифровые инструменты для создания, запуска и проверки управляющей программы.
Предметные
- Знать назначение корпуса, приводов, колёс, контроллера, датчиков и источника питания робота.
- Уметь описывать модель робота как систему «конструкция — программа — управление — результат».
- Уметь собирать простую мобильную модель и задавать ей последовательность команд движения.
- Уметь составлять и изменять алгоритм движения по линии или между ограничителями.
- Владеть приёмами безопасного подключения деталей, запуска программы и первичного тестирования модели.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личный интерес к роли конструктора, программиста или испытателя в общей работе.
- Формируют смысл учебной деятельности через решение практической инженерной задачи.
- Проявляют готовность признавать ошибку в конструкции или алгоритме без отказа от дальнейшего поиска.
- Соблюдают правила безопасного поведения при работе с деталями, проводами и электронным оборудованием.
Регулятивные УУД
- Принимают учебную задачу и формулируют критерий успешности модели.
- Планируют этапы сборки, программирования и тестирования с учётом ограниченного времени.
- Осуществляют пошаговый контроль подключения деталей и соответствия команд замыслу.
- Сравнивают результат с заданной траекторией, выявляют отклонение и корректируют план.
- Проводят самооценку вклада в парную работу и качества готового решения.
Познавательные УУД
- Выделяют существенные элементы робототехнической системы и устанавливают их функции.
- Моделируют движение робота в виде последовательности команд и условных обозначений.
- Анализируют экспериментальные данные: направление, скорость, расстояние и точность остановки.
- Сопоставляют конструкцию модели с условиями задачи и объясняют влияние расположения колёс или датчика.
- Преобразуют текстовое условие в графическую схему и алгоритм.
Коммуникативные УУД
- Распределяют обязанности в паре и договариваются о порядке действий.
- Формулируют уточняющие вопросы о конструкции и программе.
- Объясняют партнёру назначение каждой команды и аргументируют выбор решения.
- Представляют результат испытания и корректно реагируют на замечания.
- Разрешают разногласия через проверку гипотезы экспериментом, а не через спор.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить робототехнические наборы для пар: контроллер, два мотора, колёса, опорный элемент, провода, батарейный блок и детали корпуса.
- Проверить заряд аккумуляторов, целостность проводов, работу контроллеров и запуск среды программирования на всех компьютерах.
- Распечатать карточки с тремя вариантами задания — движение по прямой, движение по квадрату, движение до ограничителя — по одной карточке на пару.
- Распечатать маршрутные листы испытаний по одному на каждого ученика с полями «гипотеза», «команды», «результат», «исправление».
- Подготовить на каждую пару ноутбук или планшет с установленной средой программирования и кабелем подключения.
- Разметить на полу или столах испытательное поле: стартовую линию, прямой коридор, квадратный маршрут и ограничители.
- Вывести на доску схему «датчик — контроллер — исполнительный механизм» и памятку безопасной работы.
- Подготовить слайд с условными обозначениями: вперёд, назад, поворот, остановка, ожидание, повторение.
- Разложить на парты стикеры двух цветов для обозначения ролей «конструктор» и «программист»; предусмотреть смену ролей в середине практики.
- Подготовить таймер, проектор и одну демонстрационную модель для общего показа.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (4 мин)
Цель этапа: включить учащихся в практическую инженерную задачу, обеспечить готовность оборудования и сформировать личную мотивацию.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и показывает демонстрационную модель: "Здравствуйте, ребята. Сегодня вы будете не просто собирать устройство, а проектировать робототехническую систему. Посмотрите на модель: сама конструкция не знает, куда ехать. Ей нужны исполнительные механизмы, источник питания и программа управления. Подумайте, какая часть этой системы сегодня будет зависеть именно от вашего решения." | Осматривают модель, называют предполагаемые элементы системы: "Колёса, моторы, контроллер, батарея, программа". |
1 мин | Учитель организует приём «Выбор роли»: "В каждой паре один участник начинает как конструктор, другой — как программист и испытатель. Выберите роль самостоятельно, но в середине практики поменяйтесь. Это позволит каждому попробовать разные виды инженерной работы." | В парах выбирают стартовые роли и прикрепляют на стол стикер соответствующего цвета. |
2 мин | Учитель показывает на доске схему и задаёт проблемный вопрос: "Почему два робота, собранные из одинаковых деталей, могут двигаться по-разному? Какие причины вы предполагаете? Запишите одну гипотезу в маршрутном листе." | Индивидуально записывают гипотезу, затем обсуждают её с партнёром: "Причина может быть в разной длине команд, положении колёс, мощности моторов или неровной конструкции". |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Сегодня мы проверим ваши гипотезы на практике. Нам предстоит связать конструкцию, программу и результат движения, поэтому сначала вспомним назначение основных элементов робота."
Этап 2. Актуализация знаний и постановка проблемы (5 мин)
Цель этапа: актуализировать знания о строении робота и обнаружить затруднение в выборе способа управления.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель демонстрирует изображения или детали и проводит приём «Подумай — обсуди в паре — поделись»: "Рассмотрите элементы на экране. За тридцать секунд определите назначение контроллера, мотора и датчика. Затем обсудите ответ с соседом. Не называйте только деталь — объясните, какое действие системы она обеспечивает." | Сначала индивидуально соотносят элементы с функциями, затем обсуждают в парах и формулируют: "Контроллер принимает и обрабатывает команды, мотор создаёт движение, датчик передаёт информацию о среде". |
2 мин | Учитель задаёт вопросы: "Что произойдёт, если поменять местами провода моторов? Почему роботу недостаточно команды «ехать»? Как программа понимает, когда остановиться?" Учитель фиксирует ответы в таблице на доске. | Отвечают: "Направление вращения может измениться"; "нужно указать скорость и время или условие остановки"; "остановка задаётся временем, датчиком или расстоянием". |
1 мин | Учитель формулирует затруднение: "Мы умеем называть детали, но пока не определили, как превратить задачу «проехать маршрут» в конструкцию и последовательность команд. Какой вопрос нужно решить на уроке?" | Формулируют вопрос: "Как сконструировать и запрограммировать робота, чтобы он выполнил заданный маршрут с минимальным числом ошибок?" |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы выяснили, что точность движения зависит не только от программы, но и от конструкции, подключения и условий среды. Теперь составим план инженерного решения и проверим его на модели."
Этап 3. Целеполагание и планирование проекта (4 мин)
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Цель этапа: определить критерии успешной модели и спланировать последовательность действий пары.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель раздаёт маршрутные листы и говорит: "Запишите цель пары одним предложением. Затем выберите карточку задания: прямая, квадрат или остановка у ограничителя. Выбор — это часть инженерной работы: более сложный маршрут можно взять, если вы готовы быстрее анализировать ошибки. На доске оставляем четыре шага: спроектировать, собрать, запрограммировать, испытать." | Выбирают карточку задания, записывают цель и четыре шага работы, распределяют роли. |
2 мин | Учитель предлагает критерии: "Модель должна быть собрана безопасно, двигаться по заданному маршруту, выполнять команды в правильной последовательности, а пара должна уметь объяснить одну внесённую коррекцию. Какие признаки добавим?" | Предлагают признаки и фиксируют критерии: устойчивость корпуса, отсутствие свободных проводов, понятный алгоритм, остановка после выполнения маршрута, объяснение исправления. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "План и критерии готовы. Теперь вы переходите к главной части — открытию инженерного решения через сборку, программирование и эксперимент."
Этап 4. Открытие нового знания и конструирование модели (10 мин)
Цель этапа: установить практическую связь между конструкцией модели, исполнительными механизмами и алгоритмом управления.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель показывает демонстрационную сборку и проговаривает: "Начинаем с основания. Колёса должны быть закреплены симметрично, иначе робот будет отклоняться. Моторы подключаем к разъёмам, указанным на схеме, а провода укладываем так, чтобы они не попадали под колёса. Контроллер — это центр управления: он получает программу и передаёт команды моторам. Перед включением проверяем полярность и устойчивость корпуса." | Рассматривают схему, называют последовательность сборки, проверяют комплектность деталей и безопасно соединяют основание, моторы, колёса и контроллер. |
3 мин | Учитель задаёт сократовский диалог: "Если робот должен проехать вперёд, какие действия выполняются одновременно? Что нужно изменить для поворота? Как записать остановку? Сравните два варианта алгоритма на доске: «моторы вперёд — ждать — стоп» и «левый мотор вперёд — правый мотор назад — ждать — стоп». В каком случае получится разворот?" | Обсуждают в парах, составляют на маршрутном листе алгоритм и отвечают: "Для движения вперёд работают оба мотора; для поворота скорости или направления моторов различаются; разворот получится при противоположных направлениях вращения". |
4 мин | Учитель раздаёт карточки маршрутов и говорит: "Сначала не запускайте модель. Представьте движение на схеме и запишите команды условными обозначениями. Для прямого участка укажите направление и длительность, для квадрата добавьте четыре поворота, для ограничителя предусмотрите условие остановки или безопасную малую скорость. Я проверю алгоритм до подключения программы." | В парах рисуют траекторию, записывают последовательность команд, сверяют её с карточкой и показывают учителю до запуска. |
Запись в тетрадях
Ученики записывают: «Робототехническая система: конструкция — программа — исполнительные механизмы — датчики — результат. Алгоритм управления задаёт последовательность команд и условия их выполнения. Критерии модели: устойчивость, безопасность, соответствие маршруту, возможность объяснить коррекцию».
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы увидели, что алгоритм нельзя отделить от конструкции: расположение колёс и подключение моторов влияют на результат. Теперь запустим модели и проверим, насколько наша гипотеза совпала с действительностью."
Этап 5. Практическая работа и первичное закрепление (9 мин)
Цель этапа: применить алгоритм управления при сборке и первом испытании модели.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель напоминает правила безопасности: "Перед запуском уберите пальцы от колёс, проверьте свободное пространство и предупредите соседнюю пару. Не тяните модель за провода и не меняйте подключение при включённом питании. Конструктор отвечает за крепления, программист — за код, но решение о запуске принимается вместе." | Проверяют крепления, освобождают маршрут, называют партнёру готовность модели и запускают её только после взаимной проверки. |
5 мин | Учитель организует работу по таймеру и проводит консультации: "Запустите первый тест только на малой скорости. Смотрите не на то, получилось или нет, а на место и характер отклонения. Если робот уходит вправо, проверьте симметрию колёс, подключение моторов и длительность команд. Запишите наблюдение, не исправляйте сразу всё одновременно." | Запускают модель на выбранном маршруте, фиксируют фактическое направление и место ошибки, меняют одну переменную: положение детали, направление мотора, скорость или длительность движения. |
2 мин | Учитель собирает быстрые выводы: "Поднимите карточку: зелёная — маршрут выполнен, жёлтая — есть отклонение, красная — модель не запускается. Для каждой пары важен не только результат, но и объяснение причины. Назовите одно изменение, которое дало лучший результат." | Поднимают карточки, формулируют выводы: "После выравнивания корпуса робот перестал уходить в сторону"; "уменьшение скорости сделало поворот точнее". |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Первое испытание показало, что ошибка — это источник данных. Мы уже умеем наблюдать отклонение и менять одну переменную. Теперь каждый индивидуально проверит, понимает ли он логику управления и может ли предложить исправление."
Этап 6. Самостоятельная работа с цифровой проверкой (6 мин)
Цель этапа: проверить индивидуальное понимание устройства робота и алгоритма управления.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель раздаёт индивидуальную карточку: "Выполните три задания. Первое: подпишите функции контроллера, мотора и датчика. Второе: расположите команды для движения вперёд, поворота и остановки. Третье: робот отклоняется влево — предложите две возможные причины и одно изменение для проверки. Работайте самостоятельно, не копируя алгоритм соседа." | Индивидуально выполняют три задания, записывают функции, порядок команд и гипотезы исправления. |
2 мин | Учитель выводит на экран эталон и организует самопроверку: "Сверьте ответы цветной ручкой. Ошибку не стирайте: обозначьте её и рядом запишите правило, которое поможет не повторить её. Если ваш ответ отличается, проверьте его на модели или задайте уточняющий вопрос." | Сверяют ответы, отмечают исправления, задают вопросы о спорных вариантах. |
1 мин | Учитель предлагает цифровой мини-тест из двух вопросов на экране: "Выберите, какая команда нужна для остановки, и укажите, что изменится при увеличении времени работы мотора." | Отвечают на мини-тест с индивидуального устройства или сигнальными карточками: «моторы получают команду остановки», «робот проедет большее расстояние». |
Эталон решения
Для движения вперёд оба мотора получают команды одинакового направления и близкой скорости. Для поворота изменяют скорость одного мотора либо задают разные направления вращения. Для остановки подают команду остановки на оба мотора. Если модель отклоняется влево, возможны несимметричное крепление колёс, различие скорости моторов или ошибка подключения; сначала проверяют одну причину и повторяют тест.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Индивидуальная проверка показала, что вы умеете объяснять не только действие команды, но и причину изменения поведения робота. Осталось обобщить связь с другими областями знаний и оценить собственный результат."
Этап 7. Межпредметное обобщение и рефлексия (4 мин)
Цель этапа: связать робототехническую задачу с информатикой, физикой и математикой и осознать результат деятельности.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель организует приём «Снежный ком»: "Сначала каждый назовёт одну межпредметную связь, затем обсудит её с партнёром, а после пара предложит общий пример. Где мы использовали информатику, физику и математику?" | Формулируют связи: "Информатика — алгоритм и программа; физика — движение, сила и вращение; математика — расстояние, время, скорость и угол поворота". Объединяют ответы пары. |
2 мин | Учитель раздаёт лист самооценки и задаёт вопросы: "Отметьте, можете ли вы объяснить назначение деталей, составить алгоритм и найти причину ошибки. Какое решение пары оказалось наиболее удачным? Что вы изменили бы при повторной сборке?" | Заполняют лист самооценки, называют сильную сторону и одно улучшение: "Нужно лучше закрепить батарейный блок" или "Нужно точнее подобрать время поворота". |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Сегодня вы прошли полный цикл инженерной работы: от гипотезы и конструкции до программы, испытания и коррекции. Зафиксируем результат и определим следующий шаг для домашней работы."
Этап 8. Подведение итогов и домашнее задание (3 мин)
Цель этапа: оценить достижение цели урока, закрепить правила управления роботами и объяснить домашнее задание.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель проводит «Билет на выход»: "На отдельной стороне маршрутного листа завершите три фразы: «Робот выполняет задачу, если…», «При отклонении я сначала проверю…», «На следующем испытании я хочу…»." | Письменно завершают три фразы и сдают лист при выходе. |
2 мин | Учитель объясняет домашнее задание: "Выберите базовый, средний или продвинутый уровень. Описание задания есть в таблице на доске и в электронном классе. Подготовьте не только ответ, но и объяснение, почему выбранный алгоритм должен сработать." | Записывают выбранный уровень и уточняют требования: количество алгоритмов, схему и критерий проверки. |
Критерии оценивания практической работы
- «5» — модель собрана безопасно и устойчиво, программа соответствует выбранному маршруту, робот выполняет задание или демонстрирует обоснованную коррекцию, ученик объясняет функции основных деталей и вклад пары.
- «4» — модель и программа в основном работают, допущено одно отклонение или требуется небольшая коррекция, алгоритм записан верно, объяснение конструкции неполное.
- «3» — модель собрана частично или запускается только с помощью учителя, алгоритм содержит существенные пропуски, но ученик называет основные детали и предлагает хотя бы одну причину ошибки.
- Ниже базового уровня — отсутствует безопасная сборка или ученик не может связать команды программы с движением модели; требуется повторная практическая отработка.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Какие элементы робота обеспечивают движение, а какой элемент принимает программу? | Проверка понимания функций моторов и контроллера. |
Почему модель могла отклониться от маршрута? | Выявление умения анализировать взаимосвязь конструкции, подключения и алгоритма. |
Какое изменение улучшило результат испытания? | Оценка сформированности экспериментального подхода и умения фиксировать коррекцию. |
Какую роль в паре вы выполняли и что хотели бы попробовать в следующий раз? | Осознание личного вклада, автономии и потребности в дальнейшем развитии. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня вы убедились, что робот не действует сам по себе: его поведение определяется конструкцией, подключением исполнительных механизмов и алгоритмом управления. Типичная ошибка — пытаться сразу переписать программу, не проверив крепление колёс и провода. Вы работали как инженеры: выдвигали гипотезу, проводили испытание, анализировали результат и вносили одну обоснованную коррекцию. На следующем уроке мы усложним управление и рассмотрим, как датчики помогают роботу реагировать на изменения среды."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Составить в тетради схему робототехнической системы и описать функции контроллера, двух исполнительных механизмов, источника питания и одного датчика. Записать алгоритм движения по прямой из 4–6 команд. | Закрепляет понятийный аппарат и последовательность управления; при проверке обратить внимание на точность функций и наличие команды остановки. |
Средний (повышающий) | Разработать два варианта алгоритма движения по квадратному маршруту: с поворотом на месте и с дуговым поворотом. Для каждого указать, какие моторы и с какой последовательностью команд работают. | Развивает моделирование и сравнение способов управления; проверить согласованность команд с рисунком траектории. |
Продвинутый (дополнительный) | Спроектировать идею робота для реальной задачи: перевозка небольшого предмета, обход препятствия или движение по линии. Представить эскиз конструкции, перечень деталей, алгоритм и два возможных источника ошибки. | Развивает проектное и системное мышление; при проверке оценить соответствие конструкции задаче, реалистичность алгоритма и обоснованность рисков. |
Контрольные вопросы перед выходом из класса: «Какая деталь выполняет команды программы?», «Чем отличается исполнительный механизм от датчика?», «Что следует проверить первым при отклонении робота от маршрута?», «Почему алгоритм нужно испытывать поэтапно?»
