Промышленные и бытовые роботы. Беспилотные системы и управление роботами
Цели и задачи
- Цель: к концу урока классифицировать роботов и беспилотные автоматизированные системы по назначению, объяснять роль операторов ввода-вывода в визуальной среде программирования и разработать модель робота с алгоритмом управления.
- Сформировать представление о промышленных и бытовых роботах, их назначении, возможностях и ограничениях применения.
- Научить различать основные виды беспилотных автоматизированных систем и выбирать подходящую систему для конкретной практической задачи.
- Закрепить умение использовать операторы ввода-вывода в визуальной среде программирования при составлении алгоритма управления моделью.
- Развивать исследовательские, коммуникативные и регулятивные умения через анализ жизненной ситуации, моделирование и работу в группах разного уровня сложности.
Планируемые результаты
Личностные
- Осознают значение робототехники и беспилотных систем для безопасности, производства, быта и будущей профессиональной деятельности.
- Проявляют ответственное отношение к безопасному использованию автоматизированных устройств и цифровых технологий.
- Развивают интерес к техническому творчеству, конструированию и поиску собственных решений.
- Принимают необходимость учитывать последствия применения роботов для человека и окружающей среды.
Метапредметные
- Классифицируют технические объекты по назначению, среде применения, степени автономности и способу управления.
- Извлекают информацию из текста учебника, иллюстраций, схемы и электронного образовательного ресурса.
- Планируют работу группы, распределяют роли, формулируют гипотезы и проверяют их с помощью модели.
- Представляют результат конструирования, аргументируют выбор конструкции и оценивают работу по заданным критериям.
Предметные
- Знать признаки промышленных, бытовых и сервисных роботов, а также основные виды беспилотных автоматизированных систем.
- Уметь определять назначение робота по описанию, изображению или сценарию использования.
- Понимать назначение операторов ввода и вывода в визуальной среде программирования.
- Уметь сконструировать простую модель робота и составить алгоритм её движения с использованием команд ввода-вывода.
- Владеть первоначальными навыками безопасного испытания и корректировки модели робота.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личный интерес к направлениям робототехники и связывают содержание урока с возможными профессиями.
- Осознают ценность точности, ответственности и командного взаимодействия при создании технического устройства.
- Оценивают необходимость соблюдения правил безопасности при работе с конструкторами, датчиками и программами.
- Проявляют готовность принимать самостоятельные решения в рамках предложенного технического задания.
Регулятивные УУД
- Формулируют цель конструирования и составляют последовательность действий для её достижения.
- Планируют распределение времени и ролей при выполнении группового задания.
- Проверяют соответствие модели техническому заданию и находят причину ошибки в алгоритме.
- Вносят коррективы в конструкцию или программу после испытания модели.
- Оценивают результат по критериям: назначение, устойчивость, управляемость и качество объяснения.
Познавательные УУД
- Выделяют существенные признаки робота и отличают робота от обычного механизма или дистанционно управляемого устройства.
- Сравнивают беспилотные системы по среде применения, способу перемещения и степени автономности.
- Моделируют связь между командой, вводом данных, обработкой информации и действием исполнительного механизма.
- Преобразуют текстовое описание задачи в схему или алгоритм управления.
- Используют учебник и ЭОР для поиска подтверждения собственной гипотезы.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли конструктора, программиста, оператора испытаний и докладчика.
- Задают уточняющие вопросы и объясняют назначение выбранного робота.
- Аргументируют решение, используя признаки классификации и условия задачи.
- Согласовывают действия в группе и конструктивно обсуждают обнаруженную ошибку.
- Представляют результат работы в кратком устном сообщении.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить презентацию или интерактивную доску с изображениями промышленного манипулятора, робота-пылесоса, медицинского робота, беспилотного автомобиля, квадрокоптера и подводного аппарата.
- Подготовить карточки-сценарии для игры «Робот или не робот?» и классификации объектов по назначению.
- Распечатать на каждого ученика мини-лист «Классификация роботов» с полями: среда, назначение, способ управления, пример.
- Подготовить на каждую группу комплект конструктора, контроллер, моторы, датчики при наличии, соединительные элементы и батарейный блок.
- Подготовить карточки трёх уровней сложности: минимальный — повторить движение, базовый — объехать препятствие, повышенный — выполнить маршрут с условием.
- Вывести на экран краткую схему: «ввод данных → обработка → вывод команды → действие робота».
- Подготовить компьютер или планшет с визуальной средой программирования и заранее проверить подключение контроллеров.
- Подготовить ЭОР: короткую анимацию о работе промышленного манипулятора и интерактивное задание на классификацию роботов.
- Разложить на каждой парте правила безопасной работы с конструкторами, проводами, батарейными блоками и движущимися деталями.
- Организовать свободную площадку для испытания моделей, обозначить старт, финиш и безопасную зону наблюдения.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (4 мин)
Цель этапа: включить учащихся в проблемную ситуацию и вызвать интерес к исследованию роботов.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и показывает на экране изображения робота-пылесоса, манипулятора на производстве и квадрокоптера: "Ребята, сегодня перед нами три устройства. Они выглядят по-разному и работают в разных условиях. Как вы думаете, что общего между ними?" | Рассматривают изображения, формулируют первые версии: "Они выполняют действия автоматически", "Ими управляет программа", "Они заменяют или помогают человеку". |
3 мин | Учитель проводит игровой приём «Робот или не робот?»: "Поднимите зелёную карточку, если считаете объект роботом, и жёлтую, если сомневаетесь. Мы рассмотрим автоматические двери, квадрокоптер, стиральную машину, промышленного манипулятора и игрушечную машинку с пультом. Объясняйте не только ответ, но и признак, на который опираетесь." | Выбирают карточку, аргументируют ответы. Формулируют признаки: наличие программы, датчиков, исполнительных механизмов и возможность выполнять задачу с частичной автономностью. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы увидели, что внешнего сходства недостаточно. Важно понять, какую задачу выполняет устройство, получает ли оно информацию и может ли самостоятельно выбирать действие. Теперь выясним, как классифицировать роботов и беспилотные системы."
Этап 2. Актуализация знаний и исследовательская гипотеза (6 мин)
Цель этапа: актуализировать знания о механизмах, датчиках, программах и управлении.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель организует приём «Подумай — обсуди в паре — поделись»: "Вспомните, из каких частей может состоять робот. Сначала запишите три слова самостоятельно, затем сравните записи с соседом. Обратите внимание на механическую часть, источник информации и способ действия." | Индивидуально записывают варианты, затем обсуждают их в парах. Называют корпус, двигатель, датчик, контроллер, программу, аккумулятор и исполнительный механизм. |
3 мин | Учитель показывает схему с пропусками: «датчик — ? — двигатель». Спрашивает: "Какое звено должно быть между получением информации и движением? Почему робот не может действовать только по сигналу датчика?" | Предлагают ответ: "Нужна программа или контроллер, который обработает сигнал и передаст команду двигателю". Формулируют гипотезу: "Робот действует по алгоритму, связывающему ввод информации и вывод команды". |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы восстановили основу работы робота: информация поступает на вход, программа принимает решение, а исполнительный механизм выполняет действие. Проверим эту гипотезу на примерах и при конструировании."
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: сформулировать учебную проблему, цель и план практической работы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель предлагает проблемный диалог: "Представьте склад, где нужно перевозить коробки. Что лучше использовать: промышленного манипулятора, робота-транспортёра, человека с пультом или беспилотный автомобиль? Как изменится выбор, если на пути появится препятствие?" | Сравнивают варианты, называют условия: масса груза, маршрут, наличие препятствий, безопасность, необходимость участия человека. |
2 мин | Учитель фиксирует на доске цели: «классифицировать», «объяснить», «сконструировать», «управить». Говорит: "Сегодня вы не просто узнаете определения. Вы выберете тип робота для задачи, построите модель и проверите алгоритм управления. Сформулируйте, что должно получиться к концу урока." | Формулируют ожидаемый результат: "Мы должны создать модель, которая выполнит заданный маршрут, и объяснить, какие команды и датчики обеспечили её работу". Записывают тему и цель 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 определена: робот должен не просто двигаться, а выполнять назначенную задачу. Сначала исследуем виды роботов и беспилотных систем, затем перенесём эти знания в модель."
Этап 4. Открытие нового знания: классификация и операторы ввода-вывода (8 мин)
Цель этапа: сформировать представление о видах роботов, беспилотных систем и операторах ввода-вывода.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | Учитель предлагает изучить фрагмент учебника и ЭОР: "Работайте в мини-группах. Найдите признаки, по которым можно классифицировать роботов: назначение, место применения, способ управления и степень автономности. На экране появятся промышленные, бытовые, медицинские, транспортные и исследовательские роботы. Соотнесите изображение с категорией и приведите собственный пример." | Читают фрагмент учебника, рассматривают ЭОР, заполняют таблицу. Распределяют примеры: манипулятор — промышленный, робот-пылесос — бытовой, роботизированный протез — медицинский, автономный транспортёр — транспортный. |
2 мин | Учитель показывает схему беспилотных систем: наземные, воздушные, водные и подводные. Спрашивает: "Какая система подходит для осмотра крыши, поиска под водой и доставки груза по складу? Какие ограничения есть у каждой?" | Соотносят задачу и систему: квадрокоптер — осмотр крыши, подводный аппарат — поиск под водой, наземный робот — склад. Называют ограничения: заряд батареи, погода, связь, рельеф и масса груза. |
2 мин | Учитель демонстрирует в визуальной среде два типа команд: "Команда получения показания датчика или нажатия кнопки — это оператор ввода. Команда вывода — движение мотора, звук, световой сигнал или сообщение на экране. Посмотрите на цепочку: ввод → обработка → вывод. Что произойдёт, если убрать ввод?" | Объясняют, что без ввода робот не получает сведения о ситуации. Называют примеры операторов: «получить значение датчика», «если нажата кнопка», «включить мотор», «вывести сообщение». |
Запись в тетрадях
- Робот — автоматизированное устройство, выполняющее действия по программе с использованием исполнительных механизмов и, часто, датчиков.
- Беспилотные системы могут быть наземными, воздушными, водными и подводными; они управляются оператором дистанционно или действуют автономно.
- Оператор ввода получает информацию от пользователя или датчика; оператор вывода передаёт команду исполнительному механизму или отображает результат.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Теперь у нас есть язык описания роботов: назначение, среда, автономность, ввод и вывод. Используем эту схему как инструкцию при создании собственной модели."
Этап 5. Конструирование модели робота и программирование (10 мин)
Цель этапа: применить новые знания при создании модели робота и алгоритма её управления.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель распределяет роли: "В каждой группе выберите конструктора, программиста, оператора испытаний и докладчика. Конструктор отвечает за устойчивость, программист — за алгоритм, оператор — за безопасность испытания, докладчик — за объяснение решения. Выберите карточку уровня: минимальную, базовую или повышенную." | Распределяют роли и выбирают задание с учётом возможностей группы. |
5 мин | Учитель раздаёт наборы и формулирует техническое задание: "Сконструируйте модель мобильного робота. Минимальный уровень: робот должен проехать вперёд и остановиться. Базовый: робот должен доехать до линии, обнаружить её датчиком и остановиться. Повышенный: робот должен объехать препятствие и подать световой или звуковой сигнал. Сначала нарисуйте схему, затем собирайте модель." | Рисуют схему, собирают модель, подключают контроллер и исполнительные механизмы. Создают программу с операторами ввода и вывода. Объясняют в группе назначение каждой команды. |
3 мин | Учитель проводит текущий инструктаж: "Проверьте полярность подключения, устойчивость корпуса и свободное вращение колёс. Запустите программу только после предупреждения группы. Если модель не движется, проверяйте по порядку: питание, соединения, программу и условие датчика. Не меняйте сразу всё — исследуйте одну причину за раз." | Проверяют конструкцию по чек-листу, запускают модель в безопасной зоне, фиксируют результат и одну обнаруженную ошибку. При необходимости изменяют скорость, время движения или условие остановки. |
Эталон решения
Для базового задания алгоритм имеет вид: 1) включить моторы; 2) двигаться вперёд; 3) получить значение датчика линии; 4) если датчик обнаружил линию, выключить моторы; 5) включить световой сигнал. Если робот останавливается слишком рано, проверяют порог срабатывания датчика и расстояние до линии; если проезжает линию, уменьшают скорость или увеличивают частоту проверки.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Модель становится роботом не благодаря внешнему виду, а благодаря согласованной работе конструкции, программы, ввода и вывода. Теперь каждая группа продемонстрирует результат и объяснит принятое техническое решение."
Этап 6. Игровое испытание и первичное закрепление (8 мин)
Цель этапа: проверить работу моделей, закрепить классификацию и развить умение аргументировать результат.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
5 мин | Учитель организует игру «Миссия робота»: "Каждая группа получает одну миссию: складская доставка, обнаружение препятствия или экологический мониторинг. За одну минуту покажите движение модели и объясните, к какому виду роботов она относится. Остальные группы отмечают, где был ввод, обработка и вывод." | Запускают модель, демонстрируют выполнение миссии, называют назначение и тип системы. Наблюдатели фиксируют: «ввод — датчик», «обработка — условие программы», «вывод — движение или сигнал». |
3 мин | Учитель проводит взаимопроверку по вопросам: "Какая часть модели отвечает за получение информации? Что является исполнительным механизмом? Чем автономная система отличается от дистанционно управляемой? Назовите один риск неправильного применения робота." | Отвечают: "Датчик или кнопка", "мотор и световой индикатор", "автономная система принимает решения по программе", "возможны столкновение, потеря связи, повреждение груза или нарушение безопасности". |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы проверили не только движение моделей, но и правильность объяснения. Хорошая техническая идея должна быть понятна, безопасна и проверяема. Осталось индивидуально показать, что каждый понял лично."
Этап 7. Самостоятельная работа с самопроверкой (3 мин)
Цель этапа: диагностировать индивидуальное понимание классификации и операторов ввода-вывода.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель раздаёт карточки трёх уровней. Базовое задание: распределить четыре объекта по видам роботов. Повышенное: определить, где ввод и вывод в алгоритме «робот получает сигнал от датчика расстояния и включает мотор». Творческое: предложить робота для школы и указать его назначение. После выполнения учитель показывает эталон на экране. | Индивидуально выполняют выбранный вариант, сверяют ответы с эталоном, подчёркивают место ошибки и записывают, что нужно исправить. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Самопроверка показала, какие элементы алгоритма уже узнаются уверенно, а где требуется повторение. Завершим урок короткой рефлексией и определим следующий шаг."
Этап 8. Рефлексия и домашнее задание (2 мин)
Цель этапа: осмыслить результат деятельности, выявить затруднения и определить направление дальнейшей работы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель предлагает «Светофор»: "Покажите цвет, который отражает ваше состояние. Зелёный — могу классифицировать и объяснить ввод-вывод; жёлтый — понимаю, но ошибаюсь в алгоритме; красный — нужна помощь. Одним предложением назовите главный вывод урока." | Поднимают карточку, формулируют выводы: "Робот выполняет задачу по алгоритму", "Датчик даёт ввод, мотор выполняет вывод", "Конструкция и программа должны соответствовать назначению". |
1 мин | Учитель сообщает домашнее задание и контрольные вопросы: "Перед выходом ответьте письменно: чем промышленный робот отличается от бытового; какие бывают беспилотные системы; что произойдёт без оператора ввода?" | Записывают домашнее задание, отвечают на контрольные вопросы, отмечают личный уровень освоения темы. |
Критерии оценивания практической работы
- «5» — модель соответствует выбранному техническому заданию, устойчиво выполняет маршрут, программа содержит корректную связь ввода и вывода, группа объясняет назначение всех основных элементов и соблюдает правила безопасности.
- «4» — модель выполняет основную задачу, но допускает одну неточность в движении или объяснении; программа в целом верна, правила безопасности соблюдены.
- «3» — модель собрана частично или выполняет только отдельный элемент задания; ученик с помощью учителя называет назначение робота и различает ввод и вывод.
- Дополнительный балл может быть учтён за творческое решение, оригинальную конструкцию, обоснованный выбор датчика или самостоятельное исправление ошибки.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что нового вы узнали о промышленных, бытовых и беспилотных роботах? | Выявление осознания основных признаков классификации. |
Какую роль в вашей модели выполняли ввод и вывод? | Проверка понимания связи между датчиком, программой и исполнительным механизмом. |
На каком этапе возникло затруднение: сборка, программа или испытание? | Выявление точки затруднения для последующей коррекции. |
Какую задачу вы поручили бы роботу в школе или дома? | Развитие функциональной грамотности, творческого мышления и связи с реальным применением. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня мы увидели, что робот — это не просто движущаяся конструкция, а система, которая получает информацию, обрабатывает её и выполняет действие. Вы научились различать промышленных, бытовых и беспилотных роботов, а также создали собственные модели. Типичная ошибка — забывать, что датчик только передаёт информацию, а решение и действие задаются программой. На следующем уроке мы продолжим управлять моделями и научимся усложнять алгоритмы с помощью условий и повторений."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Составить таблицу из шести примеров роботов и беспилотных систем: указать назначение, среду применения, способ управления и основной исполнительный механизм. Отдельно описать, где в алгоритме используется ввод, а где вывод. | Закрепляет классификацию и понимание структуры автоматизированной системы; при проверке обратить внимание на точность признаков и логичность примеров. |
Средний (повышающий) | Разработать алгоритм для робота, который движется по маршруту, обнаруживает препятствие и подаёт сигнал. Представить алгоритм в виде блок-схемы или блоков визуальной среды программирования. | Формирует умение переводить практическую задачу в последовательность команд; при проверке смотреть на наличие условия, оператора ввода и команды вывода. |
Продвинутый (дополнительный) | Спроектировать концепцию робота для решения реальной задачи дома, в школе или на производстве: сделать эскиз, указать вид робота, датчики, исполнительные механизмы, способ управления и возможные риски. | Развивает творческое и инженерное мышление; при проверке оценивать соответствие конструкции назначению, обоснованность выбора элементов и учёт безопасности. |
Контрольные вопросы перед выходом из класса: «Какие признаки используют для классификации роботов? Чем автономная беспилотная система отличается от дистанционно управляемой? Что является оператором ввода в нашей модели? Какой оператор обеспечивал движение, остановку или сигнал? Почему перед испытанием нужно проверять конструкцию и алгоритм?»
