Робототехника на образовательной платформе LEGO Education SPIKE Prime: первый автономный робот
Цели и задачи
- Цель урока по SMART: к концу урока спроектировать и собрать в командах базовую модель мобильного робота на платформе LEGO Education SPIKE Prime, составить для него алгоритм движения с использованием мотора и датчика расстояния, загрузить программу в хаб и проверить работу робота на учебном маршруте.
- Сформировать представление об образовательной робототехнической платформе, её основных элементах и возможностях программирования.
- Научить определять последовательность действий робота, переводить её в алгоритм и создавать простую программу в блочной среде.
- Развивать умение анализировать результат испытания, находить причину ошибки и вносить коррективы в конструкцию или программу.
- Воспитывать ответственность за общий результат, культуру безопасной работы с оборудованием и интерес к инженерным и цифровым профессиям.
Планируемые результаты
Личностные
- Проявляют устойчивый интерес к созданию технических объектов и видят связь робототехники с будущими профессиями инженера, программиста и конструктора.
- Осознают ценность аккуратности, ответственности и соблюдения правил безопасной работы с электронными и механическими компонентами.
- Понимают значение сотрудничества и личного вклада каждого участника в общий результат команды.
- Готовы спокойно воспринимать ошибку как источник информации для улучшения конструкции и алгоритма.
Метапредметные
- Формулируют цель практической работы, планируют последовательность сборки, программирования и испытания робота.
- Работают с инструкцией, условными обозначениями, визуальной блочной программой и результатами испытания.
- Анализируют несоответствие между ожидаемым и фактическим поведением робота, выдвигают и проверяют гипотезы.
- Распределяют роли в группе, аргументируют решения и представляют результат работы.
- Используют цифровое оборудование осознанно, соблюдая правила безопасной эксплуатации.
Предметные
- Знать назначение программируемого хаба, моторов, датчика расстояния и элементов конструкции платформы LEGO Education SPIKE Prime.
- Уметь составлять линейный алгоритм движения робота и переводить его в блочную программу.
- Уметь подключать хаб к планшету или компьютеру, запускать программу и выполнять пробное испытание.
- Уметь изменять скорость, направление и время движения, а также использовать условие с датчиком расстояния.
- Владеть первоначальными навыками технологического проектирования: постановка задачи, сборка, тестирование, выявление ошибки и доработка.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личную роль в команде и принимают ответственность за порученный участок работы.
- Осмысливают практическую значимость алгоритмов и автоматизации в повседневной жизни.
- Проявляют готовность к самостоятельному выбору конструктивного решения из нескольких возможных вариантов.
- Оценивают собственное отношение к ошибке как к этапу инженерного поиска.
Регулятивные УУД
- Совместно формулируют цель создания робота и критерии успешного испытания.
- Планируют действия по схеме «задача — алгоритм — сборка — программа — тестирование — улучшение».
- Осуществляют пошаговый контроль правильности подключения деталей и выполнения программы.
- Сравнивают фактическое поведение робота с заданным маршрутом и корректируют программу или конструкцию.
- Проводят самооценку по критериям и формулируют следующий шаг для улучшения результата.
Познавательные УУД
- Выделяют существенные признаки образовательной робототехнической платформы и назначение её компонентов.
- Строят линейный алгоритм и представляют его в виде последовательности блоков.
- Устанавливают причинно-следственную связь между параметрами программы и движением робота.
- Моделируют поведение робота на бумажной схеме маршрута.
- Находят ошибку в алгоритме по результатам наблюдения и предлагают способ её устранения.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли конструктора, программиста, оператора испытаний и аналитика.
- Задают уточняющие вопросы и объясняют товарищам назначение выбранных блоков программы.
- Согласуют конструктивное решение, учитывая разные предложения участников.
- Аргументированно сообщают о результате испытания и причинах внесённых изменений.
- Соблюдают правила делового взаимодействия и разрешают разногласия через обсуждение критериев задачи.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить комплекты LEGO Education SPIKE Prime: по одному комплекту на группу из 3–4 учеников; проверить наличие хаба, двух моторов, датчика расстояния, колёс, осей и соединительных элементов.
- Заранее зарядить хабы и установить на планшеты или компьютеры приложение LEGO Education SPIKE с блочной средой программирования.
- Распечатать на каждую группу технологическую карту с этапами «Задача — алгоритм — сборка — программа — испытание — улучшение».
- Распечатать по одной карточке маршрута на группу: стартовая линия, прямая дорожка, препятствие и финишная зона.
- Подготовить карточки ролей: конструктор, программист, оператор испытаний, аналитик; предусмотреть смену ролей после первого испытания.
- Нанести на полу или на больших листах бумаги учебные маршруты с помощью малярного скотча; подготовить небольшие мягкие препятствия.
- Вывести на доску схему компонентов: хаб, мотор, датчик расстояния, колёса, соединительные элементы; рядом разместить правила безопасной работы.
- Подготовить на экране пример линейного алгоритма и программу, в которой робот движется вперёд, останавливается и поворачивает.
- Распечатать лист самооценки и критерии практической работы по одному экземпляру на каждого ученика.
- Проверить устойчивость интернет-соединения только при необходимости обновления приложения; предусмотреть локальную работу программы без доступа к сети.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (4 мин)
Цель этапа: включить учащихся в практическую деятельность, вызвать интерес к созданию автономного робота и обозначить реальный инженерный контекст.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель показывает на экране короткую схему автоматизированной доставки: робот движется по маршруту, обнаруживает препятствие и меняет действие. Обращается к классу: "Ребята, представьте, что робот должен доставить небольшой предмет из одной зоны в другую без постоянных команд человека. Что ему необходимо уметь? Подумайте несколько секунд, затем обсудите ответ с соседом по парте. Приём называется «Подумай — обсуди в паре — поделись»." | Индивидуально формулируют идеи, затем обсуждают их в парах. Предполагаемые ответы: «робот должен двигаться», «понимать расстояние», «останавливаться», «иметь программу». Несколько пар сообщают варианты классу. |
2 мин | Учитель демонстрирует комплект LEGO Education SPIKE Prime и говорит: "Сегодня вы будете не просто собирать модель по инструкции. Вы получите инженерную задачу: создать робота, который движется к препятствию и реагирует на него. На уроке важен не только внешний вид, но и доказательство того, что робот выполняет заданный алгоритм." Учитель кратко обозначает правила: детали не бросаем, провода не перегибаем, хаб включаем только по команде, во время движения не подставляем руки под колёса. | Рассматривают комплект, называют известные им технические устройства, формулируют ожидания от практической работы. Повторяют правила безопасной работы и подтверждают готовность к работе в командах. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы выяснили, что автономному роботу нужны исполнительные устройства, датчики и программа. Сегодня мы проверим, как эти элементы работают вместе, и создадим собственную действующую модель."
Этап 2. Актуализация знаний и распределение ролей (5 мин)
Цель этапа: актуализировать представления об алгоритме, датчике и исполнительном механизме, подготовить продуктивное командное взаимодействие.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель размещает на доске четыре слова: «алгоритм», «датчик», «мотор», «хаб». Говорит: "Работаем с приёмом «Мозговой штурм». По очереди объясните каждое слово одним предложением. Не стремитесь дать идеальное определение сразу: нам важно восстановить исходные знания и увидеть вопросы." После ответов уточняет: "Какую информацию получает датчик? Кто выполняет действие? Где хранится программа?" | Формулируют определения: «алгоритм — последовательность действий», «датчик — устройство, которое получает сведения об окружающей среде», «мотор приводит механизм в движение», «хаб управляет подключёнными устройствами». Отвечают: «датчик расстояния измеряет удалённость объекта», «мотор выполняет движение», «программа загружается в хаб». |
2 мин | Учитель раздаёт карточки ролей и поясняет: "В каждой группе будут конструктор, программист, оператор испытаний и аналитик. Роли не определяют главного человека: результат зависит от согласованности действий. После первого испытания роли можно поменять. Запишите фамилии участников и роли в технологической карте." | В группах распределяют роли, записывают их в технологическую карту, проверяют наличие комплекта и аккуратно раскладывают детали по категориям: хаб, моторы, датчик, элементы корпуса, колёса и оси. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы вспомнили, что робототехническая система объединяет программу, управляющее устройство, датчики и исполнительные механизмы. Теперь определим конкретную задачу и критерии, по которым поймём, что наша модель работает."
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Этап 3. Постановка проблемы и проектирование алгоритма (5 мин)
Цель этапа: сформулировать задачу практической работы и представить ожидаемое поведение робота в виде алгоритма.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель показывает карточку маршрута и говорит: "Условие задачи такое: робот стартует за обозначенной линией, движется вперёд, при обнаружении препятствия на расстоянии менее 20 сантиметров останавливается и поворачивает направо. После поворота он должен оказаться за пределами основной дорожки. Как проверить выполнение? Назовите наблюдаемые признаки." | Называют критерии: «робот начинает движение после запуска», «движется вперёд», «останавливается перед препятствием», «поворачивает направо», «не пересекает ограничительную линию». |
3 мин | Учитель предлагает составить алгоритм на карточке: "Запишите действия глаголами. Не пишите пока названия блоков. Сначала опишем поведение робота человеческим языком. Если возникнут разные варианты, сравните их с условием задачи и выберите тот, который можно проверить." | В группах записывают алгоритм: 1) включить программу; 2) двигаться вперёд; 3) измерять расстояние до препятствия; 4) если расстояние меньше 20 сантиметров, остановиться; 5) повернуть направо; 6) завершить движение. Аналитики сверяют алгоритм с критериями. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "У нас появился план поведения робота. Следующий шаг — перевести этот план в конструкцию и программу. Помните: если алгоритм неясен человеку, его будет трудно передать машине."
Этап 4. Открытие нового знания и сборка модели (10 мин)
Цель этапа: освоить назначение основных компонентов платформы и собрать устойчивую мобильную модель с датчиком расстояния.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель показывает комплект и говорит: "Посмотрите на доску: хаб является центром управления; моторы преобразуют электрическую энергию во вращение колёс; датчик расстояния сообщает программе, есть ли впереди объект и насколько он близко. Обратите внимание на крепление датчика: он должен смотреть вперёд и не закрываться деталями корпуса. Сначала соберите раму, затем закрепите моторы, оси и колёса, после этого подключите датчик." | Рассматривают элементы, находят их в наборе, называют назначение каждой детали. Конструкторы начинают сборку рамы, программисты проверяют схему подключения, аналитики сверяют конструкцию с критериями устойчивости. |
5 мин | Учитель раздаёт технологическую карту и консультирует группы: "Проверьте симметрию колёс и свободное вращение осей. Если корпус наклонён, робот будет отклоняться от маршрута. Не соединяйте детали с усилием и не тяните за провода. Поднимите руку, если необходимо проверить конструкцию, но сначала обсудите проблему всей группой." | Собирают мобильную модель, закрепляют два мотора и датчик расстояния, подключают компоненты к хабу. Оператор вручную прокручивает колёса и проверяет, что они не задевают корпус. Аналитик отмечает в карте выполненные пункты. |
2 мин | Учитель проводит промежуточный контроль: "Покажите мне три точки проверки: хаб закреплён, колёса вращаются свободно, датчик направлен вперёд. Теперь включите хаб только после моей команды и подготовьте модель к подключению к приложению." | Показывают учителю три точки проверки, включают хаб, размещают робота на стартовой линии и подготавливают планшет или компьютер. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Конструкция готова и проверена. Теперь мы увидим, как одна и та же идея — движение, остановка и поворот — записывается с помощью блоков программы."
Этап 5. Программирование и первичное закрепление (9 мин)
Цель этапа: создать в блочной среде программу по составленному алгоритму и выполнить первое пробное испытание.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | Учитель демонстрирует на экране рабочее поле приложения и говорит: "Перетащите в программу блок запуска, блок управления двумя моторами и условный блок. В блоке движения задайте направление вперёд и умеренную скорость. В условии выберите датчик расстояния и сравнение «меньше 20 сантиметров». В ветви условия разместите остановку моторов и поворот направо. Программа должна читаться сверху вниз и соответствовать вашему алгоритму." | Программисты создают программу в приложении. Остальные участники сверяют блоки с письменным алгоритмом. Группа проговаривает последовательность: «движение — измерение — проверка условия — остановка — поворот». |
2 мин | Учитель обращает внимание на типичную ошибку: "Если робот сразу поворачивает или не реагирует на препятствие, не обвиняйте оборудование. Проверьте три причины: выбран ли правильный порт, направлен ли датчик на препятствие, верно ли задано условие. Исправляйте только одну переменную за раз, чтобы понимать результат." | Проверяют порт датчика, направление его установки и значение условия. При необходимости исправляют программу, сохраняют её под названием группы и загружают в хаб. |
3 мин | Учитель организует первое испытание: "Оператор ставит робота за стартовую линию. Все остальные отходят за безопасную границу. По команде запускаем программу и наблюдаем, не прикасаясь к роботу. Аналитик фиксирует, что произошло фактически, а не то, что должно было произойти." | Запускают программу на маршруте. Наблюдают движение, остановку и поворот. Аналитик записывает результат: «выполнено», «выполнено частично» или «не выполнено», а также конкретную ошибку, например «робот остановился слишком близко» или «не повернул». |
Запись в тетрадях
- Образовательная робототехническая платформа объединяет конструктивные детали, датчики, исполнительные механизмы, программируемый хаб и программу.
- Алгоритм первой версии: двигаться вперёд → измерять расстояние → при расстоянии менее 20 сантиметров остановиться → повернуть направо.
- Результат испытания: записать, что получилось и какую ошибку необходимо устранить.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Первая программа позволила проверить нашу гипотезу. Сейчас особенно важно не сравнивать группы по скорости, а найти связь между настройкой и поведением робота. Переходим к самостоятельной доработке."
Этап 6. Самостоятельная работа с испытанием и коррекцией (8 мин)
Цель этапа: научить учащихся анализировать результат испытания и самостоятельно корректировать конструкцию или программу.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель предлагает работу по листу диагностики: "Заполните три строки: ожидаемое действие, фактическое действие, предполагаемая причина. Например: ожидали остановку перед препятствием; фактически робот проехал дальше; возможная причина — слишком большое значение скорости или неверно направленный датчик. Не меняйте сразу всё." | Команды описывают расхождение между ожиданием и результатом. Формулируют одну проверяемую гипотезу и выбирают, что изменить: скорость, расстояние срабатывания, направление датчика, симметрию колёс или поворот. |
4 мин | Учитель говорит: "Теперь выполните одну корректировку и повторите испытание. Если результат стал лучше, зафиксируйте изменение. Если хуже, вернитесь к предыдущей версии и проверьте другую гипотезу. Аналитик должен объяснить, почему группа считает изменение полезным." | Вносят одно изменение, повторно запускают робота и сравнивают результат. Записывают параметр до изменения и после него. Обсуждают, помогла ли корректировка, и распределяют роли при необходимости. |
2 мин | Учитель проводит мини-консультации и задаёт вопросы: "Что именно вы изменили? Какой признак показал улучшение? Можно ли решить проблему конструкцией, не меняя программу? Что будет, если увеличить расстояние срабатывания?" | Отвечают на вопросы, демонстрируют вторую версию программы или конструкции, формулируют вывод: «уменьшение скорости помогло роботу остановиться точнее» или «датчик нужно поднять выше, чтобы он видел препятствие». |
Эталон решения инженерной задачи
Для исправной модели последовательность проверки такова: 1) проверить направление вращения моторов и соответствие портов; 2) убедиться, что датчик закреплён спереди и направлен на препятствие; 3) проверить условие «расстояние меньше 20 сантиметров»; 4) задать умеренную скорость; 5) отдельно проверить блок остановки; 6) проверить поворот малой длительностью; 7) повторить испытание и сравнить фактический результат с критериями. Если робот не останавливается, сначала проверяют датчик и условие, а не меняют всю программу целиком.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Вы прошли настоящий инженерный цикл: собрали, запрограммировали, испытали, нашли несоответствие и внесли изменение. Осталось представить результат и оценить не только работоспособность робота, но и качество командной работы."
Этап 7. Представление результатов и рефлексия (4 мин)
Цель этапа: обобщить опыт команд, провести самооценку и осознать значение алгоритма, тестирования и корректировки.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель приглашает по одной группе кратко представить результат: "За 30 секунд назовите задачу, одну конструктивную или программную особенность, результат испытания и внесённое улучшение. Остальные группы слушают и отмечают одну идею, которую можно использовать в своей модели." | Представители команд сообщают: «Мы создали робота с датчиком расстояния; сначала он не останавливался, поэтому мы уменьшили скорость и исправили условие; после изменения робот остановился и повернул». Остальные фиксируют полезные решения. |
2 мин | Учитель раздаёт лист самооценки и говорит: "Отметьте, что вы можете сделать самостоятельно: назвать компоненты платформы, составить алгоритм, собрать модель, создать программу, найти причину ошибки. Затем напишите одну фразу: «В следующий раз я улучшу…»." | Заполняют лист самооценки, отмечают уровень освоения действий и формулируют личный следующий шаг. Сдают технологические карты и листы учителю. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Сегодня вы убедились, что робототехника начинается не с набора блоков, а с ясной задачи и проверяемого алгоритма. На следующем уроке мы усложним поведение робота и рассмотрим повторяющиеся действия или работу с другим датчиком."
Критерии оценивания практической работы
- «5» — команда собрала устойчивую модель, корректно подключила моторы и датчик, создала программу по алгоритму, робот выполнил движение, остановку и поворот, а учащиеся объяснили причину и результат внесённой коррекции.
- «4» — модель и программа в целом работают, робот выполняет не менее двух из трёх заданных действий, команда выявила ошибку и предприняла обоснованную попытку исправления; имеются отдельные неточности в настройке или объяснении.
- «3» — модель собрана частично, программа запускается, но робот выполняет только одно заданное действие либо нуждается в постоянной помощи; алгоритм записан неполно, анализ результата проведён с существенными затруднениями.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Какие элементы платформы нужны роботу для движения и получения информации о препятствии? | Проверка осознания взаимосвязи хаба, моторов и датчика расстояния. |
Какой фрагмент алгоритма было труднее всего перевести в блоки программы? | Выявление затруднений при переходе от словесного алгоритма к цифровой модели. |
Какую ошибку обнаружила ваша команда и каким способом вы её исправили? | Проверка навыка анализа результата и обоснованной коррекции. |
Что вы сможете сделать самостоятельно на следующем уроке? | Определение субъективной оценки освоения темы и зоны ближайшего развития. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня вы работали как начинающие инженеры: поставили задачу, составили алгоритм, собрали модель, запрограммировали её и проверили результат. Важно помнить, что ошибка робота чаще всего подсказывает, какой элемент системы нужно исследовать: конструкцию, подключение, условие или параметр движения. Вы не просто собрали модель, а научились объяснять её поведение и улучшать результат. На следующем уроке мы добавим более сложную последовательность действий и рассмотрим, как повторение помогает роботу выполнять длительные маршруты."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Составить в тетради словесный алгоритм для робота, который движется вперёд, обнаруживает препятствие на расстоянии менее 15 сантиметров, останавливается и поворачивает налево. Отдельно перечислить назначение хаба, мотора и датчика расстояния. | Закрепляет понятия «алгоритм», «датчик», «исполнительный механизм» и проверяет правильность последовательности действий. |
Средний (повышающий) | Разработать блок-схему поведения робота на маршруте с двумя препятствиями: движение, остановка перед первым препятствием, поворот, движение до второго препятствия, остановка. Указать, какие параметры потребуется настроить при испытании. | Развивает умение моделировать сложное поведение, выделять этапы алгоритма и прогнозировать точки возможной ошибки. |
Продвинутый (дополнительный) | Предложить собственный проект робота для бытовой или производственной задачи: описать проблему, назначение робота, необходимые датчики и моторы, последовательность действий и один критерий успешного испытания. | Формирует инженерное и креативное мышление, связывает робототехнику с реальными профессиями и учит проектировать решение от потребности к прототипу. |
Контрольные вопросы перед выходом из класса: «Какую роль выполняет датчик расстояния?», «Из каких основных этапов состоит инженерный цикл?», «Почему перед программированием важно составить словесный алгоритм?», «Назовите одну причину, по которой робот может не остановиться перед препятствием».
