Моделирование и конструирование автоматизированных и роботизированных систем
Цели и задачи
- Цель урока по SMART: к концу урока учащиеся смогут по заданному технологическому процессу разработать структурную модель автоматизированной или роботизированной системы, определить её входные данные, управляющее устройство, исполнительные механизмы и выходной результат, а также обосновать выбранную конструкцию.
- Сформировать представление о различиях между автоматизированной и роботизированной системами и о последовательности их моделирования.
- Научить выделять в технологической задаче объект управления, датчики, контроллер, исполнительные устройства и обратную связь.
- Развивать умение анализировать условие практической задачи, строить функциональную схему и аргументировать инженерное решение.
- Формировать ответственное отношение к технике, навыки командного проектирования и готовность применять знания при выполнении заданий практико-ориентированного характера, в том числе в формате ОГЭ.
Планируемые результаты
Личностные
- Проявляют интерес к инженерным и техническим профессиям, связывают содержание урока с профессиональным самоопределением.
- Осознают значение безопасного, ответственного и экологичного использования автоматизированных и роботизированных систем.
- Понимают ценность точного планирования, проверки гипотезы и исправления ошибок в проектной деятельности.
- Снижают тревожность перед практико-ориентированными заданиями ОГЭ через освоение понятного алгоритма анализа технической ситуации.
Метапредметные
- Извлекают из описания технологического процесса данные о входных воздействиях, управляющих сигналах и требуемом результате.
- Строят функциональную модель системы в виде последовательности «датчик — контроллер — исполнительный механизм — объект — результат».
- Планируют совместную деятельность, распределяют роли и согласуют инженерное решение в группе.
- Оценивают предложенную модель по критериям работоспособности, безопасности, экономичности и обоснованности.
- Используют условные обозначения, таблицы и схемы для представления технической информации.
Предметные
- Знать определения автоматизированной системы, роботизированной системы, датчика, контроллера, исполнительного механизма и обратной связи.
- Уметь различать ручное, автоматизированное и роботизированное управление по роли человека и характеру выполнения операций.
- Уметь моделировать простую систему по заданному технологическому процессу и устанавливать связи между её элементами.
- Уметь конструировать функциональную схему системы с указанием входа, обработки сигнала, действия и результата.
- Владеть алгоритмом проверки технической модели на полноту, управляемость и безопасность.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личный интерес к направлениям робототехники, автоматизации, программирования и технического проектирования.
- Осмысливают роль человека как разработчика, оператора и ответственного пользователя технической системы.
- Проявляют готовность доводить проектное решение до проверяемого результата и принимать конструктивную критику.
Регулятивные УУД
- Формулируют цель моделирования по условию практической задачи и планируют последовательность действий.
- Распределяют время и роли при групповой разработке функциональной схемы.
- Сверяют модель с критериями: наличие входа, обработки, исполнительного механизма, результата и обратной связи.
- Обнаруживают неполноту или противоречие в схеме и вносят коррективы.
- Оценивают собственный вклад и уровень понимания материала с помощью листа самооценки и «билета на выход».
Познавательные УУД
- Классифицируют системы по степени участия человека в управлении.
- Выделяют существенные признаки технического объекта и отбрасывают второстепенные детали описания.
- Устанавливают причинно-следственные связи между показанием датчика, решением контроллера и действием исполнительного механизма.
- Моделируют технологический процесс с помощью блок-схемы и условных обозначений.
- Сравнивают два проектных решения и обосновывают выбор более подходящего.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли в проектной группе: аналитик, конструктор схемы, эксперт по безопасности, докладчик.
- Формулируют уточняющие вопросы к условию задачи и к решениям одноклассников.
- Аргументируют выбор датчика, контроллера и исполнительного механизма доступными техническими терминами.
- Слушают возражения, корректно выявляют недостатки модели и предлагают способы улучшения.
- Представляют групповое решение в кратком устном сообщении.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить презентацию или изображения трёх объектов: автоматические двери, роботизированный манипулятор и система автоматического полива.
- Вывести на доску или подготовить на отдельном слайде памятку: «Вход — датчик — контроллер — исполнительный механизм — объект — результат — обратная связь».
- Распечатать карточки с практическими ситуациями трёх типов — по одной карточке на каждую группу, всего 6–8 экземпляров.
- Распечатать для каждого ученика лист самооценки с пунктами «Я могу назвать элементы системы», «Я могу построить схему», «Я могу объяснить обратную связь».
- Подготовить для каждой группы лист формата А3, цветные маркеры, стикеры и набор карточек с названиями элементов системы.
- Подготовить мини-карточку с заданием в формате ОГЭ: по описанию процесса определить датчик, исполнительный механизм и функцию контроллера.
- Подготовить таймер на 5 минут для групповой работы и на 1 минуту для выступлений.
- Подготовить компьютер и проектор или интерактивную доску; при наличии оборудования — демонстрационный набор с датчиком расстояния, светодиодом и исполнительным механизмом.
- Разместить на доске критерии групповой схемы: полнота элементов, правильность связей, безопасность, объяснимость решения.
- Подготовить цветные карточки «зелёный», «жёлтый», «красный» для приёма «Светофор».
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учащихся в учебную деятельность и показать практическую значимость темы через реальный технический объект.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и проверяет готовность: «Здравствуйте, ребята. Сегодня мы будем работать как инженеры-конструкторы. Проверьте, что на столе есть тетрадь, ручка и линейка. На доске вы видите изображение автоматических дверей и роботизированного манипулятора. Ваша задача — понять, что общего у этих устройств и как можно заранее представить их работу в виде модели». | Проверяют готовность к уроку, рассматривают изображения и формулируют первые предположения: «Система сама выполняет действие», «Есть датчики», «Человек задаёт программу». |
2 мин | Учитель использует приём «Крючок»: «Представьте, что дверь супермаркета открылась перед человеком, который находится ещё в двух метрах от входа. Как система поняла, что нужно сделать? А если датчик перестал работать, кто отвечает за безопасность? Подумайте несколько секунд, обсудите ответ с соседом и поделитесь одной гипотезой». | Индивидуально формулируют гипотезу, обсуждают её в паре около 30 секунд и сообщают классу: «Датчик обнаружил движение», «Контроллер обработал сигнал», «Привод открыл створки». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы увидели, что любое такое устройство не просто выполняет действие, а получает информацию, принимает решение и воздействует на объект. Сегодня мы научимся представлять эту последовательность в виде инженерной модели и проверять, будет ли она работать».
Этап 2. Актуализация знаний и выявление затруднения (5 мин)
Цель этапа: актуализировать знания о технических системах, управлении и алгоритме действий, зафиксировать затруднение в описании автоматизированного объекта.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель показывает на доске три ситуации: человек включает свет выключателем; датчик движения включает свет; робот-пылесос самостоятельно строит маршрут. «Расположите эти ситуации от наименьшей автоматизации к наибольшей. Не называйте только номера — объясните, какую роль в каждом случае играет человек». | Записывают последовательность в тетради и объясняют: «Сначала человек непосредственно управляет устройством, затем автоматика реагирует на сигнал датчика, а робот самостоятельно планирует и выполняет маршрут по программе». |
2 мин | Учитель проводит короткий опрос: «Что называют датчиком? Что делает исполнительный механизм? Зачем нужен контроллер? Что может быть результатом работы системы? Назовите пример обратной связи». Учитель фиксирует ключевые слова на доске. | Отвечают: «Датчик измеряет или обнаруживает изменение», «исполнительный механизм выполняет действие», «контроллер принимает и обрабатывает сигналы», «результат — изменение состояния объекта», «обратная связь сообщает системе, достигнут ли результат». |
1 мин | Учитель выдаёт мини-карточку: «Система полива включает насос, если влажность почвы ниже заданного значения. Определите датчик и исполнительный механизм». Затем спрашивает: «А где в этом описании решение о включении насоса?». | Отмечают датчик влажности и насос как исполнительный механизм. После вопроса обнаруживают затруднение: «Нужно добавить устройство, которое сравнивает показание с заданным значением и принимает решение». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы вспомнили основные элементы управления, но увидели, что одного перечисления недостаточно: необходимо установить порядок их взаимодействия. Чтобы решить эту задачу, сформулируем цель и алгоритм моделирования системы».
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: сформулировать учебную проблему и совместно определить критерии качественной модели.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель демонстрирует неполную схему автоматического полива: «На схеме есть насос и вода, но система не знает, когда включаться и когда остановиться. Какой элемент отсутствует? Какие последствия возможны, если система будет работать без проверки результата?». Учитель принимает разные ответы, не сообщая готовое решение. | Находят отсутствие датчика и контроллера, формулируют последствия: «Растения могут быть залиты», «Насос будет работать постоянно», «Система не сможет определить влажность». |
2 мин | Учитель организует «Снежный ком»: «Сначала каждый запишите, что должна содержать модель автоматизированной системы. Затем объединитесь в пары и выберите четыре-пять обязательных элементов. После этого назовём общий критерий класса». Учитель записывает на доске согласованный алгоритм. | Составляют индивидуальный список, сравнивают его в парах и формулируют критерии: «входные данные, датчик, контроллер, исполнительный механизм, объект воздействия, результат и при необходимости обратная связь». |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Наша проблема сформулирована: как превратить описание процесса в работающую функциональную модель. К концу урока каждая группа построит такую модель и защитит её по единым критериям».
Этап 4. Открытие нового знания и построение модели (12 мин)
Цель этапа: освоить алгоритм моделирования автоматизированной и роботизированной системы и применить его к практической ситуации.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель показывает на доске схему и проговаривает: «Запишите в тетради последовательность: входной сигнал — датчик — контроллер — исполнительный механизм — объект — результат. Если результат нужно измерять и корректировать, добавляется обратная связь. Датчик отвечает на вопрос “что происходит?”, контроллер — “какое решение принять?”, исполнительный механизм — “какое действие выполнить?”. Посмотрите на стрелки: они показывают не детали внешнего вида, а направление передачи информации и действия». | Записывают схему, подписывают назначение каждого элемента и задают уточняющие вопросы. Формулируют: «Датчик преобразует состояние объекта в сигнал», «контроллер сравнивает данные с программой», «исполнительный механизм изменяет состояние объекта». |
3 мин | Учитель разбирает общий пример: «Система поддерживает температуру в теплице. Датчик измеряет температуру воздуха. Контроллер сравнивает её с заданным значением. Если температура ниже нормы, исполнительный механизм включает нагреватель. После нагрева датчик снова передаёт данные контроллеру. Что здесь является обратной связью? Почему без неё система может перегреть теплицу?». | Находят все элементы схемы, отвечают: «Обратная связь — повторное измерение температуры», «без неё контроллер не узнает, что заданная температура уже достигнута». |
4 мин | Учитель делит класс на группы и раздаёт карточки: «Группа 1 проектирует автоматическое освещение кабинета; группа 2 — систему полива теплицы; группа 3 — робота, сортирующего детали по цвету; группа 4 — автоматическую вентиляцию. На листе А3 разместите элементы схемы, соедините их стрелками и подпишите назначение каждого. Выберите роли: аналитик, конструктор, эксперт по безопасности и докладчик». | Распределяют роли, читают условие своей карточки, выделяют входные данные и результат, размещают карточки элементов на листе А3, проводят стрелки и записывают управляющее условие. |
2 мин | Учитель проводит консультацию по группам: «Проверьте себя тремя вопросами: откуда система получает информацию? Кто принимает решение? Какое конкретное действие изменяет объект? Не забудьте указать, что произойдёт при ошибочном сигнале или отказе датчика. В схеме робота отдельно покажите сенсор, контроллер движения и привод». | Проверяют схемы по вопросам, добавляют защитное условие или аварийную остановку, исправляют пропущенные элементы. |
Запись в тетрадях
Ученики записывают: «Модель автоматизированной системы — упрощённое представление её элементов, связей и условий работы. Базовая цепочка: датчик → контроллер → исполнительный механизм → объект. Обратная связь передаёт сведения о результате действия обратно контроллеру. Роботизированная система отличается наличием программируемых исполнительных действий и большей самостоятельностью выполнения операции».
Завершение этапа: учитель подводит итог: «У каждой группы появилась не просто картинка устройства, а функциональная модель: в ней видно, какая информация поступает, как принимается решение и какое действие выполняется. Теперь проверим модели на типичных заданиях и научимся находить ошибки до запуска системы».
Этап 5. Первичное закрепление и проверка модели (7 мин)
Цель этапа: закрепить алгоритм анализа технической системы и научить учащихся аргументированно выявлять недостатки схемы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель предлагает приём «Технический инспектор»: «Обменяйтесь схемами с соседней группой. Ваша задача — не переписать решение, а проверить его. Найдите в схеме входной сигнал, контроллер, исполнительный механизм, результат и обратную связь. Каждый найденный элемент отметьте стикером соответствующего цвета». | Изучают чужую схему, прикрепляют стикеры к элементам, записывают один сильный аспект и один вопрос к разработчикам: «Не указано, что происходит при недостаточной влажности», «Контроллер и датчик обозначены правильно». |
2 мин | Учитель предлагает задание в формате ОГЭ: «Система автоматически открывает теплицу при повышении температуры. Укажите, что является датчиком: электродвигатель, термометр, программа контроллера или створка окна. Объясните выбор одним предложением». | Выбирают термометр и обосновывают: «Термометр измеряет температуру и передаёт контроллеру входной сигнал». |
2 мин | Учитель задаёт вопрос повышенного уровня: «Сравните автоматическое освещение и робота-сортировщика. В какой системе действие человека после запуска меньше? Какие признаки позволяют это доказать?». | Сравнивают две системы и отвечают: «Робот-сортировщик выполняет последовательность операций по программе, использует датчик цвета и привод, поэтому после запуска вмешательство человека меньше». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Проверка показала, что модель нужно оценивать не по красоте рисунка, а по полноте связей и возможности объяснить каждое действие. Сейчас каждый самостоятельно применит алгоритм к новой ситуации и покажет, насколько уверенно умеет строить такую цепочку».
Этап 6. Самостоятельная работа с самопроверкой (9 мин)
Цель этапа: проверить индивидуальное освоение алгоритма моделирования, обеспечить самопроверку и коррекцию ошибок.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель раздаёт индивидуальные карточки трёх уровней и объясняет выбор: «Базовый уровень обязателен для всех. Если вы уверенно справились, переходите к повышенному, а затем к дополнительному. Выберите уровень осознанно: цель не в скорости, а в правильной модели». | Выбирают карточку, записывают фамилию и уровень задания, готовят рабочее место. |
5 мин | Учитель предлагает варианты. Базовый: «Для автоматического освещения определите датчик, контроллер, исполнительный механизм и результат». Повышенный: «Постройте цепочку для системы, которая поддерживает влажность почвы: укажите условие включения насоса и обратную связь». Дополнительный: «Предложите робота, который перемещает предметы на складе, и укажите два датчика, два исполнительных механизма и условие безопасной остановки». Учитель напоминает: «Сначала подчеркните в условии, что измеряется и какой результат требуется получить». | Индивидуально выделяют в условии объект управления и результат, записывают элементы системы стрелками, формулируют управляющее условие, указывают обратную связь и защитное ограничение. |
3 мин | Учитель показывает на доске эталон самопроверки: «Поставьте рядом с каждым пунктом плюс или вопрос. Есть ли входной сигнал? Назван ли датчик? Понятно ли решение контроллера? Есть ли исполнительное действие? Указан ли результат? Предусмотрена ли безопасность? Исправьте одну найденную ошибку другим цветом». | Сверяют работу с чек-листом, исправляют пропущенные элементы, ставят отметку о самостоятельности и задают вопрос по затруднению. |
Эталон решения
Для задания об автоматическом освещении: 1) входной сигнал — наличие движения или недостаточная освещённость; 2) датчик — датчик движения или освещённости; 3) контроллер получает сигнал и сравнивает его с заданным условием; 4) исполнительный механизм — реле или выключатель осветительного прибора; 5) результат — включение света; 6) обратная связь — повторная проверка движения или освещённости; 7) защитное условие — автоматическое выключение при отсутствии движения в течение заданного времени. Для системы полива: датчик влажности → контроллер сравнивает значение с порогом → насос включается при недостаточной влажности → повторное измерение останавливает насос после достижения нормы.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Вы самостоятельно построили модель и проверили её по инженерному чек-листу. Обратите внимание: ошибка в одном элементе может изменить работу всей системы, поэтому конструктор обязан проверять не только отдельные детали, но и связи между ними. Осталось оценить, чему мы научились и какие вопросы требуют доработки».
Этап 7. Рефлексия, оценивание и домашнее задание (5 мин)
Цель этапа: осмыслить результат урока, оценить степень освоения алгоритма и определить направление дальнейшей работы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель проводит рефлексию «Светофор»: «Поднимите зелёную карточку, если можете по описанию назвать все элементы системы и построить цепочку. Жёлтую — если схема получается, но трудно объяснить обратную связь. Красную — если пока нужна помощь». Учитель фиксирует количество сигналов и предлагает двум ученикам назвать точку затруднения. | Поднимают выбранную карточку, формулируют самооценку: «Мне легко определить датчик, но трудно выбрать обратную связь», «Я могу объяснить роль контроллера». |
2 мин | Учитель раздаёт и комментирует «Билет на выход»: «Запишите одним предложением, чем автоматизированная система отличается от роботизированной, и приведите один пример обратной связи. Вторым пунктом назовите элемент, который вы обязательно проверите в своей следующей модели». | Заполняют билет на выход: «Роботизированная система самостоятельно выполняет запрограммированные действия, а автоматизированная чаще выполняет отдельную функцию под контролем программы»; называют обратную связь и личную точку контроля. |
1 мин | Учитель сообщает домашнее задание и критерии: «Выберите уровень, который соответствует вашей сегодняшней работе. Важно не переписать определение, а построить модель для новой реальной ситуации. На следующем уроке мы используем эти модели для обсуждения надёжности и безопасности». | Записывают домашнее задание, уточняют выбранный уровень и сдают билет на выход. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Сегодня вы работали по инженерному алгоритму: выделяли входные данные, проектировали связи, выбирали исполнительные механизмы и проверяли безопасность. Любая сложная роботизированная система начинается с такой функциональной модели. На следующем уроке мы рассмотрим, как оценивать надёжность системы и что происходит при отказе отдельного элемента».
Критерии оценивания практической работы
- «5» — модель содержит входной сигнал, датчик, контроллер, исполнительный механизм, объект, результат и обратную связь; стрелки и управляющее условие указаны верно; предусмотрено безопасное поведение системы; учащийся самостоятельно объясняет решение.
- «4» — модель в целом работоспособна, правильно указаны не менее пяти основных элементов и связи между ними, но допущена одна неточность в обозначении обратной связи или безопасности; после вопроса учителя ошибка исправляется.
- «3» — указаны датчик, контроллер и исполнительный механизм, но отсутствует один существенный элемент или не объяснено управляющее условие; учащийся выполняет коррекцию с помощью учителя.
- Оценка групповой работы дополняется учётом вклада каждого участника: выполнение роли, участие в обсуждении, аргументированность предложений и соблюдение времени.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что нового вы узнали о различии автоматизированной и роботизированной систем? | Проверка осознания ключевого предметного различия и качества сформулированного вывода. |
Какой элемент функциональной схемы вы теперь можете определить без подсказки? | Выявление освоенных операций и уровня предметной уверенности. |
На каком шаге построения модели возникло затруднение? | Выявление точек затруднения в алгоритме моделирования для последующей коррекции. |
Что вы изменили бы в своей групповой схеме после проверки? | Формирование навыка самооценки, анализа ошибок и проектного улучшения решения. |
Завершающее слово учителя
«Сегодня мы увидели, что автоматизированная и роботизированная система создаются не случайным набором деталей, а продуманной связью между сигналом, решением и действием. Типичная ошибка конструктора — назвать датчик и исполнительный механизм, но не указать, что делает контроллер и как система проверяет результат. Если вы умеете читать условие, выделять вход и выход и строить цепочку элементов, то практико-ориентированные задания становятся понятным алгоритмом, а не источником тревоги. На следующем уроке мы проверим, как сделать такую систему надёжной и безопасной».
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Описать одну бытовую автоматизированную систему, например автоматический свет, климатическую установку или систему полива. Указать датчик, контроллер, исполнительный механизм, объект воздействия, результат и обратную связь. | Закрепляет определения и базовый алгоритм анализа; при проверке смотреть на полноту цепочки и правильность функций элементов. |
Средний (повышающий) | Разработать функциональную схему роботизированной системы для сортировки, перемещения или доставки предметов. Указать не менее двух датчиков, два исполнительных механизма, условие запуска и условие безопасной остановки. | Развивает умение конструировать модель с несколькими входами и действиями; при проверке оценивать логичность связей и наличие безопасности. |
Продвинутый (дополнительный) | Предложить улучшение выбранной системы: описать возможный отказ датчика или исполнительного механизма, его последствие и способ обнаружения или предотвращения отказа с помощью дополнительной обратной связи. | Формирует инженерное мышление, анализ рисков и умение оценивать надёжность технического решения. |
Контрольные вопросы перед выходом: «Какую функцию выполняет датчик? Чем контроллер отличается от исполнительного механизма? Что называют обратной связью? Какие элементы обязательно должны быть в функциональной модели? Почему в роботизированной системе необходимо предусматривать безопасную остановку?»
