LEGO-робот — помощник на лабораторных по физике в 7 классе

Уже пять лет на базе лицея работает группа МУ ДО «Малая академия». На организационном сборе 4 сентября восьмиклассникам, обучающимся в группе в рамках дополнительного образования, было предложено познакомиться с конструктором LEGO® Education, который можно использовать для образовательно-обучающих целей.

Провела короткий экскурс по истории возникновения конструкторов компании LEGO [1], задала вопрос: знаком ли ребятам этот современный конструктор, в том числе роботов? Оказалось, что в группе есть школьники, которые в Артеке проходили курс ознакомления и работы с конструкторами LEGO® Education, а у Ярослава и Егора есть такие собственные наборы конструктора!

Было принято общее решение о внесение корректировки в программу дополнительного образования с целью прохождения в сентябре – октябре 2019 года образовательного маршрута: «Робот – помощник на лабораторных работах по физике».

Пояснительная записка

Организация и содержание занятий:

Занятие 1 «Знакомство с конструкторами серии LEGO® Education» (11.09.2019)

Цель: провести обзор - знакомство участников кружка с историей возникновения, продукцией и особенностями работы с набором конструктора 31313 EV3 компании LEGO.

Ход занятия: 

Теоретическая часть: (5 минут) Для ребят, мало знакомых с этим конструктором, точнее, с этой современной робототехнической платформой, Катя подготовила сообщение о возможностях конструкторов серии LEGO, предложила к просмотру видеофрагмент о LEGO-роботах. На примере набора для создания робота LEGO 31313 Mindstorms® EV3 предложила познакомиться с основными составными частями конструкции.

Среди них: главный блок – мозг робота, инфракрасный датчик, который измеряет расстояние до объекта и принимает сигналы с пульта, пульт управления и двигатели, цветовой датчик, детали для конструирования различных форм и провода.

 На фото: знакомимся с конструктором.

Практическая часть: (15 - 20 минут) Кружковцы, работая в группах по три - четыре человека, выполнили практическое задание по сборке робота "Пятиминутка". Это стандартный трёхколесный робот, позволяющий школьнику увидеть возможности данной модификации конструктора. Участники кружка, владеющие навыками работы с LEGO EV3, консультировали  и оказывали помощь остальным кружковцам.

На фото: Ярослав поясняет, как работает робот - "пятиминутка". Такое название робота ребята узнали от Ярослава.

Рефлексия: (5 минут) Группы обменялись впечатлениями от сборки робота, обсудили особенности программных заданий, которые может реализовать такой робот.

Домашнее задание: (до 5 минут)

Провести дополнительное знакомство с особенностями и возможностями конструктора «LEGO® MINDSTORMS» [1]

Придумать и предложить свой вариант робота – помощника на уроках физики. [2]

Занятие 2. «Есть идеи? Готовим их реализацию и воплощение в жизнь.» (18.09.2019)

Цель: активизируя познавательную деятельность, выяснить качество и уровень овладения умениями и навыками в конструировании с использованием LEGO-коструктора. 

Ход занятия:

Актуализация навыков программирования: (10 минут) Зашли на сайт LEGO [1] Познакомились с представленной программой, изучили её особенности и основные блоки. Учащимся рекомендована программа для прохождения самостоятельного обучения основам программирования, например, робота 31313 EV3. [3]

Основной этап занятия: (20 минут). Обсудили предложения ребят, среди которых многие оказались интересными, даже фантастическими.

Остановились на предложении Андрея сконструировать робота, который умел бы выполнять оценочные измерения размеров физических тел правильной формы. Оказалось, что в базовом наборе LEGO® MINDSTORMS® Education EV3 есть все необходимые детали, но готовой конструкции такого робота-помощника нет.

Идею участники кружка поддержали потому, что такой робот будет иметь практическое применение. Так как в курсе физики 7 класса рассматривается алгоритм действий учащихся при определении цены деления шкалы прибора, проводятся измерения линейных характеристик тел, почему бы не привлечь робота к таким измерениям? Эти умения школьников практически закрепляются при выполнении ими лабораторных работ «Измерение размеров малых тел», «Определение цены деления шкалы прибора», поэтому демонстрацию причин возникновения погрешностей измерений можно поручить роботу – помощнику.

Никита рассказал об общих возможностях  конструктора LEGO® MINDSTORMS® EV3, обратил внимание кружковцев на то, что возможности конструктора позволяют собирать любых роботов, главное, чтобы программа его деятельности была выполнена качественно и устойчиво работала. На фото:  работаем с информацией, представленной на официальном сайте корпорации.

Констультации (5 минут) Для кружковцев были проведены групповые консультации по работе с LEGO-конструктором.

  Появилась группа конструкторов нового робота, ее возглавил Ярослав.

Домашнее задание: (3 минуты)

Для группы конструкторов: собрать робота – помощника, начать разработку программы.

Для остальных участников кружка: познакомиться с сериями LEGO-конструкторов для детей разных возрастов, изучить основы LEGO-конструирования на сайте. [3, 4]

Занятие 3 «Тестируем робота – помощника» (25.09.2019)

Цель: проверка качества выполнения группой образовательного задания, выявление недочетов в работе робота, анализ возникших проблем для их последующей корректировки и исправления.

Ход занятия:

 Первый вариант робота-помощника собран, с его конструктивными элементами знакомятся участники кружка.

Ярослав демонстрирует возможности робота, рассказывает ребятам о программе управления роботом при выполнении им измерений.

Озвучиваются проблемы, которые во время занятия обсуждаются, идет поиск их решения (30 минут):

1. В конструкции робота установленный датчик приближения нарушает баланс устройста, конструкции требуется усовершенствание. Предлагается установить ограничитель-барьер, чтобы обеспечить устойчивый баланс конструкции.

2. Необходимо обеспечить наличие матовой поверхности, на которой размещено тело для измерения его размеров. Оказалось, что на глянцевой поверхности парты (в кабинете физики столешницы вскрыты лаком) не фиксирует изменение расстояния до  поверхности.

3. Проверка учениками результатов электронных измерений линейных размеров тела показала, что из-за несовершенства разработанной программы робот допускает существенную погрешность при измерении длины и высоты бруска.

Результаты занятия: (5 минут) Тестовая проверка проведена, получены первичные результаты робото-измерений длины и высоты бруска.

Для устранения обнаруженных дефекта и значительной ошибки в результатах требуется как корректировка программы, так и внесение изменений в конструкцию робота.

Домашнее задание:

Группе разработчиков: анализ ошибок, поиск и устранение ошибок программы

Для кружковцев: предложить свои способы измерения линейных размеров тел, при которых ошибки робота станут минимальными.

Занятие 4 «Результаты получены. Робот – помощник готов трудиться на лабораторных работах по физике» (2.10.2019)

Цель: Выполнить измерения размеров бруска, оценить эффективность работы самостоятельно сконструированного робота - помощника.

 Ход занятия:

Практическая часть: (30 минут) Группами участников кружка выполнены неоднократные пуски робота - помощника, определены с его помощью длина и толщина (высота) брусков различных размеров (5 брусков).

Для этого в программе была задана мощность двигателя, рассчитана скорость движения робота, в программу заложены функции измерения высоты и длины бруска.

Участниками кружка параллельно с робото-измерениями выполнены с помощью ученической линейки измерения длины, ширины и высоты брусков для оценки эффективности работы программы. Рассчитаны погрешности. 

 Измерения выполнены. Результат на дисплее:

х = 9,177 (см);       z = 7(cм)

Решили проверить робото-измерения традиционным способом – ученической линейкой. С измерением длины бруска робот справился успешно, она равна 9 см, но, оказалось, что пока робот фиксирует не саму высоту бруска, а расстояние от датчика до поверхности бруска.

Рефлексия: (5 минут) Тестирование робота и исправление допущенных ошибок позволило наладить программу и внести дополнительные усовершенствования в конструкцию робота.

​​​​​​​Значит, работа над совершенствованием робота в рамках внеурочной деятельности продолжится!

Подводим итоги прохождения образовательного маршрута:

Выбор LEGO для реализации заявленных целей  оказался эффективным, так как  данный конструктор позволяет заинтересовать каждого ребенка, показать ему возможности сборки и программирования различных устройств и без глубокого изучения языков программирования.

Достоинством конструктора является и то, что он блочный. 

Образовательно-деятельностные цели, поставленные при проектировании и прохождении данного маршрута достигнуты, работающее устройство создано и может быть использовано для решения образовательных задач.

Cписок литературы:

1. Обзор конструктора LEGO® MINDSTORMS® Education EV3 и его возможностей: http://smartep.ru/index.php?page=lego_mindstorms_review

2. LEGO-сайт. Собери робота: https://www.lego.com/ru-ru/themes/mindstorms/buildarobot

3. LEGO-сайт. https://www.lego.com/ru-ru/themes/mindstorms