Проектно-исследовательская работа «Изучить физику помогают роботы»

XV конкурс учебно-исследовательских и проектных работ учащихся

«Школьники города-науке XXI века»

ИЗУЧИТЬ ФИЗИКУ ПОМОГУТ РОБОТЫ

Выполнила: ученица 8 Б класса

МОУ «Средняя школа № 27»

Арацкова Анастасия Дмитриевна

Руководитель: учитель физики и информатики

Дадонова Александра Васильевна

ВВЕДЕНИЕ

Одной из целей создания робототехнических конструкций является их использование в различных сферах жизнедеятельности людей, именно поэтому я выбрала темой своей работы «Изучить физику помогут роботы».

Преимуществом исследовательского обучения является то, что в процессе обучения усвоение теоретической темы становится не самоцелью, а средством развития логического мышления, умения добывать информацию при помощи анализа материала и сопоставления имеющихся мнений. Именно это умение будет востребовано в жизни любого из учащихся, тогда как содержание большей части школьных курсов не будет использоваться в полноте и забудется.

Робот-черепаха - это робот-трейсер, то есть робот, который передвигается по линии, полученная модель робота приведена в приложении.

Главная цель работы – сделать абстрактные физические законы «осязаемыми», то есть понятными и наглядными для детей.

В основной части роботы приведены:

1) способы использования роботов при изучении физики;

2) примеры использования робота-черепахи на уроках физики;

3) примеры программ для данного робота в программной среде Rogic 3.01 (русифицированная версия);

4) обобщение и оценка результатов исследований, включающих оценку полноты решения поставленной задачи и предложения по дальнейшим направлениям работ.

5) проведен опрос учащихся 7 класса: «Необходимы ли роботы в физике» (результаты опроса в приложении 2)

1 Использование робототехники в физике.

На сегодняшний момент использование роботов становиться повсеместным явлением. Можно привести следующие способы их использования:

Робот как объект изучения. Изучение физических принципов работы датчиков, двигателей и других систем конструктора.

Робот как средство измерения в традиционном эксперименте. Датчики базового конструктора и дополнительные виды датчиков (Vernier, HiTechnic и др.) используются как измерительная система в физическом эксперименте с обработкой и фиксацией его результатов в различных видах.

Робот как средство постановки физического эксперимента (роботизированный эксперимент). Комплексное использование двигателей, систем оповещения, датчиков, робототехнического конструктора в демонстрационном и лабораторном эксперименте.

Робот как средство учебного моделирования и конструирования.

Применение образовательной робототехники в проектно-исследовательской и конструкторской работе учащихся, в частности: использование имеющихся роботов с другими системами, создание нового робота, модернизация робота (разработка и проектирование новых датчиков и других систем робота, расширяющих возможности его использования, в том числе в новых условиях).

При проведении лабораторных работ с применением робототехники возможен разный уровень сложности выполнения учебных заданий. Данный уровень определяется:

1) степенью участия школьников в сборке и настройке автоматизированного эксперимента является работа на готовой установке; самостоятельная сборка и наладка установки, программная настройка датчиков, разработка программы для обработки результатов;

2) уровнем дидактической поддержки учебной работы школьников является выполнение проекта по инструкции; выполнение проекта по инструкции с применением конструктивных схем по сборке; выполнение проекта по инструкции с указаниями по программированию робота.

2. Примеры использования робота-черепахи на уроках физики.

2.1 Использование робота черепахи при изучении понятия «Траектория»

В данном случае сначала вводиться понятие: Траектория – это линия, вдоль которое движется тело. Затем можно продемонстрировать Робота-черепаху, показывая взаимосвязь физики и реальной жизни. Так как данный робот - это робот-трейсер, то есть робот, который передвигается по линии. Линейный трассировщик - это самопередвигающийся робот, который движется по заданной траектории и который называется AGV(Automatic Guided Vehicle – Автоматически управляемое транспортное средство). Робот-трейсер с помощью сенсора следует к месту назначения по траектории, нарисованной на земле. Линейная трассировка, как правило, используется в беспилотных машинах, которые автоматически перемещают вещи на фабриках, конвейерных лентах или погрузчиках.

После демонстрации робота можно предложить учащимся следующее задание: Почему бы вам не сделать робот-трейсер, который станет переносить вещи в вашем доме по соответствующим траекториям? Нарисуйте как бы выглядели данные траектории.

Для данного случая можно программа создается, зная траекторию движения. Например, для траектории движения показанной на рисунке 1, используется программа представленная на рисунке 2:

2.2 Использование робота-черепахи при обобщении материала по теме: «Равномерное движение».

В качестве иллюстрации использования заданий по робототехнике в физике можно привести такой пример: при изучении темы: «Изучение равномерного движения» можно использовать следующие задания:

1. Какова траектория движения робота?

2. Вследствие чего движение роботов мы можем назвать равномерным?

3. Сравните скорость движения различных моделей роботов?

4. Определите скорость движения робота.

5. Постройте график движения роботов.

Ответы учеников

Прямая линия.

Вследствие того, что роботы за равные промежутки времени проходят равные расстояния.

Скорость одной из моделей роботов больше, потому что за равный промежуток времени он проходит большее расстояние.

Для решения измеряется длина пути и ведется отсчет времени. По полученным данным определяется скорость робота.

По данным, полученным в ходе выполнения 4-го задания строится график движения модели робота.

В данном случае сборка и программирование робота осуществляется до начала урока. Схему сборки и программу работы робота можно найти на сайте производителя вашего комплекта робототехники. В данной работе используется комплект РобоРобо Кит № 2, программирование осуществляется с использованием программной оболочки Rogic 3.01 (русифицированная версия), данная программа находиться в свободном доступе на сайте roborobo.ru. Внешний вид робота приведен в приложении 1.

Для данного фрагмента урока была создана следующая программа (рис. 1):

Рисунок 1 – Программа движения робота вперед и назад.

После проведения данного фрагмента урока мы попросили опрос среди учащихся, который включал в себя следующие вопросы

1 Как Вы думаете нужно ли использовать роботов на уроках физики.

2. Хотели бы Вы заниматься робототехникой на уроках физики или во внеурочное время?

3. Предложите свои способы применения роботов на уроках физики

Результаты опросы приведены в приложении 2

2.3 Использование робота-черепахи в ходе проведения лабораторной работы: Изучение действия электродвигателя постоянного тока.

При проведении лабораторной работы «Изучение электродвигателя постоянного тока» необходимо попросить учащихся собрать по инструкции (приложение 2) модель робота-черепахи, написать программу для движения робота (рис. 1). А в качестве вывода ответить на ряд вопросов:

Назовите основные составляющие модели, позволяющие приводить в действие электромотор постоянного тока?

Что называется мотором.

Что называется электромотором постоянного тока?

Что собой представляет плата управления электромотора?

Что является следствием работы электромотора в данной модели?

Как можно изменить (улучшить) модель?

Рассмотрим вывод на примере робота-черепахи:

1. Основными деталями данного робота являются: процессорная плата, плата управления электромотором постоянного тока, электромотор постоянного тока.

2. Мотор - механизм, вращающий ось.

3. Электромотор постоянного тока - электрическая машина постоянного тока, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.

4. Если процессор дает плате управления электродвигателем команду прямого вращения, плата подаёт мотору электрический ток для прямого вращения. Таким образом, двигатель начнёт работать. Если процессор дает команду обратного вращения, плата управления электродвигателем подаёт электрический ток противоположной полярности.

5. Следствием работы электромотора в данной модели является движение и повороты робота.

6. Закрепить еще один электромотор постоянного тока, но уже на руках робота, что позволит роботу делать вращательные движения руками.

При данном построении урока учащиеся самостоятельно проводят эксперимент (ведь они могут использовать не только стандартную программу) что как мне кажется приводит к большему пониманию темы.

2.4 Использование робота черепахи при изучении оптических явлений.

Робот-трассировщик использует инфракрасный датчик, чтобы определить путь для движения. Этот инфракрасный датчик может различать только черный и белый цвета, поэтому должны использоваться только черная линия на белом фоне или белая линия на черном фоне. Черный будет поглощать свет, излучаемый светодиодом, а белый отражать его. С помощью этой разницы датчик обнаружит полосу, по которой нужно ехать. В данном случае мы используем следующую программу:

Робот с помощью данной программы может выполнять движения на белом фоне по черной линии.

Заключение

В заключении хотелось бы выделить следующие положительные стороны использования элементов робототехники на уроках, включающих демонстрационный физический эксперимент, а также на лабораторных занятиях по физике:

Обработка результатов измерения физических величин может быть запрограммирована и проведена в автоматическом режиме при выполнении программы.

Исключаются случайные ошибки измерения, связанные с использованием органов чувств человека при измерении: со скоростью реакции человека, глазомером, восприятием событий на слух и т.д.

Непрерывный мониторинг значения физической величины в ходе эксперимента в течение указанного промежутка времени и с регулируемой частотой снятия показаний датчика от единичного измерения за всё время эксперимента до нескольких десятков раз в секунду.

Данные эксперимента выводятся на экран на протяжении всего хода эксперимента в виде численных значений, числовой шкалы с указателем, таблиц значений и графиков функций.

График, полученный в результате эксперимента, а также инструменты для его исследования дают дополнительные возможности для анализа закономерностей физического процесса: вывод численных данных для любой точки графика; вывод значений различных интервалов изменения величины за заданный промежуток времени; определение среднего значения величины за некоторый промежуток времени; аппроксимация графика; отображение на координатной плоскости нескольких графиков, полученных в ходе нескольких аналогичных экспериментов.

Кроме названных достоинств можно указать недостатки использования робототехнических комплексов в школьном эксперименте.

Во-первых, экспериментальная установка с применением робота требует предварительной сборки и программирования, что сопровождается затратам времени. Для минимизации временных затрат рекомендуется:

Во-вторых, наличие инструментальной погрешности датчиковых систем и необходимость их учёта.

Список использованной литературы

http://www.keldysh.ru/pages/anniver/achievment/21_robot.htm - Робототехника и мехатроника

http://www.roborobo.ru

RoboRobo. Интеллектуальная школа робота. Шаг 1.стр 71-75

Интернет справочники Yandex.ru, Google.com