Лот 3. Тема: "Шагающие роботы". МАОУ СОШ № 73 г.Челябинска. Ахатова Елена Владимировна, учитель информатики и ИКТ
Submitted by Елена Владимировна Ахатова on Sat, 01/03/2014 - 14:43
Класс: 6
Урок рассчитан на 4 часа.
Учитель информатики и ИКТ, МАОУ СОШ № 73 г.Челябинска: Ахатова Елена Владимировна
Тип урока – Формирование новых знаний
Типология урока (ФГОС). Урок усвоения новых знаний - Формирование новых знаний на основе актуализации имеющегося житейского опыта и знаний.
Тема урока: Шагающие роботы.
Дидактическая цель: организовать деятельность учащихся по восприятию, осмыслению и первичному запоминанию новых знаний и способов деятельности.
Задачи:
Обучающие: познакомить учащихся с технологией сборки шагающих роботов.
Развивающие: развитие навыков начального конструирования с использованием оборудования LEGO и программирования, логическое мышление учащихся, память, внимание, воображение, познавательную активность, способность быстро воспринимать информацию.
Воспитывающие: воспитание умения работать в команде; взаимной ответственности за результаты учебного труда; прививать чувство самокритичности в оценке своей работы наряду с чувством уверенности в правильности ее выполнения; воспитывать у учащихся самостоятельность, активность, интерес к предмету, правила поведения.
Универсальные учебные действия отрабатываемые на уроке.
Коммуникативные действия. Дети делятся на группы, и выполняют задания. Учить понимать возможности различных позиций и точек зрения на какой-либо предмет или вопрос; понимать позицию других людей, отличную от собственной, уважать иную точку зрения.
Используется групповая работа: каждая группа работает над заданием и выполняет его, сообща, под непосредственным руководством учителя; задания в группе выполняются таким способом, который позволяет учитывать и оценивать индивидуальный вклад каждого члена группы.
Личностные действия. Уметь сравнивать ожидаемые и достигнутые результаты между собой (например, ожидал научиться создавать модели, сумел за урок научиться описывать модели); уметь давать оценку деятельности и результату деятельности (понимаю цель и знаю средство ее достижения: решение задачи в рабочей тетради и на компьютере, чтение учебных текстов, выполнение устных упражнений, ответы на вопросы и т. д.); осознавать значение новых знаний и умений для себя, своей жизни (будет легче работать с предметными моделями).
Регулятивные УУД. Умение учиться и способность к организации своей деятельности; способность ставить цель и следовать ей в учебной деятельности; умение планировать свою деятельности и действовать по плану; умение адекватно воспринимать оценки и отметки; учебное сотрудничество учителя с учеником на основе признания индивидуальности каждого ребенка.
Общеучебные универсальные действия: самостоятельное выделение и формулирование познавательной цели; поиск и выделение необходимой информации, в том числе решение рабочих задач с использованием общедоступных инструментов ИКТ и источников информации; структурирование знаний; выбор наиболее эффективных способов решения задач в зависимости от конкретных условий; рефлексия способов и условий действия, контроль и оценка процесса и результатов деятельности; постановка и формулирование проблемы, самостоятельное создание алгоритмов деятельности при решении проблем творческого и поискового характера.
Методы обучения: объяснительно-иллюстративный, наглядный, частично-поисковый, исследовательский.
Формы организации обучения: индивидуальная, фронтальная, групповая.
Изучив материал урока, учащиеся должны:
знать/понимать
- что такое шагающий робот;
- как выглядит шагающий робот;
- принцип построения шагающего робота;
уметь:
- строить робота по замыслу;
- уметь загружать программу в NXT;
- пользоваться инструкцией для сборки.
- самостоятельно создавать инструкцию для сборки;
Оборудование: демонстрационный ПК (мультимедиа проектор); ЭОР - презентация (Приложение 4); инструкция для сборки робота; наборы конструкторов LegoMindstormsNXT(на каждую группу), компьютер с программой LegoMindstormsNXT, Lego Digital Desinger (на каждую группу).
Подготовительный этап: Подготовить подробную инструкцию сборки, стопоходящего механизма Чебышева в программе Lego Digital Desinger, на каждый компьютер пакеты материалов по уровням сложности проектов: (1) Подробная инструкция стопоходящего механизма Чебышева (заготовка учителя в программе Lego Digital Desinger); (2) Видеоролик (слайд № 19); (3) Презентация, где излагается только принцип стопоходящего механизма Чебышева (слайды 10-16).
Подробный конспект урока
Ход урока (этапы)
Деятельность учителя
Деятельность ученика
Планируемые УУД
Примечание
ЦОР
I этап. Организационный этап – 2 мин.
- Здравствуйте, ребята!
- Сегодня на уроке вы узнаете много интересного, полезного и даже научитесь изобретать.
- Посмотрите перед вами лежат карточки. Здесь написаны слова: знаю – хочу узнать – узнал. В ходе урока здесь будете записывать свои действия.
Карточка: Приложение 1.
Здравствуйте!Учащиеся знакомятся с карточкой самооценки:
Коммуникативные: Культура приветствия.
Стратегия критического мышления «Знаю – хочу узнать – узнал» разработана в 1984 г. профессором из Чикаго Донной Огл.
Цель – развитие рефлексивности в процессе познания.
Слайд № 2
II этап. Постановка цели и задач урока. Мотивация учебной деятельности учащихся – 13 мин.
Посмотрите ребята внимательно на следующий слайд (слайд 3) и ответьте на следующий вопрос: По какому признаку объедены эти роботы? (у них у всех есть ноги) Как мы назовем эту группу роботов? (шагающие роботы). Для чего нужны шагающие роботы в жизни (слайд № 4)? В таких механизмах есть практическая необходимость (слайд № 5). Вспомните хотя бы забуксовавшие колесные машины - эту частую картину при бездорожье. Шагающие механизмы лучше преодолевают препятствия, и в этом их главное преимущество. Шагающие роботы могут передвигаться по пересеченной местности недоступной для обычных колесных средств. Примерно 70% земной поверхности недоступны для транспортных средств, созданных руками человека. Колесо — блестящее изобретение, для его эффективного использования нужна гладкая опорная поверхность. Сравнив колеса с ногами, нетрудно заметить, что при движении колеса не контролируется происходящее в точках соприкосновения его с поверхностью: нагрузка просто прикладывается к следующим один за другим участкам дороги. Шагающее существо в состоянии само выбирать точки контакта ноги с поверхностью и учитывать ее неровности. При наличии гладкой твердой дорожной поверхности колесо, безусловно, служит основой наиболее эффективных средств передвижения. Когда же дело касается естественной земной поверхности, которая, как правило, изобилует неровностями, колесо во многих случаях оказывается абсолютно бесполезным — и здесь побеждают ноги. Конструкции двуногих роботов редки, так как требуют для осуществления сложных инженерных решений. Создать двуного робота и заставить его эффективно перемещаться – задачка, над которой трудятся тысячи специалистов по всему миру. Уже сделан бегающий робот - андройд Asimo и множество его аналогов (слайд № 6). Робот Alpha Rex, рекламируемый компанией Lego тоже может перемещаться на двух ногах, но ходьбой это можно назвать с натяжкой (слайд № 7). Берем карточки и отмечаем для чего нужны шагающие роботы – «знаю»
Отвечают на вопросы.
Отмечают у себя в карточках
Слушают учителя.
Смотрят видео.
Познавательная: Знакомство с шагающими роботами
Коммуникативная:
Привитие культуры общения посредством участия в учебном диалоге.
Регулятивная:
Принимать учебную задачу, ее конечную цель.
Личностная:
Формирование мировоззренческого взгляда на науку и жизнь. Расширение технического кругозора.
Воспитание спортивного духа.
Приём «Мозговой штурм» - фаза вызова: используется с целью актуализации опорных знаний и жизненного опыта обучающихся, а также для пробуждения интереса к изучению новой темы.
Слайд № 3, 4, 5, 6, 7
III этап. Актуализация системы знаний, умений и навыков учащихся, необходимых для восприятия и осмысления нового материала, в т.ч. первичная проверка понимания
– 25 мин.
(слайд № 8) Принцип построения шагающих роботов мы рассмотрим на примере Стопоходящей машины Чебышева (историческая справка (слайд № 9)).
Со времён изобретения Джеймсом Уаттом паровой машины стояла задача построения шарнирного механизма, переводящего движение по окружности в прямолинейное движение. Великий русский математик Пафнутий Львович Чебышев не смог точно решить изначальную задачу, однако, исследуя её, разработал теорию приближения функций и теорию синтеза механизмов. Два неподвижных красных шарнира, три звена имеют одинаковую длину. Из-за своего вида, похожего на греческую букву «лямбда», этот механизм и получил своё название «лямбда-механизм» (слайд № 10). Незакреплённый серый шарнир маленького ведущего звена вращается по окружности, при этом ведомый синий шарнир описывает траекторию, похожую на профиль шляпки белого гриба. Расставим на окружности, по которой равномерно вращается ведущий шарнир, метки через равные промежутки времени и соответствующие им метки на траектории свободного шарнира. Нижнему краю «шляпки» соответствует ровно половина времени движения ведущего звена по окружности
(слайд № 11). При этом нижняя часть синей траектории очень мало отличается от движения строго по прямой (отклонение от прямой на этом участке составляет доли процента от длины короткого ведущего звена). На что же ещё, кроме шляпки гриба, похожа синяя траектория? Пафнутий Львович увидел сходство с траекторией движения копыта лошади! Приделаем к лямбда-механизму ногу со «стопой» (слайд № 12). Прикрепим к тем же неподвижным осям в противоположной фазе ещё одну такую же (слайд № 13). Для устойчивости добавим зеркальную копию уже построенной двуногой части механизма (слайд № 14). Дополнительными звеньями согласовываются их фазы вращения, а общей платформой соединяются оси механизма. Мы получили, как говорят в механике, кинематическую схему первого в мире шагающего механизма (слайд № 15). Пафнутий Львович Чебышев, будучи профессором Санкт-Петербургского университета, большую часть своего жалования тратил на изготовление придуманных механизмов. Он воплотил описанный механизм «в дереве и железе» и назвал его «Стопоходящая машина». Этот первый в мире шагающий механизм, изобретённый российским математиком, получил всеобщее одобрение на Всемирной выставке в Париже 1878 года. Благодаря Политехническому музею г. Москвы, сохранившему чебышевский оригинал и предоставившему возможность «Математическим этюдам» обмерить его, у нас есть возможность увидеть в движении точную 3D-модель стопоходящей машины Пафнутия Львовича Чебышева (слайд № 16) (видео «Стопоходящей машины Чебышева».
Смотрят презентацию
Регулятивные (формулирование проблемы урока, определение плана сборки моделей, прогнозирование поведения робота, корректирование плана сборки в случае неудачных испытаний);
Познавательные (поиск необходимой информации – инструкций для сборки, выбор инструкции сборки в зависимости от постановки задачи и способностей учеников, оценка результатов сборки, разработка программы на языке NXT-G как способ решения задачи (движение робота вперед), проведение испытаний на полигоне, анализ поведения роботов, формулирование выводов); в случае выполнения работы над проектом ученики знакомятся с работами Чебышева П.Л., из презентации ученики должны понять, как вращательное движение двигателя превращается в поступательное движение конечностей.
Коммуникативные (формирование умений распределять роли в команде, контролировать участников, участвовать в коллективном обсуждении проблем – сборка робота, написание и отладка программы, испытание робота).
Личностные
(развитие умения самостоятельно оценивать результат своих действий, контролировать себя, исправлять собственные ошибки).
Слайд № 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16.
IV этап. Организация усвоения способов деятельности путем воспроизведения информации в ее творческом применении по образцу и решения проблемных задач
Практическая работа: сборка робота и написание программы – 40 мин.
Учащиеся разбиваются на группы по два человека. Предлагаются наборы конструкторов Lego Mindstorms NXT 2.0 и три уровня сложности выполняемого проекта (слайд № 17) (каждая группа выбирает уровень сложности и получает необходимый пакет с материалами у учителя и инструктивные карты, приложение 2):
(1) собрать модель с использованием полной инструкции (слайд № 18), (2) собрать модель с использованием видеоролика слайд № 19), (3) собрать модель с использованием материалов презентации, где излагается только принцип стопоходящего механизма Чебышева (слайд № 20).
Все роботы строятся по следующим принципам (слайд № 21):
- робот должен стоять на поверхности (полигоне), упираясь только на «ноги»;
- «ноги» робота приводятся в движение одним мотором;
- движение «ног» должно быть возвратно-поступательным;
- центр тяжести робота должен быть смещен вперед по ходу движения.
После сборки модели ставится задача разработки тестирующей программы (слайд № 22):
- использовать блок «Цикл», сконфигуровать его как бесконечный цикл;
- использовать блок «Движение» внутри бесконечного цикла;
- настроить блок, выбрав двигатель А, направление движения вперед, уровень мощности 50%, длительность движения - бесконечность.
Разбиваются на группы по два человека.
Выбирают уровень сложности и конструируют робота
Заполняют карточки.
Используется технология проблемного диалога с целью самостоятельного поиска проблемы урока учениками.
Учитель после выполнения каждого задания использует оценивания успешности учения
Слайд № 17, 18, 19, 20, 21, 22
V этап.
Испытание роботов– 20 мин.
После сборки роботов. Происходит испытание роботов на поле и отладка конструкции робота и программы.
Испытывают роботов. Дорабатывают конструкцию и программу.
VI этап.
Соревнование – 40 мин.
Происходят небольшие соревнования. Правила соревнований. Приложение 3. Слайд № 23
Соревнуются между собой.
Слайд № 23
VII этап Подведение итогов урока (контроль усвоения, обсуждения допущенных ошибок и их коррекция).
Рефлексия – 18 мин.
Подведение итогов соревнований, анализ конструкции победителя, анализ программы. Поощрение победителей.
- Итак, ребята, давайте подведем итоги нашей работы. Заполним карточки до конца (озвучивание карточек несколькими учениками). С какими роботами мы сегодня работали (слайд № 24)?
- Что показалось вам сегодня трудным?
- А что удавалось без особого труда?
- Что еще вы хотели бы узнать о шагающих роботах?
Разборка роботов, разбор деталей (на скорость, кто быстрее и качественнее) (слайд № 25)
Анализируют конструкции своих роботов.
Анализируют свою работу на уроке.
Заполняют карточки.
Слайд № 24, 25
VIII этап
Домашнее задание – 2 мин.
- Придумать конструкцию шагающего робота, самостоятельно. Эскиз выполнить в программе Lego Digital Desinger, или на листе бумаги (слайд № 26).
Cлайд № 26
Приложение 1
Приложение 2
Технологическая картаучащегося для практической работы.
Задание
Действие ученика
Уровни сложности проекта:
(1) собрать модель с использованием полной инструкции,
(2) собрать модель с использованием видеоролика,
(3) собрать модель с использованием материалов презентации, где излагается только принцип стопоходящего механизма Чебышева.
Выбрать один из уровней, получить пакет материалов к выбранному уровню задания у учителя.
Принцип построения роботов:
- робот должен стоять на поверхности (полигоне), упираясь только на «ноги»;
- «ноги» робота приводятся в движение одним мотором;
- движение «ног» должно быть возвратно-поступательным;
- центр тяжести робота должен быть смещен вперед по ходу движения.
Прочитать принципы построения и приступить к сборке робота.
Принцип построения программы:
- использовать блок «Цикл», сконфигуровать его как бесконечный цикл;
- использовать блок «Движение» внутри бесконечного цикла;
- настроить блок, выбрав двигатель А, направление движения вперед, уровень мощности 50%, длительность движения - бесконечность.
Прочитать принципы написания программы, составить программу, загрузить в робота.
Приложение 3.
Правила соревнований ШАГАЮЩИЕ РОБОТЫ
Робот
● Робот должен быть автономным.
● Робот при движении использует для опоры лишь некоторые точки на поверхности, т.е. робот должен передвигаться только с помощью «ног».
● Робот не может касаться вращающимися колесами, гусеницами (др. деталями) поверхности, по которой движется.
Условия состязания
● Перед началом соревнований робот устанавливается строго перед стартовой чертой.
● Шагающий робот должен полностью, т.е. всеми своими частями, пересечь линию финиша.
● Длительность каждой попытки максимум 2 минуты.
● Движение роботов начинается после команды судьи и нажатия оператором кнопки RUN робота (или другой).
● Соревнования проводятся по следующей схеме:
- отборочный этап две попытки, где роботы выступают попарно, но фиксируется время прохождения дистанции каждым роботом. В результате отборочного этапа формируется рейтинг роботов на основе их лучшего результата.
- финальный этап (олимпийская система “на выбывание&rdquo в финальные заезды выходят роботы занявшие в рейтинге первые N мест, количество финалистов определяет главный судья соревнований по результатам отборочного этапа. Далее заезды проходят попарно с выбыванием проигравшего робота. Пары формирует судья путем жеребьевки.
● Если за 2 минуты роботы не достигли финиша, они останавливаются судьей. В этом случае на отборочном этапе каждому роботу записывается максимальное время (120 секунд). В финальном этапе победителем заезда считается тот робот, который находится ближе к финишу. Если победитель заезда не может быть определен способами, описанными выше, решение о победе или переигровке принимает судья состязания.
Игровоеполе
● Поле представляет собой светлое основание с черными линиями разметки.
● Цвет ринга – светлый.
● Зона старта и финиша отмечена чёрной линией шириной 2 см.
● Общая длинна поля для шагающих роботов 236 см, ширина дорожки 55 см для
каждого робота.
● Игровое поле имеет боковые стенки высотой 10 см.
