Роботизированный учебный эксперимент как средство демонстрации технических приложений физики

НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ ИКТ В ОБРАЗОВАНИИ: РОБОТОТЕХНИКА В ПРЕДМЕТНОМ ОБУЧЕНИИ

УДК 53

А.Д. Терехин, Е.В. Оспенникова

РОБОТИЗИРОВАННЫЙ УЧЕБНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ КАК СРЕДСТВО ДЕМОНСТРАЦИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ ФИЗИКИ

Обсуждается проблема применения наборов по образовательной робототехнике на учебных занятиях по физике, а также во внеурочной работе по предмету. Рассматривается возможность включения учащихся в деятельность по проектированию и созданию роботизированных установок для демонстрационного и лабораторного экспериментов по физике. В качестве примера раскрыты особенности проектирования школьниками для лабораторного практикума по физике роботизированной установки по исследованию закономерностей равноускоренного движения тела по наклонной плоскости. Дана характеристика основных элементов данной установки в соответствии со структурой робота как технического объекта. Показаны возможности самостоятельной творческой работы учащихся по ее проектированию и созданию.

Ключевые слова: обучение физике, политехническая направленность обучения, образовательная робототехника, робототехника в учебном физическом эксперименте, предметные учебные проекты по робототехнике, техническое творчество.

В последние годы во многих школах активно организуется дополнительная образовательная деятельность учащихся, связанная с освоением элементов робототехники (подготовка и участие в соревнованиях по робототехнике, выполнение конкурсных робототехнических проектов) [3, 4, 6]. Внимание к этому направлению образовательной практики в средней школе обусловлено повсеместным внедрением цифровых технологий, автоматизированных и роботизированных систем как в промышленное производство, так и в повседневную жизнь. Вместе с тем использование робото-технического оборудования возможно не только в дополнительном, но и в основном образовании, в частности, при организации моделирования учащимися робототехнических систем для учебного процесса по различным предметам [1, 2, 5, 6, 7]. Например, в рамках организации внеклассной работы по физике учащиеся могут создавать роботизированные установки для учебных демонстраций по физике или лабораторного физического практикума. Результаты такой работы демонстрируются учителем на уроках по предмету при объяснении нового материала, а на занятиях-практикумах школьникам целесообразно предоставить возможность выполнить отдельные эксперименты на установках такого типа. При условии достаточного количества робототехнических наборов может быть разработана целая серия роботизированных физических экспериментов, которые могут послужить основой для проведения элективного спецпрактикума по физике.

Существует достаточно примеров современных демонстрационных и лабораторных экспери-

© Терехин А.Д., Оспенникова Е.В., 2018

ментов, в ходе выполнения которых осуществляется автоматизированные снятие и обработка данных. Одним из таких примеров является эксперимент по изучению закономерностей равноускоренного движения. Для проведения данного эксперимента могут быть использованы имеющиеся на образовательном рынке предметные цифровые лаборатории. В частности, демонстрационный набор «Механика» позволяет провести эксперимент с использованием датчиков и компьютеризированных систем обработки данных. Преимущества такого эксперимента очевидны. Однако установка для его выполнения предъявляется учащимся в виде готового для сборки проекта, и у них нет возможности внести в нее какие-либо изменения конструктивного характера, а также реализовать дополнительные цели экспериментального исследования.

При использовании наборов по образовательной робототехнике возможно самостоятельное конструирование учащимися экспериментальной установки и при необходимости ее последующая модернизация. Выбор оптимальных конструктивных решений при создании установки, программирование хода эксперимента, а также снятие и обработка его данных позволяют школьникам освоить практику самостоятельной разработки и создания лабораторных робототехнических установок по физике. Это важный дополнительный педагогический результат в направлении политехнической подготовки учащихся [6, 5, 8]. При разработке лабораторных и демонстрационных РТ-установок для учебного процесса по физике реализуются основные образовательные функции школьной робототехники (как инструмента познания, объекта познания и средства обучения, развития и воспитания учащихся) [1, 2].

В данной статье обсуждаются возможности применения набора по образовательной робототехнике Lego Mindstorms EV3 при подготовке экспериментальных установок для лабораторных работ физического практикума. Работа с такими установками помогает учащимся не только повторить учебный материал по физике, но и приобрести знания политехнического содержания, в частности, осознать общую структуру любого робототехнического устройства и изучить назначение его элементов, осмыслить физические основы их работы и взаимодействия с другими элементами конструкции. При самостоятельном проектировании и создании таких установок у учащихся формируются умения в применении знаний по физике в решении конкретных практических задач, а также умения и навыки в области технического творчества.

В современных робототехнических наборах Lego Mindstorms EV3 имеется возможность использования шаговых высокоточных моторов для управления подвижными частями экспериментальной установки. Можно воспользоваться датчиками различных видов для фиксации событий, а также для запуска и остановки работы отдельных элементов конструкции (например, электронного секундомера). Поскольку в базовый робототехнический набор входит несколько видов датчиков и шаговых моторов, то это позволяет собрать конструкцию не только с минимальным набором функций, но и имеющую дополнительные функциональные возможности. Если наряду с датчиками базового набора Lego Mindstorms EV3 использовать дополнительные датчики (которых насчитывает несколько десятков видов), то становится возможным создание экспериментальных РТ-установок для исследования в процессе лабораторных работ не только механических явлений, но и явлений, рассматриваемых в других разделах и темах школьного курса физики.

Управление элементами установки осуществляется микропроцессорным блоком. Сценарий работы установки задается программой, которую составляет пользователь и загружает в микропроцессорный блок. На экран микропроцессорного блока могут быть выведены показания датчиков,

а также результаты обработки данных эксперимента, если такая обработка запрограммирована.

Рассмотрим особенности проектирования роботизированной установки для лабораторного практикума по физике, предназначенной для исследования равноускоренного движения тела по наклонной плоскости. Одной из целей данной работы является определение ускорения движения тела (шарика, бруска, шайбы и др.) по наклонной плоскости и его конечной скорости.

При равноускоренном движении без начальной скорости пройденное телом расстояние определяется по формуле:

S = ^.

2

С помощью данного выражения может быть найдено ускорение движения тела:

2S

а = 2S.

Зная ускорение, можно определить мгновенную скорость тела в любой момент времени при условии, что его начальная скорость равна нулю, а именно:

и = at

Указанные выше формулы используются учащимися в разработке конструктивного решения экспериментальной установки и программы обработки результатов данного эксперимента.

Наборы по образовательной робототехнике Lego Mindstorms EV3 позволяют реализовать данный эксперимент на основе разнообразных инженерных решений собираемой установки. Возможные варианты таких решений рассматриваются в статье М.Г. Ершова, А.Д. Терехина, Е.В. Ос-пенниковой, опубликованной в настоящем сборнике. Количество таких решений возрастает, если в дополнение к набору использовать элементы оборудования школьного физического кабинета, а также бытовое оборудование. Рассмотрим один из вариантов конструкции лабораторной РТ-установки для изучения равноускоренного движения тела по наклонной плоскости и оценим возможности робототехнических наборов Lego Mindstorms EV3 для создания такой установки.

Установки для эксперимента по исследованию закономерностей движения тела по наклонной плоскости могут иметь разную сложность и отличаться разной функциональностью. На рис. 1 представлен один из вариантов такой установки, собранной из элементов базового и ресурсного наборов Lego Mindstorms EV3 и обода велосипедного колеса.

Установка состоит из наклонной плоскости, закрепленной в ободе колеса. Такое конструктивное решение позволяет легко задавать любой угол наклона плоскости к горизонту. Для обеспечения надежного крепления наклонной плоскости на ободе колеса используются гусеницы, размещенные вдоль обода. Прочность сцепления гусениц и обода достигается за счет применения термопасты. Поворот колеса осуществляется при помощи двух моторов. Данная конструкция обеспечивает поворот наклонной плоскости на угол 360 градусов. Угол поворота контролируется гироскопическим датчиком, что позволяет обеспечить достаточно высокую точность измерений угла наклона плоскости к горизонту. При введении в программу управления экспериментом значения угла мотор, установленный в нижней части конструкции и подключенный к микропроцессору, поворачивает колесо до тех пор, пока не будет обеспечен требуемый угол наклона плоскости.

Движение тела начинается после открытия удерживающих устройств, которые установлены на концах наклонной плоскости. В левой и правой частях плоскости закреплены датчики цвета, которые фиксируют начало и конец движения тела.

Рис. 1. Общий вид установки для определения ускорения, собранной на базе конструктора Lego Mindstorms с микропроцессорным блоком EV3 и обода велосипедного колеса

Данная конструкция экспериментальной установки значительно расширяет возможности проведения учебного исследования по сравнению с классической установкой по измерению ускорения. Используя данную установку, можно не только определить ускорение и конечную скорость движения тела, но и выяснить, как меняется значение ускорения движения тела при изменении угла наклона (от 0 до 90 градусов). При определенном расположении нескольких датчиков вдоль наклонной плоскости становится возможной проверка законов кинематики равноускоренного движения (без начальной скорости):

о = at, s = —.

2

Если разместить датчики вдоль наклонной плоскости на расстояниях, которые относятся как ряд нечетных чисел (1 : 3 : 5 : 7 и т.д.), то можно экспериментально доказать, что движение тела по наклонной плоскости носит равноускоренный характер.

Легкость поворота колеса в любую сторону позволяет решить проблему возврата шарика в исходное положение для проведения повторных экспериментов. На программном уровне может быть определено количество таких экспериментов для различных углов наклона плоскости.

Шарик в данной установке может быть заменен бруском. В этом случае перед учащимися можно поставить новые задачи исследования (определение коэффициента трения скольжения и коэффициента трения покоя, нахождения их значения для поверхностей различных видов; определение угла при, котором тело начинает скользить по плоскости, и угла, при котором оно останавливается; сравнение данных углов).

Применение в обучении роботизированного физического эксперимента позволяет учащимся проводить разнообразные исследования с наименьшими затратами на рутинные действия. У школьников появляется возможность самостоятельного проектирования и сборки РТ-установки, программирования хода эксперимента. Это способствует осознанию учащимися основ робототехники и приобретению в этой области элементарных умений и навыков.

В работах М.Г. Ершова и Е.В. Оспениковой рассматриваются уровни усвоения учащимися структуры робота как технического объекта (рис. 2) [1, 6]. Робот как сложная конструкция включает три основные системы: управления, исполнения и сбора данных. Каждая из них реализуется с помощью собственной элементной базы. Заметная часть явлений и законов, обеспечивающих работу этой базы, изучается в школьном курсе физики. Это позволяет иллюстрировать технические приложения физики на примере анализа функционала различных робототехнических систем [1].

Рассмотрим на примере конструкции, представленной на рис. 1, уровни освоения структуры робота учащимися.

Система исполнения в данной установке представлена рабочим органом, приводами и промежуточными передачами. Рабочим органом является колесо, созданное при помощи соединения велосипедного обода и гусениц набора Lego. Имеются два захвата (перегородки), которые удерживают тело на конце наклонной плоскости до начала движения, по его окончании, а также при повороте колеса. В качестве приводов используются три электрических шаговых двигателя. Первые два двигателя расположены внизу колеса и обеспечивают поворот наклонной плоскости в обе стороны на угол 360o. Третий двигатель одновременно открывает и закрывает перегородки на ее концах (рис. 3). Промежуточные передачи передают вращательное движение от привода (малого мотора EV3) к удерживающему наклонную плоскость устройству - ободу колеса. Для увеличения точности угла поворота плоскости можно передавать вращение с мотора на колесо, вращающее плоскость, через промежуточную шестеренчатую передачу. Пример такого конструктивного решения показан на рис. 4а. Передача вращательного движения от вала шестеренки к ободу колеса осуществляется с помощью фрикционной передачи между ободом и резиновым колесом (рис. 4б). Возможен вариант передачи вращательного движения и через ременную передачу (рис. 5).

Система обратной связи включает набор различных датчиков. На концах наклонной плоскости установлены два датчика цвета (света), которые реагируют на проходящее мимо них тело. Секундомер включается, когда тело проходит мимо первого датчика. Отсчет времени ведется до тех пор, пока тело не пройдет перед вторым датчиком. Отметим, что для запуска и отключения секундомера можно обойтись без датчиков. Возможна реализация автоматического включения секундомера после окончания работы моторов, поворачивающих удерживающие тело устройства. Однако в этом случае возникает проблема преждевременного запуска секундомера: мотор еще не остановил свою работу, а тело уже начинает свое движение. Это приводит к заметной погрешности в измерении времени движения тела. Датчики света (цвета) быстрее реагируют на начало движения, что приводит к уменьшению данной погрешности.

Гироскопический датчик позволяет выполнить поворот наклонной плоскости в автоматическом режиме. Возможен вариант реализации данной конструкции без гироскопического датчика. В этом случае необходимо использовать датчики, установленные внутри приводов. При этом для точного выставления необходимого угла наклона плоскости в программу управления работой приводов следует ввести дополнительные коэффициенты.

Рис. 2. Уровни рассмотрения структуры робота [1]

Рис. 3. Устройство перегородок на концах наклонной плоскости

Отметим, что в данной конструкции сами микроконтроллеры EV3 могут выступать в качестве элементов системы обратной связи, передавая данные с контролера сбора данных на контроллер их обработки.

Рис. 5. Передача вращательного движения через ременную передачу

Система управления. Аппаратная часть системы управления состоит из центрального устройства - микроконтроллера Lego Mindstorms EV3. В данной установке имеются два датчика касания из набора Lego Mindstorms EV3, которые позволяют вручную повернуть наклонную плоскость на любой угол влево и вправо. В этой установке такие датчики выступают в качестве аппаратной части системы управления, воздействуя на приводы системы исполнения и запуская работу системы обратной связи. Программная часть системы управления представлена системой программирования EV3. Можно использовать и другие языки программирования.

Составляющие рассматриваемой РТ-установки по изучению закономерностей движения тела по наклонной плоскости представлены на рис. 6. Это конкретизация уровневой модели рассмотрения структуры робота для данной РТ-установки. Отметим, что данная робототехническая конструкция может быть создана и на основе набора предыдущей версии - Lego Mindstorms NXT.

Рис. 6. Уровни рассмотрения структуры робота на примере установки для изучения закономерностей движения тел по наклонной плоскости

Как видим, уровневая элементная база робота образует сложную разветвленную структуру. «Первый и второй ее уровни соответствуют принятию общих проектных решений, связанных с выбором и комбинацией преимущественно готовых узлов будущей конструкции робота. Третий уровень связан с пониманием особенностей физической модели робота и способов обеспечения его функционала. Четвертый уровень - это "тонкая" элементная структура робота, от выбора и качества которой зависит точность и эффективность исполнения роботом необходимых функций. Это уровень, на котором необходимо осмысление физических основ работы систем робота и алгоритмов этой работы. На этом уровне инженер-конструктор, инженер-технолог и инженер-программист могут менять (модифицировать) элементную базу роботов, создавать ее новые составляющие» [1].

Уровневый поход к изучению робота как сложного кибернетического и технического объекта

позволяет дифференцировать деятельность учащихся по освоению элементов робототехники в школьном курсе физики. Важно выявить, тех учащихся, которые могут углубиться в познании, а также в проектировании робототехнической конструкции экспериментальной установки до 3 и 4 уровней анализа структуры робота (см. рис. 6). Рассмотрим в этой связи возможности освоения учащимися структурных компонентов кибернетической модели робота на данных уровнях на примере рассмотренной выше РТ-установки для изучения движения тела по наклонной плоскости.

1. Система исполнения

Приводы. Используя стандартные наборы Lego Mindstorms RCX, NXT и EV3, на базе которых может быть собрана рассмотренная выше установка, учащиеся не могут углубиться в своем техническом творчестве до третьего и четвертого уровней разработки, в частности, создать рабочие прототипы приводов. Однако для того, чтобы правильно использовать возможности стандартных приводов, школьникам необходимо знать, как они устроены и работают. Известно, что в приводы NXT и EV3 встроены датчики поворота угла. Разрешающей способности этих датчиков достаточно, чтобы определить положение выходного вала сервомотора с точностью до 1 градуса. Этой особенностью конструкции приводов можно воспользоваться, если в наборе нет гироскопического датчика. Важно знать, какое из устройств (встроенный датчик или гироскопический датчик) позволит им обеспечить более высокую точность измерения угла наклона плоскости.

На рис. 7 представлено внутреннее устройство сервомотора Lego Mindstorms NXT.

Рис. 7. Устройство сервомотора NXT

К его элементам относятся электродвигатель, редуктор и датчик вращения. Если для создания РТ-установки необходим мотор с какими-то специальными возможностями, то учащиеся, разобравшись в том, как устроен сервомотор из набора по образовательной робототехнике, с помощью электромотора, рассчитанного на небольшой постоянный ток, шестерней и датчика освещенности (или цвета) могут самостоятельно создать сервомотор аналогичный NXT или EV3. При этом может быть установлена необходимая скорость вращения двигателя или определен способ измерения количества его оборотов.

Промежуточные передачи (например, шестеренчатые) могут быть созданы учащимися самостоятельно с помощью 3D-принтера (рис. 8). Возможно создание таким же способом и других деталей конструкции экспериментальной РТ-установки. Выбор деталей для самостоятельного изготовления осуществляют учащиеся. Перед тем как непосредственно выполнить печать новой детали на принтере, необходимо на компьютере подготовить ее 3D-модель.

Рис. 8. Шестерни, созданные с помощью 3Б принтера

Как правило, рабочие органы любой оригинальной РТ-установки для лабораторных исследований - это не готовые детали образовательного набора по робототехнике, но и созданные самостоятельно элементы конструкции, отличающиеся большим разнообразием конструктивных решений.

Для успешного создания проекта РТ-установки необходимы не только технические способности и смекалка, но достаточно глубокие знания курса школьной физики.

2. Система обратной связи

Для нормального функционирования установки достаточно датчиков, которые входят в набор EV3, без какого-либо их изменения и доработки. Это говорит о том, что в системе обратной связи учащиеся не углубляются дальше второго уровня освоения структуры робота. Тем не менее для проектирования системы обратной связи учащиеся должны разобраться в видовом разнообразии датчиков (параметрических, генераторных), познакомиться с принципом их работы. Важно знать, что все датчики набора по образовательной робототехнике EV3 сами по себе являются параметрическими. Но как только мы используем систему «датчик - микроконтроллер» и отправляем данные на другой микроконтроллер, эта система в совокупности становится генераторным датчиком.

3. Система управления

Аппаратная часть системы управления установкой, как правило, формируется учащимися из готовых блоков. При этом их состав - это выбор авторов проекта. Состав аппаратной части определяется разновидностью РТ-установки по типу выбранной управляющей системы [6, с. 301, 312 ]. Программная часть системы управления представлена системой программирования EV3 и разработанной учащимися программы управления, которая может быть создана с применением разных языков программирования.

В заключение отметим, что глубина уровневого анализа структуры конкретной робототехни-ческой установки (выход на 3-й и 4-й уровни), степень сложности ее проектирования и конструирования зависят от ряда факторов. К ним относятся: сложность технической задачи, содержание используемых робототехнических наборов и их количества, качества оснащения школьной физической лаборатории учебным оборудованием и готовности учащихся к решению поставленной задачи на заданном уровне сложности. Последнее определяется этапом обучения (основная, старшая школа), уровнем предметной подготовки и индивидуальными способностями учащихся в области

технического творчества, а также интересом к данной деятельности.

Рассмотренная в настоящей статье практика разработки роботизированных экспериментальных установок для физического эксперимента прошла педагогическую апробацию. Итогом такой работы стало создание учащимися под руководством учителя оригинальных роботизированных установок для школьных лабораторных экспериментов по физике. Проекты РТ-установок, разработанных учащимися школы № 135 г. Перми, были представлены в 2016 и 2017 гг. на первой краевой конференции учащихся средних школ и студентов инженерно-педагогического профиля обучения «РОБОЭВРИКА: РОБОТ-ИССЛЕДОВАТЕЛЬ - 2016 (средняя школа, вуз)» (ПГГПУ), на краевом конкурсе «Юные техники и изобретатели Пермского края», первой научно-практической конференции «Славяновские сезоны: инновационные технологии», краевой выставке «Интеллектуальные системы в науке и технике», первенстве Пермского края по робототехнике, муниципальном и региональном этапах Всероссийской олимпиады по технологии и получили высокие оценки жюри. Важным следствием такой работы является возросший интерес учащихся к техническому творчеству, осознание того, что для решения сложных технических проблем им необходимы глубокие знания физики, математики, информатики и ряда других учебных предметов.

Список литературы

1. Ершов М.Г. Робототехника как объект изучения в курсе физики средней школы // Педагогическое образование в России. - 2015. - № 3. - С. 117-125.

2. Ершов М.Г., Оспенникова Е.В. Образовательная робототехника как инструмент познания в учебном процессе по физике // Вестник Челябинского государственного педагогического университета. - 2015. - № 4.

3. Каширин Д.А., Федорова Н.Д. Основы робототехники: учеб. пособие, 5-6 кл. / под общ. ред. Н А. Криволаповой. - Курган: ИРОСТ, 2013. - 260 с.

4. Каширин Д.А., Ключникова М.В., Федорова Н.Д. Курс «Робототехника»: внеурочная деятельность»: метод. рекомендации для учителя. - Курган: ИРОСТ, 2013. - 80 с.

5. Оспенникова Е.В., Ершов М.Г. Образовательная робототехника как инновационная технология реализации политехнической направленности обучения физике в средней школе // Педагогическое образование в России. - 2015. - № 3. - С. 34-41.

6. Принцип политехнизма в обучении физике: современная интерпретация и технологии реализации в средней школе: моногр. / Е.В. Оспенникова, И.В. Ильин, М.Г. Ершов, А.А. Ос-пенников; под общ. ред. Е.В. Оспенниковой. - Пермь: Перм. кн. изд-во, 2014. - 502 с.

7. Халамов В.Н. [и др.]. Образовательная робототехника на уроках информатики и физики в средней школе: учеб.-метод. пособие. - Челябинск: Взгляд, 2011. - 160 с.

8. Ospennikova E.V., Ershov M.G., Ilyin I.V. Educational Robotics as an Inovative Educational Technology // Procedía - Social and Behavioral Sciences. - 2015. - Vol. 214C. - Р. 18-26.