Вариативность способов моделирования физического эксперимента в средней школе с использованием образовательных наборов по робототехнике

НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ

ИНФОРМАЦИОННО-КОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ОБРАЗОВАНИИ

УДК 53

М.Г. Ершов, А.Д. Терехин, Е.В. Оспенникова

ВАРИАТИВНОСТЬ СПОСОБОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ НАБОРОВ ПО РОБОТОТЕХНИКЕ

Рассматривается опыт применения элементов образовательной робототехники в учебном процессе по физике. Обсуждается практика применения робототехнических наборов в конструировании установок для учебного физического эксперимента. Показаны варианты разработки моделей РТ-установок для физического эксперимента на примере учебной темы «Кинематика». Раскрыты различные конструктивные решения создания отдельных узлов экспериментальных установок, определяющих их функционал и надежность работы.

Ключевые слова: обучение физике, образовательная робототехника, робототехника в учебном физическом эксперименте, роботизированные эксперименты по кинематике.

Текущий этап развития промышленного производства, повсеместное внедрение цифровых технологий, автоматизированных и роботизированных систем неизбежно определяют потребность включения в современное образование изучения основ цифровой техники, в том числе и робототехники. В средних общеобразовательных школах образовательная робототехника осваивается учащимися в основном в рамках дополнительного образования [7]. Развивается практика использования робототехнического оборудования и в основном образовании, преимущественно в рамках элективных курсов по информатике, физике, технологии и в организации проектно-исследовательской работы школьников [8].

Интересным направлением применения образовательной робототехники в предметном обучении является разработка учащимися под руководством учителя роботизированных установок для учебного физического эксперимента на базе типовых образовательных конструкторов [1, 2, 3, 6, 9]. Во-первых, отметим значительную востребованность в школьной практике таких роботизированных установок (РТ-установок), поскольку далеко не во всех школах имеются современные цифровые лаборатории для выполнения экспериментальных исследований с использованием датчиков и компьютеризированных систем. Во-вторых, самостоятельное конструирование, модернизация и программирование установок для физического эксперимента с помощью различных наборов по робототехнике позволяет не только повысить качество предметной подготовки, но и достичь дополнительных педагогических результатов, связанных с реализацией политехнической направленности обучения и формирования профессиональных устремлений учащихся [4, 5].

Рассмотрим опыт организации проектной деятельности учащихся в области предметной робототехники на примере создания установок для изучения закономерностей механического движе-

© Ершов М.Г., Терехин А.Д., Оспенникова Е.В., 2018

Информационные компьютерные технологии в образовании • Вестник ПГГПУ • Вып. 14 ния.

Самой простой конструкцией для исследования равноускоренного движения является наклонная плоскость, по которой движется тело (шарик, тележка, груз и др.). Для определения параметров движения (ускорения и конечной скорости) требуется измерение времени, пройденного пути, а также начальной скорости (при ее наличии). При организации проектной деятельности на основе современных робототехнических наборов имеется возможность использования шаговых высокоточных электромоторов для управления подвижными частями экспериментальной установки, а также датчиков различных видов для фиксации различных событий, в частности, запуска и остановки электронного секундомера. Наличие в таких наборах нескольких датчиков и шаговых электромоторов позволяет собрать конструкцию не только с необходимым набором функций, но и имеющую дополнительные возможности для исследования механического движения тел. При создании установки физического эксперимента может быть использовано несколько десятков датчиков самых разных видов.

Управление всеми узлами экспериментальной установки осуществляется микропроцессорным блоком. Сценарий работы установки задается программой, которую пользователь робототех-нического набора составляет на компьютере и загружает на микропроцессорный блок. На экран микропроцессорного блока могут быть выведены показания датчиков, а также результаты вычислений, если таковые запрограммированы. Языки программирования, предназначенные для работы с робототехническими наборами, адаптированы для детей разного возраста (начиная с 6 лет).

Установка для исследования закономерностей механического движения тела по наклонной плоскости может иметь различные конструктивные решения, что определяет ее функционал и надежность работы. Рассмотрим некоторые из них.

1. Разнообразие способов измерения времени движения. Запуск системного секундомера может быть реализован либо по срабатыванию какого-либо датчика, либо сразу после включения электромотора, управляющего устройством удержания тела в начальном положении. В первом случае возможны следующие варианты использования датчиков: а) датчик освещенности фиксирует изменение освещенности; б) датчик расстояния фиксирует изменение расстояния; в) датчик магнитного поля фиксирует изменение магнитного поля, если тело является постоянным магнитом и т.д. Остановка таймера возможна при срабатывании тех же видов датчиков, а также датчика звука при ударе тела о препятствие в конце движения или датчика касания, который срабатывает от прикосновения движущегося тела.

2. Варианты измерения длины наклонной плоскости. Первый вариант самый простой. Можно измерить длину наклонной плоскости линейкой и внести этот параметр в программу в качестве константы. Второй вариант связан с использованием ультразвукового датчика и экрана для отражения ультразвука. В этом случае датчик и экран устанавливаются в начале и конце наклонной плоскости. Отметим, что при использовании этого способа измерения пройденного телом пути увеличивается степень автоматизации проводимого физического эксперимента. Такой подход может быть использован в установке с переменной длиной наклонной плоскости без изменения в процессе исследования управляющей программы.

В качестве примера рассмотрим конструкции двух экспериментальных установок для измерения ускорения движения шарика по наклонной плоскости.

На рис. 1 представлена установка, в которой использовано оборудование кабинета физики

(штативы, наклонная плоскость, экран) и электронные компоненты набора Lego Mindstorms NXT (микропроцессорный блок, датчик расстояния, датчик освещенности и мотор с удерживающим устройством). При запуске управляющей программы сначала происходит считывание показаний датчика расстояния, а после включения электромотора, управляющего устройством удержания шарика в начальном положении, начинается движение данного шарика по наклонной плоскости. Одновременно с началом движения тела начинает работать секундомер. После прохождения шарика около датчика освещенности в нижней части наклонной плоскости системный секундомер останавливается. На экран микропроцессорного блока выводятся значения расстояния и времени движения.

Рис. 1. Общий вид установки для определения ускорения, собранной на базе конструктора Lego Mindstorms с микропроцессорным блоком NXT

На рис. 2 представлена экспериментальная установка, собранная полностью из деталей конструктора Lego Mindstorms EV3. Все узлы данной установки выполняют те же функции, что и в первом эксперименте. Единственным отличием является иное (обратное) расположение экрана и датчика расстояния, что не является принципиальным для измерения расстояния.

Рис. 2. Общий вид установки для определения ускорения, собранной на базе конструктора Lego Mindstorms с микропроцессорным блоком NXT

На рис. 3 показаны различные варианты устройств для запуска шарика и креплений датчиков расстояния.

Для нагляд ности в демонстрационной РТ-установке для проведения физического эксперимента целесообразно использовать большие пластиковые шарики. В лабораторном эксперименте можно выполнять исследование с металлическим шариком, который входит в комплект набора Lego Mindstorms EV3. В этом случае можно использовать датчик касания для фиксации окончания движения шарика. Это удобно, поскольку отпадает необходимость в настройке датчика освещенности (или датчика цвета) под ее текущий уровень для лабораторного стола. Примеры конструкций такой РТ-установки, собранные различными группами учащихся, приведены на рис. 4-7.

Рис. 3. Варианты устройства для запуска шарика и крепления датчика расстояния

Рис. 4. Общий вид установки для определения ускорения, собранной на базе конструктора

Lego Mindstorms NXT

Рис. 5. Общий вид установки для определения ускорения, собранной на базе конструктора

Lego Mindstorms NXT

Рис. 6. Общий вид установки для определения ускорения, собранной на базе конструктора

Lego Mindstorms NXT

Рис. 7. Общий вид установки для определения ускорения, собранной на базе конструктора

Lego Mindstorms NXT

Как видно из анализа приведенных выше примеров, использование образовательных наборов по робототехнике Lego Mindstorms NXT или EV3 позволяет учащимся предлагать различные конструктивные решения РТ-установок, предназначенных для конкретного физического эксперимента.

Существует некоторое разнообразие и в подходах к разработке управляющей программы для данной экспериментальной установки. На рис. 8 показан пример программы проведения эксперимента и вывода значений времени и расстояния для конструктора Lego Mindstorms EV3.

Данная программа имеет небольшое количество структурных элементов и может быть написана школьниками по инструкции за несколько минут.

3. Автоматическое вычисление исследуемых параметров. Кроме показания датчика расстояния и времени движения тела на экран микропроцессорного блока могут быть выведены программно вычисленные значения ускорения и конечной скорости. Для этого в программу нужно дополнительно внести несколько математических операций и задать условие вывода результатов на экран.

Рис. 8. Общий вид управляющей программы установки для определения ускорения, собранной на базе конструктора Lego Mindstorms с микропроцессорным блоком EV3

4. Изменения угла наклона плоскости. Для регулировки угла наклона плоскости в конструкции необходимо использовать дополнительный мотор. Угол наклона плоскости может быть измерен либо датчиком угла поворота оси мотора, в случае если в моторе такой встроенный датчик имеется, либо отдельным датчиком наклона, акселерометром или гироскопическим датчиком.

На рис. 9 и 10 приведены примеры конструкций с изменяющимся углом наклона плоскости из наборов Lego Mindstorms NXT и Lego Mindstorms EV3.

Рис. 9. Общий вид установки для определения ускорения, собранной на базе конструктора Lego Mindstorms NXT с изменяемым углом наклона плоскости

5. Возврат шарика в исходное состояние с целью проведения серии измерений. Если угол наклона плоскости примет отрицательные значения, то шарик возвращается к началу движения. Далее устройство для запуска шарика фиксирует шарик в исходной точке и установка готова к проведению следующего измерения с любым последующим углом наклона. Эта функция также реализована в установке, представленной на рис. 10.

При успешном выполнении школьниками заданий по созданию конструкций экспериментальных установок по измерению ускорения движения тела по наклонной плоскости учащимся могут быть предложены задания разработки учебных проектов, в которых необходимо решить ряд более сложных исследовательских задач. В частности, могут быть поставлены задачи доказательства равноускоренного характера движения тела по наклонной плоскости, исследование зависимости величины ускорения от угла ее наклона и нахождения значения ускорения движений в предельном случае (при а = 90°), выявление зависимости величины мгновенной скорости и пройденного пути при равноускоренном движении от времени движения и др.

Рис. 10. Общий вид установки для определения ускорения, собранной на базе конструктора Lego Mindstorms EV3 с изменяемым углом наклона плоскости

На рис. 11 представлен вариант экспериментальной установки для определения равноускоренного характера движения тела по наклонной плоскости.

Достаточно большая длина наклонной плоскости позволяет установить ряд дополнительных датчиков вдоль движения тела в соотношении расстояний 1 : 3 : 5 от начальной точки движения. Это позволяет удостовериться, что время движения тела между датчиками одинаковое, что и является необходимым условием равноускоренного характера движения. При этом на экран микропроцессорного блока будут выводиться значения времени на каждом промежутке движения.

Рис. 11. Общий вид установки для доказательства равноускоренного характера движения тела по наклонной плоскости

В данной установке реализована функция изменения наклона плоскости. Наклон меняется таким образом, что исследуемое тело может двигаться как слева направо, так и справа налево. В правой и левой части наклонной плоскости симметрично установлены удерживающие устройства и датчики для считывания начала и конца движения тела. Симметричность правой и левой частей установки эффективно решает проблему возврата тела в исходное состояние. Высота верхней и нижней точек опоры плоскости меняется за счет использования цепной передачи. Высота стоек определяет возможный угол наклона плоскости и дает возможность установить угол достаточно близкий к вертикальному положению. Во время изменения угла наклона расстояние между стойками изменяется благодаря выдвижному устройству основания конструкции. При этом длина наклонной плоскости остается неизменной. В отличие от предыдущих версий в данной установке таймер начинает свою работу не по завершении работы двигателя, а в результате изменения освещенности на начальном этапе движения, что позволяет более точно вычислить время движения тела по наклонной плоскости.

Еще один вариант конструкции данной установки приведен в отдельной статье А.Д. Терехина, Е.В. Оспенниковой, опубликованной в этом же номере журнала.

Важным педагогическим аспектом изучения основ робототехники в общеобразовательном курсе физики является демонстрация применения роботизированных конструкций в технике. Примером применения измерения кинематических величин в реальной жизни являются устройства для определения скорости движения транспортных средств. В частности, используя зависимости значений различных кинематических величин от времени движения (например, расстояния между видеокамерой и автомобилем от времени), можно в автоматическом режиме определять скорость движения автомобиля на наблюдаемом участке движения.

Используя компоненты набора Lego Mindstorms, можно создать РТ-модель решения данной задачи для тележки, движущейся первоначально по наклонной плоскости, а далее - по поверхности стола (рис. 12). В данной конструкции перед запуском тележки включается режим построения графика зависимости расстояния между датчиком и тележкой от времени. Данный график представлен на рис. 13. На его основе можно вычислить ускорение и мгновенную скорость движения тележки. Для этого используются специальные инструменты работы с графиком, предусмотренные соответствующим программным обеспечением. С помощью данных инструментов можно определить максимальное и минимальное значения исследуемой величины на выделенном участке пути. Выделяя на графике малые промежутки времени и вычисляя пройденный путь по минимальному и максимальному значениям датчика расстояния, можно определить среднюю скорость движения тележки для заданных интервалов времени. Ее значение будет близким к значению мгновенной скорости движения тела.

Рис. 12. Общий вид экспериментальной установки для исследования зависимости расстояния, пройденного тележкой, от времени движения [6, с. 402]

Разная степень предметной подготовки учащихся по физике и их готовности к работе с робо-тотехническим оборудованием (умения и навыки конструирования РТ-моделей и их программирования), а также различия в уровнях интереса и способностей к технической деятельности определяют необходимость разработки для учебного процесса РТ-заданий разной сложности [6, с. 382-385, 402]. Первоначально будет целесообразной практика работы учащихся на «готовых» РТ-установках для проведения физического эксперимента. Далее им могут быть предложены несложные задания по модернизации «готовых» РТ-конструкций. Впоследствии возможны самостоятельные проекты по конструированию и программирования роботизированных экспериментов и объектов, иллюстрирующих различные технические приложения физики [6, с. 379-380, 402].

Включение элементов образовательной робототехники в учебный процесс по физике, демонстрация применения знаний по предмету в решении различных технических задач способствуют повышению уровня предметной подготовки учащихся, осознанию значимости приобретаемых знаний, их применимости в различных областях социальной практики, формируют у школьников интерес к творческой деятельности и способствуют в дальнейшем их профессиональному самоопределению.

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. Комплект заданий «Физические эксперименты» EV3 // Lego Education [Электронный ресурс]. - URL: http://education.lego.com/ru-ru/preschool-and-school/secondary/mindstorms-educa-tion-ev3/teaching-resources/curri culum-packs/sci ence-activity-pack (дата обращения: 27.03.2015).

4. Лукьянова Н.В. Развитие технических способностей учащихся посредством образовательной робототехники // Информатика в школе. - 2015. - № 2.

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. Оспен-ников; под общ. ред. Е.В. Оспенниковой. - Пермь: Перм. кн. изд-во, 2014. - 502 с.

7. Халамов В.Н. Образовательная робототехника во внеурочной деятельности: учеб.-метод. пособие. - Челябинск: Взгляд, 2011. - 96 с.

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

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