Использование робототехники в преподавании физики

УДК 53(07)+371.214.46

М.Г. Ершов

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РОБОТОТЕХНИКИ В ПРЕПОДАВАНИИ ФИЗИКИ

В настоящее время сохраняется высокая конкуренция развитых стран в научнотехнической сфере. Результаты такой конкуренции определяют не только степень обороноспособности страны и роль её на мировой арене, но и многие политические, экономические, социальные процессы, происходящие в обществе. Приоритетные научнотехнические направления Стратегии развития науки и инноваций в Российской Федерации определяются Федеральным законом «О науке и государственной научнотехнической политике», а также Указом Президента Российской Федерации от 07 июля 2011 г. № 899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации». Эти направления включают развитие таких систем, как информационнотелекоммуникационные, транспортные, авиационные и космические системы, перспективные вооружения, военная и специальная техника. Осваивая новейшие технологии, Россия в последние годы сделала значительный шаг в развитии информационнокоммуникационной сферы и начала двигаться по линии развития робототехники.

Актуальность развития робототехники в сфере образования обусловлена необходимостью подготовки инженерно-технических кадров для промышленных отраслей. В связи с этим перед сферой образования встаёт задача включения робототехники в различные уровни учебного процесса. В ряде регионов Российской Федерации образовательная робототехника развивается достаточно интенсивно: ведётся подготовка педагогических кадров, разрабатываются методические материалы, выпускаются учебные фильмы, организуются профессиональные конкурсы и выставки образовательных робототехнических конструкторов, выстраиваются связи между различными уровнями образования и промышленными предприятиями с целью согласования учебных программ на всех этапах подготовки специалистов.

С 2008 года в России под патронатом Федерального агентства по делам молодёжи Фонда поддержки социальных инноваций «Вольное дело» реализуется общероссийская программа выявления и продвижения перспективных кадров для высокотехнологичных отраслей «Робототехника: инженерно-технологические кадры инновационной России». Данная программа представляет собой систему многоуровневого непрерывного образо-

© Ершов М.Г., 2012

вания в сфере высоких технологий для детей, подростков, молодёжи в возрасте от 8 до 30 лет. Данная система нацелена на развитие передовых технологий, оснащение учебных заведений новой техникой, повышение квалификации педагогов, вовлечение детей в научно-техническое творчество, раннюю профориентацию, эффективную реализацию талантливой молодёжью своего потенциала.

Для организации деятельности школьников в сфере образовательной робототехники сегодня на рынке предлагается ряд конструкторов, которые позволяют школьнику достаточно быстро собрать конструкцию, подключить датчики и электродвигатели, составить программу и запустить модель робота. Следует отметить, что почти все образовательные конструкторы для сборки роботов разработаны и выпускаются за рубежом.

Наиболее популярным конструктором для организации занятий по робототехнике в большинстве учебных заведений является конструктор LEGO MINDSTORMS (Дания). Эти конструкторы выпускаются с 1998 года и широко распространены не только в России, но во многих странах мира. Высокое качество деталей конструктора LEGO сочетается с достаточной прочностью, безопасностью, простотой сборки, не требующей специальных инструментов. Системы программирования конструкторов адаптированы для соответствующего возраста детей. Имеется методическая и дидактическая поддержка различных наборов в виде пошаговых инструкций, рекомендаций для педагога, разработок занятий, учебных курсов. Существует ряд фирм (HiTechnic, Mindsensors, Vernier), выпускающих оборудование, совместимое с конструкторами LEGO, что позволяет значительно расширить возможности базового конструктора. Так, например, сотрудничество компании Vernier Software and Tehnology и корпорации LEGO привело к появлению адаптера и программного обеспечения, позволяющего использовать датчики Vernier с компьютеризированным устройством NXT, управляющего конструктором MINDSTORMS. Во второй версии программного обеспечения MINDSTORMS была добавлена функция регистрации и графического представления данных. Таким образом, появилась возможность использовать базовый комплект LEGO MINDSTORMS в качестве инструмента для проведения учебных экспериментов. Для формирования дизайнерских и конструкторских способностей детей компания LEGO создала систему автоматизированного проектирования LEGO Digital Designer, в которой в виртуальном режиме на компьютере можно создать конструкцию из любого набора LEGO, а затем сформировать пошаговую инструкцию по сборке реальной модели робота. Для использования новых технологий в учебном процессе компания LEGO производит ряд специализированных наборов по физике и технологии. Известны следующие тематические наборы:

• «Технология и физика»,

• «Возобновляемые источники энергии»,

• «Энергия, работа, мощность»,

• «Индустрия развлечений»,

• «Пневматика».

Каждый набор сопровождаются соответствующим методическим пособием по использованию конструктора в учебном процессе.

Ещё один производитель, который появился недавно на российском рынке образовательной робототехники, - компания Fischertechnik (Германия). Конструкторы этой компании имеют аналогичные составляющие конструкторов и во многом не уступают конструкторам LEGO.

Кроме вышеназванных, существуют такие конструкторы, как Tetrix (производитель Pitsco, США), Robotino (производитель Festo, Германия), роботы на базе конструктора для создания мобильных платформ «Профи» (ООО «Техновижн», Москва), роботы на основе микроконтроллера Arduino (Италия) и др.

Для создания программ, «оживляющих» модели конструкторов, используются как текстовые, так и объектно-ориентированные языки программирования, адаптированные для технических систем. Одним из современных языков программирования роботов является Microsoft Robotics Developer Studio. Эта среда позволяет не только управлять роботами, но и просматривать симуляцию поведения роботов в виртуальном режиме.

Наиболее популярными для программирования роботов LEGO являются программные продукты компании National instruments (США). Эта компания является одним из мировых лидеров в технологии программного управления системами сбора данных и управления техническими объектами и технологическими процессами, а также в разработке и изготовлении аппаратного и программного обеспечения для систем автоматизированного тестирования. Фирма имеет более 40 представительств в различных странах мира. Среда графического инженерного программирования LabVIEW компании National instruments с 1986 года успешно используется в управлении техническими объектами и технологическими процессами. В последних версиях программы имеются специализированные блоки для программирования микропроцессора NXT робототехнических конструкторов LEGO MINDSTORMS. Кроме того фирмой разработаны адаптированные для учащихся школ модификации среды LabVIEW: Robolab,

LEGOEducationWeDo, NXT-G.

В связи с внедрением Федеральных государственных образовательных стандартов (ФГОС) нового поколения одним из возможных вариантов изменения форм организации современного учебного процесса является встраивание образовательной робототехники, в различные составляющие учебного процесса:

1) урочные формы работы (выполнение учебных проектов, подготовка демонстрационного эксперимента, экспериментальных установок для лабораторных работ и работ школьного физического практикума);

2) формы внеурочной деятельности (творческие проектно-конструкторские работы учащихся, участие в конкурсах и научно-практических конференциях, включая их дистанционные и сетевые формы реализации);

3) работа в системе дополнительного образования (клубная и кружковая работа).

Современные требования ФГОС хорошо согласуются с базовыми принципами организации деятельности школьников при работе с робототехническими комплексами. Конструирование, моделирование, программирование роботов в комплексе с использованием ИКТ-технологий, как правило, отличается высокой степенью творчества, самостоятельности, соперничества, коммуникации в группе. У учащихся формируются компетенции, необходимые современному школьнику. Среди них предметные, метапред-метные, ИКТ-компетенции, коммуникативные.

Несмотря на положительный эффект применения робототехники в урочной деятельности, как показывает опыт многих учителей-предметников, образовательная робототехника пока превалирует в клубной и кружковой работе. Это объясняется недостаточной разработанностью методики использования робототехники в учебном процессе, отсутствием учебных пособий для учащихся и методических рекомендаций для учителей. Вместе с тем можно отметить, что существует ряд методических пособий зарубеж-

ных авторов по использованию робототехники в проектной работе по физике, химии, биологии, что может быть использовано в работе учителей-предметников.

При разработке методики применения образовательной робототехники в преподавании учебных предметов, в частности физики, прежде всего необходимо сформулировать цели ее использования:

1) демонстрация возможностей робототехники как одного из ключевых направлений научно-технического прогресса;

2) демонстрация роли физики в проектировании и использовании современной техники;

3) повышение качества образовательной деятельности:

• углубление и расширение предметного знания,

• развитие экспериментальных умений и навыков,

• совершенствование знаний в области прикладной физики,

• формирование умений и навыков в сфере технического проектирования, моделирования и конструирования;

4) развитие у детей мотивации изучения предмета, в том числе познавательного интереса;

5) усиление предпрофильной и профильной подготовки учащихся, их ориентация на профессии инженерно-технического профиля.

В МАОУ «СОШ №135» города Перми имеется некоторый опыт использования робототехнических комплексов LEGO Mindstorms в учебном процессе по физике.

Анализ и обобщение имеющегося опыта работы позволил выделить следующие направления использования роботов в преподавании физики:

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

2. 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.

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

4. Робот как средство учебного моделирования и конструирования. Применение образовательной робототехники в проектно-исследовательской и конструкторской работе учащихся:

• 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).

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

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

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

3. 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.

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

5. Г рафик, 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:

• предварительное создание пошаговых инструкций по сборке установки;

• создание банка программ, подготовленных для использования на различных установках;

• замена некоторых узлов конструкции установки неразборными аналогами;

• предварительная сборка установки школьниками до урока (в рамках выполнения индивидуального или группового творческого задания).

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

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:

• работа на готовой установке;

• самостоятельная сборка и наладка установки, программная настройка датчиков, разработка программы для обработки результатов;

2) уровнем дидактической поддержки учебной работы школьников:

• выполнение проекта по инструкции;

• выполнение проекта по инструкции с применением конструктивных схем по сборке;

• выполнение проекта по инструкции с указаниями по программированию робота;

• комбинированный вариант (2 и 3).

Рассмотрим несколько примеров использования робототехники на уроках физики в учебном процессе с некоторыми рекомендациями по их использованию.

Пример 1. Лабораторная установка по определению ускорения.

В состав конструкции лабораторной работы по определению ускорения входит наклонный жёлоб, закреплённый с помощью штатива, шарик из набора Mindstorms, датчики света, закреплённые вверху и внизу жёлоба, пусковое устройство, отпускающее шарик по сигналу с микропроцессорного модуля КХТ, и датчик расстояния, определяющий перемещение шарика.

При запуске шарика по наклонной плоскости происходит срабатывание первого датчика света, в результате чего запускается секундомер в микропроцессорном модуле КХТ. Когда шарик прокатывается мимо второго шарика, срабатывает второй датчик.

При сигнале со второго датчика происходит остановка секундомера и результат измерения промежутка времени выводится на дисплей модуля КХТ. Одновременно происходит измерение расстояния, которое прокатился шарик с помощью ультразвукового датчика. Датчик расстояния работает по принципу эхолота в ультразвуковом диапазоне и расположен на уровне стартовой позиции шарика.

Рис. 1 Рис. 2

На уровне нижнего датчика света крепится экран, отражающий ультразвук. Результат измерения расстояния также выводится на дисплей модуля КХТ. Программа для данной установки либо берётся учителем из банка программ (первоначально пишется учителем), либо программу готовят учащиеся перед уроком. При выполнении вычислений обработка данных (время движения и перемещение шарика) может производиться традиционным методом, либо возможен программный вариант обработки результатов измерений. Для этого в программе нужно добавить блок вычислений. Существуют различные варианты включения программной обработки результатов:

• учащиеся самостоятельно вписывают формулу в программу. Учитель указывает, в какой части программы необходимо ввести формулу и помогает сохранить и запустить программу. В этом случае учителю для каждой группы учащихся потребуется запускать первоначальный вариант программы;

• формула записывается в программу после обсуждения в классе. Все группы выполняют работу с программой, включающей блок обработки результатов.

Данная работа предполагает варианты использования других датчиков. Возможны различные комбинации использования датчиков света, звука и касания:

1) заменить нижний датчик света датчиком касания. В этом случае датчик касания нужно установить на жёлобе таким образом, чтобы шарик при ударе нажимал кнопку датчика. В программе потребуется изменить тип датчика. Эту работу могут проделать учащиеся на уроке;

2) заменить нижний датчик света датчиком звука. Остановка секундомера может быть запрограммирована на срабатывание датчика звука при ударе шарика о препятствие;

3) заменить верхний датчик света датчиком касания и развернуть его кнопкой вверх для удобства нажатия. В программе нужно настроить одновременный запуск шарика и секундомера;

4) заменить верхний датчик света датчиком звука. В программе нужно настроить одновременный запуск шарика и секундомера при срабатывании датчика звука, например, на хлопок в ладоши;

5) заменить оба датчика света датчиками звука и касания в любой комбинации верхнего и нижнего положения.

Пример 2. Демонстрация передачи вращательного движения посредством магнитного поля.

Демонстрационная модель состоит из двух магнитных шестерёнок, из которых одна шестерёнка передаёт вращение другой. Магнитная шестерёнка представляет собой диск, на котором закреплены магниты таким образом, что снаружи от диска вдоль всей окружности имеется чередование северных и южных магнитных полюсов. При сближении двух шестерёнок происходит магнитное зацепление. Одна из шестерёнок крепится на вал электродвигателя, а вторая свободно вращается на оси. Расстояние между шестерёнками регулируется программным методом через блок КХТ. Одна из шестерёнок может совершать перемещение в сторону второй шестерёнки с помощью отдельного электродвигателя. Электродвигатель осуществляет подачу шестерёнки при срабатывании какого-либо датчика.

На рис. 3 (модель 1) и 4 (модель 2) показаны два варианта модели магнитной муфты.

Рис. 3

Рис. 4

На рисунке 3 имеется минимальный набор конструктивных элементов, демонстрирующих магнитную передачу. На рис. 4 сконструированы элементы, позволяющие продемонстрировать дополнительные возможности магнитного взаимодействия:

1) вал ведомой шестерёнки закреплён в магнитных подшипниках и вращается в состоянии магнитной левитации. Данный вид подшипников демонстрирует современный принцип использования электромагнитного поля в технике. Вал свободно извлекается из конструкции через верх, что даёт дополнительные преимущества при сборке и разборке конструкции;

2) установлен датчик для изменения скорости вращения ведущей шестерёнки. В данном случае это датчик расстояния. Для срабатывания датчика достаточно сделать движение рукой около датчика. В самом простом варианте можно задать две скорости. Если усложнять управляющую программу, то количество скоростей может быть любым или можно задать ускорение вращения;

3) около ведомой шестерёнки закреплён датчик света, который используется для определения частоты её вращения. Боковая поверхность диска шестерёнки окрашена в контрастные чёрно-белые секторы, которые создают разную освещённость вблизи датчика. В данном случае на диске имеется по 4 белых и 4 чёрных сектора. При срабатывании датчика во время вращения (смена чёрного цвета на белый) блок КХТ производит звуковые сигналы, с помощью которых можно вычислить частоту вращения. Дополнительно можно подключить светодиод, который будет дублировать звуковые сигналы световыми сигналами или производить световой сигнал один раз за оборот шестерёнки. Ещё одним вариантом фиксации результата является построение графика зависимости показаний датчика от времени. В этом случае при равномерном вращении шестерёнки мы получим периодический график, по которому достаточно легко определить частоту вращения шестерёнки (рис. 5).

Рассмотренные модели магнитных муфт являются фрагментами творческих проектов учащихся - призёров и победителей ряда региональных олимпиад, конференций и конкурсов. Проект «Магнитная лаборатория» команды школы №135 завоевал приз зрительских симпатий на IV Всероссийском робототехническом фестивале.

Рис. 5 Рис. 6

Для демонстрации магнитного взаимодействия возможен и другой вариант, имеющий простую конструкцию (рис. 6). В этой модели использованы два магнита с че-

редующимися линейными полюсами, один из которых закреплён на оси электродвигателя. Для этой модели подойдут и простые магниты подковообразного типа. Данная конструкция собрана из деталей набора LEGO WeDo, который используется для обучения робототехнике в начальной школе.

Пример 3. Лабораторная установка по определению ускорения свободного падения.

Предлагаемая лабораторная установка по определению ускорения свободного падения имеет простую конструкцию, включающую блок NXT и датчик расстояния. Для определения времени падения и пройденного расстояния используется стандартная функция построения графика в языке NXT-G. Следует отметить, что для данной работы не требуется составление программы. Все необходимые данные берутся из графика (рис.

7).

Рис.7 Рис.8

Датчик расстояния крепится на штативе и устанавливается таким образом, чтобы было удобно измерять расстояние от датчика до падающего предмета (рис. 8). В качестве падающего предмета удобнее всего взять небольшой планшет или кусок фанеры размером формата А4 -А5. Шарик для данного опыта не подходит, так как от него ультразвук в обратном направлении практически не отражается.

Реализуя различные варианты сборки и настройки лабораторной установки, учащиеся знакомятся с принципом модульности современной техники, алгоритмами сборки и разборки технических конструкций, их ремонта, получают представление о некоторых технологических процессах.

Возможности применения робототехнических конструкторов в учебном процессе достаточно широки и их реализация требует от учителя методической и технической подготовки. Соотнося задачи школьного образования с перспективами автоматизации и роботизации современного производства, необходимо координировать усилия образовательных учреждений, промышленных предприятий, вузов, органов управления образованием для эффективного развития технического мышления школьников, целенаправленного развития способностей инженерно-технического направления.