УЧЕБНО–МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
приложение к дополнительной образовательной программе
«РОБОТОТЕХНИКА»
для слушателей заочной дистанционной школы
«Малая техническая академия»
Составитель учебно-методических материалов:
Крапивка С.В.
канд. пед. наук, доцент
педагог дополнительного образования
Курск 2013 год
СОДЕРЖАНИЕ
Пояснительная записка 3
Раздел 1. Введение в образовательную робототехнику 6
1.1. Обзор конструкторов 6
1.2. Соревнования роботов 9
Раздел 2. Базовый набор LEGO MINDSTORMS Education EV3 12
2.1. Компоненты базового набора 12
2.2. Система программирования LEGO MINDSTORMS Education EV3 15
2.3. Основные программные блоки 18
Раздел 3. Практические задания для самостоятельного выполнения 20
3.1. Модель «Подвижная платформа» 20
3.2. Модель «ГироБой» 20
3.3. Модель «Щенок» 20
3.4. Модель «Сортировщик цветов» 20
3.5. Модель «Рука робота Н25» 20
Список литературы для педагога и слушателей 21
Пояснительная записка
Учебно-методические материалы (приложение к дополнительной образовательной программе «Робототехника») разработаны для слушателей заочной дистанционной школы «Малая техническая академия» и направлены на формирование практических умений и навыков использования базового набора LEGO MINDSTORMS Education EV3 при обучении руководителей творческих объединений по профилю «Робототехника».
Учебно-методические материалы содержат краткие теоретические сведения о составе компонентов и системе программирования базового набора LEGO MINDSTORMS Education EV3, а также комплект дидактических заданий для самостоятельного выполнения.
Учебно-тематический план
№
п/п
|
Наименование темы
|
Количество часов
|
аудиторно
|
самост.
|
всего
|
1
|
Вводное занятие
|
2
|
0
|
2
|
2
|
Изучение состава и подготовка к работе базового набора LEGO MINDSTORMS Education EV3
|
2
|
2
|
4
|
3
|
Сборка модели «Подвижная платформа»
|
2
|
4
|
6
|
4
|
Изучение системы программирования LEGO MINDSTORMS Education EV3
|
14
|
22
|
36
|
5
|
Методика работы с моделью «ГироБой»
|
2
|
8
|
10
|
6
|
Методика работы с моделью «Сортировщик цветов»
|
2
|
8
|
10
|
7
|
Методика работы с моделью «Щенок»
|
2
|
8
|
10
|
8
|
Методика работы с моделью «Рука робота H25»
|
2
|
10
|
12
|
9
|
Подготовка роботов для внутренних соревнований
|
2
|
8
|
10
|
10
|
Участие в фестивале технического творчества
|
0
|
4
|
4
|
11
|
Участие в робототехнических соревнованиях
|
4
|
10
|
14
|
12
|
Итоговое занятие
|
2
|
0
|
2
|
ИТОГО:
|
36
|
84
|
120
|
Содержание программы
1. Вводное занятие (2 часа)
Введение в образовательную робототехнику. Обзор образовательных конструкторов. Техника безопасности при работе с оборудованием и компьютерами.
2. Изучение состава и подготовка к работе базового набора LEGO MINDSTORMS Education EV3 (4 часа)
Конструктивные элементы базового набора: микрокомпьютер (модуль EV3), большие моторы, средний мотор, датчики качания, ультразвуковой датчик, датчик цвета, гироскопический датчик, аккумуляторная батарея, наборы балок, втулок, осей, шестерен. Подготовка набора к работе: сортировка деталей по отсекам органайзера. Составление тематического плана работы творческого объединения «Робототехника».
3. Сборка модели «Подвижная платформа» (6 часов)
Сборка подвижной платформы. Изучение назначения портов микрокомпьютера. Изучение встроенного программного обеспечения (ПО). Проверка портов. Методические особенности программирования робота с помощью встроенного ПО.
4. Изучение системы программирования LEGO MINDSTORMS Education EV3 (36 часов)
Среда программирования LEGO MINDSTORMS Education EV3. Установка ПО учителя и учащихся. Меню среды. Лобби. Понятие проекта. Редактор контента. Работа с файлами проекта. Сопряжение модуля EV3 с персональным компьютером (ПК) и мобильными устройствами. Изучение основных приемов управления роботом. Основные алгоритмические конструкции и их реализация в системе программирования LEGO MINDSTORMS Education EV3. Работа с переменными. Сбор данных об обстановке. Взаимодействие EV3. Обмен данными между ПК и EV3.
5. Методика работы с моделью «ГироБой» (10 часов)
Цель и задачи изучения модели «ГороБой». Сборка модели «ГироБой». Особенности использования гироскопического датчика. Программирование модели «ГироБой». Составление дидактических материалов для организации изучения модели «ГироБой».
6. Методика работы с моделью «Сортировщик цветов» (10 часов)
Цель и задачи изучения модели «Сортировщик цветов». Сборка модели «Сортировщик цветов». Особенности использования датчика цвета. Сборка ленты конвейера. Программирование модели «Сортировщик цветов». Составление дидактических материалов для организации изучения модели «Сортировщик цветов».
7. Методика работы с моделью «Щенок» (10 часов)
Цель и задачи изучения модели «Щенок». Сборка модели «Щенок». Особенности использования встроенных звуков и изображений. Программирование модели «Щенок». Составление дидактических материалов для организации изучения модели «Щенок».
8. Методика работы с моделью «Рука робота Н25» (12 часов)
Цель и задачи изучения модели «Рука робота Н25». Сборка модели робота-манипулятора «Рука робота Н25». Особенности конструирования схвата робота. Понятие о степенях свободы. Программирование модели робота-манипулятора». Составление дидактических материалов для организации изучения модели «Рука робота Н25».
9. Подготовка роботов для внутренних соревнований (10 часов)
Особенности моделей – участников соревнований. Сборка моделей роботов для участия в соревнованиях сумо, траектория, лабиринт, кегель-ринг. Проведение соревнований.
10. Участие в фестивале технического творчества (4 часа)
Методика подготовка моделей к выставке. Составление описания моделей.
11. Участие в робототехнических соревнованиях (14 часов)
Правила участия в соревнованиях, техника безопасности. Участие в соревнованиях.
12. Итоговое занятие (2 часа)
Раздел 1. Введение в образовательную робототехнику
Образовательная робототехника — современный подход к организации детского технического творчества. Робототехника вошла в мир в 60-е годы как одно из передовых направлений машиностроения. Ее фундаментом были механика и вычислительная техника, электроника и энергетика, измерительная техника, теория управления и многие другие, научные и технические дисциплины. В начале XXI века робототехника и мехатроника пронизывают все без исключения сферы экономики. Высокопрофессиональные специалисты, обладающие знаниями в этой области, необычайно востребованы. Готовить таких специалистов, с учетом постоянного роста объемов информации, необходимо со школьной скамьи.
Уникальность образовательной робототехники заключается в возможности объединить конструирование и программирование в одном курсе, что способствует интегрированию преподавания информатики, математики, физики, черчения, естественных наук с развитием инженерного мышления через техническое творчество. Техническое творчество — мощный инструмент синтеза знаний, закладывающий прочные основы системного мышления. Таким образом, инженерное творчество и лабораторные исследования — многогранная деятельность, которая должна стать составной частью повседневной жизни каждого современного школьника [http://www.isphera.ru/grant2011].
Таким образом, для допрофессиональных ступеней образования востребовано и перспективно обучение, направленное на формирование и развитие конструкторских, исследовательских, технико-ориентированных компетенций обучаемых. При этом, одним из принципов построения методической системы допрофессиональной подготовки должен являться принцип преемственности при продвижении по этапам обучения.
1.1. Обзор конструкторов
Для реализации принципа преемственности обучения на рынке представлено достаточно большое количество обучающих средств, направленных на формирование конструкторских и творческих способностей школьников Рассмотрим наборы конструкторов для занятий робототехникой на каждом из этапов обучения:
1. Дошкольное образование
универсальные конструкторы, карточки и задания выпуска «Образовательные решения ЛЕГО» (LEGO Education) из серии LEGO DUPLO (креативный строитель, строительные машины, транспорт, службы спасения, машины и механизмы…) [http://education.lego.com/ru-ru/products];
развивающие конструкторы Little Starter, Jumbo Starter компании FischerTechnik [http://www.fischertechnik.de/home/produkte/junior.aspx];
конструкторы Inventor Basic и ECO Builds компании ENGINO [http://www.engino.com/products.html];
конструкторы Quercetti (бегущие шарики), серия GEORELLO (шестеренки, механика), машина-конструктор Discovery Car [http://www.quercettistore. com/prodotti].
2. Начальная школа
конструктор ПервоРобот Lego WeDo (серия «LEGO Education WeDo»), включающий двигатель, датчики движения и положения, LEGO USB Hub и дополнительный набор оборудования [http://education.lego.com/ru-ru/lego-education-product-database/wedo/9580-lego-education-wedo-construction-set/].
наборы конструкторов «Basic», «Advanced», «Profi», универсальный набор «Universal 3», силовые машины «Power Machines» компании FischerTechnik [http://www.fischertechnik.de/home/produkte.aspx];
конструкторы Inventor Pro, Mega Structures, Mechanical Sciences компании ENGINO [http://www.engino.com/products.html];
наборы серии «Юный инженер», «Электрические машины», «Электрическая энергия», «Управляемые работы» компании GIGO [http://toysltd.ru/4_gigo];
наборы серии «Робот» компании LOZTOYS [http://loztoys.com].
наборы электромеханических конструкторов серий Connex, Greenex, Innonex и Tronex компании Amazing Toys [http://www.amazingtoys.com.hk/ company.asp, http://www.amazing-toys.com.hk/index.php]
3. Основное общее образование
электронный конструктор «Знаток» — 180, 320, 999 схем (последний рекомендован УМО МПГУ Министерства образования и науки РФ для образовательных учреждений (8-11 классы), набор «Альтернативные источники энергии» и радиоуправляемый вездеход «Лидер» компании Знаток Плюс [http://www.znatok.ru];
базовый набор серии LEGO MINDSTORMS Education EV3 [http://education.lego.com/ru-ru/lego-education-product-database/mindstorms-ev3/45544-lego-mindstorms-education-ev3-core-set];
ПервоРобот NTX из серии LEGO MINDSTORMS Education NXT [http://education.lego.com/ru-ru/lego-education-product-database/mindstorms/9797-lego-mindstorms-education-base-set];
набор «Возобновляемые источники энергии» [http://education.lego.com/ru-ru/lego-education-product database/machines-and-mechanisms/9688-renewable-energy-add-on-set]
набор «Пневматика» [http://education.lego.com/ru-ru/lego-education-product-database/machines-and-mechanisms/9641-pneumatics-add-on-set];
наборы конструкторов серии ROBO LT Beginner Lab, ROBO Pro Software, ROBO Pro Software Schullizenz, ROBO TX ElectroPneumatic, ROBO TX Explorer компании FischerTechnik [http://www.fischertechnik.de/home/ produkte.aspx];
наборы серии «Электроника для детей» (98, 544, 1668 схем) компании QIDDYCOME [http://qiddycome.ru];
конструкторы Mechanical Sciences и Robotics Platform компании ENGINO [http://www.engino.com/ products.html];
электромеханические конструкторы серий Advance, Builder, Green и Perfect компании IQKEY [http://www.iqkey.ru/index.php? categoryID=556].
набор PicoBoard для использования с системой программирования Scratch [http://www.picocricket.com/picoboard.html].
4. Среднее (полное) общее образование
электронный конструктор «Знаток» (999 схем) компании Знаток Плюс [http://www.znatok.ru].
профильная цифровая лаборатория на базе нетбука Сlassmate РС проекта Intel Learning Series;
комплекты робототехники для образования Educational Robotics Kits компании DAGU Hi-Tech Electronic [http://arexx.com.cn/en/ ProductList.Asp?SortID=45].
наборы роботов Robo Kit #1 – #5 из серии Education компании RoboRobo [http://www.roborobo.co.kr].
набор роботов серии Educatiocal Robots компании INEX Robotics [http://www.inexglobal.com].
наборы роботов EQ–ROBO компании User Creative Robot [http://www.ucrobot.com].
роботы и наборы комплектующих компании Parallax [http://www.parallax.com].
продукты профессиональной линии Industrie компании FischerTechnik [http://www.fischertechnik.de/home/produkte.aspx]:
а) роботы-манипуляторы 3-D-Robot TX 24V и 9V с контроллером ROBO TX Controller;
б) ленточный конвейер ROBO Transportband;
в) штамповочные станки с ленточными конвейерами (Stanzmaschine mit Transportband 24V и 9V);
г) конвейеры с двумя инструментами обработки (Taktstraße mit 2 Bearbeitungsstationen 24V и 9V).
Так как в старшей школе повышается уровень сложности конструирования робототехнических комплексов и углубляется изучение программирования, то возможны варианты построения занятий, не ограниченных спецификой определенного конструктора, а позволяющих самостоятельно выбрать детали и компоненты для разработки устройства. Для таких решений лидирующее положение занимает аппаратная платформа Arduino [http://arduino.cc (ENG), http://arduino.ru (RUS)], построенная на платформе микроконтроллеров семейства Atmel ATmega и позволяющая охватить интересы как школьного, так и профессионального образования. В частности, в профильных курсах, возможно, рекомендовать использование набора Arduino Starter Kit.
Также представляет интерес использование в учебном процессе:
а) микроконтроллеров ChipKIT Uno32, предлагаемых для систем образования компанией MIPS Technilogies [www.mips.com];
б) наборов комплектующих для занятий робототехникой и электроникой компаний Pololu Robotics and Electronics [http://www.pololu.com], DfRobot [http://www.dfrobot.com/index.php], SeeedStudio [http://www.seeedstudio.com], SparkFun [https://www.sparkfun.com];
в) авторских комплектов оборудования для изучения преобразования сигналов и управления объектами с помощью компьютера [10];
г) системы проектирования печатных плат Fritzing [http://fritzing.org].
Кроме содержательных линии «Конструирование» и «Робототехника» в допрофессиональную инженерно-техническую подготовку входит линия «Исследования и измерения», которая кроме информатики и технологий, охватывает естественнонаучные дисциплины и математику. Здесь предлагается организовывать лаборатории на базе технологии LabVIEW компании National Instruments (NI) [http://www.labview.ru] или аналогичных. В качестве внедряемых решений необходимо указать мобильный лабораторный комплекс NI myDAQ, позволяющий осуществлять сбор и анализ сигналов, а также управление процессами.
1.2. Соревнования роботов
Примеры соревнований:
World Robot Olympiad (WRO)
РобоФест
РобоМир
Примеры заданий соревнований роботов:
1. Сумо
2. Траектория
3. Лабиринт
4. Кегельринг
Раздел 2. Базовый набор LEGO MINDSTORMS Education EV3
Базовый набор оптимизирован для использования в классе и содержит все необходимое для обучения с помощью технологий LEGO® MINDSTORMS®. Он позволяет ученикам конструировать, программировать и тестировать их решения, используя настоящие технологии робототехники. Набор включает в себя мощный микрокомпьютер EV3, контролирующий моторы и собирающий данные с датчиков. Стартовый набор поставляется в коробке, удобной для хранения элементов и использования в классе. Программное обеспечение и зарядное устройство продаются отдельно.
2.1. Компоненты базового набора
В набор входят [http://education.lego.com/ru-ru/lego-education-product-database/mindstorms-ev3]:
Микрокомпьютер EV3.
Спецификации микрокомпьютера EV3:
процессор типа ARM 9 с Linux-образной операционной системой
4 порта ввода информации с частотой работы до 1 кГц
4 порта вывода для выполнения команд
встроенная память, включающая 16 МБ флеш-памяти и 64 МБ оперативной памяти
слот для чтения карт памяти формата Mini SDHC с поддержкой чтения карт объемом до 32 ГБ
шестикнопочный интерфейс управления с функцией изменения подсветки (3 цвета) для индикации режима работы микрокомпьютера
монохромный дисплей с разрешением 178 x 128 пикселей позволит осуществлять детальный просмотр графиков и чтение данных с датчиков
высококачественный встроенный динамик
возможность программирования и регистрации данных с помощью микрокомпьютера, созданные программы и полученные данные могут быть экспортированы в программное обеспечение EV3
поддержка связи с компьютерами через встроенный порт USB или подключаемые приемники WiFi или Bluetooth
режим USB 2.0 хостинга, позволяющий соединять микрокомпьютеры в последовательную цепь
поддержка WiFi и поддержка подключения USB флеш-карт
питание от 6 батарей типа АА или от аккумуляторной батареи постоянного тока EV3 емкостью 2050 мАч
Аккумулятор EV3.
Литий-ионная аккумуляторная батарея постоянного тока EV3 имеет емкость 2050 мАч и специально созданная для работы с новыми микрокомпьютерами EV3
Два больших серво мотора.
встроенный датчик вращения с точностью измерений до 1 град
максимальные обороты до 160-170 об/мин
максимальный крутящий момент в 40 Нсм
автоматическая идентификация программным обеспечением EV3
Средний серво мотор.
встроенный датчик вращения с точностью измерений до 1 град
максимальные обороты до 240-250 об/мин
максимальный крутящий момент в 12 Нсм
автоматическая идентификация программным обеспечением EV3
Ультразвуковой датчик.
измеряет расстояния в пределах от 1 до 250 см
точность измерений составляет +/- 1 см
в режиме прослушивания внешний светодиод постоянно мигает, в режиме излучения светодиод постоянно горит
если ультразвуковой сигнал распознан, датчик возвращает логическое значение "Истина"
автоматическая идентификация программным обеспечением EV3
Датчик цвета.
измеряет отраженный красный свет и внешнее рассеянное освещение, от полной темноты до яркого солнечного света
фиксирует и определяет 8 цветов
частота опроса до 1 кГц
автоматическая идентификация программным обеспечением EV3
Гироскопический датчик.
режим измерения углов с точностью до +/- 3 градуса
встроенный гироскоп улавливает вращения с моментом до 440 град/с
частота опроса до 1 кГц
автоматическая идентификация программным обеспечением EV3
Два датчика касания.
встроенная фронтовая кнопка
автоматическая идентификация программным обеспечением EV3
Сборочные элементы LEGO Technic (541 деталь) и два пластиковых лотка – органайзера для хранения и сортировки деталей.
2.2. Система программирования LEGO MINDSTORMS Education EV3
Система программирования LEGO MINDSTORMS Education EV3 поставляется по лицензии либо на 1 персональный компьютер, либо для класса ПК (групповая лицензия). Групповая лицензия позволяет инсталлировать и использовать программное обеспечение EV3 на всех компьютерах, находящихся по адресу организации-покупателя.
Система программирования LEGO MINDSTORMS Education EV3 основана на программном пакете National Instruments LabVIEW и имеет понятный графический интерфейс. Пользователь формирует программу, перетаскивая иконки, отвечающие за те или иные функции робота.
Функционал регистрации данных, включенный в систему программирования, является мощным инструментом для проведения различной экспериментальной работы. С помощью него можно собирать, анализировать и использовать данные, поступающие с датчиков. Ученики также могут строить интерактивные графики, используя полученные данные.
Встроенный редактор контента позволяет учителям модифицировать имеющиеся учебные курсы и создавать свои собственные. Кроме того, редактор позволяет ученикам фиксировать свои успехи с помощью создания и заполнения электронных тетрадей, которые также являются частью программного окружения EV3. Эта функция упрощает процесс проверки успеваемости и контроля знаний.
Программное обеспечение EV3 поставляется со специальным инструментом по обучению Robot Educator, включающим 48 пошаговых мультимедийных обучающих урока, созданных для помощи ученикам и преподавателям в обучении основам робототехники. Эти уроки также обучают использованию функционала регистрации данных и поясняют свойства аппаратного обеспечения EV3.
После запуска программного обеспечения LEGO MINDSTORMS Education EV3 открывается основное окно программы (лобби).
Это окно содержит меню, позволяющие работать:
с основным и расширенным набором компонентов (описание наборов и инструкции по сборке моделей);
кратким руководством пользователя (теория и базовые примеры программирования);
проектом;
самоучителем.
Основным для работы с моделью является окно проекта. Проект может содержать программы управления роботом. В этом случае открывается окно, показанное ниже:
Кроме этого, проект может подразумевать проведение эксперимента по обработке данных. Тогда открывается следующее окно:
2.3. Основные программные блоки
1. Палитра блоков «Действие»
2. Палитра блоков «Управление операторами»
3. Палитра блоков «Датчик»
Палитра блоков «Операции с данными»
Палитра блоков «Дополнения»
Раздел 3. Практические задания для самостоятельного выполнения
3.1. Модель «Подвижная платформа»
3.2. Модель «ГироБой»
3.3. Модель «Щенок»
3.4. Модель «Сортировщик цветов»
3.5. Модель «Рука робота Н25»
Список литературы для педагога и слушателей
Основная литература
Руководство пользователя конструктора LEGO MINDSTORMS Education EV3.
Справочная система программного обеспечения для учителя системы программирования Lego Education Mindstorms EV3.
Филиппов С. А. Робототехника для детей и родителей. М.: Наука, 2011. —264 с.
Дополнительная литература
Злаказов А. С., Горшков Г. А., Шевалдина С. Г. Уроки Лего-конструирования в школе. Методическое пособие. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. — 120 с.
Белиовская Л. Г., Белиовский А. Е. Программируем микрокомпьютер NXT в LabVIEW. — М.: ДМК Пресс, 2010 — 280 с.
Ваграменко Я. А., Крапивка С. В. Применение программно-управляемых устройств в профильном обучении в школе // Педагогическая информатика. — 2013. — № 1. — С. 3–11.
Интернет-ресурсы
Международные соревнования роботов World Robot Olympiad (WRO) [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://wroboto.ru/competition/wro.
Программы «Робототехника»: Инженерные кадры России [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.robosport.ru.
Как сделать робота: схемы, микроконтроллеры, программирование [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://myrobot.ru/stepbystep.
Сайт компании «Образовательные решения ЛЕГО» [Сайт]. Режим доступа: http://education.lego.com/ru-ru.
|
