ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.12.2023
Просмотров: 199
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
эксперименты.
Итак, первая составляющая методики включения робототехники в учебный процесс по физике в качестве инструмента познания связана: с применением на занятиях по предмету роботизированных опытов – наблюдений и экспериментов (демонстрационных, лабораторных); совершенствованием на этой основе учебно-исследовательских умений, а также практических умений в решении конкретных технических задач, связанных с постановкой таких опытов.
В ходе настоящего исследования было разработано и использовано в обучении школьников более 20 роботизированных демонстрационных и лабораторных физических опытов (по механике, тепловым и электрическим явлениям, техническим приложениям атомной и ядерной физики). Их перечень представлен в п. 2.5.
2.2.2. Робототехника в научно-техническом исследовании и организации технического творчества учащихся
В системе научно-технического познания робототехника представлена в разном качестве.
1. Робот может служить эффективным инструментом исследования уже созданных технических объектов, начиная с исследования уникальных артефактов и заканчивая диагностикой состояния современной производственной и сервисной техники (поиск дефектов, оценка их масштаба, выявление несоответствия свойств объекта заданным показателям, предотвращение угрозы технического сбоя в работе, брака в изготовлении и др.). Уже созданы и функционируют различные роботизированные технологические комплексы диагностики (РТКД). Это роботы, оснащенные датчиками и сканирующими системами. Они перемещаются относительно объектов контроля, накапливают и обрабатывают информацию об исследуемых объектах, передают сигналы о состоянии этих объектов и его изменениях.
Применение робототехники в таких исследованиях исключает влияние субъективных факторов на сбор и обработку информации об исследуемом объекте, сокращает время поиска технического дефекта, повышает точность его диагностики, обеспечивает проведение при необходимости диагностических испытаний, а в ряде случаев и автоматическое устранении дефекта.
Наиболее известны как «исследователи» роботы-змеи, предназначенные
для поисково-спасательных работ в аварийных зданиях, для исследования и даже ремонта трубопроводов сложных конфигураций, изучения подземных тоннелей и т.п. Такие роботы постоянно совершенствуются, расширяется область их применения.
Справедливости ради надо отметить, что проблемы с «дефектами» и «отказами» в работе технических устройств (в том числе и установок для научного эксперимента) нередко выводили исследователей на постановку новых научных проблем и приводили в итоге к выдающимся открытиям в науке или уникальным изобретениям. Это свидетельствует о том, что роботы, предназначенные для исследования объектов техники, занимают весьма важное место не только в системе научно-технического познания, но и в научном познании.
Учащимся средней школы следует разъяснить роль роботов в научно-техническом исследовании и познакомить с физическими принципами работы основных узлов таких роботизированных устройств. В рамках проектной деятельности в условиях командной работы школьники могут создавать простейшие модели подобных роботов (например, для исследования магнитных полей полосовых магнитов или токов различной конфигурации). Возможно создание роботизированных систем, работающих на основе известных физических явлений: магнитоискателя, миноискателя, устройств слежения за источниками света, оценки степени нагретости тела или скорости движения объекта, диагностики состояния аккумуляторных батарей и др. [165]. При выполнении этих заданий может с успехом использоваться компьютерная обработка данных и их визуализация [13]. Следует развивать это направление проектной деятельности учащихся, создавать соответствующие базы учебных проектов и методические материалы для самостоятельной работы учащихся [42; 115; 130]. Важно чтобы такие проекты имели ярко выраженную физико-техническую направленность.
Рассмотрим один из примеров проектной работы учащихся по созданию модели установки для диагностики резонансных явлений в технических объектах. Это модель колебательной системы-робота с функцией предупреждения резонансных явлений Ее внешний вид представлен на рисунке 6.
Рис. 6. Роботизированная модель колебательной системы с функцией предупреждения резонансных явлений
Основной частью установки является пружина, которая с одного конца с помощью нити крепится к двигателю для возбуждения колебаний. К другому концу пружины подвешивается корзинка с грузом. Массу груза можно менять.
Под корзинкой устанавливается датчик расстояния для определения момента наступления резонанса. После запуска программы автоматически возбуждают ся колебания системы. На экране компьютера строится график зависимости расстояния от датчика до корзинки от времени, а на экране микропроцессорного блока отображается текущая частота вынужденных колебаний. Задается допустимая амплитуда колебаний системы. После того как с помощью датчика фиксируется приближение колебательной системы к резонансу раздается предупреждающий звуковой сигнал о предаварийной ситуации, а через 3 секунды система автоматически отключается. На экране микропроцессорного блока отображается критическая (резонансная) частота вынужденных колебаний. При достаточно надежном креплении корзинки с грузами можно показать, что при дальнейшем увеличении частоты вынужденных колебаний система выходит из резонанса. Если в конструкции отключить датчик расстояния (имитация «сбоя» в системе контроля), то при ненадежном подвесе можно продемонстрировать пагубное влияние резонанса на систему – ее разрушение (падение корзинки).
2. Проектирование робота может являться целью научно-технического исследования. Создание новых и более совершенных роботизированных систем – одна из самых актуальных проблем современной инженерии. К задачам инженерной деятельности относятся: выполнение аналитического исследования технической проблемы, изобретение или модернизация технического объекта с целью ее решения, изготовление и исследование модели данного объекта, создание и внедрение реального технического объекта в соответствующую область социальной практики, поддержка его роботы, своевременная диагностика и устранение возникающих дефектов.
Итак, к методам научно-технического познания относятся: а) методы аналитического исследования, б) математическое и компьютерное моделирование, в) физическое моделирование технических конструкций и технологий, г) на
турный физико-технический эксперимент. На элементарном уровне любой из этих методов является вполне доступным для освоения учащимися.
Цель и результат проектно-исследовательской деятельности – создание новых (изобретение) или усовершенствование (рационализация) уже известных технических объектов. Привлечение школьников к этой деятельности в области роботостроения вполне возможно. Для случая организации учебного процесса по физике речь может идти о создании новых или более совершенных моделей установок для демонстрационного и лабораторного роботизированных экспериментов, роботизированных наблюдений, а также создании моделей технических РТ-объектов, демонстрирующих применение достижений физики в области техники. Такая деятельность может быть организована в рамках индивидуальной работы с учащимся, при организации элективных курсов по физике, на факультативных занятиях и во внеурочной работе по предмету. Выполнение заданий по созданию или модернизации моделей роботов наиболее целесообразно организовать в рамках проектно-ориентированного обучения. Полезно каждый проект сделать объектом командной работы учащихся.
Школьников следует ориентировать на проектирование и создание моделей робототехнических систем различных видов. Необходимо позаботиться о том, чтобы учащиеся в ходе разработки проекта обеспечили наличие у робота различных свойств и функций: перемещение как целого или его отдельных частей, наличие таких свойств, как «осязание», «обоняние», «зрение», «слух». Следует ставить задачи моделирования «речи», «памяти», «нервной системы», элементов искусственного «интеллекта». Результаты такого моделирования в итоге объединяются и программно связываются в виде целостной функционирующей конструкции. Далее исследуются особенности взаимодействия робота с внешней средой, вносятся необходимые коррективы в его конструктивные и программные решения.
На современном этапе развития методов научно-технического познания особое значение приобретают методы компьютерного моделирования [116]. Виртуальные модели в комплексе с реальным оборудованием позволяют инженерам при проектировании технических устройств находить наиболее целесообразные решения. С помощью специального программного обеспечения может быть выполнена разработка полного цифрового макета робота. К таким программным средам предъявляется целый ряд требований, а именно: 1) возможность создания виртуальной модели робота подобной его реальной физической модели; 2) возможность виртуального моделирования поведения
модели робота в среде, схожей с реальным физическим миром; 3) трехмерная визуализация модели робота и ее поведения в виртуальной среде; 4) возможность использования программ, написанных для виртуальной модели робота, для аналогичного реального робота.
В настоящее время предпринимаются попытки создать такие среды и для системы среднего образования. Известны продукты компании: среда LabVIEW с дополнительным модулем LabVIEW LEGOMINDSTORMS, среда RobotC, среда VEX Assembler для наборов компании VEX Robotics. Разработка и внедрение данных сред в учебную практику – актуальная проблема современной образовательной робототехники.
Для натурного моделирования созданы специальные конструкторы по образовательной робототехнике. Наиболее известна в России линейка наборов Lego, а именно: Lego education WeDo, Lego MINDSTORMS EV3, Tetrix (функционирует под управлением Lego). Используются наборы от фирмы Huna: Fun&Bot, Kicky, Class, Top, Human-robot и др. С каждым годом число наборов по образовательной робототехнике увеличивается, растет их качество, ширится спектр возможностей в создании роботов различных видов и уровней сложности.
Отметим, что в учебной практике (как и в реальном производстве) технологии виртуального и натурного моделирования роботов, как правило, реализуются совместно.
Рассмотрим примеры проектно-исследовательской работы учащихся.
Пример роботизированной установки для выполнения физического эксперимента по исследованию закономерностей колебаний пружинного маятника был приведен в п. 2.2.1 (рис. 4, 5.). Данная установка вполне может стать для учащихся объектом самостоятельного проектирования. Как правило, к этой работе привлекаются ребята, увлекающиеся робототехническим конструирова
Итак, первая составляющая методики включения робототехники в учебный процесс по физике в качестве инструмента познания связана: с применением на занятиях по предмету роботизированных опытов – наблюдений и экспериментов (демонстрационных, лабораторных); совершенствованием на этой основе учебно-исследовательских умений, а также практических умений в решении конкретных технических задач, связанных с постановкой таких опытов.
В ходе настоящего исследования было разработано и использовано в обучении школьников более 20 роботизированных демонстрационных и лабораторных физических опытов (по механике, тепловым и электрическим явлениям, техническим приложениям атомной и ядерной физики). Их перечень представлен в п. 2.5.
2.2.2. Робототехника в научно-техническом исследовании и организации технического творчества учащихся
В системе научно-технического познания робототехника представлена в разном качестве.
1. Робот может служить эффективным инструментом исследования уже созданных технических объектов, начиная с исследования уникальных артефактов и заканчивая диагностикой состояния современной производственной и сервисной техники (поиск дефектов, оценка их масштаба, выявление несоответствия свойств объекта заданным показателям, предотвращение угрозы технического сбоя в работе, брака в изготовлении и др.). Уже созданы и функционируют различные роботизированные технологические комплексы диагностики (РТКД). Это роботы, оснащенные датчиками и сканирующими системами. Они перемещаются относительно объектов контроля, накапливают и обрабатывают информацию об исследуемых объектах, передают сигналы о состоянии этих объектов и его изменениях.
Применение робототехники в таких исследованиях исключает влияние субъективных факторов на сбор и обработку информации об исследуемом объекте, сокращает время поиска технического дефекта, повышает точность его диагностики, обеспечивает проведение при необходимости диагностических испытаний, а в ряде случаев и автоматическое устранении дефекта.
Наиболее известны как «исследователи» роботы-змеи, предназначенные
для поисково-спасательных работ в аварийных зданиях, для исследования и даже ремонта трубопроводов сложных конфигураций, изучения подземных тоннелей и т.п. Такие роботы постоянно совершенствуются, расширяется область их применения.
Справедливости ради надо отметить, что проблемы с «дефектами» и «отказами» в работе технических устройств (в том числе и установок для научного эксперимента) нередко выводили исследователей на постановку новых научных проблем и приводили в итоге к выдающимся открытиям в науке или уникальным изобретениям. Это свидетельствует о том, что роботы, предназначенные для исследования объектов техники, занимают весьма важное место не только в системе научно-технического познания, но и в научном познании.
Учащимся средней школы следует разъяснить роль роботов в научно-техническом исследовании и познакомить с физическими принципами работы основных узлов таких роботизированных устройств. В рамках проектной деятельности в условиях командной работы школьники могут создавать простейшие модели подобных роботов (например, для исследования магнитных полей полосовых магнитов или токов различной конфигурации). Возможно создание роботизированных систем, работающих на основе известных физических явлений: магнитоискателя, миноискателя, устройств слежения за источниками света, оценки степени нагретости тела или скорости движения объекта, диагностики состояния аккумуляторных батарей и др. [165]. При выполнении этих заданий может с успехом использоваться компьютерная обработка данных и их визуализация [13]. Следует развивать это направление проектной деятельности учащихся, создавать соответствующие базы учебных проектов и методические материалы для самостоятельной работы учащихся [42; 115; 130]. Важно чтобы такие проекты имели ярко выраженную физико-техническую направленность.
Рассмотрим один из примеров проектной работы учащихся по созданию модели установки для диагностики резонансных явлений в технических объектах. Это модель колебательной системы-робота с функцией предупреждения резонансных явлений Ее внешний вид представлен на рисунке 6.
Рис. 6. Роботизированная модель колебательной системы с функцией предупреждения резонансных явлений
Основной частью установки является пружина, которая с одного конца с помощью нити крепится к двигателю для возбуждения колебаний. К другому концу пружины подвешивается корзинка с грузом. Массу груза можно менять.
Под корзинкой устанавливается датчик расстояния для определения момента наступления резонанса. После запуска программы автоматически возбуждают ся колебания системы. На экране компьютера строится график зависимости расстояния от датчика до корзинки от времени, а на экране микропроцессорного блока отображается текущая частота вынужденных колебаний. Задается допустимая амплитуда колебаний системы. После того как с помощью датчика фиксируется приближение колебательной системы к резонансу раздается предупреждающий звуковой сигнал о предаварийной ситуации, а через 3 секунды система автоматически отключается. На экране микропроцессорного блока отображается критическая (резонансная) частота вынужденных колебаний. При достаточно надежном креплении корзинки с грузами можно показать, что при дальнейшем увеличении частоты вынужденных колебаний система выходит из резонанса. Если в конструкции отключить датчик расстояния (имитация «сбоя» в системе контроля), то при ненадежном подвесе можно продемонстрировать пагубное влияние резонанса на систему – ее разрушение (падение корзинки).
2. Проектирование робота может являться целью научно-технического исследования. Создание новых и более совершенных роботизированных систем – одна из самых актуальных проблем современной инженерии. К задачам инженерной деятельности относятся: выполнение аналитического исследования технической проблемы, изобретение или модернизация технического объекта с целью ее решения, изготовление и исследование модели данного объекта, создание и внедрение реального технического объекта в соответствующую область социальной практики, поддержка его роботы, своевременная диагностика и устранение возникающих дефектов.
Итак, к методам научно-технического познания относятся: а) методы аналитического исследования, б) математическое и компьютерное моделирование, в) физическое моделирование технических конструкций и технологий, г) на
турный физико-технический эксперимент. На элементарном уровне любой из этих методов является вполне доступным для освоения учащимися.
Цель и результат проектно-исследовательской деятельности – создание новых (изобретение) или усовершенствование (рационализация) уже известных технических объектов. Привлечение школьников к этой деятельности в области роботостроения вполне возможно. Для случая организации учебного процесса по физике речь может идти о создании новых или более совершенных моделей установок для демонстрационного и лабораторного роботизированных экспериментов, роботизированных наблюдений, а также создании моделей технических РТ-объектов, демонстрирующих применение достижений физики в области техники. Такая деятельность может быть организована в рамках индивидуальной работы с учащимся, при организации элективных курсов по физике, на факультативных занятиях и во внеурочной работе по предмету. Выполнение заданий по созданию или модернизации моделей роботов наиболее целесообразно организовать в рамках проектно-ориентированного обучения. Полезно каждый проект сделать объектом командной работы учащихся.
Школьников следует ориентировать на проектирование и создание моделей робототехнических систем различных видов. Необходимо позаботиться о том, чтобы учащиеся в ходе разработки проекта обеспечили наличие у робота различных свойств и функций: перемещение как целого или его отдельных частей, наличие таких свойств, как «осязание», «обоняние», «зрение», «слух». Следует ставить задачи моделирования «речи», «памяти», «нервной системы», элементов искусственного «интеллекта». Результаты такого моделирования в итоге объединяются и программно связываются в виде целостной функционирующей конструкции. Далее исследуются особенности взаимодействия робота с внешней средой, вносятся необходимые коррективы в его конструктивные и программные решения.
На современном этапе развития методов научно-технического познания особое значение приобретают методы компьютерного моделирования [116]. Виртуальные модели в комплексе с реальным оборудованием позволяют инженерам при проектировании технических устройств находить наиболее целесообразные решения. С помощью специального программного обеспечения может быть выполнена разработка полного цифрового макета робота. К таким программным средам предъявляется целый ряд требований, а именно: 1) возможность создания виртуальной модели робота подобной его реальной физической модели; 2) возможность виртуального моделирования поведения
модели робота в среде, схожей с реальным физическим миром; 3) трехмерная визуализация модели робота и ее поведения в виртуальной среде; 4) возможность использования программ, написанных для виртуальной модели робота, для аналогичного реального робота.
В настоящее время предпринимаются попытки создать такие среды и для системы среднего образования. Известны продукты компании: среда LabVIEW с дополнительным модулем LabVIEW LEGOMINDSTORMS, среда RobotC, среда VEX Assembler для наборов компании VEX Robotics. Разработка и внедрение данных сред в учебную практику – актуальная проблема современной образовательной робототехники.
Для натурного моделирования созданы специальные конструкторы по образовательной робототехнике. Наиболее известна в России линейка наборов Lego, а именно: Lego education WeDo, Lego MINDSTORMS EV3, Tetrix (функционирует под управлением Lego). Используются наборы от фирмы Huna: Fun&Bot, Kicky, Class, Top, Human-robot и др. С каждым годом число наборов по образовательной робототехнике увеличивается, растет их качество, ширится спектр возможностей в создании роботов различных видов и уровней сложности.
Отметим, что в учебной практике (как и в реальном производстве) технологии виртуального и натурного моделирования роботов, как правило, реализуются совместно.
Рассмотрим примеры проектно-исследовательской работы учащихся.
Пример роботизированной установки для выполнения физического эксперимента по исследованию закономерностей колебаний пружинного маятника был приведен в п. 2.2.1 (рис. 4, 5.). Данная установка вполне может стать для учащихся объектом самостоятельного проектирования. Как правило, к этой работе привлекаются ребята, увлекающиеся робототехническим конструирова