ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.12.2023
Просмотров: 200
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
щения ведущей шестерёнки магнитное сцепление «исчезало».
В лабораторной работе перед учащимся ставились следующие задачи: 1) определить частоту вращения ведомого вала; 2) исследовать зависимость магнитного сцепления от скорости вращения ведущей шестерни и расстояния между шестерёнками (рис. 10).
Для определения частоты вращения ведомой шестерёнки использовался датчик света. Поверхность диска шестерни была разделена на секторы, окрашенные попеременно в чёрный и белый цвета. За счет этого во время вращения шестеренки обеспечивалась разная освещённость датчика света. При срабатывании датчика блок NXT издавал звуковые сигналы. Значение уровня освещённости датчика выводилось на монитор компьютера в виде графика зависимости уровня освещения от времени (рис. 11). Эти данные позволяли определить частоту вращения ведомого вала. Позднее к установке была подключена для наглядности лампа. Частота мерцания лампы была равна частоте вращения шестерёнки.
Рис. 10. Выполнение учащимися лабораторной работы по изучению магнитной передачи
Впоследствии учащиеся (авторы проекта) разработали программу для автоматического расчета частоты вращения вала. Это позволило выводить ее численное значение на дисплей микропроцессора. При выполнении лабораторной работы школьники могли на программном уровне регулировать скорость вращения ведущей шестерни и расстояние между шестерёнками. Это обеспечивало более эффективное исследование особенностей магнитной передачи.
После разработки проекта по изучению свойств магнитной передачи школьниками было изготовлено еще несколько конструкций: миксер, магнитный патрон для станка и др., в которых раскрывались возможности бытового применения эффекта магнитной передачи. Видеофрагмент с описанием установки и демонстрацией ее работы представлен по адресу: http://youtu.be/zv0pZJvLAKs
Отметим, что учащиеся, подготовившие проект «Магнитная лаборатория», не только создали полезную для учебного процесса лабораторную работу, но и стали победителями региональной конференций по образовательной робототехнике, а также завоевали приз зрительских симпатий на всероссийском фестивале «РобоФест–2012».
Моделированиетерморег уляцииядерно го реактор а и рег улиро вк и интенсивно сти яде р -
н о й р е а к ц и и . Данная модель демонстрирует некоторые элементы устройства ядерного реактора, используемого для производства электроэнергии, а также процессы теплообмена в его энергоблоке (рис. 12).
Рис. 12. Модель терморегуляции ядерного реактора и регулировки интенсивности ядерной реакции
Рост температуры активной зоны реактора имитируется нагреванием воды (с помощью электронагревателя). Вода в данной модели выполняет еще одну функцию: является теплоносителем. Температура «активной зоны» может понижаться за счёт принудительной циркуляции потоков жидкости между сосудом-нагревателем и дополнительным сосудом с холодной водой. Циркуляция поддерживается за счет работы насоса. Дополнительное охлаждение «активной зоны» возможно за счет воздушной вентиляции (например, от фена).
Управление работой нагревателя, насоса и фена осуществляется на программном уровне. Для этого используется электромагнитное реле. Контроль температуры «активной зоны» осуществляется датчиком температуры. В верхней части реактора установлена система, имитирующая движение управляющих стержней. Изначально стержни находятся вне «активной зоны». При превышении допустимого значения температуры «активной зоны» реактора срабатывает датчик. Стержни опускаются в «активную зону», «обеспечивая» снижение интенсивности ядерной реакции. Это достигается за счет включения насоса и запуска процесса циркуляции воды. При понижении температуры «активной зоны» до необходимого значения вновь срабатывает датчик, и стержни извлекаются.
Управление работой «реактора» осуществляется как в ручном режиме, так и в автоматическом. В ручном режиме оператор, используя датчик касания, может включать и выключать нагреватель, а также включать и выключать насос, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя через «активную зону». В автоматическом режиме система на программном уровне поддерживает температуру в рамках заданного интервала за счёт периодического включения нагревателя и насоса. Значение температуры в «реакторе» выводится на экран микропроцессора или компьютера.
После успешного выступления школьников в ряде городских и краевых соревнований проект был расширен до модели атомной электростанции, в которой в качестве отдельных элементов были включены модели парогенератора, блока генерации электроэнергии и линия электропередачи с потребителями электроэнергии (рис. 13).
Рис. 13. Роботизированная модель атомной электростанции
В модели была реализована система диагностики исправности работы различных блоков АЭС. На отдельные индикаторы выводились сигналы: отказа насоса перекачки теплоносителя (для этого был использован датчик давления), остановки турбины парогенератора (применялся отдельно сконструированный датчик движения воздуха на базе датчика освещённости), исчезновения напряжения на электрогенераторе (срабатывал датчик напряжения). В случае возникновения аварийной ситуации к месту аварии выезжал робот, имитирующий выезд аварийно-спасательной бригады.
Как отдельная конструкция была разработана система аварийной защиты реактора от перегрева и возгорания (рис. 14). Блок защиты был собран на базе конструктора для прототипирования датчиков (SuperPro Prototype Sensor), подключаемого к микропроцессорному блоку Mindstorms. В блоке защиты имелась отдельная кнопка для отключения реактора, а также переключатель для перевода реактора в режим работы без защиты. Благодаря возможности отключения блока защиты и ручного отключения насоса на модели можно было частично смоделировать процесс, приведший к аварии на
чернобыльской АЭС. Для защиты от пожара в системе использовался датчик пламени. В случае срабатывания датчика (например, от зажигалки) реактор переходил с состояние гашения ядерной реакции (отключался нагреватель и в «активную зону» опускались аварийные стержни), включалась сирена, и к реактору выезжал робот-спасатель с целью обнаружения источника возгорания по инфракрасному датчику.
Рис. 14. Элементы роботизированной модели атомной электростанции
На всероссийском фестивале «РобоФест-2015» этот проект также был отмечен призом зрительских симпатий.
Модель фрезерного станка на основе Lego M i n d s t o r m s . Современные станки с числовым программным управлением являются разновидностью робототехнических систем. Работа на данных станках становится доступной для старшеклассников, которые проявляют интерес к технической деятельности. Традиционные технологии обработки материалов и инновационные идеи робототехники в своем сочетании открывают интересные перспективы в разработке школьных робототехнических проектов межпредметного характера (физика – технология – информа
тика).
Модель фрезерного станка с ЧПУ была сконструирована и запрограммирована учащимися старших классов средней школы на базе нескольких конструкторов LEGO Mindstorms (рис. 15).
На данном станке можно производить обработку мягких материалов (парафин, пенопласт). Станок имеет металлическое основание, к которому жёстко крепится электрическая дрель в качестве привода для инструмента. Заготовка монтируется на основании, которое может перемещаться в трёх плоскостях. Эта часть конструкции сделана из деталей и сервомоторов конструктора. В автоматическом режиме работы станка перемещение основания обеспечивается компьютерной программой. Для ручного управления движением заготовки в конструкции предусмотрены три пары датчиков касания, срабатывание которых приводит к перемещению основания в двух направлениях вдоль каждой из трёх осей: вперёд – назад, влево – вправо, вверх – вниз. На данном станке можно производить обработку материалов через Bluetooth (например, с телефона).
Рис. 15. Модель фрезерного станка с ЧПУ, выполненного на базе нескольких конструкторов LEGO Mindstorms
При создании модели, а затем в процессе ее демонстрации на уроках физики обсуждались вопросы относительности движений, сложения движений, физические основы работы технических узлов конструкции, в том числе устройств беспроводной связи.
Во время демонстрации модели станка ЧПУ на конкурсах и выставках все желающие могли выполнить обработку какой-либо детали (рис. 16).
Рис. 16. Работа посетителей выставки с моделью станка С ЧПУ на всероссийском фестивале «РобоФест–2013»
Авторы этого проекта стали победителями городского и призёрами регионального туров олимпиады по технологии, победителями регионального фестиваля «РобоФест–2013» и призёрами всероссийского фестиваля «Робо-Фест–2013» в категории «Фристайл» (II место).
Проектная деятельность школьников по образовательной робототехнике помимо обучающего эффекта имеет еще и большое воспитательное значение. Работа над проектом и его публичная защита способствуют становлению у учащихся целого комплекса значимых личностных качеств, а также формированию умения работать в команде (см. ранее в п. 1.4) [130, с.368–373].
Итак, в данном параграфе робототехника анализируется как средство
обучения, расширяющего предметную основу формирования технических знаний, организации учебной, исследовательской и проектной деятельности, освоения учащимися технических умений. Рассмотрены особенности организации проектной деятельности учащихся по робототехнике в учебном процессе по физике, определены разновидности учебных проектов. Дано описание примеров проектов для учебного исследования и технического творчества учащихся в учебном процессе по физике.
2.5. Методическое сопровождение и дидактическое обеспечение применения робототехники в обучении физике. Учебные модули по образовательной робототехнике
Применение робототехники в учебном процессе по физике связано с изменением методики и технологии организации учебных занятий, меняется частично и содержание учебной работы школьников. В связи с этим практика включения образовательной робототехники в учебный процесс по предмету должна быть обеспечена необходимыми методическими и дидактическими материалами.
В рамках настоящего диссертационного исследования разработаны:
1) методические материалы для учителя физики, включающие: а) междисциплинарную программу по образовательной робототехнике; б) характеристику предметной составляющей данной программы (физика); в) методические рекомендации учителю по реализации трехкомпонентной модели обучения робототехнике в учебном процессе по физике (РТ как объект изучения, РТ как инструмент познания, РТ как средство обучения, развития и воспитания учащихся); г) методические таблицы «Изучение научных основ элементной базы робототехнических объектов в разделах и темах школьного курса физики»; д) модели роботизированных установок для учебных демонстраций; е) тематические методические модули, включающие рекомендации: по по становке демонстрационного роботизированного физического эксперимента;
подготовке и проведению демонстраций роботизированных моделей технических объектов как технических приложений физики (12 модулей);
2) дидактические материалы для учащихся: а) роботизированные установки лабораторного физического эксперимента; б) дидактические модули «Лабораторный роботизированный физический эксперимент» (12 модулей) в состав которых входят: учебные фото и видеоматериалы; дидактические материалы для самостоятельной работы трех уровней сложности; управляющие
В лабораторной работе перед учащимся ставились следующие задачи: 1) определить частоту вращения ведомого вала; 2) исследовать зависимость магнитного сцепления от скорости вращения ведущей шестерни и расстояния между шестерёнками (рис. 10).
Для определения частоты вращения ведомой шестерёнки использовался датчик света. Поверхность диска шестерни была разделена на секторы, окрашенные попеременно в чёрный и белый цвета. За счет этого во время вращения шестеренки обеспечивалась разная освещённость датчика света. При срабатывании датчика блок NXT издавал звуковые сигналы. Значение уровня освещённости датчика выводилось на монитор компьютера в виде графика зависимости уровня освещения от времени (рис. 11). Эти данные позволяли определить частоту вращения ведомого вала. Позднее к установке была подключена для наглядности лампа. Частота мерцания лампы была равна частоте вращения шестерёнки.
Рис. 10. Выполнение учащимися лабораторной работы по изучению магнитной передачи
Впоследствии учащиеся (авторы проекта) разработали программу для автоматического расчета частоты вращения вала. Это позволило выводить ее численное значение на дисплей микропроцессора. При выполнении лабораторной работы школьники могли на программном уровне регулировать скорость вращения ведущей шестерни и расстояние между шестерёнками. Это обеспечивало более эффективное исследование особенностей магнитной передачи.
После разработки проекта по изучению свойств магнитной передачи школьниками было изготовлено еще несколько конструкций: миксер, магнитный патрон для станка и др., в которых раскрывались возможности бытового применения эффекта магнитной передачи. Видеофрагмент с описанием установки и демонстрацией ее работы представлен по адресу: http://youtu.be/zv0pZJvLAKs
Отметим, что учащиеся, подготовившие проект «Магнитная лаборатория», не только создали полезную для учебного процесса лабораторную работу, но и стали победителями региональной конференций по образовательной робототехнике, а также завоевали приз зрительских симпатий на всероссийском фестивале «РобоФест–2012».
Моделированиетерморег уляцииядерно го реактор а и рег улиро вк и интенсивно сти яде р -
н о й р е а к ц и и . Данная модель демонстрирует некоторые элементы устройства ядерного реактора, используемого для производства электроэнергии, а также процессы теплообмена в его энергоблоке (рис. 12).
Рис. 12. Модель терморегуляции ядерного реактора и регулировки интенсивности ядерной реакции
Рост температуры активной зоны реактора имитируется нагреванием воды (с помощью электронагревателя). Вода в данной модели выполняет еще одну функцию: является теплоносителем. Температура «активной зоны» может понижаться за счёт принудительной циркуляции потоков жидкости между сосудом-нагревателем и дополнительным сосудом с холодной водой. Циркуляция поддерживается за счет работы насоса. Дополнительное охлаждение «активной зоны» возможно за счет воздушной вентиляции (например, от фена).
Управление работой нагревателя, насоса и фена осуществляется на программном уровне. Для этого используется электромагнитное реле. Контроль температуры «активной зоны» осуществляется датчиком температуры. В верхней части реактора установлена система, имитирующая движение управляющих стержней. Изначально стержни находятся вне «активной зоны». При превышении допустимого значения температуры «активной зоны» реактора срабатывает датчик. Стержни опускаются в «активную зону», «обеспечивая» снижение интенсивности ядерной реакции. Это достигается за счет включения насоса и запуска процесса циркуляции воды. При понижении температуры «активной зоны» до необходимого значения вновь срабатывает датчик, и стержни извлекаются.
Управление работой «реактора» осуществляется как в ручном режиме, так и в автоматическом. В ручном режиме оператор, используя датчик касания, может включать и выключать нагреватель, а также включать и выключать насос, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя через «активную зону». В автоматическом режиме система на программном уровне поддерживает температуру в рамках заданного интервала за счёт периодического включения нагревателя и насоса. Значение температуры в «реакторе» выводится на экран микропроцессора или компьютера.
После успешного выступления школьников в ряде городских и краевых соревнований проект был расширен до модели атомной электростанции, в которой в качестве отдельных элементов были включены модели парогенератора, блока генерации электроэнергии и линия электропередачи с потребителями электроэнергии (рис. 13).
Рис. 13. Роботизированная модель атомной электростанции
В модели была реализована система диагностики исправности работы различных блоков АЭС. На отдельные индикаторы выводились сигналы: отказа насоса перекачки теплоносителя (для этого был использован датчик давления), остановки турбины парогенератора (применялся отдельно сконструированный датчик движения воздуха на базе датчика освещённости), исчезновения напряжения на электрогенераторе (срабатывал датчик напряжения). В случае возникновения аварийной ситуации к месту аварии выезжал робот, имитирующий выезд аварийно-спасательной бригады.
Как отдельная конструкция была разработана система аварийной защиты реактора от перегрева и возгорания (рис. 14). Блок защиты был собран на базе конструктора для прототипирования датчиков (SuperPro Prototype Sensor), подключаемого к микропроцессорному блоку Mindstorms. В блоке защиты имелась отдельная кнопка для отключения реактора, а также переключатель для перевода реактора в режим работы без защиты. Благодаря возможности отключения блока защиты и ручного отключения насоса на модели можно было частично смоделировать процесс, приведший к аварии на
чернобыльской АЭС. Для защиты от пожара в системе использовался датчик пламени. В случае срабатывания датчика (например, от зажигалки) реактор переходил с состояние гашения ядерной реакции (отключался нагреватель и в «активную зону» опускались аварийные стержни), включалась сирена, и к реактору выезжал робот-спасатель с целью обнаружения источника возгорания по инфракрасному датчику.
Рис. 14. Элементы роботизированной модели атомной электростанции
На всероссийском фестивале «РобоФест-2015» этот проект также был отмечен призом зрительских симпатий.
Модель фрезерного станка на основе Lego M i n d s t o r m s . Современные станки с числовым программным управлением являются разновидностью робототехнических систем. Работа на данных станках становится доступной для старшеклассников, которые проявляют интерес к технической деятельности. Традиционные технологии обработки материалов и инновационные идеи робототехники в своем сочетании открывают интересные перспективы в разработке школьных робототехнических проектов межпредметного характера (физика – технология – информа
тика).
Модель фрезерного станка с ЧПУ была сконструирована и запрограммирована учащимися старших классов средней школы на базе нескольких конструкторов LEGO Mindstorms (рис. 15).
На данном станке можно производить обработку мягких материалов (парафин, пенопласт). Станок имеет металлическое основание, к которому жёстко крепится электрическая дрель в качестве привода для инструмента. Заготовка монтируется на основании, которое может перемещаться в трёх плоскостях. Эта часть конструкции сделана из деталей и сервомоторов конструктора. В автоматическом режиме работы станка перемещение основания обеспечивается компьютерной программой. Для ручного управления движением заготовки в конструкции предусмотрены три пары датчиков касания, срабатывание которых приводит к перемещению основания в двух направлениях вдоль каждой из трёх осей: вперёд – назад, влево – вправо, вверх – вниз. На данном станке можно производить обработку материалов через Bluetooth (например, с телефона).
Рис. 15. Модель фрезерного станка с ЧПУ, выполненного на базе нескольких конструкторов LEGO Mindstorms
При создании модели, а затем в процессе ее демонстрации на уроках физики обсуждались вопросы относительности движений, сложения движений, физические основы работы технических узлов конструкции, в том числе устройств беспроводной связи.
Во время демонстрации модели станка ЧПУ на конкурсах и выставках все желающие могли выполнить обработку какой-либо детали (рис. 16).
Рис. 16. Работа посетителей выставки с моделью станка С ЧПУ на всероссийском фестивале «РобоФест–2013»
Авторы этого проекта стали победителями городского и призёрами регионального туров олимпиады по технологии, победителями регионального фестиваля «РобоФест–2013» и призёрами всероссийского фестиваля «Робо-Фест–2013» в категории «Фристайл» (II место).
Проектная деятельность школьников по образовательной робототехнике помимо обучающего эффекта имеет еще и большое воспитательное значение. Работа над проектом и его публичная защита способствуют становлению у учащихся целого комплекса значимых личностных качеств, а также формированию умения работать в команде (см. ранее в п. 1.4) [130, с.368–373].
Итак, в данном параграфе робототехника анализируется как средство
обучения, расширяющего предметную основу формирования технических знаний, организации учебной, исследовательской и проектной деятельности, освоения учащимися технических умений. Рассмотрены особенности организации проектной деятельности учащихся по робототехнике в учебном процессе по физике, определены разновидности учебных проектов. Дано описание примеров проектов для учебного исследования и технического творчества учащихся в учебном процессе по физике.
2.5. Методическое сопровождение и дидактическое обеспечение применения робототехники в обучении физике. Учебные модули по образовательной робототехнике
Применение робототехники в учебном процессе по физике связано с изменением методики и технологии организации учебных занятий, меняется частично и содержание учебной работы школьников. В связи с этим практика включения образовательной робототехники в учебный процесс по предмету должна быть обеспечена необходимыми методическими и дидактическими материалами.
В рамках настоящего диссертационного исследования разработаны:
1) методические материалы для учителя физики, включающие: а) междисциплинарную программу по образовательной робототехнике; б) характеристику предметной составляющей данной программы (физика); в) методические рекомендации учителю по реализации трехкомпонентной модели обучения робототехнике в учебном процессе по физике (РТ как объект изучения, РТ как инструмент познания, РТ как средство обучения, развития и воспитания учащихся); г) методические таблицы «Изучение научных основ элементной базы робототехнических объектов в разделах и темах школьного курса физики»; д) модели роботизированных установок для учебных демонстраций; е) тематические методические модули, включающие рекомендации: по по становке демонстрационного роботизированного физического эксперимента;
подготовке и проведению демонстраций роботизированных моделей технических объектов как технических приложений физики (12 модулей);
2) дидактические материалы для учащихся: а) роботизированные установки лабораторного физического эксперимента; б) дидактические модули «Лабораторный роботизированный физический эксперимент» (12 модулей) в состав которых входят: учебные фото и видеоматериалы; дидактические материалы для самостоятельной работы трех уровней сложности; управляющие