Использование LEGO Mindstorms Education EV3 на уроках физики.

Использование LEGO Mindstorms Education EV3 на уроках физики.
Особенностью федеральных государственных образовательных стандартов общего образования (далее — ФГОС) является их деятельностный характер, который ставит главной задачей развитие личности ученика. Поставленная задача требует перехода к новой системно-деятельностной образовательной парадигме, которая, в свою очередь, связана с принципиальными изменениями деятельности учителя, реализующего ФГОС. Деятельность выступает как внешнее условие развития у ребенка познавательных процессов. Чтобы ребенок развивался, необходимо организовать его деятельность. Такую стратегию обучения легко реализовать в образовательной среде LEGO.
LEGO Mindstorms Education EV3 — это конструкторский набор программируемой робототехники, который дает возможность создавать и управлять собственными роботами LEGO. Этот набор вызывает интерес у учащихся и вдохновляет их на совместное обсуждение реальных задач и поиск творческого решения. Используя набор моторов, датчиков и строительных элементов LEGO, можно воплотить идеи в жизнь, построив и протестировав робота. Использование конструктора при изучении информатики, физики, математики, технологии делает процесс обучения увлекательным, наглядным, повышает мотивацию к решению сложных задач. Используя конструкторы LEGO, ученики получают возможность мыслить, как настоящие ученые и инженеры. Наборы LEGO Mindstorms Education EV3 обладают широчайшим учебным потенциалом и могут быть использованы на естественнонаучных предметах для повышения эффективности учебного процесса:
1)Информатика и программирование — изучение ключевых принципов программирования, развитие алгоритмического мышления, создание и отладка сложных программ по управлению моделями;
2)Технология и проектирование — исследование новейших технологических решений и технологий с помощью создания их аналогов в виде рабочих моделей роботов, изучение ключевых принципов проектирования, прототипирования и моделирования;
3)Физика — подтверждение гипотез опытным путем, проведения опытов, всесторонний анализ полученных данных, включая анализ прогнозированных данных, изучение концептов механики, оптики, термодинамики, магнитных явлений, принципов радиосвязи;
4)Математика — измерение времени, скорости, ускорения и расстояний, работа с переменными, случайными и пороговыми величинами, изучение геометрических, тригонометрических концепций.
В настоящее время на основе леготехнологий разработано немало моделей, в которых реализована «физика», например, модель гироскопа, сфера Гобермана, маятник Капицы. Установки, собранные из LEGO, позволяют определять значение фундаментальных физических констант, например, таких как постоянная Планка (весы Вата), ускорение свободного падения и т.д. Рассмотрим более подробно использование набора LEGO Mindstoms для измерения коэффициента трения скольжения.
Опишем модель по измерению коэффициента трения скольжения. Схема установки изображена на рис.1 и представляет собой стол, на котором лежит груз массой m1, нить, один конец которой привязан к этому грузу, а другим через блок, вращающийся с незначительным трением (трением можно пренебречь) вокруг горизонтальной оси, привязан к грузу массой m2.

Рис.1
Именно под действием груза массой m2 вся система тел приходит в поступательное движение с ускорением а. Рассматривая полученную систему тел, как идеальную систему и используя второй закон Ньютона (рис.2), можно получить формулу для нахождения коэффициента трения скольжения:


Рис.2
Для технической реализации идеи необходимо рассчитать ускорение робота во время движения. Воспользуемся известной формулой , где l – некоторое расстояние, которое проходит робот по столу, t – время, необходимое для преодоления этого расстояния. Для подсчета расстояния l будем использовать цифровой ультразвуковой датчик EV3. Для вычисления времени установим в конце пути специальный выступ, в который будет упираться кнопка датчика касаний EV3. Именно эта кнопка будет останавливать время в конце пути. Кроме этого, т.к. запуск таймера на микрокомпьютере EV3 зависит от механического нажатия на кнопку, расположенную на нем, в результате чего можно получить «существенную» задержку в момент старта (экспериментатор не может быстро убрать палец с кнопки старт), будем использовать еще один датчик касания (рис.3).

Рис.3
Поэтому запуск таймера будет происходить после прекращения действия силы давления на кнопку этого датчика. Массы робота и груза определяем на весах. Результаты измерений l, t, a и вычисления μ будем выводить на экран микрокомпьютера EV3 последовательно с задержкой 5 с. Соответствующая программа для измерения коэффициента трения скольжения представлена на рис.4.

Рис.4
Результаты проведенного эксперимента представлены в виде таблицы (с учетом погрешностей измерений):
№ m1, кг m2, кг g, м/c2 l, м t, с а, м/с2k аср, м/с2kср ΔkΔkср εk, %
1 0,3913 0,152 9,8 0,397 1,681 0,2810 0,3486 0,2705 0,3501 0,0015 0,0021 0,60
2 0,3913 0,152 9,8 0,321 1,607 0,2486 0,3532 0,0031 3 0,3913 0,152 9,8 0,412 1,728 0,2760 0,3494 0,0007 4 0,3913 0,152 9,8 0,338 1,631 0.2541 0,3524 0,0023 5 0,3913 0,152 9,8 0,185 1,124 0,2929 0,347 0,0031 Предложенный способ измерения коэффициента трения скольжения отличается от «традиционных» и позволяет исследовать зависимости коэффициента от различных параметров с высокой точностью.
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 отличается высокой степенью творчества, самостоятельности, соперничества, коммуникации в группе. У учащихся формируются компетенции, необходимые современному школьнику.
Список литература.
Минкин А.В. Использование Lego Mindstorms для измерения ускорения свободного падения // Современные научные исследования и инновации. 2014. №3-URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/03/31639.
Дата обращения: 09.03.2015.
Образовательная робототехника-URL: http://robot.edu54.ru/constructors/50. Дата обращения: 12.03.2015.
Демидова О.А. Использование леготехнологий на уроках физики. Принцип обучения: "шаг за шагом" ("step by step ") - URL:
http://www.prodlenka.org/metodicheskaia-biblioteka/viewlink/95952.html. Дата обращения: 01.04.2015.