Дополнительная образовательная программа кружка «Робототехника»

Муниципальное общеобразовательное учреждение
«Гимназия № 6» г. Воркуты
Утверждаю
Директор МОУ «Гимназия № 6» г. Воркуты
_____________ Н. В. Хмарук «___» ________ 20__ г.
Утверждаю
Директор МОУ «Гимназия № 6» г. Воркуты
_____________ Н. В. Хмарук «___» ________ 20__ г.

Дополнительная образовательная программа кружка
«Робототехника»
Направленность: естественнонаучная
Срок реализации программы: 1 год
Возраст детей: 12-13 лет
Составитель: Янактаев Е. В.

г. Воркута
2015

Пояснительная записка«Уже в школе дети должны получить возможность раскрыть свои способности, подготовиться к жизни в высокотехнологичном конкурентном мире»
Д. А. Медведев
Робототехника является одним из важнейших направлений научно-технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта.
За последние годы успехи в робототехнике и автоматизированных системах изменили личную и деловую сферы нашей жизни. Роботы широко используются в транспорте, в исследованиях Земли и космоса, в хирургии, в военной промышленности, при проведении лабораторных исследований, в сфере безопасности, в массовом производстве промышленных товаров и товаров народного потребления. Многие устройства, принимающие решения на основе полученных от сенсоров данных, тоже можно считать роботами — таковы, например, лифты, без которых уже немыслима наша жизнь.
По данным Международной федерации робототехники к 2025 году оборот робототехнической отрасли составит более 66 млрд. долларов. В новостях нас практически ежедневно знакомят с различными роботизированными устройствами в домашнем секторе, в медицине, в общественном секторе и на производстве. Робототехника - это сегодняшние и будущие инвестиции и, как следствие, новые рабочие места.
Наше время требует нового человека - исследователя проблем, а не простого исполнителя. Сегодня и завтра обществу ценен человек-творец. Поэтому задача школы дать ребёнку возможность не только получить готовое, но и открывать что-то самостоятельно; помочь ребёнку построить научную картину мира.
Первоочередной социальный заказ в сфере образования в целом: стране не хватает инженеров. Необходимо активно начинать популяризацию профессии инженера уже в средней школе. Детям нужны образцы для подражания в области инженерной деятельности, чтобы пробудить в них интерес и позволить ощутить волшебство в работе инженера, а робототехника является популярным и эффективным методом для изучения важных областей науки, технологии, конструирования и математики. Это естественно, молодое поколение упорно тянет к компьютеру, не столько как к средству развлечений, но и уже как средству профессиональной работы. Для решения поставленной социальной задачи в рамках средней школы необходим «комбинированный» вариант обучения, в котором виртуальная реальность и действительность будут тесно переплетены. Создавая и программируя различные управляемые устройства, ученики получают знания о техниках, которые используются в настоящем мире науки, конструирования и дизайна. Они разрабатывают, строят и программируют полностью функциональные модели, учатся вести себя как молодые ученые, проводя простые исследования, просчитывая и изменяя поведение, записывая и представляя свои результаты.
Общепризнанно, что ученик должен быть активным участником учебного процесса. Это становится возможным, если создана учебная среда, побуждающая ученика взаимодействовать и общаться в ходе решения различных задач с учителем, изучаемым материалом и другими учениками. Обучающий комплекс по робототехнике позволяет сделать это. С простого запоминания фактов и правил и последующего исполнения рутинных инструкций акцент переносится на способность отыскивать факты, предполагать еще не имеющие прецедента возможности, понимать и изобретать правила, ставить перед собой разнообразные задачи, самостоятельно планировать и выстраивать исполнительные действия. На уровне общей идеи - это попытка создать целостную картину рукотворного мира от момента зарождения идеи, потребности человека в каких-то объектах - материальных, энергетических, информационных - до рождения ее на свет, т. е. знакомство с процессом проектирования на практике и в теории.
Общая характеристика программы
Программа рассчитана на 1 год обучения на 70 учебных часов для учащихся 6-7 классов. Программа базируется на официальном курсе компании Lego Education. В основу программы положено моделирование роботов, как прогрессивного, наглядного и одновременно практически полезного раздела - робототехники, вобравшего в себя ее передовые достижения. В программе освещены темы, интересные учащимся как теоретически, так и для самостоятельного конструирования и моделирования разнообразных роботов.
Одновременно рассматриваются принципиальные теоретические положения, лежащие в основе работы ведущих групп робототехнических систем. Такой подход предполагает сознательное и творческое усвоение закономерностей робототехники, с возможностью, их реализации в быстро меняющихся условиях, а также в продуктивном использовании в практической и опытно-конструкторской деятельности.
В процессе теоретического обучения воспитанники знакомятся с назначением, структурой и устройством роботов, с технологическими основами сборки и монтажа, основами вычислительной техники, средствами отображения информации. Программа содержит сведения по истории современной электроники, информатики и робототехники, о ведущих ученых и инженерах в этой области и их открытиях с целью воспитания интереса учащихся к профессиональной деятельности, направлениям развития и перспективам робототехники.
Программа включает проведение практикума начинающего робототехника, включающего проведение лабораторно-практических, исследовательских работ и прикладного программирования. В ходе специальных заданий воспитанники приобретают обще-трудовые, специальные и профессиональные умения и навыки по сборке готовых роботов, их программированию, закрепляемые в процессе разработки проекта. Содержание практических работ и виды проектов могут уточняться, в зависимости от наклонностей учащихся, наличия материалов, средств и др.
Учебные занятия предусматривают особое внимание соблюдению учащимися правил безопасности труда, противопожарных мероприятий, выполнению экологических требований.
Содержание программы реализуется во взаимосвязи с предметами школьного цикла. Теоретические и практические знания по робототехнике значительно углубят знания учащихся по ряду разделов физики (статика и динамика, электрика и электроника, оптика), черчению (включая основы технического дизайна), математике и информатике.
Курс «Робототехника» является базовым и не предполагает наличия у обучаемых навыков в области робототехники и программирования. Уровень подготовки учащихся может быть разным.
Содержание и структура кружка «Робототехника» направлены на формирование устойчивых представлений о робототехнических устройствах как едином изделии определенного функционального назначения и с определенными техническими характеристиками, а также на развитие исследовательских качеств личности.

Итоги изученных тем подводятся созданием учениками собственных автоматизированных моделей, с написанием программ, используемых в своих проектах, и защитой этих проектов.
Цель: научить использовать средства информационных технологий, чтобы проводить исследования и решать задачи в межпредметной деятельности.
Задачи:
активизация познавательной деятельности школьников и стимулирование творческой изобретательности;
развитие умения излагать мысли в четкой логической последовательности, отстаивать свою точку зрения, анализировать ситуацию и самостоятельно находить ответы на вопросы путем логических рассуждений;
ранняя ориентация на инновационные технологии и методы организации практической деятельности в сферах общей кибернетики и роботостроения;
усвоение основ программирования, получить умения составления алгоритмов;
формирование умений использовать системы регистрации сигналов датчиков, понимание принципов обратной связи;
проектирование роботов и программирование их действий;
стимулирование желания к практическому применению теоретических знаний по физике и программированию, а также техническому английскому языку;
через создание собственных проектов прослеживать пользу применения роботов в реальной жизни;
способствовать формированию умения достаточно самостоятельно решать технические задачи в процессе конструирования моделей ;расширение области знаний о профессиях;
приобретение навыков коллективного и конкурентного труда
Условия реализации программы
Оборудование:
набор для изучения робототехники LEGO Mindstorms EV3 версии 45544 - 8 шт.;
программное обеспечение LEGO Mindstorms EV3 (групповая лицензия)
персональный компьютер - 10 шт.;
лазерный принтер - 1 шт.;
мультимедиа проектор - 1 шт.
Официальные документы и материалы, с учетом которых составлена программа
Закон РФ «Об образовании».
Послание президента РФ Федеральному Собранию РФ (2006 г.).
Письмо Минобрнауки России от 11.12.2006 г. № 06-1844 «О примерных требованиях к программам дополнительного образования детей».
Программа выявления и продвижения перспективных кадров для высокотехнологичных отраслей «Робототехника: инженерно-технические кадры инновационной России».
Ожидаемые результаты обучения учащихся
Учащиеся, войдя в занимательный мир роботов, погружаются в сложную среду информационных технологий, позволяющих роботам выполнять широчайший круг функций. Данный курс призван решить следующие образовательные и развивающие задачи.
Учащиеся должны знатьправила техники безопасной работы с механическими устройствами;
основные компоненты роботизированных программно-управляемых устройств;
конструктивные особенности различных моделей, сооружений и механизмов;
компьютерную среду визуального программирования роботов;
компьютерную среду визуального 3D моделирования Lego Digital Designer;
виды подвижных и неподвижных соединений в конструкторе;
основные приемы конструирования роботов и управляемых устройств;
Учащиеся должны уметьдемонстрировать технические возможности роботов;
конструктивные особенности различных роботов;
самостоятельно решать технические задачи в процессе конструирования роботов (планирование предстоящих действий, самоконтроль, применять полученные знания, приемы и опыт конструирования с использованием специальных элементов, и других объектов и т.д.);
создавать реально действующие модели роботов при помощи специальных элементов по разработанной схеме, по собственному замыслу;
создавать программы на компьютере для различных роботизированных устройств, корректировать программы при необходимости;
работать с литературой, с журналами, с каталогами, в Интернете (изучать и обрабатывать информацию);
создавать действующие модели роботов на основе конструктора Lego Mindstorms.
Поурочное планирование
№ Тема Кол-во часов
1 Роботы. Сборочный конвейнер. Робототехника и её законы.
Что такое робот. Робот Mindstorms EV3. Правила работы. Сборочный конвейер. Проект «Валли». Культура производства. Робототехника и ее законы. Передовые направления в робототехнике. Программа для управления роботом. Графический интерфейс пользователя. Проект «Незнайка». Первые ошибки. Как выполнять несколько дел одновременно. Параллельное программирование. 2
2 Искусственный интеллект. Проект «Первые исследования»
Тест Тьюринга и премия Лёбнера. Искусственный интеллект. Интеллектуальные роботы. Справочные системы. Исполнительное устройство. Блок «Движение» 2
3 Эмоциональный робот. Проект «Встреча». Конкурентная разведка. Проект «Разминирование».
Роботы и эмоции. Проявление эмоций. Эмоциональный робот. Блок «Экран». Блок «Звук». Проект «Встреча». Конкурентная разведка. Блок «Ожидание». Проект «Разминирование» 2
4 Имитация. Роботы симуляторы. Свойства алгоритма. Проект «Выпускник»
Имитация. Роботы-симуляторы. Алгоритм и композиция. Свойства алгоритма. Система команд исполнителя. Проект «Выпускник» 2
5 Звуковые имитации. Проект «Послание». Космические исследования. Проект «Первый спутник».
Звуковые имитации. Звуковой редактор и конвертер. Проект «послание». Проект «Пароль и отзыв». Космонавтика. Роботы в космосе. Проект «Первый спутник». Проект «Живой груз». Исследования Луны. Гравитационный маневр. Проект «Обратная сторона Луны» 2
6 Концепт-кары. Кольцевые автогонки. Проблема парковки в мегаполисе. Проект «Парковка»
Концепт-кары. Что такое концепт-кар? Минимальный радиус поворота. Как может поворачивать робот EV3. Настройки блока «Движение» для поворотов. Кольцевые автогонки. Парковка в городе. Плотность автомобильного парка. Проблема парковки в мегаполисе. Проект «Парковка» 2
7 Сервопривод. Тахометр. Проект «Тахометр».
Моторы для роботов. Сервопривод. Тахометр. Проект «Тахометр» 2
8 Модели и моделирование. Цифровой дизайнер. 3D модель.
Компьютерное моделирование. Модели и моделирование. Lego Digital Designer. Первая 3D модель. Трехмерное моделирование 2
9 Вложенные циклы. Вспомогательные алгоритмы. Проект «Правильный тахометр»
Вложенные циклы. Вспомогательные алгоритмы. Блок вспомогательного алгоритма «Мой блок». Создание персонального блока команд. Проект «Правильный тахометр» 2
10 Многоугольники и пропорции. Как замостить поверхность. Проект «Пентагон».
Правильные многоугольники. Углы правильных многоугольников. Метод пропорции. Проект «Квадрат». Как замостить поверхность правильными многоугольниками. Проект «Пентагон». Проект «Пчеловод». 2
11 Органы чувств робота. Датчик звука. Проект «Инстинкт самосохранения».
Чувственное познание. Органы чувств робота. Датчики и сенсоры. Датчик 2звука. Проект «На старт, внимание, марш!». Проект «Инстинкт с2амосохранения». Проект «Автоответчик». 2
12 Как измерить звук. Децибелы. Проект «Измерение уровня шума».
Все в мире относительно. Шкалы. Как измерить звук. Децибелы. Проект «Измеритель уровня шума». Конкатенация. 2
13 Военные роботы. Проект «Система акустической разведки».
Военные роботы. Новинки вооружений. Проект «Система акустической разведки». Передача информации. Коммуникация 2
14 Описание процессов. Наблюдение процессов во времени. Проект «Домашний шумомер».
Описание процессов. ВПК и конверсия. Наблюдение процессов во времени. Координаты на плоскости и на экране. Проект «Домашний шумомер» 2
15 Безопасность дорожного движения. Датчик освещенности. Проект «Дневной автомобиль».
Безопасность дорожного движения. Третье воскресенье ноября. Решаем проблему. Датчик освещенности (цвета поверхности). Проект «Дневной автомобиль». Потребительские свойства товара. 2
16 Альтернатива. Ветвление. Проект «Безопасный автомобиль».
Альтернатива и ветвление. Проекты «Безопасный автомобиль», «Трехскоростное авто», «Ночная молния». 2
17 Фотометрия. 1 люкс. Проект «Измеритель освещенности» 1 люкс.
Оптика и фотометрия. Разные шкалы измерений: опять «попугаи». Режим дня. Проект «Режим дня». Проект «Измеритель освещенности». 2
18 Нажми на кнопку! Тактильные ощущения. Проект «Перерыв 15 минут»
Тактильные ощущения. Как измерить тактильные ощущения? Датчики касания. Схема работы датчика касания. Способы использования датчиков: снятие показаний, ожидание значений, условия выхода из цикла, выбор действий. Проект «Система автоматического контроля дверей». Рабочий график и простои. Проект «Перерыв 15 минут». Счетчик нажатий. Проект «Кто не работает – тот не ест!». 2
19 Сложные проекты. Проект «Система газ-тормоз»
Как работать над проектом. Планирование, анализ, проверка, обобщение. Сложные проекты. Проект «Система газ- тормоз». Анализ и исправление (улучшение) результатов проекта. 2
20 Системы перевода.
Язык «Человек-компьютер». Транслит. Компьютерные переводчики. Словари. Системы машинного перевода. Интернет-переводчики. Сравнение интернет-переводчиков. Критерии оценивания компьютерных переводчиков. 2
21 Научный метод познания. Определяем цвет поверхности.
Цвет в жизни человека. Как роботу определить цвет. Датчик определения цвета поверхности. Принцип работы датчика. Определяем цвет поверхности. Эксперимент. Научный метод познания. Изменение направления датчика освещенности. Научный метод в исследовании. 2
22 Симфония цвета.
Частота колебаний. Частота звука. 1Гц. Инфразвук, звук, ультразвук. Сабвуфер. Проект «Симфония цвета». Соответствие нот и звуковых частот. 2
23 Число «Пи». Проект «Робот калькулятор»
Окружность, радиус, диаметр. Проблемы округления. Диаметр колеса: какие данные использовать при расчетах и прогнозировании. Эксперимент «Ищем взаимосвязь величин». Разброс в показаниях. Почему экспериментальные данные отличаются от теоретических. История числа «Пи». Проект «Робот калькулятор». 2
24 Измеряем расстояние. Проект «Одометр».
Измеряем расстояние. Курвиметр и одометр. Математическая модель одометра. Робот-одометр. Проект «Одометр». Калибровкаробота-одометра. Модель курвиметра. Цифровой курвиметр. 2
25 Время. Проект «Секундомеры»
Секунда. Эфемеридная секунда. Атомная секунда. Время. Таймер. Блок «Таймер». Вывод значения таймера на экран. Проект «Секундомеры». 2
26 Системы спортивного хронометража. Проект «Стартовая калитка.
Компьютерный хронометраж. Системы спортивного хронометража. Стартовая калитка. Проект «Секундомер- вредитель». Проект «Стартовая калитка». Проект «Самый простой хронограф». 2
27 Скорость. Проект «Спидометр».
Скорость. Спидометр. Цифровой спидометр.
Математическая модель цифрового спидометра. Измеряем скорость движения робота. Скорость равномерного движения. Скорость неравномерного движения. Средняя скорость. Проект «Спидометр». Зависимость скорости от мощности мотора. 2
28 Бионика. Проект «Соблюдение дистанции на транспорте»
Бионика. Биологическая, теоретическая и техническая бионика. Эйфелева башня. Кевлар. Датчик определения расстояния. Ультразвуковой датчик. Схема работы ультразвукового датчика. Измеряем расстояние до объекта. Проект «Робот-прилипала». Проект «Соблюдение дистанции на транспорте». Проект «Охранная система». 2
29 Изобретательство. Проект «Терменвокс»
Терменвокс.Проект «Терменвокс». Проект «Умный дом» 2
30 Системы подсчета посетителей.
Подсчет посетителей. Системы подсчета. Экономическая эффективность. Переменные. Типы переменных. Проект «Создаем переменную». Проект «Считаем посетителей». Проект «Счастливый посетитель». Проект «Проход через турнике»т. 2
31 Программный продукт. Проект «Управление электромобилем».
Как из программы сделать программный продукт? Требования к программному продукту. Свойства математических действий. Вспомогательная переменная. Блок «Сравнение». Проект «Управление электромобилем». Баги. Поиск багов. 2
32 Кодирование. Проект «Телеграф».
Азбука Морзе. Российский телеграф. Проект «Телеграф». Код и кодирование. Графы и деревья. Дерево для кода Морзе. Борьба с ошибками при передаче. Избыточный код. 2
33 Механические передачи. Проект «Мгновенная скорость».
Зубчатые передачи. Повышающая и понижающая передачи. Проект «Передаточные отношения». Математическая модель одометра для робота с коробкой переключения передач. Проект «Мгновенная скорость». 2
34 Импровизация. Проект «Конкурс танцев»
Импровизация и робот. Случайные числа. Блок «Случайное число». Проект «Игра в кости». Проект «Конкурс танцев». Множественный выбор. Проект «Робот говорит выпавшее число». 2
35 Разработка собственных проектов. Защита проектов. 2
Литература для учащихся
Руководство пользователя ПервоРобот EV3 Lego mindstorms education.
Сайт разработчиков конструктора ПервоРобот EV3 Lego mindstorms education [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.mindstorms.suЛитература для педагога
Руководство пользователя ПервоРобот EV3 Lego mindstorms education.
Сайт разработчиков конструктора ПервоРобот EV3 Lego mindstorms education [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.mindstorms.suКопосов Д.Г., Первый шаг в робототехнику: практикум для 5-6 классов / Д.Г.Копосов -М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014 - 286 с.
Копосов Д.Г., Первый шаг в робототехнику: рабочая тетрадь для 5-6 классов / Д.Г.Копосов - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014 - 87 с.