CC BY
27РОБОТОТЕХНИКА В ПРЕДМЕТНОМ ОБУЧЕНИИ И ДОПОЛНИТЕЛЬНОМ ОБРАЗОВАНИИ
УДК 53 (07): 62
А.Д. Терехин
РОБОТИЗИРОВАННЫЙ ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ КАК ОБЪЕКТ ПРОЕКТНОЙ ВНЕУРОЧНОЙ ДЕТЕЛЬНОСТИ УЧАЩИХСЯ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ
Обсуждаются вопросы применения наборов по образовательной робототехнике на учебных занятиях по физике, а также во внеурочной деятельности по предмету. Рассматривается возможность включения учащихся в деятельность по проектированию и созданию роботизированных установок для демонстрационного и лабораторного экспериментов по физике. В качестве примера раскрыты особенности проектирования школьниками роботизированной установки по изучению стробоскопического эффекта. Дано описание процесса создания данной установки, приведены примеры управляющих программ.
Ключевые слова: обучение физике, политехническая направленность обучения, образовательная робототехника, робототехника в учебном физическом эксперименте, предметные учебные проекты по робототехнике, техническое творчество, аппаратная платформа Агёшпо.
Демонстрационный эксперимент относится к иллюстративным методам обучения. Главное действующее лицо в применении данного метода - учитель, который проводит демонстрацию опыта и организует учебную работу школьников по его изучению. Эксперимент этого вида направлен на ознакомление учащихся с каким-либо физическим явлением и методом его изучения. Это не только источник новых знаний, но и важное средство формирования у учащихся интереса к изучению физики.
В ходе учебных демонстраций школьники не работают с приборами, но при этом могут привлекаться учителем к их подготовке. С появлением в школах наборов по образовательной робототехнике стало возможным организовывать работу учащихся по подготовке к учебным занятиям по физике роботизированных физических демонстрационных экспериментов. Демонстрационный физический эксперимент на РТ-установках, собранных силами самих учеников, обеспечивает синтез их знаний и умений в области физики, робототехники, информатики и 3Б-моделирования. Преимущество таких экспериментов состоит в том, что они одновременно могут быть как демонстрационными,так и лабораторными.
В данной статье обсуждаются возможности применения набора по образовательной робототехнике Агёшпо при подготовке экспериментальных демонстрационных установок для лабораторных работ физического практикума. Работа с такими установками помогает учащимся не только повторить учебный материал по физике, но и приобрести знания политехнического содержания,
© Терехин А.Д., 2019
в частности, осознать общую структуру робототехнического устройства, изучить состав и назначение его базовых систем, осмыслить физические основы их работы и взаимодействия. При самостоятельном проектировании и создании таких установок у учащихся формируются умения применения знаний по физике в решении конкретных практических задач, а также умения и навыки в области технического творчества и программирования.
Роль проектной работы учащихся в области робототехники при изучении курса физики раскрыта в публикациях [1, 2, 4, 5, 6, 7, 9, 10]. Рассмотрим содержание такой работы на примере создания учащимися демонстрационной установки для изучения стробоскопического эффекта (рис. 1).
Рис. 1. Установка для изучения стробоскопического эффекта
Стробоскопический эффект - это один из видов оптических иллюзий, заключающийся в слиянии в сознании зрителя в один образ отдельных изображений неподвижного или движущегося предмета, наблюдаемых не непрерывно, а в течение ряда коротких и периодически следующих друг за другом интервалов времени. Стробоскопический эффект возникает, например, при периодических вспышках света в темном помещении или при периодическом открывании и закрывании вращающимся диском с прорезями проецируемой на экран картины. Стробоскопический эффект обусловлен так называемой инерцией зрения, т.е. сохранением в сознании наблюдателя зрительного образа в течение 0,1-0,2 секунды уже после того, как картина, вызвавшая этот образ, исчезнет. Если время между последовательными наблюдениями предмета меньше 0,1-0,2 секунды, то образы, вызванные отдельно каждым актом наблюдения, сливаются и наблюдение субъективно кажется непрерывным. При таком последовательном восприятии ряда стационарных положений объекта, отличающихся некоторым изменением их формы или расположения, возникает впечатление движения объекта.
Возможны два типа стробоскопического эффекта. Первый возникает при прерывном наблюдении произвольно движущихся тел. Этот тип стробоскопического эффекта используется в кинематографе и телевидении для воспроизведения движущихся изображений. Второй тип
стробоскопического эффекта возникает при наблюдении объектов, совершающих периодическое или квазипериодическое движение. Иллюзия полной неподвижности падающих с одинаковой частотой У1 тел, например, капель воды, возникает, если частота У1 совпадает с частотой моментов наблюдений (вспышек) у2 . Падающая капля каждый раз освещается в одном и том же положении 0 и кажется неподвижной. Если же У1 и г'г не равны, но близки, то воспринимаемое кажущееся движение характеризуется частотой уг-у1. Если уг <у\, т.е. время между вспышками больше периода падения и следующая капля успевает пройти положение 0 и фиксируется вспышкой чуть ниже, при каждой следующей вспышке капля будет казаться сдвинутой немного в направлении падения последовательно в положения 1, 2, 3 и т.д., т.е. будет казаться медленно движущейся в том же направлении. Если г'г >У1, то каждая последующая вспышка будет освещать каплю, когда она еще не достигла положения 0, т.е. последовательно в положениях 1, 2, 3, и она будет казаться медленно движущейся в сторону, противоположную ее реальному движению [8].
Приборы для реализации стробоскопического эффекта второго типа называют стробоскопами. В современных стробоскопах прерывистое освещение осуществляется с помощью импульсных ламп с регулируемой частотой вспышек. Второй тип стробоскопического эффекта наблюдается при движении объекта с периодической структурой (вращающиеся диски, распределенные на сектора, колеса со спицами); его используют, например, в индикаторах угловых скоростей.
Рассмотрим порядок работы учащихся над проектом по созданию РТ-установки для демонстрации стробоскопического эффекта второго типа. Решение этой задачи включает следующие этапы: 1) проектирование электронной схемы работы установки для демонстрационного эксперимента; 2) создание прототипа установки с одной падающей каплей (рис.2); 3) разработка программы управления роботизированным демонстрационным экспериментом.
Рис.2. Вариант реализации установки с одной падающей каплей
Для сборки стробоскопа понадобятся следующие элементы: 1) микроконтроллер Arduino; 2) светодиодная лента; 3) блок питания (в данной установке удобно использовать компьютерный блок питания, позволяющий одновременно получать 12 В, необходимые для светодиодной ленты, и 5В для Arduino, с помощью понижающего AC/DC преобразователя); 4) силовой ключ (микроконтроллер, такой как Arduino, не может напрямую управлять мощной нагрузкой, его выходы обеспечивают только небольшой ток, которого недостаточно для управления светодиодной лентой); 5) потенциометр (для управления яркостью светодиодной ленты и частотой ее мерцания)
При проектировании дизайна установки было принято решение аппаратную часть установки разместить внутри корпуса, а все необходимые элементы управления и питания установить снаружи.
Важной задачей подготовки эксперимента является определение способа подачи воды в виде последовательности падающих капель. Учащимися было предложено следующее решение этой задачи. Под верхней крышкой установки был расположен небольшой резервуар с водой, который представляет собой симбиоз крышки и колесика регулятора медицинской капельницы, позволяющий изменять частоту падения капель. Крепеж для резервуара изготовлен на 3D-принтере и крепится к подшипникам, установленным на дне крышки. Это необходимо для того, чтобы при подъеме крышки резервуар не опрокидывался и не заливал аппаратную часть установки (рис.3). Отметим, что у такой схемы подачи воды есть недостатки: 1) не предусмотрен возврат воды из нижнего резервуара в верхний, поэтому проведение эксперимента возможно в течение ограниченного количества времени, после чего воду необходимо перелить обратно в верхний резервуар; 2) при уменьшении количества воды уменьшается ее давление, вследствие чего падает частота падения капель, необходимо подстраивать частоту мерцания светодиодной ленты.
Рис.3. 3Б-модель крепления
После сборки установки в единую систему учащиеся приступили к разработке управляющей программы. Программа, написанная в среде Агёшпо, называется скетч. Скетч пишется в текстовом редакторе, имеющем инструменты вырезки/вставки, поиска/замены текста. Во время сохранения и экспорта проекта в области сообщений появляются пояснения, также могут отображаться возникшие ошибки. Окно вывода текста (консоль) показывает сообщения Агёшпо, включающие полные отчеты об ошибках и другую информацию. Кнопки панели инструментов позволяют проверить и записать программу, создать, открыть и сохранить скетч. Для загрузки программ и связи среда разработки подключается к аппаратной части Агёшпо. В это время в режиме монитора порта показываются данные о частоте мерцания светодиодной ленты и степени освещенности (важно знать, что если микроконтроллер не подключен к компьютеру через
USB-кабель, то в режиме монитора порта не будет отображаться никакой информации, и будет невозможно зафиксировать данные). Пример управляющей программы приведен ниже (рис.4).
strobo_4 §
#define led_pin 2 //
#define freqjnin. 12
#define freq_maii 17
#define lt_min 1
#define lt_maii IS
#define pctenticmeter_pin AO
#define lt_pctentiometer_pin ¿1
float freq - 16.3S; float pctenticmeter_voltage = 40? float 1t_pctentiome ter_voltage = 40; float lighttime = 2;
unaigned long m3 = 0;
void setup () {
Serial .fcegin(2000000) ;| pinMode(1e d_pi n, OUT PUT J; pinMode (potenticoneter_pi:i, INPUIJ ; pinMode(1t_pc t e nt i ome te r_pi n, IHFUT)
void loop() {
// atroboacope digitEllfrite (led_pin, 1) ; delay(lighttime); digitEllfrite (led_pin, 0) ;
ma = ir.illis () ;
// read freq
pctentiometer_voltage = analogRead(potenticmeter_pin);
freq = pctentiometer_voltage / 1023 * (freq_irax - freq_min) +- freq_irin;
//Serial.println(pctenticmeter_voltage);
Serial.printIn(freqJ;
//read lighttime
lt_potentiometer_voltage = епеlagReEd(lt_potentiometer_pin);
lighttime = lt_pctentiometer_voltage / 1023 + (lt_max - lt_min) -l- lt_min
while ((ir.illi3 () - юз) < ((1500 / freq) - lighttime)) {
// do ahit
Рис.4. Пример управляющей программы
Рассмотрим базовые системы роботизированной установки для демонстрации стробоскопического эффекта [3, 6] .
1. Система исполнения. Первоначально в данной установке система исполнения отсутствовала. Была создана вторая установка, в которую был включен электрический насос. Это позволило решить проблему автоматизации эксперимента, поскольку благодаря насосу в резервуарах теперь поддерживался постоянный уровень воды.
2. Система обратной связи. Система обратной связи представлена двумя параметрическими датчиками - потенциометрами. В установке они отвечают за уровень засветки светодиодной ленты и частоту ее мерцания. Потенциометры (резисторы с регулируемым сопротивлением) используются в робототехнике как регуляторы различных параметров, например, мощности, напряжения.
3. Система управления. Отличительной особенностью установки является система управления, аппаратная часть которой представлена микроконтроллером Агёшпо. Если обратить внимание на таблицу с основными компонентами робота, то для установки по демонстрации стробоскопического эффекта она будет отличаться от той, что представлена в работах М.Г.Ершова [1, 6]. Это связано с особенностью платформы Агёшпо, а именно с отсутствием у нее своей операционной системы. Этот факт делает возможным обращаться в среде программирования напрямую ко всем управляющим элементам микроконтроллера, тем самым показывая, что при работе с системой исполнения учащиеся работают сразу не на четырех, а на пяти уровнях освоения робота.
4. Система питания. Важной частью данной установки является система питания. Установка питается от сети переменного тока с напряжением 220 В. Все электронные микроконтроллеры для более качественной обработки сигналов используют постоянный ток (так проще выявлять сигнал и его отсутствие), при этом напряжение для микроконтроллера 5В. Светодиодная лента также потребляет постоянный ток, а иначе бы она мерцала с частотой сети 50 герц. Необходимое для нее напряжение питания 12 В. Поэтому требуется решить задачу преобразования переменного тока сети в постоянный ток напряжением 5 В для Агёшпо и 12 В для светодиодной ленты.
Учебный эксперимент в известной мере соответствует научному физическому эксперименту, но полного тождества между ними нет. Научный эксперимент ставится с целью исследования природы и получения новых знаний о ней, а учебный эксперимент призван довести эти знания до учащихся. Отражая в целом структуру научного эксперимента, учебный физический эксперимент включает в себя новый элемент учебного характера - учителя, который выступает в роли руководителя учебного физического эксперимента и может влиять либо на учащихся, либо на средства исследования [1, 7, 8]. В нашем случае выбор средств исследования заключается в выборе набора по образовательной робототехники, с применением которого будет ставиться эксперимент. В случае привлечения школьников к подготовке эксперимента важно выявить тех из них, которые способны углубиться в тему исследования, разобраться со структурой эксперимента и реализовать его в роботизированном варианте. Учащимся необходимо разобраться со всеми системами робота, освоить среду программирования для слаженного функционирования всех его устройств.
Для углубленного изучения учащимися физических принципов работы РТ-установки им для решения были предложены следующие задачи.
1. В проекте используется светодиодная лента длиной 0,5 метра. Схема подключения све-тодиодов приведена на рис. 5. Потребляемый ток светодиодной ленты длиной 5 метров равен 3 А. Какой ток потребляет лента длиной 0,5 метра? (Ответ. Все элементы светодиодной ленты подключены параллельно, поэтому сумма токов, протекающих по проводникам, равна току
в неразветвленной цепи:^ = + + ^ ^ .Так как длина ленты уменьшилась в 10 раз, потребляемый ток тоже уменьшится в 10 раз, соответственно, лента будет потреблять 0,3А).
Рис. 5. Схема подключения светодиодов
2. Напряжение, необходимое для светодиодной ленты длиной 5 метров, равняется 12В. Какое напряжение необходимо для ленты длиной 0,5 метра? (Ответ. При параллельном соединении напряжения на всех концах проводников одинаковы, поэтому лента длиной 0,5 метра будет иметь напряжение 12В)
3. Потребляемая мощность светодиодной ленты длиной 5 метров равна 36 Вт. Какую мощность будет потреблять светодиодная лента длиной 0,5 метра? (Ответ. Потребляемая мощность равна произведению потребляемого тока и напряжения сети: Р = I поскольку соединение параллельно, потребляемый ток снижается в 10 раз (задача №1), соответственно, в 10 раз снизится потребляемая мощность 3,6 Вт).
Важным следствием проектной работы учащихся по созданию роботизированной установки физического эксперимента по изучению стробоскопического эффекта стало их инициативное предложение по ее усовершенствованию. Были поставлены задачи устранения программных и аппаратных недостатков установки, увеличения числа одновременно падающих капель, обеспечение возврата воды из нижнего резервуара в верхний. Все эти задачи были успешно решены. Обновленная версия установки была представлена в качестве экспоната в Парке научных развлечений г. Перми.
Рассмотренная в настоящей статье практика организации самостоятельной работы учащихся по проектированию роботизированных экспериментальных установок для физического эксперимента прошла педагогическую апробацию. Итогом такой работы стало создание учащимися под руководством учителя оригинальных роботизированных установок для школьных лабораторных экспериментов по физике. Проекты РТ-установок, разработанных учащимися школы № 135 и лицея № 4 г. Перми, были представлены в 2018 и 2019 гг. на муниципальном и региональном этапах олимпиады школьников по технологии, первенстве Пермского края по робототехнике, на краевом конкурсе «Юные техники и изобретатели Пермского края», краевой выставке «Интеллектуальные системы в науке и технике». Важным следствием такой работы является возросший интерес учащихся к техническому творчеству, осознание того, что для решения сложных технических проблем им необходимы глубокие знания физики, математики, информатики и ряда других учебных предметов.
Список цитируемых источников
1. Ершов М.Г. Робототехника как объект изучения в курсе физики средней школы // Педагогическое образование в России. - 2015. - № 3. - С. 117-125.
2. Ершов М.Г., Оспенникова Е.В. Образовательная робототехника как инструмент познания в учебном процессе по физике // Вестник Челяб. гос. пед. ун-та. - 2015. - № 4.
3. Ильин И.В., Оспенникова Е.В. Систематизация и метауровень обобщения технического знания как одно из направлений реализации принципа политехнизма в обучении физике // European Social Science Journal. - 2012. - № 3 (19). - С. 111-118.
4. Каширин Д.А., Ключникова М.В., Федорова Н.Д. Курс «Робототехника»: внеурочная деятельность»: метод. рекомендации для учителя. - Курган: ИРОСТ, 2013. - 80 с.
5. Оспенникова Е.В., Ершов М.Г. Образовательная робототехника как инновационная технология реализации политехнической направленности обучения физике в средней школе // Педагогическое образование в России. - 2015. - № 3. - С. 33-40.
6. Принцип политехнизма в обучении физике: современная интерпретация и технологии реализации в средней школе: моногр. / Е.В. Оспенникова, И.В. Ильин, М.Г. Ершов, А.А. Ос-пенников; под общ. ред. Е.В. Оспенниковой. - Пермь: Перм. кн. изд-во, 2014. - 502 с.
7. Терехин А.Д., Оспенникова Е.В. Роботизированный учебный эксперимент как средство демонстрации технических приложений физики // Вестник Перм.гос.гуманит.-пед.ун-та. - 2018. - № 14.
8. Физическая энциклопедия [Электронный ресурс]. - URL: https://dic.academic.ru/ contents.nsf/enc_physics/ (дата обращения: 23.04.2019).
9. Халамов В.Н. [и др.]. Образовательная робототехника на уроках информатики и физики в средней школе: учеб.-метод. пособие. - Челябинск: Взгляд, 2011.- 160 с.
10. Ospennikova E.V., Ershov M.G., Ilyin I.V. Educational Robotics as an Inovative Educational Technology // Procedia - Social and Behavioral Sciences. - 2015. - Vol. 214. - Р.18-26.
