Робототехника в лабораторных работах по физике

Робототехника в физике, математике, информатике

Робототехника все чаще применяется в предметах естественно-математического цикла. К ним относятся математика, информатика, физика, химия, биология. Возможно применение элементов робототехники для проведения лабораторных работ и экспериментов по физике. Это позволяет сделать занятия более наглядными и интересными.

Робототехника является универсальным инструментом для обучения.

Она гармонично сочетается и с дополнительным образованием, и для внеурочной деятельности, для обучения предметам школьной программы. При этом полностью выполняются требования ФГОС. Робототехника подходит для всех возрастов — от дошкольников до профессионального образования.

Проведение занятий с применением робототехнических конструкторов является обучением в процессе игры и в то же время техническим творчеством. Это позволяет воспитать активных, заинтересованных своим делом, самостоятельных людей.

Использование робототехники как инновационной методики на занятиях в обычных школах, в детских садах, учреждениях дополнительного образования дают возможность равного доступа детей всех социальных слоев к новейшим образовательным технологиям.

Образовательная робототехника предоставляет шанс на раннем этапе выявить техническую предрасположенность учащихся и совершенствовать их в этом направлении.

Где применяется робототехника

Робототехнику можно применять во всех видах образования:

• в начальном
• в основном общем образовании
• в среднем (полном) общем образовании
• в начальном профессиональном образовании
• в специальном (коррекционном) обучении

Необходимо создать такие условия для обучающихся, при которых формируется интерес к инженерной и информационной отраслям. Очевидно, что робототехника должна интегрироваться в основную образовательную программу как дисциплина дополнительного образования.

Она не связана с учебными предметами напрямую, но у нее есть свой набор задач, позволяющий развивать творческое мышление и обеспечить опережающее обучение.

Возможности применения робототехники на лабораторных работах по физике

В настоящее время существует множество робототехнических наборов Lego, Arduino, Tetrix, Vex и другие, в которых есть большое количество датчиков. Это датчики света и освещенности, ультразвуковые датчики, инфракрасные датчики, датчики температуры, гироскопические датчики и многие другие.

При помощи каждого из этих датчиков можно проводить физические эксперименты. Есть три основных варианта применения робототехники Лего в физике и лабораторных работах

1.Физические эксперименты

Наиболее полным и простым решением является применение решений робототехники Lego для выполнения лабораторных работ по физике. На официальном сайте Лего существует часть «Физические эксперименты» с использованием базового набора Lego EV3. Это 14 экспериментальных проектов, где можно изучать различные области физики.

К ним относятся:

1. виды работы и энергии
2. термодинамика
3. механика и оптика

Дается учебный план занятий. Проведение экспериментов рассчитаны на занятия 45 или 90 минут. В это время также входит обязательная теоретическая составляющая урока. В экспериментах применены модели Lego EV3 в которых не требуется большое количества времени для сборки конструкции и последующего программирования.

Какое оборудование и материалы нужно использовать

Комплект заданий «Физические эксперименты EV3» применяется для работы с базовым набором Lego EV3 и его программным обеспечением.

Также необходим набор «Возобновляемые источники энергии».

Для каждого базового набора EV3 требуется один набор и один датчик температуры NXT. Программное обеспечение можно бесплатно скачать на официальном сайте Лего. После установки на компьютер по приведенным схемам собирается роботизированная платформа по интересующей теме.

Есть объяснение темы, рабочая программа для загрузки, рекомендации по использованию модели, непосредственно сам опыт с измерениями, анализ, выводы и т.д. Все шаги можно документировать непосредственно в среде программирования LabVIEW.

Всего существует на данный момент 4 темы:

1.      Энергия
2.      Сила и движение
3.      Свет
4.      Теплота и температура

Также есть много информации для изучения в виде PDF файлов.

2. Применение блока Lego EV3 и встроенного приложения

Вторым методом является проведение эксперимента с использованием только блока EV3, датчиков и моторов, не прибегая к среде программирования с использованием компьютера. Непосредственно на самом блоке есть встроенная среда программирования, где можно проводить эксперименты и документировать результаты.

Модуль EV3 поставляется с простым в использовании приложением для документирования данных. Это приложение установлено непосредственно на модуле. Открывая это приложение слева можно увидеть область графика.

Подключив к модулю EV3 датчик можно увидеть на графике текущие показания датчика. Если подключить мотор, то это будут показания, поступающие с энкодера (встроенного датчика вращения).

С правой стороны от графика будут отображены значения (начиная сверху):

• текущее показание
• самое высокое показание
• самое низкое показание и среднее показание

Длительность проведения эксперимента будет отображаться, только когда выполняется эксперимент. Более подробно все шаги по настройке и проведению эксперимента описаны в руководстве пользователя, которое также встроено в среду программирования Лего.

3.Применение среды программирования Lego EV3

Третий метод проведения экспериментов использует создание эксперимента в среде программирования Lego EV3. Для этого нужно соединить блок Lego EV3 с компьютером, к блоку подсоединить интересующие нас датчики для измерений. После этого указываем время проведения эксперимента, частоту регистрации данных.

Затем нужно настроить датчики по:

•        Типу
•        Режиму
•        Порту

Также можно выбрать цвет линии для графика. Всего можно к блоку EV3 подключить четыре сервомотора (к портам A, B, C, D) и четыре датчика (к портам 1, 2, 3, 4). У моторов можно измерять параметры вращения, у датчиков параметры цвета, освещенности, температуры и т.д.

Если блок Lego EV3 включен, произведено соединение с компьютером и открыта страница аппаратного обеспечения, то параметры датчиков будут автоматически определены.

Также большое количество экспериментов можно произвести с применением контроллера Ардуно. Для этого типа контроллеров также существует большое количество датчиков. Но программирование происходит на языке C++ и, как правило, это текстовое программирование.

Программирование в среде Lego EV3 является визуальным с использованием пиктограмм. Поэтому оно более простое для понимания. Также присутствуют встроенные приложения с готовыми программами и справками. Поэтому можно быстро приступить к проведению различных экспериментов.

Применение элементов робототехники значительно наращивает и раздвигает возможности для выполнения лабораторных работ по физике.

Интегрированный урок физика + робототехника