Использование робототехники в преподавании физики

Автор: Гизатуллин Ильнур Хатипович

МОБУ "СОШ № 1", с. Бакалы, Бакалинский район Республики Башкортостан

Введение.

Интеграция робототехнической деятельности в учебную программу по физике предоставляет широкие возможности для вовлечения учащихся в науку о реальном мире и помогает им развивать концептуальное понимание принципов физики в процессе исследования, анализа данных, инженерного проектирования и конструирования. Кроме того, ученики становятся более уверенными и развивают лучшие навыки решения проблем и командной работы. В этой статье мы описываем успешное использование LEGO в разработке робототехнических мероприятий для преподавания физики в старших классах. Ученики разрабатывают и проводят новые научные исследования с помощью набора инструментов, который помогает им достичь высокой воспроизводимости в своих экспериментальных проектах. Несколько примеров проектов, которые используют LEGO MINDSTORMS представлены.

Физика с робототехникой.

Исходя из опыта, школьникам трудно учиться ради обучения, особенно в классах физики. Ученики проявляют большой энтузиазм и причастность, когда у них есть прикладная, реальная задача, такая как техническая проблема, которую нужно решить, или новое научное исследование, которое нужно выполнить. Позволяя им решать проблемы там, где ответа еще нет на листе ответов, они учатся уверенности в себе, решают проблемы, работают в команде и лучше понимают основные концепции. Инженерные проблемы, основанные на реальных ситуациях, дают школьникам веские основания для изучения нового материала и мощную образовательную среду, которая дает им возможность перенести свои знания в новые ситуации. Использование инженерных задач также помогает сосредоточить внимание учеников на процессе, а также на конечном результате.

Новые научные исследования предоставляют школьникам возможность создавать гипотезы, строить эксперименты, генерировать модели для представления результатов, делать выводы и сообщать их результаты. Все эти навыки необходимы для изучения и могут быть такими же полезными для учащихся, как и сам контент. Робототехника дает школьникам возможность представлять свои идеи по-разному и использовать трехмерные модели (роботы) для контекстуализации своего обучения и помочь им донести свои идеи и понимание. Когда школьники изучают новый материал, мастерство приходит, когда они могут представлять свои идеи различными способами, такими как письмо, математика, конструирование и словесные дебаты.

Хорошо продуманные действия с использованием робототехники дают школьникам богатые возможности писать о своих идеях; использовать математические инструменты и представлять свои результаты с помощью математических моделей; создавать 3D-модели, которые воплощают их идеи и решения; и участвовать в устных дебатах, поскольку они работают над робототехническими проблемами проектирования и научными исследованиями.

В своей книге «Обеспечение полного обучения» Дэвид Перкинс обсуждает важность ознакомления учеников с «целой игрой», а не с отдельными частями дисциплины. Чтобы учесть сложность предмета, роль преподавателя состоит в том, чтобы создать точки входа для учащихся, соответствующие их прогрессу в обучении. Добавление занятий по робототехнике в классы по естественным наукам дает учащимся возможность играть в «целую игру» и заниматься наукой в ​​реальном мире посредством проектирования, конструирования и тестирования собственных экспериментов. Они проводят новые научные исследования с помощью набора инструментов, который помогает им достичь высокого уровня точности в своих измерениях и воспроизводимости в своих экспериментальных проектах.

Существует множество таких наборов инструментов, но мы сосредоточимся на LEGO комплектах, потому что они обеспечивает учеников и учителя с большим количеством проектных возможностей без существенных ограничений оборудования. Кроме того, многие учащиеся знакомы с LEGO, их модульная конструкция позволяет использовать несколько решений для данного задания, а датчики и двигатели, совместимые с LEGO MINDSTORMS, позволяют учащимся старших классов по физике участвовать в самых разнообразных инженерных и научных мероприятиях.

Например, учащиеся могут изучить пределы звукового датчика при разработке лучшей защиты ушей, исследовать явления отражения и интенсивности света с помощью световых датчиков, поэкспериментировать с силами магнитного поля, чтобы создать навигационную систему, и сконструировать передаточные числа при проектировании автомобиля.  Что является фундаментальным для этой робототехнической деятельности и делает ее богатым опытом обучения, так это синтез между научными исследованиями и инженерным проектированием, синтез, который устраняет разрыв между «концепциями и навыками физики, и практическим использованием этих навыков школьниками».

Примеры деятельности.

Ниже приведены примеры проектов, в которых LEGO MINDSTORMS используются в школьных программах. Для каждого примера мы представим обзор проекта и цели обучения.

Скорость тестирования против ускорения Drag Cars.

Ученики работают в команде, чтобы выяснить, что является более важным в гонке за лидером - скорость или ускорение. После итерации проекта / сборки, учащиеся используют датчик вращения для измерения расстояния, скорости и ускорения своего автомобиля. Они загружают, просматривают и анализируют графики движения с помощью функции регистрации данных программы LabVIEW ™. Цели обучения для этого проекта:

• Опишите движение с точки зрения скорости и ускорения.

• Сравните различные факторы, которые могут повлиять на скорость и ускорение объекта, включая мощность, время движения, передаточное число и размер колеса.

• Использовать научный эксперимент для описания процесса проектирования с целью максимизации ускорения и скорости.

Простые гармонические колебания.

В этом эксперименте учащиеся используют микроконтроллер LEGO и ультразвуковой датчик, чтобы исследовать изменение вертикального движения колеблющейся пружины. Расчеты амплитуды и периода могут быть сделаны с использованием данных из результирующего графика.

Целью обучения для этого проекта является:

• Изучите периодическое движение и характеристики графика смещения, который представляет простое гармоническое движение.

Десятисекундный таймер.

В этом проекте учащиеся будут использовать свое понимание простого гармонического движения для разработки механического 10-секундного таймера, который использует часы на основе внешнего маятника. Учащиеся работают в командах над созданием пакета маятника и датчика для подсчета колебаний. Их система будет успешной, если она отметит 10 секунд с аудио и / или визуальным отображением.

Цели обучения для этого проекта:

• Использовать идеализированную систему (простой маятник), чтобы предсказывать период физического маятника.

• Применение прогнозируемых характеристик физического маятника в процессе технического проектирования механического таймера.

•  Использование датчиков MINDSTORMS для измерения производительности системы и сравнения с откалиброванным таймером, таким как часы.

Шумоподавление микрофона.

В этом упражнении ученики исследуют звуковые волны. В частности, они используют звуковой датчик LEGO для исследования интенсивности звуковой волны, проводя эксперименты по исследованию переменных, которые влияют на измерение громкости звуковой волны. Например, изучают такие переменные, как расстояние между источником звука и микрофоном, направление и форма звуковой волны (аппроксимированные конусом или сферой), частотная характеристика микрофона MINDSTORMS и проводимость звука через различные среды. Наконец, они разрабатывают лучшую защиту «ушей» для звукового датчика, беря то, что они изучили в ходе научных исследований, и применяя его к проблеме технического проектирования.

Цели обучения для этого проекта:

• Опишите звуковые волны с точки зрения передачи энергии

•  Измерьте громкость звуковой волны и соотнесите это измерение с амплитудой, энергией, мощностью и интенсивностью волны.

• Создайте эксперимент, который исследует, какие переменные влияют на измеренную громкость звуковой волны.

•  Инженерная защита слуха, которая снижает уровень звука, измеряемый микрофоном.

Заключение.

Использование робототехнических мероприятий LEGO MINDSTORMS для преподавания концепций физики создает эффективную среду обучения для разработки концептуальных знаний в процессе проектирования, конструирования и экспериментального тестирования. В этой статье я описал несколько упражнений, нацеленных на темы скорости, ускорения, простого гармонического движения и звуковых волн. Я обнаружил, что эти эксперименты обеспечивают мощную образовательную основу, объединяя научные исследования и инженерные разработки, где школьники не только изучают концепции и навыки физики, но и применяют свои знания на практике. Ученики имеют возможность развивать свои навыки командной работы и общения и стать более независимыми и уверенными в себе.

Список литературы:

1. Минкин А.В. Использование Lego Mindstorms для измерения ускорения свободного падения // Современные научные исследования и инновации. 2014. №3.

2. Демидова О.А. Использование леготехнологий на уроках физики. Принцип обучения: "шаг за шагом" ("step by step ").