рекомендации
презентация по аппликации, лепке

Введение

В современных условиях развития образования особую актуальность приобретает внедрение инновационных технологий, включая робототехнику, в учебный процесс.

LEGO Education Mindstorms EV3 — это образовательная робототехническая платформа третьего поколения (выпуск 2013 года), предназначенная для изучения программирования, конструирования и физики в средней и старшей школе. Это не просто игрушка, а полноценный инструмент, который позволяет собирать и программировать роботов, способных взаимодействовать с окружающим миром.

Целью внедрения LEGO Education Mindstorms EV3 в образовательный процесс является целенаправленное приобщение обучающихся к научно-техническому творчеству и формирование инженерно-технических компетенций через интеграцию конструирования, программирования и проектно-исследовательской деятельности.

Использование конструктора в образовательном процессе позволяет эффективно решать ряд важных задач:

1. Образовательные задачи:

- формировать систему межпредметных знаний в области физики (механика, электрика), технологии и информатики;

- обучать основам алгоритмизации и программирования на интуитивно-понятном языке (графическая среда EV3);

- формировать навыки чтения технических схем и инструкций, а также конструирования механизмов с обратной связью;

- обучать приёмам поиска, анализа и систематизации информации при работе над проектом.

2. Развивающие задачи:

- развивать критическое и системное мышление (причина-следствие: «неправильный код — неверное движение»);

- развивать мелкую моторику, пространственное воображение и конструкторские способности;

- развивать навыки планирования эксперимента и интерпретации полученных данных (работа с датчиками);

- развивать способность к переносу знаний из одной предметной области в другую (STEM-подход).

3. Воспитательные задачи:

- воспитывать культуру «проб и ошибок» — умение анализировать неудачи и искать альтернативные решения;

- воспитывать ответственность за результат командной работы;

- формировать навыки деловой коммуникации и распределения ролей в группе (инженер-конструктор, программист, тестировщик);

- воспитывать уважение к чужому интеллектуальному труду и технологической этике.

Работа с конструктором способствует повышению мотивации к изучению точных наук через игровой и соревновательный моменты; снижению уровня тревожности у обучающихся, испытывающих трудности с абстрактными математическими моделями (материализация задачи в робота); ранней профессиональной ориентации в сфере IT и инженерии.

Методические рекомендации призваны помочь педагогам эффективно выстроить структуру занятия, организовать работу в группах с учетом разного уровня подготовки учащихся, внедрить элементы формирующего оценивания, а также интегрировать LEGO Mindstorms EV3 в урочную деятельность по физике, информатике и математике. Кроме того, рекомендации направлены на формирование у учителя четких критериев оценки проектной деятельности, где успех измеряется не только скоростью работы робота, но и надежностью конструкции, рациональностью кода и соответствием техническому заданию.

1. Комплектация

Для организации занятий рекомендуется использовать в работе LEGO Education Mindstorms EV3 - предназначенная для изучения программирования, конструирования и физики в средней и старшей школе, разработанный с учетом особенностей возраста (Рисунок 1).

Рис.1. Набор робототехники LEGO Education Mindstorms EV3

Микрокомпьютер EV3 Brick;

541 деталь конструктора LEGO Technic, включая детали в чёрном, белом, сером и красном цветах;

3 больших сервомотора с встроенными датчиками вращения для управления движением;

Полный набор датчиков для сбора данных:

Датчик касания (2 шт.);

Датчик цвета;

Ультразвуковой датчик;

Гироскопический датчик;

Перезаряжаемая аккумуляторная батарея для автономной работы;

Конструктивные элементы: колёса, гусеничный привод, балки, шаровая опора, соединительные кабели.

2. Возможности использования оборудования в учебном процессе

С целью расширения возможностей использования робототехнического конструктора в учебном процессе предлагается рассмотреть варианты использования его в урочной и внеурочной деятельности, дополнительном образовании. Данные предложения представляют конкретные варианты применения конструктора по различным темам и примерные знания, умения и навыки, которые приобретут учащиеся при сборке моделей.

I. Урочная деятельность

Уроки труда (технологии):

Сборка модели «Промышленный манипулятор» на базе EV3. Учащиеся изучают принципы работы зубчатых и ременных передач, кинематику механизмов, основы проектирования подвижных соединений. В процессе сборки обучающиеся осваивают приёмы работы с сервомоторами, датчиками касания и цвета, а также учатся настраивать захват и перемещение объектов.

Уроки математики

Тема: «Измерение пути, скорости и времени движения». Учащиеся собирают базовую модель «Робот-тележка» и программируют её на движение с заданными параметрами. С помощью встроенного энкодера моторов фиксируется количество оборотов, вычисляется пройденное расстояние, скорость и время движения. На основе полученных данных строятся графики зависимости пути от времени.

Уроки физики

Тема: «Сила трения и её зависимость от поверхности». Учащиеся исследуют движение робота по различным типам покрытий (линолеум, ковролин, картон). С помощью датчика оборотов фиксируется изменение скорости и тормозного пути. Дополнительно изучается влияние массы конструкции на ускорение.

Тема: «Изучение звуковых и световых волн». С использованием ультразвукового датчика и датчика цвета проводятся лабораторные работы по измерению расстояния до объекта, отражению сигнала, распознаванию цветов и интенсивности освещения.

Уроки информатики

Тема: «Алгоритмы и исполнители». На примере программирования робота EV3 в среде LEGO Education EV3 Classroom (Scratch-интерфейс) или EV3-G учащиеся изучают линейные, условные и циклические алгоритмы. Реализуются задачи: движение по линии, объезд препятствий, распознавание цвета и сортировка объектов.

Тема: «Ветвления и логические операции». Учащиеся программируют модель «Робот-лабиринт», где поведение робота зависит от показаний двух и более датчиков. Изучаются операции «И», «ИЛИ», сравнение данных.

II. Внеурочная деятельность

На занятиях внеурочной деятельности учащиеся разрабатывают модель «Робот-сортировщик» с использованием датчика цвета и двух сервомоторов. Робот распознаёт детали LEGO по цвету и распределяет их по зонам. В ходе работы рассматриваются вопросы автоматизации процессов, логики принятия решений, точности срабатывания механизмов.

Разработка проекта «Умная теплица». Учащиеся проектируют автономную модель теплицы с автоматическим поливом и открытием окон. Контроллер EV3 управляет сервомотором (открытие створки) и подаёт звуковой сигнал при изменении освещённости. Проект направлен на развитие исследовательских навыков и экологического мышления.

Подготовка к соревнованиям (например, «Кегельринг», «Траектория», «Сумо»). Учащиеся модернизируют конструкции, оптимизируют алгоритмы управления, соревнуются в точности и скорости выполнения задач. Формируются навыки работы в команде, тайм-менеджмента, презентации решений.

III. Дополнительное образование

На занятиях по дополнительной общеобразовательной программе технической направленности учащиеся могут освоить принципы работы промышленных манипуляторов на основе модели «Робот-манипулятор EV3». Изучаются кинематические схемы, обратная связь по положению, программирование последовательности движений. В качестве итогового проекта предлагается создание автоматизированной сортировочной линии.

На занятиях по дополнительной общеобразовательной программе технической направленности учащиеся могут разработать STEAM-проект, мобильную платформу на базе EV3, оснащённую датчиками освещённости и ультразвуковым датчиком. Задача робота — перемещаться по заданной территории, фиксировать уровень освещённости, расстояние до препятствий и передавать данные в визуализированном виде. Проект интегрирует знания по физике, информатике, географии и технологии.

На занятиях по дополнительной общеобразовательной программе технической направленности учащиеся могут выполнить индивидуальные или групповые проекты, связанные с исследованием характеристик датчиков и моторов, сравнением различных типов передач, оптимизацией алгоритмов движения. Работы могут быть представлены на научно-практических конференциях школьников.

3. Организация практической деятельности с конструктором

Для эффективного обучения основам робототехники, механики и программирования с использованием LEGO Mindstorms EV3 необходимо выстраивать практическую деятельность системно, с учётом принципов наглядности, доступности и исследовательского подхода. Занятия рекомендуется проводить в оборудованном кабинете с возможностью работы в малых группах (2–3 человека на один набор). Важно чередовать фазы конструирования, программирования, тестирования и рефлексии, а также предусматривать физминутки и упражнения для снятия зрительного напряжения при работе с экранами и мелкими деталями.

3.1. Методы/технологии работы с конструктором добавить

В образовательном процессе с использованием LEGO Education Mindstorms EV3 рекомендуется применять современные педагогические технологии, которые позволяют раскрыть технический и творческий потенциал обучающихся.

STEAM-технология

Технология обучения, объединяющая науку, технологии, инженерное дело, искусство и математику. Позволяет взглянуть на робототехнику как на инструмент для решения междисциплинарных задач. Пример: предложить учащимся создать модель «Умной теплицы» на базе EV3, которая не только автоматически поливает растения (инженерия, биология), но и выводит на экран данные о температуре и влажности (математика, технология), а также имеет эстетически продуманный дизайн (искусство).

Информационно-коммуникационные технологии (ИКТ)

Использование цифровых инструментов для программирования, сбора данных и представления результатов. Среда программирования LEGO Mindstorms EV3 (как версия Education, так и Classroom) является основным инструментом ИКТ. Пример: предложить учащимся использовать встроенные функции программного обеспечения для построения графиков показаний гироскопического датчика в реальном времени или создать QR-коды, ведущие к видеоинструкциям по сборке узлов робота.

Технология коллективного взаимообучения (КСО)

Метод, при котором учащиеся обучают друг друга в малых группах, сменного состава. Это эффективно при отработке навыков программирования типовых алгоритмов (движение по линии, объезд препятствий). Пример: организовать работу по методике «Вертушка». Каждая группа получает «маршрутный лист» и задачу: изучить один из датчиков EV3 (касания, цвета, ультразвуковой, гироскоп). Затем группы переформируются так, чтобы в каждой новой группе был «эксперт» по каждому типу датчика, который обучает остальных.

Игровые методы: деловые, имитационные игры

Моделирование реальных инженерных или производственных ситуаций. LEGO EV3 позволяет точно имитировать работу промышленного оборудования или мобильных роботов. Пример: провести деловую игру «Инженерное бюро». Разделить класс на команды-«конструкторские бюро», которые получают заказ на создание робота-сортировщика для склада. Учащиеся распределяют роли: главный инженер (координатор), конструктор (сборка), программист (написание кода), тестировщик (отладка).

Проблемный метод

Постановка перед обучающимися проблемной ситуации, которую необходимо разрешить, применяя имеющиеся знания и навыки работы с конструктором. Пример: продемонстрировать собранную модель робота с одним большим мотором. Поставить проблему: «Как заставить этого робота двигаться не по кругу, а строго по прямой линии, не меняя его механическую конструкцию?». Это подводит к изучению программирования компенсации погрешностей или использования датчика для обратной связи.

Кейс-метод

Обучение через анализ и решение конкретной практической ситуации (кейса). Кейс должен содержать вводные данные и конечную цель. Пример: кейс «Лабиринт». Перед учащимися ставится задача: запрограммировать робота на базе EV3 так, чтобы он смог самостоятельно найти выход из лабиринта, используя ультразвуковой датчик и датчик касания. В кейсе оговариваются правила движения (например, только "правило правой руки") и критерии успешности.

Метод проектов

Комплексный метод, предполагающий создание законченного продукта — от идеи до защиты готового проекта. Работа над проектом может занимать несколько занятий. Пример: тема проекта «Робот-исследователь». Учащиеся должны спроектировать и собрать вездеходную платформу на гусеничном ходу, способную преодолевать различные типы препятствий (камни, песок — имитация на столе), брать пробы (образцы цветных кубиков) и передавать данные на компьютер.

3.2. Формы организации деятельности

Робототехнический набор LEGO Education Mindstorms EV3 рекомендуется использовать в различных формах организации образовательного процесса. Это способствует развитию не только предметных знаний, но и коммуникативных универсальных учебных действий, умению работать в команде и распределять обязанности.

Индивидуальная форма

Предполагает выполнение задания одним учеником. Эта форма эффективна на начальных этапах обучения, при отработке конкретных навыков (например, программирование одного мотора, калибровка датчика) или при работе с высокомотивированными детьми над сложными задачами. Пример: организовать индивидуальную практическую работу «Программирование движения по квадрату», где учащийся самостоятельно пишет программу, используя блоки движения и циклы, и рассчитывает параметры поворота на 90 градусов, используя показания гироскопа.

Парная форма (работа в парах)

Оптимальная форма для работы с одним комплектом LEGO EV3. Позволяет организовать сотрудничество, где функции разделены: например, один ученик занимается сборкой механической части, второй — написанием базового кода, затем они меняются ролями или совместно занимаются отладкой. Рекомендуется разрабатывать задания так, чтобы вклад каждого участника был очевиден и важен для общего результата.

Групповая форма

Работа в малых группах (3-4 человека) наиболее эффективна при реализации крупных проектов или участии в соревнованиях. Такая форма учит распределять роли, договариваться, находить компромиссы и нести ответственность за свой участок работы. В групповую работу следует включать обсуждения, мозговые штурмы, коллективное тестирование и презентацию результатов.

3.3. Средства обучения

Для повышения эффективности усвоения учебного материала и создания поля для активного участия каждого ученика в процессе обучения с LEGO Mindstorms EV3 необходимо использовать разнообразные средства обучения. Они помогают визуализировать сложные концепции и обеспечивают доступ к необходимой информации. К основным средствам обучения можно отнести: электронную библиотеку со схемами сборок моделей, программное обеспечение, интерактивные презентации, видео-уроки по робототехнике, различные пособия и плакаты в электронном виде, раздаточные и демонстрационные материалы.

4. Структура практического задания (проектного задания)

Проектное задание 1. Кейс «Умный сортировщик»

Описание ситуации: на современном производстве или в логистическом центре стоит задача автоматизации сортировки грузов. Робот должен уметь распознавать цвет объекта и в зависимости от этого перемещать его в разные зоны хранения.

Техническое задание для команд:

1. Проведите анализ: какие датчики необходимы роботу, чтобы различать цвета, и какие механизмы помогут ему захватывать и перемещать объекты?

2. Соберите базовую модель робота-манипулятора или тележки с захватом на базе LEGO Mindstorms EV3.

3. Запрограммируйте базовую модель на движение по линии или на захват предмета.

4. Задание на модернизацию: модернизируйте конструкцию и программу таким образом, чтобы робот мог сортировать кубики по цветам (например, красные — направо, синие — налево, зеленые — прямо).

Пояснение к модернизации: для решения задачи используется датчик цвета EV3, который крепится в передней части робота. В зависимости от показаний датчика, программа через конструкцию ветвления выбирает направление движения или угол поворота манипулятора.

Обоснование использования новой конструкции: выполняя это задание, учащиеся 5-6 классов знакомятся с реальными производственными задачами (автоматизация и конвейерная сортировка). Использование датчика цвета позволяет закрепить знания по физике (оптика, отражение света). Визуальная среда программирования EV3 дает возможность реализовать алгоритмы ветвления и циклы, что формирует основы алгоритмического мышления. Модернизация модели стимулирует творческий подход и инженерную мысль.

4.1. Методические рекомендации по применению кейса

1. При возникновении у учащихся трудностей не спешите давать готовое решение. Задавайте наводящие вопросы: «Как ты думаешь, почему мотор не крутится?», «Проверь, подключен ли датчик к правильному порту?», «Что показывает программа в этом месте?». Это стимулирует развитие критического мышления.

2. После этапа сборки (до программирования) рекомендуется организовать 2-3 минутное общее обсуждение, где каждая пара/группа демонстрирует получившуюся механическую конструкцию и объясняет, почему они выбрали именно такое крепление для датчиков.

3. Для сильных учеников задание можно усложнить: «Добавьте в сортировщик подсчет количества предметов каждого цвета и вывод статистики на экран» или «Заставьте робота-исследователя запоминать карту препятствий».

4. В процессе работы над долгосрочным проектом рекомендуется менять роли в группе: сегодня один ученик — «главный инженер-конструктор», другой — «программист», на следующем занятии они меняются. Это обеспечивает равное развитие навыков у всех членов команды.

5. Уделите особое внимание защите проекта. Объясните учащимся, что недостаточно, чтобы робот просто работал. Нужно уметь рассказать о его устройстве, объяснить выбор механизма передачи и обосновать написанный алгоритм.

5. Правила техники безопасности при работе с конструктором

1. Приступать к сборке и подключению оборудования разрешается только после прохождения инструктажа и с разрешения педагога.

2. Запрещается ронять, подвергать ударам программируемый блок EV3, моторы и датчики. Не допускается попадание на электронные компоненты влаги.

3. Запрещается замыкать контакты аккумуляторной батареи, разбирать её или пытаться заряжать нештатным зарядным устройством. При появлении постороннего запаха или нагревании батареи необходимо немедленно отключить её от блока и сообщить учителю.

4. Разъединяя детали, нельзя прикладывать чрезмерных усилий или использовать зубы (пытаться «перекусить» соединительный штифт). Для разборки узлов рекомендуется использовать специальные щипцы, входящие в комплект (при наличии) или аккуратно работать пальцами, чтобы не поранить руки об острые грани осей.

5. Подключение и отключение моторов и датчиков к блоку EV3 производить только при выключенном блоке, чтобы избежать короткого замыкания или выхода портов из строя.

6. Во время сборки необходимо использовать контейнер или органайзер для хранения деталей. Запрещается разбрасывать мелкие детали (штифты, втулки, оси) по полу или рабочему столу во избежание их потери или попадания в обувь.

7. По окончании занятия необходимо разобрать модели (если это предусмотрено планом), разложить все компоненты в лотки, сдать комплект учителю и вымыть руки.

6. Вопросы и предложения к специалистам

Вопросы к специалистам

1. Существует ли возможность интеграции среды программирования LEGO Education EV3 Classroom с облачными сервисами для сохранения проектов учащихся, чтобы обеспечить доступ к кодам программ с любого устройства в школе без использования USB-накопителей?

2. Планируется ли выпуск официального обновления прошивки (firmware) для блока EV3, которое позволит использовать современные протоколы безопасности для подключения к школьным Wi-Fi сетям (WPA3), так как текущая версия поддерживает только устаревшие стандарты защиты?

Предложения к специалистам

1. Разработать официальный комплект расширения, включающий более современные датчики (например, камеру для компьютерного зрения или более точный инфракрасный датчик следования), чтобы расширить спектр решаемых проектных задач и повысить конкурентоспособность платформы на фоне новых робототехнических наборов.

2. Добавить в среду программирования (EV3 Lab / EV3 Classroom) встроенный инструмент осциллографа или более подробной телеметрии с графиками показаний датчиков в реальном времени, что позволило бы учащимся на уроках физики и информатики проводить полноценные исследовательские работы по измерению скорости, ускорения и анализу данных с сенсоров.

Модификация модели: «Вездеход-спасатель»

В большинстве инструкций к LEGO Education Mindstorms EV3 предлагается стандартная трех- или четырехколесная платформа. Эта конструкция предназначена для движения по ровной поверхности, имеет один опорный ролик сзади и два ведущих колеса с большими моторами. Управление таким роботом осуществляется за счет разности скоростей вращения колес.

Суть модификации: учащимся предлагается модернизировать стандартную колесную платформу, превратив её в гусеничный вездеход, способный преодолевать препятствия.

Изменение ходовой части: замена стандартных колес на гусеничные ленты из ресурсного набора EV3. Для этого необходимо демонтировать опорный ролик и удлинить раму, чтобы установить дополнительные опорные катки, обеспечивающие натяжение гусеницы.

Изменение центра тяжести: смещение программируемого блока EV3 ближе к центру платформы для лучшей устойчивости при преодолении препятствий.

Добавление датчика: установка ультразвукового датчика на переднюю часть платформы, но не горизонтально (для объезда), а под углом вниз.

Задача датчика: обнаруживать край стола или глубокую яму (пропасть), чтобы робот не упал.

Обоснование модификации модели «Вездеход-спасатель» заключается в необходимости адаптации базовой колесной платформы LEGO Education Mindstorms EV3 к условиям пересеченной местности, что расширяет ее функциональные возможности за рамки стандартных инструкций. Переход на гусеничную ходовую часть с усиленной рамой и смещенным центром тяжести обеспечивает повышенную проходимость и устойчивость при преодолении препятствий, имитируя условия реальной спасательной операции. Ключевым улучшением является интеграция ультразвукового датчика, ориентированного под углом вниз, что превращает обычного робота в автономную систему, способную обнаруживать и предотвращать падение с высоты (обрыв или край стола), критически повышая безопасность модели в сложных условиях.