Методика
материал (4 класс)

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

по использованию образовательного набора LEGO Mindstorms Education EV3 в учебном

процессе

Введение

В условиях цифровой трансформации образования особое значение приобретает внедрение робототехнических комплексов, позволяющих формировать у обучающихся инженерное мышление, навыки программирования и проектной деятельности.

Образовательный набор LEGO Mindstorms Education EV3 представляет собой аппаратно-программный комплекс, включающий программируемый микрокомпьютер EV3, набор сервомоторов, датчиков, а также совместимые с LEGO System детали для конструирования. Программное обеспечение LEGO Mindstorms EV3 обеспечивает возможность как визуального блочного программирования, так и работы с текстовыми языками (RobotC, Python) на продвинутом уровне.

Цель использования оборудования — формирование у обучающихся системы знаний, умений и способов деятельности в области конструирования, программирования и моделирования робототехнических систем через решение практических инженерных задач.

Использование конструктора LEGO Mindstorms Education EV3 в образовательном процессе позволяет решать комплекс задач:

1. Образовательные задачи:
   – формирование представлений о кибернетике, автоматике и структуре робототехнических систем;
   – освоение принципов работы датчиков (цвет, расстояние, касание, гироскоп) и исполнительных механизмов;
   – изучение основ алгоритмизации и программирования в средах LEGO MINDSTORMS, RobotC, Python.
2. Развивающие задачи:
   – развитие системного, алгоритмического и критического мышления;
   – формирование инженерного стиля мышления;
   – развитие навыков проектирования, моделирования и прототипирования;
   – совершенствование навыков решения открытых задач в условиях ограничений.
3. Воспитательные задачи:
   – воспитание культуры учебного труда и ответственности за результат;
   – формирование коммуникативной компетентности в процессе групповой работы;
   – развитие настойчивости в достижении цели, способности к рефлексии;
   – формирование устойчивого интереса к техническим профессиям.

Работа с конструктором LEGO Mindstorms Education EV3 позволяет обучающимся выступать в роли инженеров-исследователей, проектировщиков и программистов, что способствует осознанному выбору инженерно-технических специальностей в будущем.

Комплектация:

Для организации образовательного процесса рекомендуется использовать образовательный набор LEGO Mindstorms Education EV3 (арт. 45544), включающий основной набор и зарядное устройство. Состав набора:

Технические характеристики программируемого модуля EV3:

• Операционная система: Linux;
• Процессор: 300 МГц;
• Память: 16 МБ флэш, 64 МБ ОЗУ;
• Интерфейсы: USB host, USB client, Micro SD, Wi-Fi (адаптер приобретается отдельно), Bluetooth ;
• Дисплей: монохромный, 178x128 пикселей;
• Поддержка языков программирования: LEGO MINDSTORMS, RobotC, Python, Java.

2. Возможности использования оборудования в учебном процессе

Конструктор LEGO Mindstorms Education EV3 обладает высоким дидактическим потенциалом для реализации урочной, внеурочной деятельности и дополнительного образования.

I. Урочная деятельность

Уроки технологии:
Сборка и программирование модели «Манипулятор» на базе среднего сервомотора. Обучающиеся изучают принципы работы редукторов, кинематические схемы, способы передачи вращательного движения, а также разрабатывают программу для захвата и перемещения объектов.

Уроки физики:
Исследование зависимости скорости движения модели от передаточного отношения редуктора на уроке физики. Учащиеся экспериментально определяют зависимость момента силы и скорости вращения колес, строят графики, анализируют КПД механизма.

Уроки информатики:
Программирование модели «Робот-исследователь» для движения по линии с использованием двух датчиков цвета и пропорционального регулятора (П-регулятор). Обучающиеся осваивают алгоритмы обратной связи, работу с переменными и ветвлениями в среде LEGO MINDSTORMS.

II. Внеурочная деятельность

В рамках общеинтеллектуального направления возможна реализация проектов по созданию автономных мобильных роботов:

• «Инвентаризатор склада» — модель, определяющая количество объектов по цвету;
• «Аварийный дрон» — робот, объезжающий препятствия с записью данных в файл.

Обучающиеся проектируют механизмы, разрабатывают алгоритмы, отлаживают программы и представляют результаты в формате мини-конференции.

III. Дополнительное образование

В рамках дополнительных общеразвивающих программ технической направленности возможна реализация межпредметных STEAM-проектов:

• «Автоматизированная теплица» — модель с автоматическим поливом и поддержанием микроклимата;
• «Сортировочный конвейер» — робот, распознающий форму и цвет объектов.

Проектная деятельность на базе LEGO EV3 способствует формированию навыков исследования, работы с открытыми задачами, командного взаимодействия.

3. Организация практической деятельности с конструктором

Практические занятия рекомендуется организовывать в формате учебного сотрудничества, при котором учитель выступает в роли тьютора и модератора. Необходимо предусмотреть динамические паузы, упражнения для снятия зрительного напряжения, так как работа с конструктором требует концентрации внимания.

Методы и технологии работы с конструктором

STEAM-технология предполагает интеграцию естественных наук, технологии, инженерии, искусства и математики. При работе с LEGO EV3 данный подход реализуется через проекты, объединяющие физические эксперименты, программирование и дизайн. Например, при создании модели «Робот-художник» учащиеся не только конструируют механизм удержания маркера, но и рассчитывают траекторию движения, подбирают скорость для равномерной линии, а также исследуют влияние цвета фона на точность работы датчика.

Информационно-коммуникационные технологии применяются как инструмент программирования, отладки и презентации проектов. Обучающиеся используют среду LEGO MINDSTORMS для создания программ, экспортируют данные с датчиков в электронные таблицы, работают с онлайн-досками и симуляторами. Возможно использование текстовых языков программирования (RobotC, Python) через сторонние IDE.

Технология коллективного взаимообучения реализуется через организацию ротационных пар или динамических групп. Каждая группа получает задание изучить определённый узел или функцию робота, после чего обучающиеся обмениваются знаниями, заполняя общий чек-лист. Данный метод позволяет интенсифицировать процесс освоения нового материала и формирует коммуникативные навыки.

Игровые методы базируются на моделировании профессиональных ситуаций. Например, на занятии организуется «Конструкторское бюро», где команды получают техническое задание от «заказчика» и в ограниченное время разрабатывают прототип. Роли распределяются: инженер-конструктор, программист, тестировщик. Это развивает soft skills и ответственность за конечный продукт.

Проблемный метод предполагает постановку задачи, не имеющей очевидного алгоритма решения. Обучающиеся анализируют условия, выдвигают гипотезы, конструируют и программируют модель, проверяют эффективность решения. Например, проблема: «Как обеспечить движение робота по сложной траектории при наличии только одного датчика цвета?» — требует поиска нестандартных решений, использования математических моделей.

Кейс-метод основан на анализе реальной или приближенной к реальности производственной ситуации. Обучающимся предлагается текст кейса, содержащий описание проблемы, имеющиеся ресурсы и ограничения. Например, кейс «Эвакуация ценного груза»: необходимо запрограммировать робота на транспортировку объекта в безопасную зону, избегая препятствий и ложных целей. В ходе работы над кейсом учащиеся осваивают полный цикл инженерной деятельности: от анализа до рефлексии.

Метод проектов является системообразующим при долгосрочной работе. Проект включает этапы: проблематизация, концептуализация, моделирование, конструирование, программирование, тестирование, презентация и защита. Метод проектов позволяет формировать регулятивные универсальные учебные действия, развивать способность к целеполаганию и планированию.

Формы организации деятельности

Индивидуальная форма применяется на этапах отработки конкретных навыков: написание линейного алгоритма, калибровка датчика, расчёт параметров движения. Индивидуальные задания должны быть дифференцированы по уровню сложности.

Парная форма обеспечивает развитие коммуникативных УУД. Рекомендуется распределять роли: оператор (работа с ПК) и испытатель (работа с роботом), с последующей сменой функций. Парная работа эффективна при отладке программ и поиске ошибок.

Групповая форма (3–4 человека) оптимальна для реализации проектов и кейсов. В группах формируются ролевые позиции: руководитель проекта, инженер-механик, программист, аналитик. Групповая работа завершается коллективным обсуждением и взаимооценкой.

Средства обучения

Для эффективного усвоения материала рекомендуется использовать комплекс средств обучения:

• электронные конструкторские карты и инструкции по сборке базовых моделей;
• презентации и видеоуроки, демонстрирующие физические принципы работы датчиков;
• интерактивные симуляторы виртуальной робототехники;
• чек-листы, маршрутные листы, листы самооценки;
• банк олимпиадных и творческих заданий.

4. Структура практического задания (кейса)

Кейс «Приводная платформа. Её модернизация»

Описание кейса:
Мобильные роботизированные платформы являются базой для большинства автономных систем: от логистических роботов на складах до исследовательских роверов. Как правило, производитель предоставляет типовую конструкцию шасси, однако в реальных условиях эксплуатации возникает необходимость её модернизации под конкретные задачи — изменение проходимости, грузоподъёмности, манёвренности или энергоэффективности.

Перед вами типовая приводная платформа на базе LEGO EV3, оснащённая двумя независимыми приводами (крупные сервомоторы), опорными колёсами и ультразвуковым датчиком. Предприятие-заказчик использует такие платформы для транспортировки мелких грузов по цеху. Однако существующая конструкция показывает недостаточную устойчивость при поворотах на скорости, высокий износ опорных колёс и ограниченную способность преодолевать неровности пола (стыки плит, кабельные каналы).

Техническое задание:

1. Провести диагностику типовой приводной платформы:
   – оценить устойчивость при движении по прямой и при поворотах;
   – измерить минимальный радиус разворота;
   – зафиксировать характер движения при проезде неровности высотой 5–7 мм.
2. Предложить не менее двух вариантов модернизации ходовой части, направленных на устранение выявленных недостатков. Варианты могут включать:
   – изменение колёсной базы или схемы расположения приводов;
   – замену типа опорных элементов (шаровые опоры, малые колёса, скользящие полозья);
   – введение дополнительной подвески;
   – изменение типа движителя (гусеничный модуль, всенаправленные колёса);
   – перераспределение массы платформы.
3. Реализовать один из предложенных вариантов модернизации в материале (конструктор LEGO EV3).
4. Разработать или адаптировать программу управления, позволяющую оценить эффективность модернизации:
   – движение по прямой с удержанием курса (использование гироскопического датчика);
   – повороты на заданный угол;
   – объезд препятствия;
   – проезд неровности.
5. Провести сравнительные испытания типовой и модернизированной платформ. Зафиксировать параметры:
   – время прохождения тестовой трассы;
   – количество сходов с трассы;
   – субъективная оценка плавности хода;
   – потребляемая мощность (при наличии возможности измерения).
6. Подготовить технический отчёт, содержащий:
   – описание выявленных недостатков;
   – обоснование выбранного способа модернизации;
   – чертежи или фотографии конструкции;
   – результаты испытаний в табличной или графической форме;
   – выводы о достигнутых улучшениях и ограничениях предложенного решения.

Возможные направления модернизации (для использования педагогом в качестве опорных):

1. Переход к полноприводной схеме – установка дополнительных моторов на все колёса или замена опорных колёс на ведущие. Повышает проходимость, но увеличивает энергопотребление.
2. Установка независимой подвески – введение упругих элементов (резиновые втулки, пружинные конструкции) между рамой и осями колёс. Улучшает контакт колёс с поверхностью, снижает вибрацию.
3. Замена опорного колеса на шаровую опору – уменьшает трение при поворотах, повышает манёвренность.
4. Применение дифференциального привода – изменение алгоритма управления с независимым управлением скоростями левого и правого бортов без использования дополнительных механических дифференциалов.
5. Переход к гусеничному движителю – сборка гусеничных модулей из стандартных элементов LEGO. Радикально повышает проходимость, но снижает скорость и точность позиционирования.

Обоснование педагогической ценности кейса:

Кейс «Приводная платформа.» позволяет педагогу решить комплекс методических задач:

– Актуализация знаний о кинематике мобильных роботов, типах движителей, передаточных механизмах, устойчивости транспортных средств.
– Формирование инженерного подхода к диагностике существующих систем: обучающиеся не получают готовое задание «сделать лучше», а самостоятельно выявляют недостатки на основе наблюдений и измерений.
– Развитие навыков сравнительного анализа: необходимо не просто предложить модернизацию, но и доказать её эффективность через систему количественных и качественных показателей.
– Освоение полного цикла инженерной разработки: от проблематизации до презентации готового технического решения.
– Формирование компетенций в области технической коммуникации (подготовка отчёта, защита решения, аргументация выбора).

Кейс носит открытый характер — отсутствует единственное правильное решение. Успешность определяется степенью достижения поставленных целей при имеющихся конструктивных и программных ограничениях.

Методические рекомендации по применению кейса

1. Подготовительный этап.
   Перед началом работы над кейсом необходимо убедиться, что обучающиеся владеют:
   – базовыми навыками сборки приводной платформы (не менее одного выполненного проекта);
   – навыками программирования движения с использованием датчика оборотов мотора и гироскопического датчика;
   – пониманием различий между двух-, четырёхколёсной и гусеничной схемами.

Рекомендуется провести краткий проблемный семинар «От чего зависит манёвренность и устойчивость робота?», актуализирующий знания из курса физики.

2. Организация работы.
   Кейс целесообразно реализовывать в группах по 2–3 человека. Оптимальное распределение ролей:
   – инженер-испытатель — проводит диагностику, фиксирует параметры, организует испытания;
   – инженер-конструктор — отвечает за разработку и сборку модернизированной платформы;
   – программист — адаптирует/разрабатывает программу управления, обеспечивает сбор телеметрии.

При необходимости (ограниченное количество комплектов, дефицит времени) допускается сокращение ролевой структуры до двух человек с совмещением функций.

3. Диагностический этап как обязательный компонент.
   Педагогу важно удержать обучающихся от немедленного перехода к модернизации. Диагностика должна быть формализована: используется чек-лист, заполняется протокол испытаний. Это формирует культуру инженерного исследования и предотвращает необоснованные конструктивные решения.
4. Управление сложностью.
   Кейс допускает разноуровневую реализацию:
   – для групп с невысокой подготовкой достаточно модернизации в пределах замены опорных элементов и перераспределения массы;
   – для продвинутых групп рекомендуется переход к полноприводной или гусеничной схеме, а также использование ПИД-регулятора для удержания курса.

Педагог самостоятельно определяет минимально необходимый объём модернизации, исходя из уровня подготовки обучающихся и временных ресурсов.

5. Рефлексивно-оценочный этап.
   Завершающая сессия должна включать не только презентацию решений, но и обсуждение:
   – какие недостатки типовой платформы оказались наиболее критичными;
   – какие модернизации дали наибольший прирост эффективности;
   – с какими ограничениями пришлось столкнуться (нехватка деталей, вычислительные ресурсы EV3);
   – какие знания из математики, физики, информатики оказались востребованы.
6. Развитие кейса.
   Полученные результаты и разработанные конструкции могут быть использованы в качестве стартовой точки для нового проектного цикла:
   – оснащение платформы навигационной системой;
   – интеграция в систему управления нескольких платформ;
   – разработка сменного навесного оборудования

5. Правила техники безопасности при работе с конструктором LEGO Mindstorms Education EV3

1. Приступать к работе с конструктором разрешается только после инструктажа и с разрешения педагога.
2. Перед сборкой убедиться в отсутствии видимых повреждений компонентов (трещины на пластике, повреждения кабелей).
3. Запрещается разбирать сервомоторы, датчики и программируемый модуль.
4. Соединение и разъединение деталей производить только руками, запрещается использовать зубы или посторонние предметы.
5. При работе с аккумуляторной батареей соблюдать полярность, не допускать короткого замыкания.
6. Запрещается подавать питание на моторы при заблокированном роторе во избежание выхода из строя.
7. По окончании работы отключить питание модуля EV3, разобрать модели, разложить детали в ячейки хранения.
8. Обо всех неисправностях незамедлительно сообщать педагогу.

6. Вопросы и предложения к специалистам

Вопросы к разработчикам LEGO Education:

1. Планируется ли официальная поддержка языка Python в среде LEGO MINDSTORMS без использования дополнительных модулей?
2. Возможно ли расширение функционала гироскопического датчика для работы в трёх плоскостях без дополнительного программирования?
3. Будет ли реализована возможность беспроводной прошивки модуля EV3 по Bluetooth или Wi-Fi в штатном режиме?

Предложения по развитию платформы:

1. Разработать расширенный набор методических материалов по интеграции LEGO EV3 с языками высокого уровня (Python, C++).
2. Создать модуль совместимости с открытыми аппаратными платформами (Arduino, micro:bit) для расширения спектра решаемых задач.
3. Включить в базовую комплектацию дополнительный набор осей и шестерён для реализации сложных механических передач.
4. Рассмотреть возможность создания симулятора EV3 с поддержкой гироскопического датчика для организации дистанционного обучения.