Возможности использования конструктора LEGO в учебном процессе



В последние годы в российском образовании всё более популярной становится образовательная робототехника. Сотни школ используют конструкторы нового поколения в дополнительном и основном образовании. Во многих регионах России образовательная робототехника успешно развивается на протяжении уже нескольких лет. Робототехника становится сегодня популярным и эффективным средством в изучении информатики, физики, технологии и других предметов, что позволяет достигать высоких результатов в обучении и мотивации школьников к выбору профессий инженерно-технического профиля. [1,c.104]

При знакомстве с робототехникой учащиеся на практике начинают понимать, как применять математические формулы для расчёта траектории движения, физические законы для расчета заряда аккумулятора и мощности моторов, химические формулы и процессы для проведения замеров и расчётов. [3,c.1]

Для организации занятий школьников в области робототехники на рынке предлагается много различных конструкторов, которые дают возможность ученику собрать конструкцию робота, составить программу и запустить модель. Наиболее популярным конструктором является LEGO, т. к. основными идеями его являются модульность и совместимость. Приобретая разные наборы конструктора можно собирать всевозможныемодели автомобилей, самолетов, кораблей.

В 2014 году в комплекте с оборудованием для кабинета физики в нашу школу были поставлены LEGOMINDSTORMS NXT конструкторы. Первоначально их использовали для участия в соревнованиях по робототехнике «Битва роботов», которые организовывает и проводит Череповецкий государственный университет для старшеклассников школ города — своих будущих абитуриентов. К сожалению, не во всех учебных заведениях нашего города есть такие конструкторы, и наша школа в числе немногих явились счастливыми обладателями тренажеров для соревнований «Битва роботов». После уроков учителя информатики и ученики 10-х классов собирали ЛЕГО модели, знакомились со средой программирования NXT-G и учились писать программы для преодоления трассы вдоль черной линии и участия в состязании кегельринг. Оказалось, что собрать робота достаточно просто, а вот программировать сложнее. В интернете есть обучающие сайты по программированию в среде NXT, однако по готовой программе работать не так-то и просто, приходилось отлаживатьее, придумывать свои модули, поскольку чтобы победить, нужен не стандартный подход к решению.

Впервые принимая участие в соревнованиях «Битва роботов» (LEGO конструктора у нас тогда не было) не смогли пройти в итоговый раунд конкурса из-за отсутствия практического опыта. В прошлом году оказались в финале и в первом конкурсе движение по черной линии показали лучшее время. Во втором туре кегельринг уступили соперникам. В этом году с учениками старших классов решили попробовать свои силы и поучаствовать в конкурсе «РобоФест iCity — 2016», который проходил в Череповце в рамках межрегионального форума информационных технологий «ИТ-форум #iCity2016». После интенсивных тренировок удалось придумать и написать рабочую программу для движения робота собственной конструкции вдоль черной линии. Соревнования проходили по олимпийской системе, из каждой пары в заезде проходил далее только один робот. После шести часов соревнований (сборка робота, программирование, отладка и сами заезды) в упорной борьбе мы победили.

Соревнования роботов — это интересно и увлекательно, но возникает вопрос: Почему LEGO конструкторы находились в учебном комплекте кабинета физики? Изучив различные источники, захотелось на практике доказать, что конструктор в изучении физики принесет новую волну интереса школьников. Решили подготовить и провести лабораторную работу по физике для 9 класса «Измерение ускорения тела при равноускоренном движении».

Так как у учащихся огромный интерес к изучению нового, то без труда нашли помощников для проведения эксперимента, написания программы для работы установки и создания описания к работе, а также инструкции для сборки установки в программе LEGODigitalDesigner. И вот что получилось.

Лабораторная работа по теме «Измерение ускорения тела при равноускоренном движении».

Цель работы: вычислить ускорение, с которым скатывается шарик по наклонному желобу.

Приборы и материалы: конструктор LEGO MINDSTORMS, ноутбук или компьютер с программным обеспечением NXTSoftware, программа для работы системы.

Порядок выполнения работы:

1. Сборка базовой конструкции.

Конструкция представляет собой модификацию традиционной установки, дополненную:

1) датчиком света (устанавливается в нижней части наклонной плоскости и реагирует на прокатывающийся мимо него шарик, останавливая программный секундомер, который замеряет время скатывания шарика с наклонной плоскости);

2) датчиком расстояния (устанавливается в верхней части наклонной плоскости, крепится на устройство для запуска шарика, измеряет длину наклонной плоскости);

3) датчиком касания (устанавливается в любой точке установки, приводит в «движение» установку);

4) микропроцессорным блоком NXT (устанавливается на поверхности стола, в процессе демонстрации на экран микропроцессорного блока выводится время движения и перемещение шарика).

На рисунке 1 показаны датчики, которые использовались для сборки установки (датчик света, датчик касания, датчик расстояния).

Рис. 1. Датчики

На рисунке 2 показан пример установки, которую собрали на уроке, на базе конструктора LEGO MINDSTORMS с микропроцессорным блоком NXT, до начала эксперимента (а) и после него (б).

Рис. 2а. Установка до эксперимента

Рис. 2б. Установка после эксперимента

Основной частью установки является наклонный желоб, состоящий из деталей LEGO конструктора (балки и штифты), по которому скатывается шарик. В верхней части желоба закрепляется устройство, которое по команде программы управления установкой отпускает шарик, программа пишется до начала урока и загружается в микропроцессор NXT с ноутбука при помощи USB кабеля. В момент нажатия на кнопку датчика касания (пуска шарика) микропроцессорный блок запускает программный секундомер, который останавливает шарик, прокатываясь мимо датчика света.

В начале эксперимента шарик помещается на верхнюю часть плоскости и удерживается от скатывания балками, прикреплёнными к сервомотору.

Ход работы:

1) Включить ноутбуки, открыть файл инструкция. lfx, расположенный на рабочем столе. Собрать установку для измерения ускорения движения тела по наклонной плоскости.

2) Установить шарик в установку.

3) Открыть файл программа.rbt, расположенный на рабочем столе и загрузить готовую программу в микропроцессор NXT.

4) Запустить программу, загруженную в микропроцессор.

5) Записать показания датчика расстояния S c экрана микропроцессора.

6) Нажать датчик касания.

7) Записать время движения шарика t с экрана микропроцессора.

8) Рассчитать значение модуля ускорения: a= 2S/t2.

9) Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:

№ опыта	S, м	t, c	a, м/с2

9) Сделать вывод.

После ряда удачных экспериментов было решено использовать лабораторную работу на уроке физики в 9 классе. По итогам урока учащимся было предложено заполнить анкету рефлексии.

№	Вопросы	да	нет	незнаю
1	Понравилось тебе необычная практическая работа?	100 %	0 %	0 %
2	Интересно было собирать экспериментальную установку в LEGO конструкторе?	92 %	8 %	0 %
3	Хотел бы ты сам придумать и провести эксперимент по физике или другому школьному предмету, используя LEGO конструктор?	79 %	9 %	12 %
4	Хотел бы ты научиться писать программы для управления экспериментальными установками?	59 %	15 %	26 %
5	Что больше всего понравилось в работе на уроке? (1.собирать установку по инструкции, 2.проводить эксперимент, ……)	1	2	другое
		25 %	57 %	18 %

Конструктор LEGO помогает обучающимся лучше усваивать материал по физике через игровую и учебно-исследовательскую деятельность на уроке. Спланированная и организованная работа с образовательным конструктором значительно упрощает подачу практического материала, обучающиеся с интересом выполняют предложенные задания.

Применение на занятиях конструктора LEGO способствует развитию навыков конструирования и алгоритмического мышления. Осуществляется комплексный подход к развитию таких качеств личности, как внимательность, терпение, трудолюбие, а также происходит развитие коммуникативных навыков при работе в группах и устных или письменных рассуждениях [2, c.20].

Продолжим работать с конструктором LEGOMINDSTORMSNXT в данном направлении и поможем учителям физики нашей школы собрать картотеку практических работ с подробными инструкциями и программами в среде LEGONXT-G для проведения лабораторного практикума.

Литература:

1. Ершов М. Г. Робототехника как средство индивидуализации образовательного процесса по физике // Пермский педагогический журнал. — 2014. — № 5. — С. 104–109.
2. Образовательная робототехника: дайджест актуальных материалов / ГАОУ ДПО «Институт развития образования Свердловской области»; Библиотечно-информационный центр; сост. Т. Г. Попова. — Екатеринбург: ГАОУ ДПО СО «ИРО», 2015. — 70 с
3. Особенности изучения робототехники в школе // ROBOT.UNI-ALTAI. URL: http://robot.uni-altai.ru/metodichka/publikacii/osobennosti-izucheniya-robototehniki-v-shkole (дата обращения: 30.08.2016).