Главная страница
Навигация по странице:

  • 2.2.1.

  • 2.2.2.

  • Исследование параметрического стаблизатора напряжения. МД_Использование робототехнического набора Arduino при изучении. Программа Естественнонаучное образование


    Скачать 2.12 Mb.
    НазваниеПрограмма Естественнонаучное образование
    АнкорИсследование параметрического стаблизатора напряжения
    Дата14.05.2023
    Размер2.12 Mb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаМД_Использование робототехнического набора Arduino при изучении .doc
    ТипПрограмма
    #1129986
    страница6 из 13
    1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13
    2.2. Робот как инструмент познания в учебном процессе по физике

    В ближайшем будущем сфера науки и культуры, сфера социальных услуг и наш быт будут насыщены робототехникой. Это будут разнообразные и высокотехнологичные устройства, призванные оказывать помощь человеку в непосредственной близости от него и на больших расстояниях, обеспечивать производство и доставку товаров и услуг. РТ-устройства будут взаимодействовать между собой, в том числе в сетевом беспроводном варианте.

    Разнообразие роботов определяется их востребованностью в различных сферах жизнедеятельности общества, в том числе в сфере познания. Как инструменты познания роботы уже весьма активно используются в научных и научно-технических исследованиях. В научном познании роботы применяются при проведении опытов. В научно-техническом исследовании они используются с целью изучения других технических объектов (обнаружение, диагностика состояния и пр.). Научно-техническое исследование может проводиться с целью создания принципиально новых роботов или модернизации имеющихся, а также поиска наиболее эффективных режимов их функционирования.

    Итак, робототехника как инструмент познания может быть представлена в учебном процессе по предмету:

    1) роботизированным физическим экспериментом или наблюдением (реализация современной методологии научного познания);

    2) применением РТ-устройства как средства изучения/исследования других объектов техники, а также виртуальным и натурным моделированием РТ-объектов заданного назначения (реализации методологии научно-технического познания в области роботостроения).

    Применение образовательной робототехники в учебном процессе по физике в качестве инструмента познания подробно рассмотрено в наших работах [39; 40; 130]. Рассмотрим основные составляющие этого направления работы учителя физики.
    2.2.1. Применение образовательной робототехники в учебном физическом эксперименте

    В системе научного познания технические знания и объекты техники используются, как правило, с целью постановки опытов (наблюдений, экспериментов). Натурный опыт, реализуемый с применением технологий робототехники, может быть определен как роботизированный. Наблюдения и эксперименты этого вида уже используются во многих областях научного знания (исследования микромира, археология, подводные исследования, изучение внутреннего строения человеческих органов, анализ молекулярной структуры веществ, в том числе на наноуровне, исследования явлений и процессов в условиях ближнего и дальнего космоса и др.). Необходимость роботизации научных экспериментов определяется ключевыми функциями робота как технического объекта. Робот способен заменить человека в опасных и чрезмерно тяжелых экспериментальных работах, может решать поставленные задачи более эффективно и, наконец, выполнять работу, которую человек просто не хочет делать, освобождая себе время для решения сложных интеллектуальных задач, пока еще недоступных роботу. Роботизированный эксперимент или наблюдение отличают более качественная реализация процесса проведения, широкий спектр и высокая точность регистрации данных, их автоматическое накопление, обработка, полный и безошибочный формально-логический анализ, визуализация хода опыта и его результатов.

    Нет сомнения в том, что учащиеся средней школы, осваивая методологию научного познания, должны овладеть элементарными умениями в постановке традиционных, компьютеризированных, а теперь уже и роботизированных опытов. Курс физики средней школы и оборудование по образовательной робототехнике предоставляют им такую возможность.

    Рассмотрим пример постановки роботизированного эксперимента по исследованию закономерностей колебаний пружинного маятника. На рис. 4

    представлена установка для данного эксперимента, собранная на базе робо-тотехнического набора LEGO Mindstorms EV3. В эксперименте в полном объеме реализованы все системы кибернетической модели робота. Это системы управления, исполнения и сбора данных. Робот функционирует по схеме с обратной связью. Система управления формирует команды для системы исполнения по заданной программе, а система сбора данных обеспечивает обратную связь с системой управления, «информируя» ее о состоянии внешней среды и результатах выполнения команд.



    Рис.4. Установка для исследования закономерностей колебаний пружинного маятника

    В данном эксперименте на автоматическом уровне реализуются: физические манипуляции с элементами установки, сбор и обработка данных, а также их вывод на экран микропроцессора и компьютера. Последовательно запускаются механизмы, обеспечивающие: вывод системы из положения равновесия и «гашение» свободных колебаний, изменение массы маятника за счет увеличения числа грузов в подвесе, изменение жесткости пружины, которое достигается уменьшением длины ее рабочей части за счет закручивания в держателе.

    В ходе эксперимента последовательно запускаются две программы: 1) исследование зависимости периода колебаний пружинного маятника от его массы, 2) исследование зависимости периода колебаний пружинного маятника от жесткости пружины. В управляющей программе задаются значения масс и коэффициентов жесткости, число испытаний, математические формулы для обработки результатов эксперимента. Период колебаний оценивается по графику зависимости расстояния от датчика до колеблющегося маятника от времени. Графики выводятся на экран компьютера (рис. 5).

    Роботизированный эксперимент длится не более минуты. Датчики системы контролируют проведение эксперимента в заданном режиме. Возможно его многократное повторение, в том числе в условиях изменения исходных данных. По результатам такого эксперимента учащиеся могут сделать выводы о закономерностях колебательного движения пружинного маятника.



    Рис. 5. График зависимости расстояния от датчика до колеблющегося маятника от времени

    Отметим преимущества роботизированного эксперимента как инструмента познания. При проведении такого эксперимента за счет применения датчиковых систем сбора данных существенно повышается качество измерений. Появляется возможность автоматического воздействия на объект исследования. Возрастает точность задаваемых параметров воздействия и становится возможной автоматическая регулировка этих параметров. Контролируется время реакции роботизированной системы на внешнее воздействие. Робот-экспериментатор может автоматически «контролировать» и «регулировать» состояние своих систем по различным параметрам. Так, например, точность поворота вала электродвигателя учебного робота составляет всего один градус, что позволяет обеспечить в достаточной мере равномерность вращения исследуемого объекта, равномерность поступательного движения какой-либо механической части системы, строгую периодичность колебаний и т.п. В условиях роботизированного эксперимента система сама может подстраиваться под нужный режим работы: например, «обходить» резонансные частоты», регулировать температуру исследуемых объектов, поддерживать давление газа в сосуде, «следить» за уровнем освещенности поверхности или изменением ее цветности, корректировать значения параметров электрической цепи и т.д. Наличие электроники в аппаратной части роботизированной установки в сочетании с быстродействием микропроцессора позволяет достигать необходимой скорости реакции системы на различные воздействия.

    Являются возможными не только сбор данных с датчиков и запись их в память микрокомпьютера, но передача этих данных в реальном времени через USB кабель, Wi-Fi или Bluetooth на удаленный компьютер для оперативной обработки. Следует отметить, что программа «NXT 2.1 Data Logging», а также аналогичный модуль «Эксперимент» программы «MINDSTORMS® Education EV3» имеют ряд инструментов для компьютерной обработки данных эксперимента. Применение этих инструментов позволяет отображать численные данные для выбранной точки графика, фиксировать минимальное, максимальное и среднее значения физической величины в выделенном диапазоне графика, менять цвет графика, представлять в одной координатной плоскости несколько графиков, выполнять их линейную аппроксимацию и др.

    Немаловажной является возможность многократного воспроизведения эксперимента. Число испытаний может задаваться на программном уровне. Снижается общее время на проведение исследования. Так, например, роботизированные эксперименты по механике длятся, как правило, не более 30-40 секунд. За такой короткий срок экспериментатор получает целую серию данных об исследуемом явлении.

    Если в экспериментальной установке использовать не один робототехнический набор, то можно проводить более сложные многоэтапные физические эксперименты.

    Итак, первая составляющая методики включения робототехники в учебный процесс по физике в качестве инструмента познания связана: с применением на занятиях по предмету роботизированных опытов – наблюдений и экспериментов (демонстрационных, лабораторных); совершенствованием на этой основе учебно-исследовательских умений, а также практических умений в решении конкретных технических задач, связанных с постановкой таких опытов.

    В ходе настоящего исследования было разработано и использовано в обучении школьников более 20 роботизированных демонстрационных и лабораторных физических опытов (по механике, тепловым и электрическим явлениям, техническим приложениям атомной и ядерной физики). Их перечень представлен в п. 2.5.
    2.2.2. Робототехника в научно-техническом исследовании и организации технического творчества учащихся

    В системе научно-технического познания робототехника представлена в разном качестве.

    1. Робот может служить эффективным инструментом исследования уже созданных технических объектов, начиная с исследования уникальных артефактов и заканчивая диагностикой состояния современной производственной и сервисной техники (поиск дефектов, оценка их масштаба, выявление несоответствия свойств объекта заданным показателям, предотвращение угрозы технического сбоя в работе, брака в изготовлении и др.). Уже созданы и функционируют различные роботизированные технологические комплексы диагностики (РТКД). Это роботы, оснащенные датчиками и сканирующими системами. Они перемещаются относительно объектов контроля, накапливают и обрабатывают информацию об исследуемых объектах, передают сигналы о состоянии этих объектов и его изменениях.

    Применение робототехники в таких исследованиях исключает влияние субъективных факторов на сбор и обработку информации об исследуемом объекте, сокращает время поиска технического дефекта, повышает точность его диагностики, обеспечивает проведение при необходимости диагностических испытаний, а в ряде случаев и автоматическое устранении дефекта.

    Наиболее известны как «исследователи» роботы-змеи, предназначенные для поисково-спасательных работ в аварийных зданиях, для исследования и даже ремонта трубопроводов сложных конфигураций, изучения подземных тоннелей и т.п. Такие роботы постоянно совершенствуются, расширяется область их применения.

    Справедливости ради надо отметить, что проблемы с «дефектами» и «отказами» в работе технических устройств (в том числе и установок для научного эксперимента) нередко выводили исследователей на постановку новых научных проблем и приводили в итоге к выдающимся открытиям в науке или уникальным изобретениям. Это свидетельствует о том, что роботы, предназначенные для исследования объектов техники, занимают весьма важное место не только в системе научно-технического познания, но и в научном познании.

    Учащимся средней школы следует разъяснить роль роботов в научно-техническом исследовании и познакомить с физическими принципами работы основных узлов таких роботизированных устройств. В рамках проектной деятельности в условиях командной работы школьники могут создавать простейшие модели подобных роботов (например, для исследования магнитных полей полосовых магнитов или токов различной конфигурации). Возможно создание роботизированных систем, работающих на основе известных физических явлений: магнитоискателя, миноискателя, устройств слежения за источниками света, оценки степени нагретости тела или скорости движения объекта, диагностики состояния аккумуляторных батарей и др. [165]. При выполнении этих заданий может с успехом использоваться компьютерная обработка данных и их визуализация [13]. Следует развивать это направление проектной деятельности учащихся, создавать соответствующие базы учебных проектов и методические материалы для самостоятельной работы учащихся [42; 115; 130]. Важно чтобы такие проекты имели ярко выраженную физико-техническую направленность.

    Рассмотрим один из примеров проектной работы учащихся по созданию модели установки для диагностики резонансных явлений в технических объектах. Это модель колебательной системы-робота с функцией предупреждения резонансных явлений Ее внешний вид представлен на рисунке 6.


    Рис. 6. Роботизированная модель колебательной системы с функцией предупреждения резонансных явлений

    Основной частью установки является пружина, которая с одного конца с помощью нити крепится к двигателю для возбуждения колебаний. К другому концу пружины подвешивается корзинка с грузом. Массу груза можно менять.

    Под корзинкой устанавливается датчик расстояния для определения момента наступления резонанса. После запуска программы автоматически возбуждают ся колебания системы. На экране компьютера строится график зависимости расстояния от датчика до корзинки от времени, а на экране микропроцессорного блока отображается текущая частота вынужденных колебаний. Задается допустимая амплитуда колебаний системы. После того как с помощью датчика фиксируется приближение колебательной системы к резонансу раздается предупреждающий звуковой сигнал о предаварийной ситуации, а через 3 секунды система автоматически отключается. На экране микропроцессорного блока отображается критическая (резонансная) частота вынужденных колебаний. При достаточно надежном креплении корзинки с грузами можно показать, что при дальнейшем увеличении частоты вынужденных колебаний система выходит из резонанса. Если в конструкции отключить датчик расстояния (имитация «сбоя» в системе контроля), то при ненадежном подвесе можно продемонстрировать пагубное влияние резонанса на систему – ее разрушение (падение корзинки).

    2. Проектирование робота может являться целью научно-технического исследования. Создание новых и более совершенных роботизированных систем – одна из самых актуальных проблем современной инженерии. К задачам инженерной деятельности относятся: выполнение аналитического исследования технической проблемы, изобретение или модернизация технического объекта с целью ее решения, изготовление и исследование модели данного объекта, создание и внедрение реального технического объекта в соответствующую область социальной практики, поддержка его роботы, своевременная диагностика и устранение возникающих дефектов.

    Итак, к методам научно-технического познания относятся: а) методы аналитического исследования, б) математическое и компьютерное моделирование, в) физическое моделирование технических конструкций и технологий, г) натурный физико-технический эксперимент. На элементарном уровне любой из этих методов является вполне доступным для освоения учащимися.

    Цель и результат проектно-исследовательской деятельности – создание новых (изобретение) или усовершенствование (рационализация) уже известных технических объектов. Привлечение школьников к этой деятельности в области роботостроения вполне возможно. Для случая организации учебного процесса по физике речь может идти о создании новых или более совершенных моделей установок для демонстрационного и лабораторного роботизированных экспериментов, роботизированных наблюдений, а также создании моделей технических РТ-объектов, демонстрирующих применение достижений физики в области техники. Такая деятельность может быть организована в рамках индивидуальной работы с учащимся, при организации элективных курсов по физике, на факультативных занятиях и во внеурочной работе по предмету. Выполнение заданий по созданию или модернизации моделей роботов наиболее целесообразно организовать в рамках проектно-ориентированного обучения. Полезно каждый проект сделать объектом командной работы учащихся.

    Школьников следует ориентировать на проектирование и создание моделей робототехнических систем различных видов. Необходимо позаботиться о том, чтобы учащиеся в ходе разработки проекта обеспечили наличие у робота различных свойств и функций: перемещение как целого или его отдельных частей, наличие таких свойств, как «осязание», «обоняние», «зрение», «слух». Следует ставить задачи моделирования «речи», «памяти», «нервной системы», элементов искусственного «интеллекта». Результаты такого моделирования в итоге объединяются и программно связываются в виде целостной функционирующей конструкции. Далее исследуются особенности взаимодействия робота с внешней средой, вносятся необходимые коррективы в его конструктивные и программные решения.

    На современном этапе развития методов научно-технического познания особое значение приобретают методы компьютерного моделирования [116]. Виртуальные модели в комплексе с реальным оборудованием позволяют инженерам при проектировании технических устройств находить наиболее целесообразные решения. С помощью специального программного обеспечения может быть выполнена разработка полного цифрового макета робота. К таким программным средам предъявляется целый ряд требований, а именно: 1) возможность создания виртуальной модели робота подобной его реальной физической модели; 2) возможность виртуального моделирования поведения модели робота в среде, схожей с реальным физическим миром; 3) трехмерная визуализация модели робота и ее поведения в виртуальной среде; 4) возможность использования программ, написанных для виртуальной модели робота, для аналогичного реального робота.

    В настоящее время предпринимаются попытки создать такие среды и для системы среднего образования. Известны продукты компании: среда LabVIEW с дополнительным модулем LabVIEW LEGOMINDSTORMS, среда RobotC, среда VEX Assembler для наборов компании VEX Robotics. Разработка и внедрение данных сред в учебную практику – актуальная проблема современной образовательной робототехники.

    Для натурного моделирования созданы специальные конструкторы по образовательной робототехнике. Наиболее известна в России линейка наборов Lego, а именно: Lego education WeDo, Lego MINDSTORMS EV3, Tetrix (функционирует под управлением Lego). Используются наборы от фирмы Huna: Fun&Bot, Kicky, Class, Top, Human-robot и др. С каждым годом число наборов по образовательной робототехнике увеличивается, растет их качество, ширится спектр возможностей в создании роботов различных видов и уровней сложности.

    Отметим, что в учебной практике (как и в реальном производстве) технологии виртуального и натурного моделирования роботов, как правило, реализуются совместно.

    Рассмотрим примеры проектно-исследовательской работы учащихся.

    Пример роботизированной установки для выполнения физического эксперимента по исследованию закономерностей колебаний пружинного маятника был приведен в п. 2.2.1 (рис. 4, 5.). Данная установка вполне может стать для учащихся объектом самостоятельного проектирования. Как правило, к этой работе привлекаются ребята, увлекающиеся робототехническим конструированием и программированием. С другими примерами натурного моделирования роботизированных установок для физического эксперимента можно познакомиться в п. 2.4., в котором рассматривается методика организации проектной деятельности учащихся.

    Разработка модели (прототипа) новой экспериментальной установки или усовершенствованной известной всегда связано с предпроектным исследованием. Схема разработки классического натурного физического эксперимента известна. В случае создания его роботизированной версии ситуация с предпро-ектным исследованием усложняется. Учащимся необходимо выполнить дополнительные действия. Это выбор элементов конструктора, наиболее подходящих для воспроизведения и диагностики исследуемого в физическом эксперименте явления. В ряде случаев возможно создание новых элементов или модернизация имеющихся. Необходимо определить механизмы и устройства для реализации хода эксперимента. Особенно важно сделать выбор технологии сбора и обработки экспериментальных данных. Наконец, учащимся необходимо подобрать программное обеспечение и написать программу для управления исследованием.

    На рисунке 7 представлен пример разработки учащимися роботизирован -ной модели технического объекта – установки «Магнитная муфта». Муфта состоит из двух магнитных шестерёнок. Магнитная шестерёнка представляет собой диск, на котором вдоль всей его окружности закреплены магниты с чередованием северных и южных магнитных полюсов. Идея магнитной передачи состоит в том, что при сближении шестерёнок возникает магнитное сцепление, и одна магнитная шестерёнка передаёт вращение другой посредством магнитного поля. При выполнении данного проекта учащимся необходимо было не только реализовать в роботизированном варианте идею магнитного сцепления, но и обеспечить: 1) автоматическое определение частоты вращения ведомого вала, 2) регулировку расстояния между шестерёнками и скорости их вращения. При создании данной модели использовались не только детали робототехнического конструктора, но и оборудование школьного физического кабинета, кабинета технологии (различные приборы и инструменты) (подробнее о данном проекте см. п. 2.4.).



    Рис.7. Модель роботизированной установки для изучения магнитной передачи «Магнитная муфта»

    При проектировании технического объекта как роботизированной системы предпроектное исследование связано: с изучением назначения данного объекта и системы его требуемых функций; определением физических основ работы объекта и отдельных узлов его конструкции (т.е. с решением вопроса о принципе действия); выявлением составляющих системы обратной связи и механизмов управления работой объекта. Чуть более простой задачей для предпроект-ного исследования является модернизация уже имеющейся конструкции роботизированной модели технического объекта.

    Итак, вторая составляющая методики включения робототехники в учебный процесс по физике в качестве инструмента познания представлена демонстрацией учащимся роботизированных технических объектов как

    инструментов научно-технического исследования, а также самостоятельным моделированием и созданием учащимися натурных и виртуальных моделей роботов различных видов.

    Применение робототехники в учебном процессе по физике в качестве инструмента познания способствует освоению учащимися его современной методологии. На этой основе расширяются и углубляются знания учащихся по предмету, совершенствуются их познавательные умения и навыки, формируются учебно-исследовательские компетенции [115; 130; 158].

    Итак, в данном параграфе раскрыто содержание методики применения робототехники на уроках физики в качестве инструмента познания. Дана характеристика роботизированного физического эксперимента как метода научного исследования, а также направлений применения робототехники в прикладном техническом познании. Приведены примеры роботизированных установок, которые могут использоваться с этой целью в учебном процессе по физике.
    1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13


    написать администратору сайта