ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РОБОТОТЕХНИКИ НА УРОКАХ МАТЕМАТИКИ

ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РОБОТОТЕХНИКИ НА УРОКАХ МАТЕМАТИКИ

Введение

Характерная черта нашей жизни – нарастание темпа изменений. Мы живем в мире, совсем не похожем на тот, в котором мы родились. И темп изменений продолжает нарастать. Новое время порождает принципиально новый облик ученика, центральным компонентом которого становится готовность к жизни в высокотехнологичном конкурентном мире. Ученик должен быть мобильным, современным, готовым к разработке и внедрению инноваций в жизнь. Современное образование в настоящее время

должно соответствовать целям опережающего развития. Это возможно благодаря изучению не только достижений прошлого, но и технологий, которые пригодятся в будущем. Таким требованиям отвечает робототехника. [5] В мире современных технологий нас всё больше и больше окружает робототехника. Компьютеризированная техника не является новшеством, а ведь компьютер, телефон или современная кухонная плита является тоже роботом.

Актуальность исследования обусловлена возможностью практического применения результатов моделирования роботов и прямого применения их технических характеристик для практических задач на уроках математики. Новизна заключается в том, что роботы могут не только служить наглядным примером для решения математических задач, но и быть инструментом математического образования, а также нести более глубокую развивающую направленность обучения в целом.

Проблема исследования заключается в поиске точек соприкосновения компьютерной грамотности в области программирования роботов и математического образования на всех ступенях обучения в школе.

Цель исследования: Выявить возможности использования робототехники на уроках математики в школе

Задачи:

• Найти и изучить литературу и материалы интернет ресурсов по данной теме.

• Выявить возможности интеграции использования робототехники на уроках математики.

• Подготовить задания и задачи, позволяющие использовать роботов на уроках математики.

• Провести практические занятия для изучения интереса школьников к задачам с роботами.

• Создать буклет - памятку для начинающих юных конструкторов - математиков по программированию заданий.

Гипотеза: Применение робототехники на уроках математики – это новый шаг в обучении

Объект исследования: Бинарные занятия по математике и информатике

Предмет исследования: Робот LEGO MINDSTORMS EV3

Глава 1. История развития робототехники

ГЛУБОКАЯ ДРЕВНОСТЬ

История робототехники уходит в глубокую древность. Уже в те времена появились идеи создания технических средств, похожих на человека, и были предприняты первые попытки по их созданию. Статуи богов с подвижными частями тела появились еще в Древнем Египте, Вавилоне, Китае. До нас дошли книги Герона Александрийского (I век н.э.), где описаны подобные и многие другие автоматы древности. В качестве источника энергии в них использовались вода, пар, гравитация (гири). [1]

СРЕДНИЕ ВЕКА

В средние века большой популярностью пользовались различного рода автоматы, основанные на использовании часовых механизмов. Были созданы всевозможные часы с движущимися фигурами людей и ангелов. К этому периоду относятся сведения о создании первых подвижных человекоподобных механических фигур – андроидов.

Работы по созданию андроидов достигли наибольшего развития в XVIII в. Одновременно с расцветом часового мастерства. Французский механик и изобретатель Жак де Вокансон создал в 1738 году первое работающее человекоподобное устройство, которое играло на флейте. Вокансон также создал механическую утку, покрытую настоящими перьями, которая могла ходить, двигать крыльями, крякать, пить воду, клевать зерно и, перемалывая его маленькой внутренней мельницей, отправлять нужду на пол. Утка состояла из более чем 400 движущихся деталей и была однозначно признана венцом творения мастера. [1]

КОНЕЦ XIX – ПЕРВАЯ ПОЛОВИНА XX ВЕКА

Благодаря развитию электротехники и электроники реализуются потребности общества и производства в различных автоматических устройствах. Литература и искусство в это время играют роль катализатора процесса развития робототехники. В этот период появляется много научно-фантастических произведений литературы, в которых роботы-андроиды играют главные роли. Благодаря всеобщему интересу к роботам изобретателям удается разрабатывать оригинальные конструкции роботов-андроидов:

«Мистер Телевокс» (1928, американский инженер Дж. Уэнсли) — робот, имевший внешнее сходство с человеком, способный выполнять элементарные движения по команде, подаваемой голосом, и ставший экспонатом Всемирной выставки в Нью-Йорке.

«Эрик» (1928) – робот, который на Выставке Британской ассоциации инженеров по моделированию «выступил» с небольшой речью.

«Альфа» (1932, английский изобретатель Гарри Мей) — человекоподобный автомат, который по голосовым командам садился и вставал, двигал руками и говорил.

«Естествоиспытатель» (1928, под руководством доктора Нисимура Макота) — японский робот, способный с помощью электропривода манипулировать руками и головой. Впоследствии этот андроид стали считать родоначальником роботостроения в Японии.

В2М (1936, московский школьник Вадим Мацкевич) — первый робот-андроид в России. В 1937 году был удостоен диплома Всемирной выставки в Париже.[1]

Одним из самых первых промышленных манипуляторов был поворотный механизм с захватным устройством для удаления заготовок из печи, разработанный в США в 1892 году. Особую известность получили копирующие манипуляторы, инструкции и принципы управления которых до сих пор находят применение во многих моделях промышленных роботов.

Одним из первых в манипуляторов для обслуживания атомных станций был разработан в 1948 году под руководством Р. Герца.

Более прямыми предшественниками современных манипуляционных роботов можно считать программируемые краскораспылительные машины, разработанные в 1930-1940 гг. в США. Возросший экономический потенциал и потребности в современных видах вооружения ведущих промышленных стран в первой половине XX века дают мощный импульс развитию науки и научно-технических направлений, без которых возникновение и прогресс современной робототехники стали бы невозможными. Речь идет, прежде всего, о вычислительной технике и кибернетике.[1]

ВТОРАЯ ПОЛОВИНА ХХ ВЕКА

Возникновение современных роботов следует отнести к 1959 г. В этом году в США были созданы первые промышленные манипуляторы с программным управлением, которые получили общепринятое название промышленных роботов и положили начало коммерческому производству.

Они представляли собой уже достаточно совершенные системы с обратной связью и контролируемой траекторией движения, имели числовое программное управление и память, как у ЭВМ.

В этот период и в ряде других стран создают подобные экспериментальные установки, так называемые интегральные роботы, управляющие ЭВМ.

Одновременно развернулись работы в новой специфической области робототехники — шагающие машины проходимости. Были созданы экспериментальные образцы четырех - и шестиногих транспортных машин, протезов ног человека, так называемых экзоскелетонов, для парализованных и тяжелобольных.

Робототехника как научная дисциплина, формируется совместными усилиями ученых и разработчиков техники в целостное научно-техническое направление, обогащается огромным опытом разработки и эксплуатации самых разнообразных роботов, робототехнических устройств и систем.[1]

Глава 2. Роботы в современном мире

Промышленные роботы

Промышленные роботы выполняют такие основные задачи: сортировка продукции, перемещение грузов, выполнение сварочных и покрасочных работ. Их количество в современном производстве увеличивается.[2]

Медицинские роботы

В последние годы роботы получают всё большее применение в медицине; в частности, разрабатываются различные модели хирургических роботов. Ещё в 1985 году робот Unimation Puma 200был использован при выполнении биопсии головного мозга, проводившейся под управлением компьютера.

В 1992 году разработанный в Имперском колледже Лондона робот ProBot впервые осуществил операцию на предстательной железе, положив начало практической роботизированной хирургии.

С 2000 года компания Intuitive Surgical серийно выпускает робот Da Vinci, предназначенный для лапароскопических операций и установленный в нескольких сотнях клиник по всему миру.[3]

Роботы для обеспечения безопасности

В последнее время роботы всё чаще применяются силовыми структурами: полицией, органами государственной безопасности, аварийно-спасательными службами, силами ведомственной и вневедомственной охраны. В Перми прошли первые испытания робота-полицейского, разработанного московской компанией « Лаборатория Трёхмерного Зрения». При тушении пожаров применяют роботизированные установки пожаротушения. [3]

Для оперативной разведки агентства по чрезвычайным ситуациям и полиция используют «летающих роботов» (беспилотные летательные аппараты). При проведении под водой обследования потенциально опасных объектов и поисково-спасательных работ службы МЧС России используют подводные роботы серии «Гном».[3]

Боевые роботы

Боевыми роботами являются не только автоматические устройства с антропоморфным действием, которые частично или полностью заменяют человека, но и действующие в воздушной и водной среде, не являющейся средой обитания человека (авиационные, беспилотные с дистанционным управлением, подводные аппараты и надводные корабли). В настоящее время большинство боевых роботов являются устройствами телеприсутствия, и лишь очень немногие модели имеют возможность выполнять некоторые задачи автономно, без вмешательства оператора.[3]

Робот – шахматист

Российские ученые разработали робота-шахматиста. Трехпалым механическим щупом он самостоятельно передвигает фигуры по электрической шахматной доске. Разработчик Константин Костенюк рассказал, что робот уже обыграл нескольких именитых гроссмейстеров, может одновременно играть с тремя соперниками и бесконечно сам с собой.[7]

Роботы распознают запахи

Ученые учат роботов распознавать запахи. Например, сенсор модели Ubiko распознает запах дыма и пепла, затем устройство посылает сигнал на пульт охраны, которая уже и принимает меры по ликвидации возгорания. Другой прибор с помощью инфракрасного спектрометра определяет химический состав продукта, его свежесть и состав .[7] (Приложение № 1)

Глава 3. Применение робототехники в школе

Роботы широко используются в образовании.

Робот - учитель

Разработка французского бренда уже давно используется в школах и постоянно модернизируется. В последней версии Nao Evolution присутствует обновленная операционная система, также включены модули эмоциональности и автономности, функции для поддержания разговора с человеком.

Роботы для детей аутистов

Гуманоид был разработан специалистами американского Университета Вандербильта, чтобы обучать детей с аутизмом, страдающих от дефицита социального взаимодействия.

Russel — это не последние наработки робототехники, но и свежие научные данные, связанные с нарушением нервной системы. Робот отслеживает ответы и реакцию детей и может с точностью определить, насколько успешен выбранный им подход для общения.

KASPAR - гуманоидный робот с уникальными функциями, которые помогают детям с аутизмом развивать свои навыки социального взаимодействия.

Робот с мимикой

Эта одна из самых популярных японских разработок, предназначенных для применения в образовательных целях. Гуманоид может общаться на разных языках, читать из какого-либо источника, раздавать задания, выражать настроение и даже менять мимику. [4]

Глава 4. Возможности применения робототехники на разных предметах

Развитие образовательной робототехники в России привело к необходимости введения ее в школьный курс в рамках предмета технология. Однако отсутствует формализованное представление о том, каким должен быть этот предмет. Уже планируется выпуск

учебника по технологии с элементами робототехники, но его содержание еще не определено. Технология рассматривается как область проектной деятельности для

практической поддержки естественнонаучных дисциплин в основной школе, содержащая элементы робототехники.[5]

В условиях обновления содержания образования все более значительное место в учебном процессе занимает робототехника. Основой робототехники является практическая и продуктивная направленность знаний, позволяющая создавать условия для самовыражения и успеха учащихся, реализации их творческого потенциала. В настоящее время обществу необходима личность, способная самостоятельно ставить учебные цели, проектировать пути их реализации, контролировать и оценивать свои достижения, работать с разными источниками информации, оценивать их и на этой основе формулировать собственное мнение, суждение, оценку.

Таким требованиям отвечает робототехника. Робототехника – это область техники, связанная с разработкой и применением роботов, а также компьютерных систем для управления ими, сенсорной обратной связи и обработки информации. Сегодня робототехнические конструкторы используются для проведения демонстрационных учебных экспериментов по физике, химии, биологии, математике и основам безопасности жизнедеятельности. Все это позволяет познакомить ребенка с законами реального мира и особенностями функционирования восприятия этого мира кибернетическими механизмами.

Следует отметить, что программирование является одним из самых сложных разделов информатики. И именно внедрение робототехники в образовательный процесс позволяет заинтересовать учащихся, разнообразить их учебную деятельность, использовать групповые активные методы обучения, решать задачи практической направленности. Программирование реального робота помогает увидеть законы математики не на страницах тетради или учебника, а в окружающем мире. Программирование роботов позволяет без усилий организовать межпредметные связи информатики с математикой и физикой, с кибернетикой, физиологией и психологией. Также важно понимать, что робототехника на разных ступенях образования имеет различные цели. [6]

Глава 5. Роботы на уроках математики

Компьютеры, которые массово вошли в современный мир как средство бизнес - анализа, неожиданно покорили детей как новый вид игр, а потом стали использоваться как образовательный ресурс, средство для изучения законов логики и программирования. Компьютеры и дети не слишком удачное сочетание: дети устают, напрягают зрение, увлекаются компьютерными играми и при этом уходят из других важных видов деятельности: учебы, спорта, просто живого общения. Время показало, что использование компьютеров в образовательном процессе очень эффективно. Но индустрия игр стала преобладать над образовательным интересом. А главное, что толкает детей на изучение чего-либо,– это заинтересованность. И тут появились образовательные робототехнические наборы LEGO и аналогичные им. И уже начавший угасать учебный интерес к информационным технологиям вновь ожил. Конструирование, изучение основ программирования, элементы теории автоматического управления, соревнования, творческие проекты оказались очень увлекательными для детей, что дает возможность более осознанно в студенческие и последующие годы развивать идеи технического прогресса. Есть и педагогический положительный момент: детская робототехника стала способом вырвать детей из мрачного мира компьютерных игр. Дух соперничества как один из мотивирующих моментов, требует очень аккуратного подхода. Организация соревнований предполагает условия участия детей как самостоятельных личностей. А какие дальнейшие перспективы могут быть у замечательного образовательного направления робототехники? Интересно развивать объединение математики и робототехники, так как робототехника может помочь увидеть абстрактную науку в действии на примерах с роботами. Например, программировать робота на решение конкретных задач из теории игр одними учениками и предлагать вырабатывать стратегию, чтобы обыграть робота другими учениками. Получается игра-стратегия в реальном мире в соревновании с роботом [5] Для подтверждения гипотезы моего исследования я собрал робота для проведения экспериментов на уроках математики и математических кружках.

Мой робот – это достаточно сложная техническая модель. Он не только умеет двигаться по запрограммированной дорожке (треугольнику, квадрату, прямоугольнику, шестиугольнику и другим геометрическим фигурам, составляющим его траекторию), но и показывает точные измерения пройденного пути и называет эту цифру.

Следующим шагом моего творческого проекта было придумать задания с использованием робота на уроке.

Глава 6. Задачи для разных классов

Во время моего исследования по применению робота на уроках математики, сначала мне пришлось обратиться к учителям математики разных классов, чтобы узнать, в каких классах дети изучают периметр, площадь, длину окружности и площадь круга, а также просмотреть учебники математики разных классов, чтобы разработать задания, согласно возрасту и изученному материалу.

Это изучение программ было направлено на более глубокое погружение в интеграцию математики и информатики, а точнее приложение возможностей и технических характеристик робота для образовательного процесса на уроках.

Испытания планировалось проводить на разных роботах. Результатом этой творческой проектной деятельности стали задания для учащихся разных классов, которые тестировали и проверяли мои умные роботы.

Задания для учащихся 2 класса

Задача № 1 Задача о периметре квадрата

Определите вид фигуры, по которой двигается умный робот, и найдите её периметр. Описание: Робот двигается по квадрату со стороной 4дм, называя каждую пройденную сторону.

Задача № 2 Задача о периметре прямоугольника

Определите вид фигуры, по которой двигается умный робот, и найдите её периметр. Описание: Робот двигается по прямоугольнику со сторонами 3дм и 2дм, называя каждую пройденную сторону.

Задача № 3 Задача о периметре треугольника

Определите вид фигуры, по которой двигается умный робот, и найдите её периметр. Описание: Робот двигается по равностороннему треугольнику со стороной 7дм, называя каждую пройденную сторону.

Задача № 4 Задача о стороне квадрата через периметр

Определите сторону квадрата, по которому двигается умный робот, если периметр этого квадрата равен 8дм. Описание: Робот двигается по квадрату со стороной 2дм, называя каждую пройденную сторону.

Задача № 5 Задача о стороне прямоугольника через периметр

Определите сторону прямоугольника, по которому двигается умный робот, если периметр этого прямоугольника равен 18дм, а другая сторона равна 3дм. Описание: Робот двигается по прямоугольнику со сторонами 3дм и 6дм, называя каждую пройденную сторону.

Задача № 6 Задача о стороне треугольника через периметр

Определите сторону равностороннего треугольника, по которому двигается умный робот, если периметр этого треугольника равен 9дм. Описание: Робот двигается по правильному треугольнику со стороной 3дм, называя каждую пройденную сторону.

Задания для учащихся 3 класса

Задача № 7 Задача о периметре и площади квадрата

Определите вид фигуры, по которой двигается умный робот, и найдите её периметр и площадь. Описание: Робот двигается по квадрату со стороной 6дм, называя каждую пройденную сторону.

Задача № 8 Задача о периметре и площади прямоугольника

Определите вид фигуры, по которой двигается умный робот, и найдите её периметр и площадь. Описание: Робот двигается по прямоугольнику со сторонами 3дм и 5дм, называя каждую пройденную сторону.

Задача № 9 Задача о стороне квадрата через площадь

Робот двигался по квадрату, площадь которого 25 дм². Определите сторону квадрата и протестируйте робота. Описание: После решения тестируют робота, который проходит по квадрату, называя и показывая сторону 5дм.

Задача № 10 Задача о стороне прямоугольника через площадь

Робот двигался по прямоугольнику, площадь которого 20 дм² и одна сторона 4дм. Определите сторону прямоугольника и протестируйте робота. Описание: После решения тестируют робота, который проходит по прямоугольнику, называя и показывая стороны 5дм и 4дм.

Задача № 12 Задача о стороне квадрата через периметр

Робот двигался по квадрату, периметр которого 32 дм². Определите сторону квадрата и протестируйте робота. Описание: После решения тестируют робота, который проходит по прямоугольнику, называя и показывая сторону 8дм.

Задача № 13 Задача о стороне прямоугольника через периметр

Робот двигался по прямоугольнику, периметр которого 14 дм² и одна сторона 2дм. Определите сторону прямоугольника и протестируйте робота. Описание: После решения тестируют робота, который проходит по прямоугольнику, называя и показывая стороны 5дм и 2дм.

Задача № 14 Задача о периметре правильного шестиугольника

Определите вид фигуры, по которой двигается умный робот, и найдите её периметр и. Описание: Робот двигается по правильному шестиугольнику со стороной 3дм, называя каждую пройденную сторону.

Задача № 15 Задача о стороне правильного шестиугольника

Определите сторону правильного шестиугольника, по которому двигается умный робот, если периметр этого треугольника равен 12дм. Описание: Робот двигается по правильному шестиугольнику со стороной 2дм, называя каждую пройденную сторону.

Задания для учащихся 5 класса

Задача № 16 Задача о периметре и площади прямоугольного треугольника

Определите вид фигуры, по которой двигается умный робот, и найдите её периметр и площадь. Описание: Робот двигается по прямоугольному треугольнику со сторонами 4дм, 5дм,3дм, называя каждую пройденную сторону.

Задача № 17 Задача о высоте прямоугольного треугольника через площадь

Определите высоту прямоугольного треугольника, если площадь его равна 24дм, а основание равно 6дм. Описание: Тестирование после решения покажет, что робот двигается по прямоугольному треугольнику со сторонами 6дм, 8дм,10дм, называя каждую пройденную сторону.

Задания для учащихся 6 класса

Задача № 18 Задача о длине окружности колеса

Ученики имеют в своём распоряжении 3 пары колес разного диаметра, робота и программное обеспечение на компьютере, в котором открыта программа движения по прямой. Задача учеников: рассчитать длину окружности каждой пары колес, высчитать количество оборотов необходимых для преодоления роботом 1 метра и вбить в программу получившиеся число оборотов (для каждой пары колес отдельно), протестировать робота.

Задача № 18 Задача о длине окружности колеса через диаметр и количестве оборотов

Ученики имеют в своём распоряжении 3 пары колес разного диаметра. Просчитать длину окружности каждого колеса, используя формулу. Высчитать количество оборотов каждого колеса, необходимое роботу для прохождения заданного расстояния на площадке по прямой.

Вбить в программу количество оборотов, протестировать робота и посмотреть, как робот проходит дистанцию.

338тг - Сатып алу

Материал ұнаса әріптестеріңізбен бөлісіңіз

Ватсапта бөлісу Телеграммда бөлісу Фейсбукта бөлісу Сілтемені көшіру

Материал жариялап тегін сертификат алыңыз!

Бұл сертификат «Ustaz tilegi» Республикалық ғылыми – әдістемелік журналының желілік басылымына өз авторлық жұмысын жарияланғанын растайды. Журнал Қазақстан Республикасы Ақпарат және Қоғамдық даму министрлігінің №KZ09VPY00029937 куәлігін алған. Сондықтан аттестацияға жарамды

Материал жариялау Сертификатты жүктеу

Ресми байқаулар тізімі

Республикалық байқауларға қатысып жарамды дипломдар алып санатыңызды көтеріңіз!

Тізімді көру