24. Практическая работа «Исследование зависимости времени работы робота от нагрузки»

ЦЕЛЕВОЙ БЛОК

Образовательная организация: ГБОУ Школа № 1362
Учитель: Ахметов Рустам
Дата проведения:

Модуль: Основы робототехники
Тема урока: Практическая работа «Исследование зависимости времени работы робота от нагрузки»
Цель урока: Сформировать у обучающихся практические навыки исследования энергопотребления робототехнических систем и оптимизации программ для повышения энергоэффективности.

Планируемые результаты:

Личностные: развитие критического мышления при анализе энергопотребления; формирование ответственного отношения к использованию энергоресурсов; воспитание настойчивости при решении технических задач оптимизации.
Предметные: овладение методикой проведения экспериментов по измерению времени работы робота; формирование навыков измерения потребляемой мощности; приобретение опыта оптимизации программ для повышения энергоэффективности.
Метапредметные:
- Регулятивные УУД: развитие умения планировать эксперимент и фиксировать его результаты; формирование навыков анализа полученных данных и внесения корректировок в программу.
- Коммуникативные УУД: развитие умения работать в команде при проведении экспериментов; формирование навыков представления результатов исследования.
- Познавательные УУД: развитие умения устанавливать зависимости между нагрузкой и временем работы робота; формирование навыков построения и анализа графиков.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ БЛОК

Задачи урока:

Научить учащихся измерять время работы робота при выполнении различных задач
Сформировать навыки измерения потребляемой мощности и тока
Развить умение анализировать зависимость времени работы от энергопотребления
Научить строить и интерпретировать графики зависимости времени работы от потребляемой мощности
Обеспечить практическое применение знаний для оптимизации программы робота

Тип урока: лабораторно-практическая работа

Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение:

Робототехнические наборы с полностью заряженными аккумуляторами (1 на группу)
Мультиметры для измерения тока и напряжения
Секундомеры или таймеры для измерения времени работы
Рабочие листы для записи результатов экспериментов
Миллиметровая бумага или компьютеры с программным обеспечением для построения графиков
Калькуляторы для вычисления мощности
Запасные аккумуляторы и зарядные устройства
Тестовые полигоны для выполнения различных задач роботами
Инструкционные карты для проведения экспериментов
Таблица стандартных значений энергопотребления компонентов робота

ОРГАНИЗАЦИОННО-ДЕЯТЕЛЬНОСТНЫЙ БЛОК

Образовательные технологии: проблемное обучение, исследовательская деятельность, обучение в сотрудничестве, информационно-коммуникационные технологии.

Межпредметные связи:

Физика: электрическая мощность, энергия, работа тока, закон сохранения энергии
Математика: измерение величин, построение и анализ графиков, пропорциональные зависимости

Основные понятия: энергопотребление, потребляемая мощность, время работы, аккумулятор, емкость батареи, режимы работы, оптимизация программы, энергоэффективность, холостой ход, пиковая нагрузка.

Этап урока	Деятельность учителя	Деятельность ученика	Планируемые результаты
1. Организационный момент (2 мин)	Приветствует учащихся, проверяет готовность к уроку, организует рабочие места.	Готовятся к уроку, проверяют наличие необходимого оборудования и материалов.	Психологическая готовность к занятию
2. Актуализация знаний (5 мин)	Задает вопросы о предыдущем уроке: “Какие источники энергии для роботов мы изучили?”, “Что влияет на время работы робота от батареи?”, “Как рассчитать потребляемую мощность?”	Отвечают на вопросы, вспоминают формулы расчета мощности (P = U × I) и времени работы (t = C / I), обсуждают влияющие на энергопотребление факторы.	Актуализация знаний об источниках энергии и энергопотреблении
3. Постановка цели и задач практической работы (3 мин)	Формулирует цель практической работы: исследовать, как различные нагрузки влияют на время работы робота, и оптимизировать программу для увеличения времени работы.	Записывают цель и задачи практической работы, осмысливают их значение, задают уточняющие вопросы.	Осознание цели практической работы
4. Инструктаж по проведению экспериментов (7 мин)	Объясняет методику проведения экспериментов: как подключать мультиметр для измерения тока, как фиксировать данные, какие задачи будет выполнять робот. Демонстрирует правила безопасной работы с оборудованием.	Слушают инструктаж, изучают рабочие листы для записи результатов, знакомятся с различными задачами для робота, задают уточняющие вопросы.	Понимание методики проведения экспериментов
5. Подготовка к экспериментальной работе (8 мин)	Организует разделение на группы, распределение ролей (операторы, измерители, протоколисты), помогает подготовить роботов и измерительное оборудование.	Объединяются в группы, распределяют роли, подготавливают роботов, подключают мультиметры, проверяют работоспособность оборудования.	Готовность к проведению экспериментов
6. Физкультминутка (2 мин)	Проводит короткую физкультминутку с имитацией работы робота при разных уровнях энергии.	Выполняют физические упражнения, имитируя работу роботов с разным уровнем заряда батареи.	Снятие физического напряжения
7. Экспериментальная работа, этап 1: Измерение базового энергопотребления (10 мин)	Консультирует группы при проведении первого эксперимента: измерение потребления тока и времени работы робота в режиме ожидания (без движения, только с включенными датчиками).	Измеряют потребляемый ток в режиме ожидания, рассчитывают мощность, запускают таймер для определения времени работы до полной разрядки, записывают результаты.	Получение данных о базовом энергопотреблении
8. Экспериментальная работа, этап 2: Простые движения робота (15 мин)	Организует проведение второго эксперимента: измерение потребления при простом движении робота (движение по прямой с постоянной скоростью). Консультирует группы, контролирует правильность измерений.	Программируют робота для движения по прямой, измеряют потребляемый ток, рассчитывают мощность, определяют время работы при данной нагрузке, записывают данные в таблицу.	Получение данных о энергопотреблении при простом движении
9. Экспериментальная работа, этап 3: Сложные задачи (15 мин)	Организует проведение третьего эксперимента: измерение потребления при выполнении сложных задач (движение с поворотами, преодоление препятствий, работа манипулятора).	Программируют робота для выполнения сложных задач, измеряют потребляемый ток, рассчитывают мощность, определяют время работы при максимальной нагрузке, записывают данные.	Получение данных о энергопотреблении при сложных задачах
10. Обработка результатов измерений (10 мин)	Консультирует группы при обработке полученных данных, помогает рассчитать средние значения мощности и времени работы для каждого режима.	Обрабатывают полученные данные, вычисляют средние значения, заполняют сводную таблицу результатов, готовят данные для построения графика.	Систематизация полученных данных
11. Построение графика зависимости времени работы от мощности (10 мин)	Объясняет правила построения графика, обращает внимание на выбор масштаба и обозначение осей, консультирует по возникающим вопросам.	Строят график зависимости времени работы от потребляемой мощности на миллиметровой бумаге или с помощью компьютерной программы, отмечают на нем точки, соответствующие разным режимам работы.	Визуализация зависимости времени работы от потребления
12. Анализ полученных результатов (8 мин)	Организует обсуждение полученных результатов, задает вопросы: “Как изменяется время работы при увеличении нагрузки?”, “Какие компоненты робота потребляют больше всего энергии?”, “Какие закономерности вы заметили?”	Анализируют полученные графики, выявляют закономерности, определяют, какие операции потребляют наибольшую мощность, формулируют выводы о влиянии различных задач на время работы робота.	Формирование навыков анализа экспериментальных данных
13. Практическая работа по оптимизации программы (20 мин)	Объясняет принципы оптимизации программ для экономии энергии: отключение неиспользуемых модулей, оптимизация алгоритмов движения, использование режима ожидания. Консультирует группы по внесению изменений в программы.	Анализируют исходную программу робота, выявляют энергозатратные участки, вносят изменения для оптимизации энергопотребления: уменьшают мощность моторов, отключают неиспользуемые датчики, оптимизируют алгоритмы движения.	Применение знаний для оптимизации программ
14. Тестирование оптимизированных программ (10 мин)	Организует тестирование оптимизированных программ, предлагает измерить новое значение потребляемой мощности и оценить увеличение времени работы.	Тестируют оптимизированные программы, измеряют новые значения потребляемой мощности, оценивают эффективность внесенных изменений, сравнивают с первоначальными показателями.	Проверка эффективности оптимизации
15. Подведение итогов оптимизации (5 мин)	Предлагает группам представить результаты оптимизации, рассказать о примененных методах и достигнутом увеличении времени работы.	Представляют результаты оптимизации, рассказывают о внесенных изменениях в программу, демонстрируют увеличение времени работы, объясняют принципы, которые использовали.	Обмен опытом оптимизации программ
16. Обсуждение практического применения результатов (5 мин)	Организует обсуждение практического применения полученных знаний: “Как можно применить результаты исследования при создании новых роботов?”, “Какие правила энергоэффективности нужно учитывать при программировании?”	Участвуют в обсуждении, предлагают идеи по применению принципов энергоэффективности в будущих проектах, формулируют правила экономичного программирования роботов.	Осознание практической значимости исследования
17. Рефлексия (3 мин)	Предлагает учащимся оценить свою работу с помощью метода “График энергии”: нарисовать график, показывающий свою активность и интерес на разных этапах урока.	Рисуют индивидуальные графики “энергии”, отмечают наиболее интересные и сложные этапы работы, оценивают свой вклад в результаты группы.	Развитие навыков самооценки
18. Домашнее задание (2 мин)	Объясняет домашнее задание: 1) Оформить отчет о проведенном исследовании с графиками и выводами; 2) Предложить дополнительные способы оптимизации энергопотребления робота.	Записывают домашнее задание, задают уточняющие вопросы.	Понимание домашнего задания
19. Подведение итогов урока (5 мин)	Обобщает результаты практической работы, отмечает успехи учащихся, подчеркивает важность энергоэффективности в робототехнике и повседневной жизни.	Слушают обобщение, высказывают свое мнение о проведенной работе, задают итоговые вопросы.	Осознание результатов практической работы

Диагностика результатов:

Оценка правильности проведения измерений потребляемого тока и мощности
Анализ точности заполнения таблицы результатов и построения графика
Проверка правильности выводов о зависимости времени работы от нагрузки
Оценка эффективности оптимизации программы (процент увеличения времени работы)
Наблюдение за работой учащихся в группах при проведении экспериментов
Анализ качества представления результатов оптимизации
Оценка понимания принципов энергоэффективности через вопросы и обсуждение