Практическая работа «Конструирование и программирование робота-манипулятора»

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА УРОКА

Образовательная организация: ГБОУ Школа № 1362
Учитель: Ахметов Рустам
Дата проведения:
Класс: 6

ЦЕЛЕВОЙ БЛОК

Модуль: Мобильная робототехника
Тема урока: Практическая работа «Конструирование и программирование робота-манипулятора»
Цель урока: Создать условия для формирования практических навыков конструирования и программирования транспортного робота с манипулятором, способного захватывать и перемещать объекты из одной зоны в другую.

Планируемые результаты:

Предметные:

Умение конструировать робота с манипулятором, обеспечивая его устойчивость
Навык программирования согласованной работы нескольких моторов для управления манипулятором
Понимание принципов распределения нагрузки и балансировки робота
Умение создавать алгоритмы для захвата и перемещения объектов

Метапредметные:

Регулятивные УУД: умение планировать сложную конструкцию, тестировать работу системы и вносить необходимые корректировки
Познавательные УУД: умение применять знания из физики и математики при создании сбалансированной и точной робототехнической системы
Коммуникативные УУД: умение работать в команде при решении комплексной технической задачи, распределять роли и координировать действия

Личностные:

Развитие инженерного мышления и пространственного воображения
Формирование настойчивости и целеустремленности при решении сложных технических задач
Воспитание ответственности за качество выполненной работы
Развитие творческого подхода к решению инженерных проблем

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ БЛОК

Задачи урока:

Образовательные:

Закрепить знания о принципах работы манипуляторов
Научить методам обеспечения устойчивости мобильной платформы с манипулятором
Сформировать понимание координации движений нескольких моторов

Развивающие:

Развивать навыки конструирования сложных робототехнических систем
Формировать умение отлаживать и оптимизировать алгоритмы управления манипулятором
Развивать способность решать комплексные технические задачи

Воспитательные:

Воспитывать культуру проектной деятельности
Формировать навыки командной работы и взаимопомощи
Развивать ответственность за результат коллективной работы

Тип урока: Практическая работа

Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение:

Робототехнические наборы с достаточным количеством конструктивных элементов и моторов
Дополнительные детали для создания манипулятора (захваты, удлинители, соединители)
Компьютеры с установленной средой программирования
Демонстрационная модель робота-манипулятора (при наличии)
Инструкции по сборке базовых конструкций манипуляторов
Примеры программ для управления простыми манипуляторами
Тестовые объекты для захвата и перемещения (кубики, мячи, цилиндры)
Разметка зон для начального и конечного положения объектов
Весы для измерения нагрузки (опционально)

ОРГАНИЗАЦИОННО-ДЕЯТЕЛЬНОСТНЫЙ БЛОК

Образовательные технологии:

Проектное обучение
Практико-ориентированное обучение
Работа в малых группах
Проблемное обучение

Межпредметные связи:

Физика: Баланс робота при работе манипулятора, распределение нагрузки, моменты сил, центр тяжести, противовес
Математика: Координация работы нескольких моторов для точного позиционирования, расчет углов поворота, последовательность операций
Информатика: Алгоритмы управления, параллельное выполнение задач, условные операторы, циклы
Технология: Конструирование механизмов, соединение узлов, прочность конструкции

Основные понятия: Манипулятор, степень свободы, захват (схват), противовес, центр тяжести, момент силы, точность позиционирования, координация движений, последовательность операций, грузоподъемность, рычаг, устойчивость конструкции, алгоритм перемещения

Этап урока	Деятельность учителя	Деятельность ученика	Планируемые результаты предметные	Планируемые результаты УУД
1. Организационный момент (3 мин)	Приветствует учащихся, проверяет готовность к уроку. Проверяет наличие необходимых компонентов и оборудования. Проводит инструктаж по технике безопасности при работе с конструкторами и движущимися механизмами.	Готовят рабочие места, проверяют комплектность наборов, включают компьютеры	Подготовка к практической работе	Регулятивные: самоорганизация
2. Постановка задачи (7 мин)	Формулирует цель практической работы: “Сегодня вы будете создавать транспортный робот с манипулятором, который должен захватывать предметы из одной зоны и перемещать их в другую”. Демонстрирует пример работы такого робота (видео или реальную модель). Объясняет критерии успешного выполнения задачи: робот должен стабильно перемещаться, не терять равновесие при работе манипулятора, точно захватывать и надежно удерживать объекты при перемещении.	Слушают задание, смотрят демонстрацию, задают уточняющие вопросы, обсуждают возможные решения	Понимание цели и критериев успешного выполнения задания	Познавательные: целеполагание Коммуникативные: формулирование вопросов
3. Актуализация знаний (5 мин)	Задает вопросы: “Какие типы манипуляторов мы изучили?”, “Что влияет на устойчивость робота с манипулятором?”, “Как координировать работу нескольких моторов?”, “Какие факторы нужно учитывать при программировании захвата предметов?”	Отвечают на вопросы, вспоминают материал предыдущих уроков, обсуждают принципы работы манипуляторов и физические аспекты устойчивости	Актуализация знаний о манипуляторах и физических принципах их работы	Познавательные: извлечение имеющихся знаний Коммуникативные: участие в обсуждении
4. Планирование конструкции (10 мин)	Объясняет этапы проектирования робота с манипулятором: 1) Определение типа платформы (колесная, гусеничная) 2) Выбор типа манипулятора и количества степеней свободы 3) Размещение манипулятора на платформе с учетом баланса 4) Проектирование захвата под конкретные объекты Демонстрирует различные варианты конструкций, обращая внимание на распределение массы и устойчивость.	Работают в группах: обсуждают и выбирают тип платформы и манипулятора, делают эскизы конструкции, распределяют роли для дальнейшей работы	Умение планировать конструкцию робота-манипулятора	Познавательные: моделирование Регулятивные: планирование Коммуникативные: совместное решение задач
5. Конструирование базовой платформы (15 мин)	Консультирует группы в процессе конструирования. Обращает внимание на необходимость создания прочной и устойчивой платформы. Напоминает о размещении центра тяжести и возможности использования противовеса.	Собирают базовую транспортную платформу робота: конструируют раму, устанавливают колеса/гусеницы, монтируют моторы для передвижения, обеспечивают устойчивость конструкции	Умение создавать устойчивую мобильную платформу для робота с манипулятором	Регулятивные: реализация плана Познавательные: применение знаний на практике
6. Физкультминутка (2 мин)	Проводит короткую динамическую паузу с упражнениями для рук и плечевого пояса.	Выполняют физические упражнения	-	Регулятивные: переключение внимания
7. Конструирование манипулятора (20 мин)	Организует работу по созданию манипулятора. Консультирует по вопросам механики, балансировки, размещения моторов. Обращает внимание на надежность креплений и диапазон движений.	Конструируют манипулятор: создают основание, звенья манипулятора, механизм захвата, устанавливают моторы для управления движениями, монтируют манипулятор на платформу, балансируют конструкцию	Умение конструировать функциональный манипулятор и интегрировать его с мобильной платформой	Регулятивные: контроль и коррекция Познавательные: техническое творчество
8. Программирование базовых движений (15 мин)	Объясняет принципы программирования базовых движений манипулятора: 1) Управление отдельными моторами 2) Последовательность команд для захвата 3) Координация работы нескольких моторов Демонстрирует примеры программ для отдельных элементов манипулятора.	Программируют базовые движения: создают функции для управления каждым мотором, программируют открытие и закрытие захвата, реализуют подъем и опускание манипулятора, тестируют отдельные движения	Умение программировать базовые движения манипулятора	Познавательные: алгоритмическое мышление
9. Программирование комплексных действий (15 мин)	Объясняет принципы создания комплексных алгоритмов для выполнения задачи перемещения предметов: 1) Подъезд к объекту 2) Позиционирование манипулятора 3) Захват объекта 4) Подъем и транспортировка 5) Позиционирование для выгрузки 6) Размещение объекта Консультирует группы в процессе программирования.	Программируют комплексные действия: создают алгоритм перемещения робота к зоне захвата, программируют последовательность действий для точного позиционирования и захвата, создают программу для транспортировки и размещения объекта в целевой зоне	Умение программировать согласованную работу платформы и манипулятора	Регулятивные: планирование действий Познавательные: создание сложных алгоритмов
10. Тестирование и отладка (10 мин)	Организует тестирование роботов. Предлагает методику систематической отладки: сначала проверка отдельных движений, затем тестирование полного цикла операций. Помогает выявлять и устранять проблемы.	Тестируют работу робота: проверяют стабильность платформы при работе манипулятора, тестируют точность захвата и перемещения объектов, выявляют и устраняют проблемы, корректируют программы и конструкцию	Умение тестировать и отлаживать работу робототехнической системы	Регулятивные: контроль и коррекция Познавательные: анализ результатов
11. Демонстрация и соревнование (10 мин)	Организует демонстрацию и мини-соревнование роботов. Задача: переместить максимальное количество предметов за отведенное время или точно разместить объекты в целевой зоне.	Демонстрируют работу своих роботов, участвуют в соревновании, наблюдают за работой других команд, анализируют различные решения	Умение применять созданного робота для решения практической задачи	Коммуникативные: презентация результатов Познавательные: сравнительный анализ
12. Рефлексия и подведение итогов (3 мин)	Подводит итоги практической работы, отмечает успешные решения и типичные проблемы. Задает вопросы: “Какие технические решения оказались наиболее эффективными?”, “С какими трудностями вы столкнулись и как их преодолели?”, “Как можно улучшить вашего робота?”	Отвечают на вопросы, делятся опытом создания робота, анализируют возникшие проблемы и способы их решения, оценивают свою работу	Осознание полученного практического опыта	Регулятивные: оценка результатов Познавательные: рефлексия

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

Базовый уровень:

Составить отчет о проделанной практической работе с описанием конструкции робота и алгоритма его работы
Предложить способы улучшения созданной конструкции и программы

Повышенный уровень:

Разработать идею модификации манипулятора для работы с объектами разной формы и размера
Спроектировать алгоритм для сортировки объектов по цвету или размеру при перемещении

ОЦЕНИВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Критерии оценивания практической работы:

Качество и прочность конструкции робота и манипулятора (1-5 баллов)
Устойчивость робота при работе манипулятора (1-5 баллов)
Точность захвата и перемещения объектов (1-5 баллов)
Эффективность алгоритма работы (1-5 баллов)
Оригинальность и функциональность инженерного решения (1-5 баллов)

Шкала оценивания:

“5” - 21-25 баллов
“4” - 16-20 баллов
“3” - 10-15 баллов
“2” - менее 10 баллов

ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

По итогам урока учащиеся должны:

Знать:

Принципы конструирования устойчивых мобильных роботов с манипуляторами
Способы балансировки и распределения нагрузки в робототехнических системах
Методы координации работы нескольких моторов для управления манипулятором
Алгоритмы точного позиционирования и захвата объектов

Уметь:

Конструировать транспортного робота с функциональным манипулятором
Программировать согласованную работу движущейся платформы и манипулятора
Обеспечивать устойчивость робота при работе с грузами
Создавать алгоритмы для захвата и перемещения объектов

Владеть:

Навыками создания комплексных робототехнических систем
Методами отладки и оптимизации программ управления манипуляторами
Техникой проектирования сбалансированных механизмов
Приемами решения инженерных задач в области мобильной робототехники

Дополнительные материалы к уроку:

Схемы различных типов манипуляторов для мобильных роботов
Примеры программ для управления отдельными компонентами манипулятора
Рекомендации по балансировке робота и распределению нагрузки
Видеоматериалы с примерами работы роботов-манипуляторов
Таблица типичных проблем при работе манипуляторов и способов их решения
Памятка по программированию последовательности действий для захвата и перемещения