Программа дополнительного образования Робототехника

МБОУ Чистопольская СОШ

Утверждаю:

Дата:

Робототехника: конструирование и программирование

дополнительная образовательная программа

Возраст учащихся: 10-17 лет

Срок реализации программы: 3 года

Учитель: Тихов Дмитрий Владимирович, учитель информатики

Нижний Новгород

2012 год

1. Пояснительная записка

Краткая характеристика предмета

С началом нового тысячелетия в большинстве стран робототехника стала занимать существенное место в школьном и университетском образовании, подобно тому, как информатика появилась в конце прошлого века и потеснила обычные предметы. По всему миру проводятся конкурсы и состязания роботов для школьников и студентов: научно-технический фестиваль «Мобильные роботы» им. профессора Е.А. Девянина с 1999 г., игры роботов «Евробот» - с 1998 г., международные состязания роботов в России - с 2002 г., всемирные состязания роботов в странах Азии - с 2004 г., футбол роботов Robocup с 1993 г. и т.д. Лидирующие позиции в области школьной робототехники на сегодняшний день занимает фирма Lego (подразделение Lego Education) с образовательными конструкторами серии Mindstorms. В некоторых странах (США, Япония, Корея и др.) при изучении робототехники используются и более сложные кибернетические конструкторы.

В настоящее время активное развитие школьной робототехники наблюдается в Москве в результате целевого финансирования правительства столицы, в Челябинской области и некоторых других регионах России. Нижегородская область существенно отстает по количеству школ, занимающихся робототехникой, хотя уровень подготовки отдельных преподавателей и учащихся достаточно высокий. Назрела необходимость в некотором движущем центре, способном вовлечь в процесс как детей и педагогов, так и администрации школ и районов Нижегородской области.

Направленность

Направленность программы - научно-техническая. Программа направлена на привлечение учащихся к современным технологиям конструирования, программирования и использования роботизированных устройств.

Актуальность

Последние годы одновременно с информатизацией общества лавинообразно расширяется применение микропроцессоров в качестве ключевых компонентов автономных устройств, взаимодействующих с окружающим миром без участия человека. Стремительно растущие коммуникационные возможности таких устройств, равно как и расширение информационных систем, позволяют говорить об изменении среды обитания человека. Авторитетными группами международных экспертов область взаимосвязанных роботизированных систем признана приоритетной, несущей потенциал революционного технологического прорыва¹ и требующей адекватной реакции как в сфере науки, так и в сфере образования.

В связи с активным внедрением новых технологий в жизнь общества постоянно увеличивается потребность в высококвалифицированных специалистах. В ряде ВУЗов Нижнего Новгорода присутствуют специальности, связанные с робототехникой, но в большинстве случаев не происходит предварительной ориентации школьников на возможность продолжения учебы в данном направлении. Многие абитуриенты стремятся попасть на специальности, связанные с информационными технологиями, не предполагая о всех возможностях этой области. Между тем, игры в роботы, конструирование и изобретательство присущи подавляющему большинству современных детей. Таким образом, появилась возможность и назрела необходимость в непрерывном образовании в сфере робототехники. Заполнить пробел между детскими увлечениями и серьезной ВУЗовской подготовкой позволяет изучение робототехники в школе на основе специальных образовательных конструкторов.

Педагогическая целесообразность

Введение дополнительной образовательной программы «Робототехника» в школе неизбежно изменит картину восприятия учащимися технических дисциплин, переводя их из разряда умозрительных в разряд прикладных. Применение детьми на практике теоретических знаний, полученных на математике или физике, ведет к более глубокому пониманию основ, закрепляет полученные навыки, формируя образование в его наилучшем смысле. И с другой стороны, игры в роботы, в которых заблаговременно узнаются основные принципы расчетов простейших механических систем и алгоритмы их автоматического функционирования под управлением программируемых контроллеров, послужат хорошей почвой для последующего освоения сложного теоретического материала на уроках. Программирование на компьютере (например, виртуальных исполнителей) при всей его полезности для развития умственных способностей во многом уступает программированию автономного устройства, действующего в реальной окружающей среде. Подобно тому, как компьютерные игры уступают в полезности играм настоящим.

Возможность прикоснуться к неизведанному миру роботов для современного ребенка является очень мощным стимулом к познанию нового, преодолению инстинкта потребителя и формированию стремления к самостоятельному созиданию. При внешней привлекательности поведения, роботы могут быть содержательно наполнены интересными и непростыми задачами, которые неизбежно встанут перед юными инженерами. Их решение сможет привести к развитию уверенности в своих силах и к расширению горизонтов познания.

Новые принципы решения актуальных задач человечества с помощью роботов, усвоенные в школьном возрасте (пусть и в игровой форме), ко времени окончания вуза и начала работы по специальности отзовутся в принципиально новом подходе к реальным задачам. Занимаясь с детьми на кружках робототехники, мы подготовим специалистов нового склада, способных к совершению инновационного прорыва в современной науке и технике.

Цели

• Создание условий для мотивации, подготовки и профессиональной ориентации школьников для возможного продолжения учебы в ВУЗах и последующей работы на предприятиях по специальностям, связанным с робототехникой.

Задачи

Образовательные

• Использование современных разработок по робототехнике в области образования, организация на их основе активной внеурочной деятельности учащихся

• Ознакомление учащихся с комплексом базовых технологий, применяемых при создании роботов

• Реализация межпредметных связей с физикой, информатикой и математикой

• Решение учащимися ряда кибернетических задач, результатом каждой из которых будет работающий механизм или робот с автономным управлением

Развивающие

• Развитие у школьников инженерного мышления, навыков конструирования, программирования и эффективного использования кибернетических систем

• Развитие мелкой моторики, внимательности, аккуратности и изобретательности

• Развитие креативного мышления, и пространственного воображения учащихся

• Организация и участие в играх, конкурсах и состязаниях роботов в качестве закрепления изучаемого материала и в целях мотивации обучения

Воспитательные

• Повышение мотивации учащихся к изобретательству и созданию собственных роботизированных систем

• Формирование у учащихся стремления к получению качественного законченного результата

• Формирование навыков проектного мышления, работы в команде

Возраст детей

• 10-12 лет - младшая группа

• 13-14 лет - средняя группа

• 15-17 лет - старшая группа

Программа может быть скорректирована в зависимости от возраста учащихся. Некоторые темы взаимосвязаны со школьным курсом и могут с одной стороны служить пропедевтикой, с другой стороны опираться на него. Например, передаточные отношения связаны с обыкновенными дробями, которые изучаются во второй половине 5 класса. Понятие скорости появляется на физике в 7 классе, но играет существенную роль в построении дифференциального регулятора.

Если кружок начинает функционирование в старшей группе, на многие темы потребуется гораздо меньше времени, но коснуться, так или иначе, нужно всего. Работая со старшеклассниками, проявившими интерес к робототехнике незадолго до окончания школы, приходится особенно бережно и тщательно относится к их времени: создавать индивидуальные планы и при необходимости сокращать трехгодичный курс до одного года.

Сроки реализации

Программа рассчитана на трехгодичный цикл обучения.

В первый год учащиеся проходят курс конструирования, построения механизмов с электроприводом, а также знакомятся с основами программирования контроллеров базового набора.

Во второй год учащиеся изучают пневматику, возобновляемые источники энергии, сложные механизмы и всевозможные датчики для микроконтроллеров. Программирование в графической инженерной среде изучается углубленно. Происходит знакомство с программированием виртуальных роботов на языке программирования, схожем с Си.

На третий год учащиеся изучают основы теории автоматического управления, интеллектуальные и командные игры роботов, строят роботов-андроидов, а также занимаются творческими и исследовательскими проектами.

Форма и режим занятий

Занятия проводятся 1 раза в неделю по 2 учебных часа (72 часа) в первый и второй год обучения и 2 раза в неделю в 3 год обучения (144 часа).

Формы организации занятий

Основная форма занятий

Преподаватель ставит новую техническую задачу, решение которой ищется совместно. При необходимости выполняется эскиз конструкции. Если для решения требуется программирование, учащиеся самостоятельно составляют программы на компьютерах (возможно по предложенной преподавателем схеме). Далее учащиеся работают в группах по 2 человека, ассистент преподавателя (один из учеников) раздает конструкторы с контроллерами и дополнительными устройствами. Проверив наличие основных деталей, учащиеся приступают к созданию роботов. При необходимости преподаватель раздает учебные карточки со всеми этапами сборки (или выводит изображение этапов на большой экран с помощью проектора). Программа загружается учащимися из компьютера в контроллер готовой модели робота, и проводятся испытания на специально приготовленных полях. При необходимости производится модификация программы и конструкции. На этом этапе возможно разделение ролей на конструктора и программиста. По выполнении задания учащиеся делают выводы о наиболее эффективных механизмах и программных ходах, приводящих к решению проблемы. Удавшиеся модели снимаются на фото и видео. На заключительной стадии полностью разбираются модели роботов и укомплектовываются конструкторы, которые принимает ассистент. Фото- и видеоматериал по окончании урока размещается на специальном школьном сетевом ресурсе для последующего использования учениками.

Дополнительная форма занятий

Для закрепления изученного материала, мотивации дальнейшего обучения и выявления наиболее способных учеников регулярно проводятся состязания роботов. Учащимся предоставляется возможность принять участие в состязаниях самых разных уровней: от внутришкольных до международных. Состязания проводятся по следующему регламенту.

Заранее публикуются правила, материал которых соответствует пройденным темам на уроках и факультативе. На нескольких занятиях с учащимися проводится подготовка к состязаниям, обсуждения и тренировки. Как правило, в состязаниях участвуют команды по 2 человека. В день состязаний каждой команде предоставляется конструктор и необходимые дополнительные детали, из которых за определенный промежуток времени необходимо собрать робота, запрограммировать его на компьютере и отладить на специальном поле. Для некоторых видов состязаний роботы собираются заранее. Готовые роботы сдаются судьям на осмотр, затем по очереди запускаются на полях, и по очкам, набранным в нескольких попытках, определяются победители.

Ожидаемые результаты и способы их проверки

Образовательные

Результатом занятий робототехникой будет способность учащихся к самостоятельному решению ряда задач с использованием образовательных робототехнических конструкторов, а также создание творческих проектов. Конкретный результат каждого занятия - это робот или механизм, выполняющий поставленную задачу. Проверка проводится как визуально - путем совместного тестирования роботов, так и путем изучения программ и внутреннего устройства конструкций, созданных учащимися. Результаты каждого занятия вносятся преподавателем в рейтинговую таблицу. Основной способ итоговой проверки - регулярные зачеты с известным набором пройденных тем. Сдача зачета является обязательной, и последующая пересдача ведется «до победного конца».

Развивающие

Изменения в развитии мелкой моторики, внимательности, аккуратности и особенностей мышления конструктора-изобретателя проявляется на самостоятельных задачах по механике. Строительство редуктора с заданным передаточным отношением и более сложных конструкций из множества мелких деталей является регулярной проверкой полученных навыков.

Наиболее ярко результат проявляется в успешных выступлениях на внешних состязаниях роботов и при создании защите самостоятельного творческого проекта. Это также отражается в рейтинговой таблице.

Воспитательные

Воспитательный результат занятий робототехникой можно считать достигнутым, если учащиеся проявляют стремление к самостоятельной работе, усовершенствованию известных моделей и алгоритмов, созданию творческих проектов. Участие в научных конференциях для школьников, открытых состязаниях роботов и просто свободное творчество во многом демонстрируют и закрепляют его.

Кроме того, простым, но важным результатом будет регулярное содержание своего рабочего места и конструктора в порядке, что само по себе непросто.

Формы подведения итогов

• В течение курса предполагаются регулярные зачеты, на которых решение поставленной заранее известной задачи принимается в свободной форме (не обязательно предложенной преподавателем). При этом тематические состязания роботов также являются методом проверки, и успешное участие в них освобождает от соответствующего зачета.

• По окончании курса учащиеся защищают творческий проект, требующий проявить знания и навыки по ключевым темам.

• По окончании каждого года проводится переводной зачет, а в начале следующего он дублируется для вновь поступающих.

• Кроме того, полученные знания и навыки проверяются на открытых конференциях и международных состязаниях, куда направляются наиболее успешные ученики.

• Для робототехников всех возрастов и уровней подготовки возможно участие в международных состязаниях роботов, первый этап которых ежегодно проводится в Санкт-Петербурге, второй в Москве, третий - в одной из стран Азии.

• Балтийский научно-инженерный конкурс проводится зимой и собирает разработки учащихся в самых разных областях науки и техники. Это конкурс доступен для ребят, серьезно занимающихся робототехникой.

• И, наконец, ведется организация собственных открытых состязаний роботов (например, командный футбол роботов и т.п.) с привлечением участников из других учебных заведений.

2. Учебно-тематический план дополнительной образовательной программы
"Робототехника: конструирование и программирование".

Первый год обучения

№

Тема

Количество часов

Теория

Практика

Всего

1

Инструктаж по ТБ

1

0

1

2

Введение: информатика, кибернетика, робототехника

1

0

1

3

Основы конструирования

2

6

8

4

Моторные механизмы

2

6

8

5

Трехмерное моделирование

1

3

2

6

Введение в робототехнику

4

10

14

7

Основы управления роботом

2

8

10

8

Удаленное управление

1

3

4

9

Игры роботов

1

3

4

10

Состязания роботов

2

10

12

11

Творческие проекты

1

4

5

12

Зачеты

1

2

3

=19

=55

=72

Второй год обучения

№

Тема

Количество часов

Теория

Практика

Всего

1

Инструктаж по ТБ

1

0

1

2

Повторение. Основные понятия

1

1

2

3

Повторение. Базовые регуляторы

2

4

6

4

Пневматика

1

3

4

5

Трехмерное моделирование

1

1

2

6

Программирование и робототехника

4

12

16

7

Элементы мехатроники

1

2

3

8

Решение инженерных задач

2

5

7

9

Альтернативные среды программирования

2

5

7

10

Игры роботов

1

3

4

11

Состязания роботов

2

10

12

12

Творческие проекты

1

4

5

13

Зачеты

1

2

3

=20

=52

=72

Третий год обучения

№

Тема

Количество часов

Теория

Практика

Всего

1

Инструктаж по ТБ

1

0

1

2

Повторение. Основные понятия

2

2

4

3

Применение регуляторов

4

8

12

4

Элементы теории автоматического управления

6

10

16

5

Роботы-андроиды

6

14

20

6

Трехмерное моделирование

1

1

2

7

Решение инженерных задач

4

12

16

8

Знакомство с языком Си для роботов

6

12

18

9

Сетевое взаимодействие роботов

4

8

12

10

Основы технического зрения

2

6

8

11

Игры роботов

2

6

8

12

Состязания роботов

2

14

16

13

Творческие проекты

1

6

7

14

Зачеты

1

3

4

=42

=102

=144

3. Содержание дополнительной образовательной программы
"Робототехника: конструирование и программирование"

Первый год обучения

1. Инструктаж по ТБ

2. Введение: информатика, кибернетика, робототехника

3. Основы конструирования (Простейшие механизмы. Принципы крепления деталей. Рычаг. Зубчатая передача: прямая, коническая, червячная. Передаточное отношение. Ременная передача, блок. Колесо, ось. Центр тяжести. Измерения. Решение практических задач).

   1. Названия и принципы крепления деталей

   2. Строительство высокой башни

   3. Хватательный механизм

   4. Виды механической передачи. Зубчатая и ременная передача. Передаточное отношение

   5. Повышающая передача. Волчок

   6. Понижающая передача. Силовая «крутилка»

   7. Редуктор. Осевой редуктор с заданным передаточным отношением

   8. Зачет

4. Моторные механизмы (механизмы с использованием электромотора и батарейного блока. Роботы-автомобили, тягачи, простейшие шагающие роботы)

   1. Стационарные моторные механизмы

   2. Одномоторный гонщик

   3. Преодоление горки

   4. Робот-тягач

   5. Сумотори

   6. Шагающие роботы

   7. Маятник Капицы

   8. Зачет

5. Трехмерное моделирование (Создание трехмерных моделей конструкций из Lego)

   1. Введение в виртуальное конструирование. Зубчатая передача

   2. Простейшие модели

6. Введение в робототехнику (Знакомство с контроллером NXT. Встроенные программы. Датчики. Среда программирования. Стандартные конструкции роботов. Колесные, гусеничные и шагающие роботы. Решение простейших задач. Цикл, Ветвление, параллельные задачи.)

   1. Знакомство с контроллером NXT.

   2. Одномоторная тележка.

   3. Встроенные программы.

   4. Двухмоторная тележка.

   5. Датчики.

   6. Среда программирования.

   7. Колесные, гусеничные и шагающие роботы.

   8. Решение простейших задач.

   9. Цикл, Ветвление, параллельные задачи.

   10. Кегельринг

   11. Следование по линии

   12. Путешествие по комнате

7. Основы управления роботом (Эффективные конструкторские и программные решения классических задач. Эффективные методы программирования: регуляторы, события, параллельные задачи, подпрограммы, контейнеры и пр.)

   1. Релейный регулятор

   2. Пропорциональный регулятор

   3. Защита от застреваний

   4. Траектория с перекрестками

   5. Пересеченная местность

   6. Обход лабиринта

   7. Анализ показаний разнородных датчиков

   8. Синхронное управление двигателями

   9. Робот-барабанщик

8. Удаленное управление (Управление роботом через bluetooth.)

   1. Передача числовой информации

   2. Кодирование при передаче

   3. Управление моторами через bluetooth

   4. Устойчивая передача данных

9. Игры роботов (Боулинг, футбол, баскетбол, командные игры с использованием инфракрасного мяча и других вспомогательных устройств. Использование удаленного управления. Простейший искусственный интеллект. Проведение состязаний, популяризация новых видов робо-спорта.)

   1. «Царь горы»

   2. Управляемый футбол роботов

   3. Футбол с инфракрасным мячом (основы)

10. Состязания роботов (Подготовка команд для участия в состязаниях роботов различных уровней, вплоть до всемирных. Регулярные поездки. Использование микроконтроллеров NXT и RCX.)

    1. Сумо

    2. Перетягивание каната

    3. Кегельринг

    4. Следование по линии

    5. Слалом

    6. Лабиринт

11. Творческие проекты (Разработка творческих проектов на свободную тематику. Одиночные и групповые проекты. Регулярные выставки и поездки.)

    1. Правила дорожного движения

    2. Роботы-помощники человека

    3. Роботы-артисты

    4. Свободные темы.

Второй год обучения

1. Инструктаж по ТБ

2. Повторение. Основные понятия (передаточное отношение, регулятор, управляющее воздействие и др.)

3. Повторение. Базовые регуляторы (Задачи с использованием релейного многопозиционного регулятора, пропорционального регулятора)

   1. Следование за объектом

   2. Следование по линии

   3. Следование вдоль стенки

   4. Управление положением серводвигателей

4. Пневматика (Построение механизмов, управляемых сжатым воздухом. Использование помп, цилиндров, баллонов, переключателей и т.п.)

   1. Пресс

   2. Грузоподъемники

   3. Евроокна

   4. Регулируемое кресло

   5. Манипулятор

   6. Штамповщик

   7. Электронасос

   8. Автоматический регулятор давления

5. Трехмерное моделирование (Создание трехмерных моделей конструкций из Lego)

   1. Проекция и трехмерное изображение

   2. Создание руководства по сборке

   3. Ключевые точки

   4. Создание отчета

6. Программирование и робототехника (Эффективные конструкторские и программные решения классических задач. Эффективные методы программирования и управления: регуляторы, события, параллельные задачи, подпрограммы, контейнеры и пр. Сложные конструкции: дифференциал, коробка передач, транспортировщики, манипуляторы, маневренные шагающие роботы и др.)

   1. Траектория с перекрестками

   2. Робот, выбирающийся из лабиринта

   3. Транспортировка шариков

   4. 6-ногий маневренный шагающий робот

   5. Анализ показаний разнородных датчиков

   6. Пересеченная местность

7. Элементы мехатроники (управление серводвигателями, построение робота-манипулятора)

   1. Принцип работы серводвигателя

   2. Сервоконтроллер

   3. Робот-манипулятор

8. Решение инженерных задач (Сбор и анализ данных. Обмен данными с компьютером. Простейшие научные эксперименты и исследования.)

   1. Подъем по лестнице

   2. Постановка робота-автомобиля в гараж

   3. Погоня: лев и антилопа

9. Альтернативные среды программирования (Изучение различных сред и языков программирования роботов на базе NXT.)

   1. Структура программы

   2. Команды управления движением

   3. Работа с датчиками

   4. Ветвления и циклы

   5. Переменные

   6. Подпрограммы

   7. Массивы данных

10. Игры роботов (Теннис, футбол, командные игры с использованием инфракрасного мяча и других вспомогательных устройств. Программирование удаленного управления. Проведение состязаний, популяризация новых видов робо-спорта.)

    1. Футбол с инфракрасным мячом. Пенальти

    2. Теннис

    3. Кегельринг с цветными кеглями.

11. Состязания роботов (Подготовка команд для участия в состязаниях роботов различных уровней, вплоть до всемирных. Регулярные поездки. Использование различных контроллеров)

    1. Сумо / Перетягивание каната

    2. Кегельринг

    3. Следование по линии

    4. Лабиринт

    5. Триатлон

    6. Транспортировщики

    7. Лестница

    8. Канат

    9. Слалом

    10. Международные состязания роботов (по правилам организаторов).

12. Творческие проекты (Разработка творческих проектов на свободную тематику. Одиночные и групповые проекты. Регулярные выставки и поездки.)

    1. Человекоподобные роботы

    2. Роботы-помощники человека

    3. Роботизированные комплексы

    4. Охранные системы

    5. Защита окружающей среды

    6. Роботы и искусство

    7. Роботы и туризм

    8. Правила дорожного движения

    9. Свободные темы.

Третий год обучения

1. Инструктаж по ТБ

2. Повторение. Основные понятия (передаточное отношение, регулятор, управляющее воздействие и др.)

3. Применение регуляторов (задачи стабилизации, поиска объекта, движение по заданному пути).

   1. Следование за объектом

   2. Следование по линии

   3. Следование вдоль стенки

   4. Управление положением серводвигателей

   5. Перемещение манипулятора

4. Элементы ТАУ (релейный многопозиционный регулятор, пропорциональный регулятор, дифференциальный регулятор, кубический регулятор, плавающие коэффициенты, периодическая синхронизация, фильтры)

   1. Релейный многопозиционный регулятор

   2. Пропорциональный регулятор

   3. Пропорционально-дифференциальный регулятор

   4. Стабилизация скоростного робота на линии

   5. Фильтры первого рода

   6. Движение робота вдоль стенки

   7. Движение по линии с двумя датчиками

   8. Кубический регулятор

   9. Преодоление резких поворотов

   10. Плавающие коэффициенты

   11. Гонки по линии

   12. Периодическая синхронизация двигателей

   13. Шестиногий шагающий робот

   14. ПИД-регулятор.

5. Роботы-андроиды (построение и программирование роботов на основе сервоприводов, сервоконтроллеров и модулей датчиков)

   1. Шлагбаум

   2. Мини-манипулятор

   3. Серво постоянного вращения

   4. Колесный робот в лабиринте

   5. Мини-андроид

   6. Робот-собачка

   7. Робот-гусеница

   8. Трехпальцевый манипулятор

   9. Роботы-пауки

   10. Роботы-андроиды

   11. Редактор движений

   12. Удаленное управление по bluetooth

   13. Взаимодействие роботов.

6. Трехмерное моделирование (Создание трехмерных моделей конструкций из Lego)

   1. Проекция и трехмерное изображение

   2. Создание руководства по сборке

   3. Ключевые точки

   4. Создание отчета

7. Решение инженерных задач (Сбор и анализ данных. Обмен данными с компьютером. Простейшие научные эксперименты и исследования.)

   1. Стабилизация перевернутого маятника на тележке

   2. Исследование динамики робота-сигвея

   3. Постановка робота-автомобиля в гараж

   4. Оптимальная парковка робота-автомобиля

   5. Ориентация робота на местности

   6. Построение карты

   7. Погоня: лев и антилопа

8. Знакомство с языком Си (Изучение различных сред с языком программирования Си для микроконтроллеров.)

   1. Структура программы

   2. Команды управления движением

   3. Работа с датчиками

   4. Ветвления и циклы

   5. Переменные

   6. Подпрограммы

   7. Массивы данных

9. Сетевое взаимодействие роботов (Устойчивая передача данных, распределенные системы, коллективное взаимодействие.)

   1. Устойчивая передача данных по каналу Bluetooth

   2. Распределенные системы

   3. Коллективное поведение

10. Основы технического зрения (использование бортовой и беспроводной веб-камеры)

    1. Поиск объектов

    2. Слежение за объектом

    3. Следование по линии

    4. Передача изображения

    5. Управление с компьютера

11. Игры роботов (Футбол: командные игры с использованием инфракрасного мяча и других вспомогательных устройств. Программирование коллективного поведения и удаленного управления. Простейший искусственный интеллект. Проведение состязаний, популяризация новых видов робо-спорта.)

    1. Автономный футбол с инфракрасным мячом

    2. Теннис роботов с видеозрением

    3. Футбол роботов с видеозрением

12. Состязания роботов (Подготовка команд для участия в состязаниях роботов различных уровней, вплоть до всемирных. Регулярные поездки. Использование различных контроллеров)

    1. Сумо / Перетягивание каната

    2. Кегельринг-макро

    3. Следование по линии

    4. Лабиринт

    5. Триатлон

    6. Транспортировщики

    7. Сортировщики

    8. Лестница

    9. Канат

    10. Слалом

    11. Дорога

    12. Международные состязания роботов (по правилам организаторов)

    13. Танцы роботов-андроидов

    14. Полоса препятствий для андроидов.

13. Творческие проекты (Разработка творческих проектов на свободную тематику. Одиночные и групповые проекты. Регулярные выставки, доклады и поездки.)

    1. Человекоподобные роботы

    2. Роботы-помощники человека

    3. Роботизированные комплексы

    4. Охранные системы

    5. Защита окружающей среды

    6. Роботы и искусство

    7. Роботы и туризм

    8. Правила дорожного движения

    9. Свободные темы.

4. Методическое обеспечение дополнительной образовательной программы
"Робототехника: конструирование и программирование"

Первый год обучения

№

Раздел программы

Форма занятий

Используемые материалы

Методы и приемы

Форма проведения итогов

1

Инструктаж по ТБ

Лекция

Компьютерная база школы

Объяснительно-иллюстрационный

Опрос

2

Введение: информатика, кибернетика, робототехника

Лекция

Компьютерная база школы, конструкторы для демонстрации

Объяснительно-иллюстрационный

Опрос

3

Основы конструирования

Лекция, беседа, практикум

Конструктор 9632 "Технология и физика",

методическое пособие, рабочие листы, поля

Объяснительно-иллюстрационный, исследовательский

Практическое задание, зачет

4

Моторные механизмы

Лекция, беседа, практикум

Конструкторы 9632 "Технология и физика",

9628 "Моторные механизмы",

методическое пособие,

рабочие листы, поля

Объяснительно-иллюстрационный, исследовательский

Практическое задание, состязания роботов

7

Трехмерное моделирование

Лекция, практикум

Компьютерная база школы, ПО: Ldraw, MLCad,

Lego Digital Designer,

Microsoft Power Point

Объяснительно-иллюстрационный, исследовательский

Зачет

8

Введение в робототехнику

Лекция, практикум

Компьютерная база школы, Конструктор 9797 "Lego Mindstorms NXT"

ПО "Lego Mindstorms NXT Edu", дополнительные датчики, поля

методическое пособие

Объяснительно-иллюстрационный, исследовательский

Практическое задание, состязания роботов

10

Основы управления роботом

лекция, инд.задание

Компьютерная база школы, Конструкторы 9797 "Lego Mindstorms NXT"

9648 "Ресурсный набор"

9794 "Автоматизирован­ные устройства"

Дополнительные устройства и датчики, поля

ПО: Robolab 2.9

Объяснительно-иллюстрационный, исследовательский

Практическое задание, состязания роботов,

зачет

11

Удаленное управление

Лекция, практикум

Компьютерная база школы, Конструкторы 9797 "Lego Mindstorms NXT"

9648 "Ресурсный набор" Дополнительные устройства и датчики, поля

ПО: Robolab 2.9

Объяснительно-иллюстрационный, исследовательский

Практическое задание, состязания роботов,

зачет

12

Игры роботов

Лекция, тренировка, турнир

Компьютерная база школы, Конструкторы 9797 "Lego Mindstorms NXT"

9648 "Ресурсный набор"

Дополнительные устройства и датчики, поля

Объяснительно-иллюстрационный, исследовательский

Практическое задание, турнир

13

Состязания роботов

Лекция, тренировка, турнир

Компьютерная база школы, Конструкторы 9797 "Lego Mindstorms NXT"

9648 "Ресурсный набор"

9786, 9794 "Автоматизированные устройства",

дополнительные устройства и датчики, поля

ПО "Robolab 2.9" и др.

Исследовательский

Практическое задание, состязания роботов

14

Творческие проекты

Инд.задание

Компьютерная база школы, весь спектр имеющегося оборудования и ПО для робототехники

Исследовательский

Защита проекта

Второй год обучения

№

Раздел программы

Форма занятий

Используемые материалы

Методы и приемы

Форма проведения итогов

1

Инструктаж по ТБ

Лекция

Компьютерная база школы

Объяснительно-иллюстрационный

Опрос

2

Повторение. Основные понятия.

Лекция, практикум

Компьютерная база школы, конструкторы для демонстрации

Объяснительно-иллюстрационный

Опрос

10

Повторение: базовые регуляторы

Беседа, практикум

Компьютерная база школы, Конструкторы 9797 "Lego Mindstorms NXT"

9648 "Ресурсный набор"

9794 "Автоматизирован­ные устройства"

Дополнительные устройства и датчики, поля

ПО: Robolab 2.9

Объяснительно-иллюстрационный, исследовательский

Практическое задание, состязания роботов,

зачет

5

Пневматика

Лекция, беседа, практикум

Конструкторы 9641 "Пневматика",

9632 "Технология и физика",

9628 "Моторные механизмы",

методическое пособие,

рабочие листы, поля

Объяснительно-иллюстрационный, исследовательский

Практическое задание, состязания роботов

7

Трехмерное моделирование

Лекция, практикум

Компьютерная база школы, ПО: Ldraw, MLCad,

Lego Digital Designer,

Microsoft Power Point

Объяснительно-иллюстрационный, исследовательский

Защита проекта

9

Программирование и робототехника

Лекция, беседа, практикум, инд. задание

Компьютерная база школы,

Конструкторы 9797 "Lego Mindstorms NXT",

9648 "Ресурсный набор", 9786, 9794 "Автоматизирован­ные устройства",

Дополнительные устройства и датчики, поля

ПО "Robolab 2.9", RobotC

Объяснительно-иллюстрационный, исследовательский

Практическое задание, состязания роботов, зачет

Элементы мехатроники

Компьютерная база школы, Конструкторы 9797 "Lego Mindstorms NXT", контроллеры и датчики Mindsensors, серводвигатели, конструкторы Bioloid Beginner Kit, подручные материалы

Объяснительно-иллюстрационный, исследовательский

Практическое задание, состязания роботов, зачет

10

Решение инже­нерных задач

лекция, инд.задание

Компьютерная база школы, Конструкторы 9797 "Lego Mindstorms NXT"

9648 "Ресурсный набор"

9641 "Пневматика"

9786, 9794 "Автоматизирован­ные устройства", конструктор металлический.

Дополнительные устройства и датчики, поля

ПО: Robolab 2.9

Исследовательский

Практическое задание, защита проекта

11

Альтернативные среды программирования

Лекция, практикум

Компьютерная база школы, Конструкторы 9797 "Lego Mindstorms NXT"

9648 "Ресурсный набор" Дополнительные устройства и датчики, поля

ПО: RobotC, BricxCC и др.

Исследовательский

Практическое задание

12

Игры роботов

Лекция, тренировка, турнир

Компьютерная база школы, Конструкторы 9797 "Lego Mindstorms NXT"

9648 "Ресурсный набор" и др.

Дополнительные устройства и датчики, поля

Объяснительно-иллюстрационный, исследовательский

Практическое задание, турнир

13

Состязания роботов

Лекция, тренировка, турнир

Компьютерная база школы, Конструкторы 9797 "Lego Mindstorms NXT"

9648 "Ресурсный набор"

9794 "Автоматизированные устройства",

дополнительные устройства и датчики, поля

ПО "Robolab 2.9", RobotC и др.

Исследовательский

Практическое задание, состязания роботов

14

Творческие проекты

Инд. задание

Компьютерная база школы, весь спектр имеющегося оборудования и ПО для робототехники

Исследовательский

Защита проекта

Третий год обучения

№

Раздел программы

Форма занятий

Используемые материалы

Методы и приемы

Форма проведения итогов

1

Инструктаж по ТБ

Лекция

Компьютерная база школы

Объяснительно-иллюстрационный

Опрос

2

Повторение. Основные понятия

Лекция

Компьютерная база школы, конструкторы для демонстрации

Объяснительно-иллюстрационный

Опрос

3

Применение регуляторов

Лекция, беседа, практикум

Компьютерная база школы,

Конструкторы 9797 "Lego Mindstorms NXT"

9648 "Ресурсный набор"

9641 "Пневматика",

Дополнительные устройства и датчики, поля

ПО "Robolab 2.9", RobotC

Объяснительно-иллюстрационный, исследовательский

Практическое задание

4

Элементы теории автоматического управления

Лекция, беседа, практикум

Компьютерная база школы,

Конструкторы 9797 "Lego Mindstorms NXT"

9648 "Ресурсный набор"

9641 "Пневматика",

Дополнительные устройства и датчики, поля

ПО "Robolab 2.9", RobotC, NXT OSEK

Объяснительно-иллюстрационный, исследовательский

Практическое задание, зачет

5

Роботы-андроиды

Лекция, беседа, практикум

Компьютерная база школы, Конструкторы Bioloid, конструкторы 9797 "Lego Mindstorms NXT", контроллеры и датчики Mindsensors, серводвигатели, подручные материалы

Объяснительно-иллюстрационный, исследовательский

Практическое задание, состязания роботов, показательные выступления

6

Трехмерное моделирование

Лекция, практикум

Компьютерная база школы, ПО: Ldraw, MLCad,

Lego Digital Designer,

Microsoft Power Point

Объяснительно-иллюстрационный, исследовательский

Защита проекта

7

Решение инже­нерных задач

Лекция, инд.задание

Компьютерная база школы, Конструкторы 9797 "Lego Mindstorms NXT"

9648 "Ресурсный набор"

9641 "Пневматика"

9794 "Автоматизирован­ные устройства"

Дополнительные устройства и датчики, поля

ПО: Robolab 2.9, RobotC

Исследовательский

Практическое задание, защита проекта

8

Знакомство с языком Си для роботов

Лекция, практикум

Компьютерная база школы, Конструкторы 9797 "Lego Mindstorms NXT"

9648 "Ресурсный набор" и др. Дополнительные устройства и датчики, поля

ПО: RobotC, CeeBot, BricxCC

Объяснительно-иллюстрационный, исследовательский

Практическое задание, зачет

9

Сетевое взаимодействие роботов

Лекция, практикум

Компьютерная база школы, Конструкторы 9797 "Lego Mindstorms NXT"

9648 "Ресурсный набор" и др. Дополнительные устройства и датчики Hitechnic, поля

ПО: RobotC, CeeBot, BricxCC

Объяснительно-иллюстрационный, исследовательский

Практическое задание, зачет

10

Основы технического зрения

Лекция, практикум

Компьютерная база школы, Конструкторы 9797 "Lego Mindstorms NXT"

9648 "Ресурсный набор" и др. видеокамера Mindsensors, поля

ПО: RobotC, Robolab 2.9

Объяснительно-иллюстрационный, исследовательский

Практическое задание,

11

Игры роботов

Лекция, тренировка, турнир

Компьютерная база школы, Конструкторы 9797 "Lego Mindstorms NXT"

9648 "Ресурсный набор"

Дополнительные устройства и датчики Mindsensors и Hitechnic, поля

Объяснительно-иллюстрационный, исследовательский

Практическое задание, турнир

12

Состязания роботов

Лекция, тренировка, турнир

Компьютерная база школы, Конструкторы 9797 "Lego Mindstorms NXT"

9684 "Ресурсный набор"

9786, 9794 "Автоматизированные устройства",

дополнительные устройства и датчики, поля

ПО "Robolab 2.9",

RobotC и др.

Исследовательский

Практическое задание, состязания роботов

13

Творческие проекты

Инд.задание

Компьютерная база школы, весь спектр имеющегося оборудования и ПО для робототехники

Исследовательский

Защита проекта

5. Список литературы

Для педагога

1. Робототехника для детей и родителей. С.А.Филиппов. СПб: Наука, 2010.

2. Санкт-Петербургские олимпиады по кибернетике М.С.Ананьевский, Г.И.Болтунов, Ю.Е.Зайцев, А.С.Матвеев, А.Л.Фрадков, В.В.Шиегин. Под ред. А.Л.Фрадкова, М.С.Ананьевского. СПб.: Наука, 2006.

3. Журнал «Компьютерные инструменты в школе», подборка статей за 2010 г. «Основы робототехники на базе конструктора Lego Mindstorms NXT».

4. The LEGO MINDSTORMS NXT Idea Book. Design, Invent, and Build by Martijn Boogaarts, Rob Torok, Jonathan Daudelin, et al. San Francisco: No Starch Press, 2007.

5. LEGO Technic Tora no Maki, ISOGAWA Yoshihito, Version 1.00 Isogawa Studio, Inc., 2007, isogawastudio.co.jp/legostudio/toranomaki/en/.

6. CONSTRUCTOPEDIA NXT Kit 9797, Beta Version 2.1, 2008, Center for Engineering Educational Outreach, Tufts University, legoengineering.com/library/doc_download/150-nxt-constructopedia-beta-21.html.

7. Lego Mindstorms NXT. The Mayan adventure. James Floyd Kelly. Apress, 2006.

8. Engineering with LEGO Bricks and ROBOLAB. Third edition. Eric Wang. College House Enterprises, LLC, 2007.

9. The Unofficial LEGO MINDSTORMS NXT Inventor's Guide. David J. Perdue. San Francisco: No Starch Press, 2007.

10. legoeducation.info/nxt/resources/building-guides/

11. legoengineering.com/

Для детей и родителей

1. Робототехника для детей и родителей. С.А.Филиппов. СПб: Наука, 2010.

2. Санкт-Петербургские олимпиады по кибернетике М.С.Ананьевский, Г.И.Болтунов, Ю.Е.Зайцев, А.С.Матвеев, А.Л.Фрадков, В.В.Шиегин. Под ред. А.Л.Фрадкова, М.С.Ананьевского. СПб.: Наука, 2006.

3. Журнал «Компьютерные инструменты в школе», подборка статей за 2010 г. «Основы робототехники на базе конструктора Lego Mindstorms NXT».

4. Я, робот. Айзек Азимов. Серия: Библиотека приключений. М: Эксмо, 2002.

1 См., например,

R. Murray, Ed. (2002) Control in an information rich world: report of the panel on future directions in control, dynamics, and systems [Online], cds.caltech.edu/~murray/cdspanel/report/cdspanel-15aug02.pdf, а также сайт Европейского института встроенных систем eeci-institute.eu/