Ольховатская средняя общеобразовательная школа
«Программирование робота LEGO Mindstorms EV 3»
учитель информатики и ИКТ
Меркулова Г. В.
р.п. Ольховатка, 2017 г.
Цели :
ознакомление с робототехникой с помощью образовательного набора LEGO Mindstorms EV 3 (LEGO Education Mindstorms EV 3);
систематизация знаний по теме « Алгоритмы » (на примере работы Роботов LEGO Mindstorms EV 3 );
усвоение понятий исполнитель, алгоритм, циклический алгоритм, свойства циклического алгоритма, дать представление о составлении простейших циклических алгоритмов в среде LEGO Education . Дополнительно усваивается понятие геометрического узора.
В ходе занятия, обучающиеся должны продемонстрировать следующие результаты в виде универсальных учебных действий:
Регулятивные:
систематизировать и обобщить знания по теме «Алгоритмы» для успешной реализации циклического алгоритма работы собранного робота;
Научиться программировать роботов с помощью программы LEGO Education Mindstorms EV3.
Познавательные:
Изучение робототехники, создание собственного робота, умение программировать с помощью программы для LEGO Mindstorms EV 3;
э кспериментальное исследование, оценка (измерение) влияния отдельных факторов .
Коммуникативные: развить коммуникативные умения при работе в группе или команде.
Личностные: развитие памяти и мышления, возможность изучения робототехники на старших курсах.
Тип урока: комбинированный
Вид урока: практическая работа
Оборудование : мультимедиа проектор, конструктор LEGO Mindstorms EV 3 45544 (4 шт.), в набор которого входят 541 элемент, включая USB ЛЕГО-коммутатор, 2 больших сервомотора, датчик ультразвуковой, датчик цвета, датчик касания.
План урока:
Организационный момент (2 мин)
Повторение теоретического материала предыдущего урока (10 мин)
Практическая работа: разработка алгоритма для робота (23 мин)
Подведение итогов урока. Рефлексия (3 мин)
Этап информации о домашнем задании (2 мин)
Ход урока:
Организационный момент.
Задача данного занятия - познакомить вас с конструктором Lego mindstorms. Научить программировать их под определенные задачи, разобрать с вами базовые решения наиболее распространенных задач.
Группа деталей служит для соединения балок между собой, с блоком и датчиками. Детали, имеющие крестообразное сечение, называются осями (иногда штифтами) и служат для передачи вращения от моторов к колесам и шестерням.
II . Повторение теоретического материала предыдущего урока.
Учитель : Каждый из нас ежедневно использует различные алгоритмы: инструкции, правила, рецепты и т.д. Обычно мы это делаем не задумываясь. Например, вы хорошо знаете, как сажать деревья. Но допустим, нам надо научить этому младшего брата или сестру. Значит, нам придется четко указать действия и порядок их выполнения.
Что это будут за действия и какой их порядок?
Учащиеся составляют правило посадки деревьев.
Выкопать ямку.
Опустить в ямку саженец.
Засыпать ямку с саженцем землей.
Полить саженец водой.
Выкопать ямку.
Опустить в ямку саженец.
И т.д.
Теперь давайте ответим на следующие вопросы:
Чем характеризуется циклический алгоритм?
Для чего нужны циклические алгоритмы?
Какими свойствами обладают циклические алгоритмы?
Как исполнитель реализует циклический алгоритм?
Обучающиеся отвечают на предложенные вопросы, а учитель демонстрирует правильные ответы на слайдах.
III . Практическая работа: разработка циклического алгоритма для робота
Теперь давайте обратимся к нашим роботам (на данном уроке это «трехколесные боты с установленным маркером для рисования на поле», созданные по инструкции), которые мы собирали на прошлом занятии.
Попробуем в специальной программе составить циклический алгоритм, который они будут исполнять с помощью вот таких команд:
Повторение действия или набора действий(цикл)
Пауза (в секундах)
Задание 1: написать линейный алгоритм, с помощью которого робот будет двигаться по прямой и поворачивать на угол (90 градусов).
Сначала определим, какие команды нам понадобятся, в какую сторону должен крутить мотор, промежуток времени работы мотора и последовательность выполнения команд.
Правильный вариант:
Примечание: время работы мотора в каждом отдельном случае будет разное, в зависимости от требуемого угла поворота подбираются значения работы мотора (время/мощность).
Задание 2: изменить созданный линейный алгоритм на циклический (возможно задать количество повторений цикла).
Правильный вариант:
Примечание: Проанализировать какую геометрическую фигуру нарисует робот маркером на поле. (Будет нарисован квадрат)
Задание 3: изменить алгоритм (изменяя параметры движения вперед НО! не изменяя угол поворота, и зациклив робота на конечное число повторений тела цикла - 4) и посмотреть какую фигуру будет рисовать робот. Пример:
Описание действий: проехать вперед 2 секунды, повернуть на угол 90 градусов, проехать вперед 4 секунды, повернуть на угол 90 градусов. В итоге получится прямоугольник.
Примечание: Проанализировать какую геометрическую фигуру нарисует робот маркером на поле. (Будет нарисован прямоугольник)
Задание 4: изменить алгоритм на свое усмотрение (изменяя параметры движения вперед и изменяя угол поворота, и зациклив робота на бесконечное число повторений тела цикла) и посмотреть какие фигуры будет рисовать робот. Поговорить с ребятами о термине «геометрический узор». Например:
Проанализировать получившиеся фигуры. Обратить внимание на алгоритм для каждой из них. Скорее всего, у каждой группы учеников получится какой-то свой узор.
IV . Подведение итогов урока. Рефлексия.
Итак, ребята, давайте подведем итоги нашей работы.
Какой вид алгоритмов мы с вами сегодня рассмотрели на практике?
Какими свойствами обладает циклический алгоритм?
Какие задачи можно реализовывать с помощью циклических алгоритмов?
V . Этап информации о домашнем задании.
Запишите домашнее задание: разработать алгоритм движения робота, чтобы он нарисовал следующую фигуру.
Задание обязательно будет оценено!
Спасибо за урок! До свидания, ребята.
Список использованного УМК:
Инструкция для работы с комплектом LEGO Mindstorms EV 3 45544.
Вязовов С.М., Калягина О.Ю., Слезин К.А. Соревновательная робототехника: приемы программирования в среде EV 3: учебно-практическое пособие. – М. Издательство «Перо», 2014 г.
Программа LabView для комплектов Lego EV 3 45544.
Программа ПервоЛого 3.0.
Интернет-ресурсы.
Тест должен содержать простые и чётко сформулированные вопросы о конструкторе, о лего, о законах физики, математики и т.д. Рекомендуемое количество вопросов от 10 до 20. Ученики отвечают на простые вопросы, проверяют свой уровень знаний. В тест рекомендуется включить несколько вопросов на смекалку из цикла: "А что если...". В результате тестирования мы должны понять научился ли чему-нибудь ученик.
Приведём примерные вопросы для проведения мониторинга знаний по робототехнике за 1 полугодие.
1) Конструирование это - .....(выберите верное определение термина)
2)По ключевым словам определить вид конструктора: шарик, желобок, угол наклона, препятствия.
3) Выберите основные характеристики деревянного конструктора:
4) Выберите пропущенное слово: ____________конструктор состоит из различных по цвету и размеру кирпичиков, которые «надеваются» друг на друга с помощью специальных креплений.
5) Выберите конструктор, который может превращаться из одной законченной модели в другую.
6) Набор из различных металлических пластинок, уголков, которые скрепляются между собой болтиками называется?
7) Непосредственное использование материалов для обеспечения некоторой механической функции; при этом все основано на взаимном сцеплении и сопротивлении тел. Выберете соответствующий данному определению термин:
8) Кто сформулировал три закона Робототехники? Назовите Имя и Фамилию писателя фантаста, сформулировавшего три закона робототехники.
9) Антропоморфная, имитирующая человека машина, стремящаяся заменить человека в любой его деятельности. Укажите термин соответствующий данному определению:
10) Кто придумал слово "Робот"? Назовите Имя и Фамилию писателя фантаста, автора слова "РОБОТ".
11) Автоматическое устройство, созданное по принципу живого организма. Действуя по заранее заложенной программе и получая информацию о внешнем мире от датчиков, самостоятельно осуществляет производственные и иные операции, обычно выполняемые человеком. Укажите термин соответствующий данному определению:
12) Совокупность механизмов, заменяющих человека или животное в определенной области; используется она главным образом для автоматизации труда. Укажите соответствующий данному определению термин:
13) Деталь конструктора Lego Mindstorms EV3, предназначенный для программирования точных и мощных движений робота:
Урок робототехники Конструктор LEGO Mindstorms 9797
Тема: «Конструктор LEGO Mindstorms 9797».
«Поверьте моему опыту, в школе возможно все».
Краткое описание: конспект занятия робототехники. Занятие посвящено изучению деталей конструктора и построению конструкции робота «пятиминутки». Конспект рассчитан на учащихся первого года обучения независимо от класса.
Тип урока: урок изучения и первичного закрепления новых знаний.
Форма урока: комбинированный урок.
Цели урока:
Предметная: познакомиться с основными деталями конструктора Lego Mindsorms,изучить названия элементов конструктора LEGO Mindstorms , научиться находить нужные детали.
Методологическая: воспитание информационной культуры учащихся, развитие внимательности, памяти, мелкой моторики учащихся, развитие умения выделять главное в задании, привитие аккуратности в работе, развитие навыков коллективной работы, взаимопомощи и поддержки в условиях конкурентности.
Метапредметная: формирование представлений о возможностях конструктора LEGO Mindstorms в разнообразных областях науки.
Методы обучения: объяснительно-иллюстративный, наглядный, частично-поисковый, исследовательский.
Ожидаемые результаты:
Учащиеся должны знать/понимать:
названия деталей конструктора;
назначение различных видов деталей;
способы крепления деталей друг к другу;
правила работы с конструктором;
меры безопасности при работе с оборудованием.
Учащиеся должны уметь:
быстро найти нужную деталь конструктора;
скреплять детали конструктора между собой;
выделять путь решения в зависимости от поставленной задачи.
Оборудование: компьютер, проектор, наборы Lego Mindstorms.
Используемые ЦОР: презентация, конспект урока, раздаточные материалы.
План урока:
I. Организационный момент. Актуализация знаний (3 мин).
II. Теоретическая часть (10 мин).
III. Практическая часть (22 мин).
IV. Домашнее задание (1 мин).
V. Вопросы учеников. Подведение итогов урока (2 мин).
VI. Рефлексия (2 мин).
Ход урока:
I. Организационный момент. Актуализация знаний.
Здравствуйте, ребята. Я вижу, что сегодня вы пришли в полном составе и, догадываюсь почему. Ведь сегодня мы с вами познакомимся с интереснейшим робототехническим конструктором Lego Mindstorms и соберем своего первого робота.
Для начала давайте вспомним некоторые определения, с которыми мы познакомились с вами на прошлом уроке.
Вопросы демонстрируются на слайдах.
II. Теоретическая часть.
Для начала нам нужно познакомиться с основными деталями, узнать их названия и назначение (слайды 4-18).
Основные группы и названия деталей дети записывают в тетрадь и находят их в конструкторе в течении показа каждого слайда.
III. Практическая часть.
На данном этапе урока учитель раздает обучающимся инструкции по сборке робота-пятиминутки (Приложение 1) и помогает, в случае необходимости, отдельным группам в ходе сборки модели.
IV. Домашнее задание.
Отгадать сканворд (Приложение 2), ключевое слово отправить на электронный почтовый ящик [email protected] , или оставить в гостевой книге на сайте http://open-page.ucoz.ru или записать в тетрадь.
V. Вопросы учеников. Подведение итогов урока.
Ответы на вопросы учащихся. Подведение итога урока.
На уроке мы познакомились с конструктором Lego Mindstorms : основными его деталями и узнали их названия. Научились собирать базовую модель робота-пятиминутки. Полученные знания мы сможем применить на последующих занятиях, собирая свободные (творческие) модели роботов.
VI. Рефлексия.
Учитель: Ребята,выскажите, пожалуйста, своё мнение о нашем занятии, дополнив понравившиеся вам данные фразы своими мыслями (у детей на столах отпечатаны карточки, Приложение 3). Ребята делают записи на своих карточках.
сегодня я узнал…
было интересно…
было трудно…
я понял, что…
теперь я могу…
я научился…
я смог…
я попробую…
меня удивило…
урок дал мне для жизни…
мне захотелось…
Учитель: Спасибо за урок! До свидания!
Приложение 2
Сканворд на тему: Детали конструктора LEGO Mindstorms 9797 .
| 1-е название прибора | |||||||||||||||
|
| д |
| |||||||||||||
|
| |||||||||||||||
|
| робота | ||||||||||||||
|
| |||||||||||||||
| название | 1 | ||||||||||||||
| 2-е название прибора |
|||||||||||||||
еталь
2В сканворде 13 слов по горизонтали, значения которых определяются картинками с пояснениями. Слова начинаются со стороны номера слова, т.е. все с левой стороны (пояснения могут быть справа). Кодовое слово получается по вертикали, номер 14.
Ключевое слово отправить на электронный почтовый ящик [email protected] , или оставить в гостевой книге на сайте http://open-page.ucoz.ru или записать в тетрадь.
Ответы к сканворду:
| 1-е название прибора | |||||||||||||||
|
| д |
| |||||||||||||
На втором занятии мы детальнее познакомимся со средой программирования и подробно изучим команды, задающие движение нашему роботу-тележке, собранному на первом занятии. Итак, давайте запустим среду программирования Lego mindstorms EV3, загрузим наш проект lessons.ev3, созданный ранее и добавим в проект новую программу - lesson-2-1. Программу можно добавить двумя способами:
- Выбрать команду "Файл"-"Добавить программу" (Ctrl+N) .
- Нажать "+" на вкладке программ.
Палитры программирования и программные блоки
Давайте теперь обратим свой взгляд в нижний раздел среды программирования. Из материала первого занятия мы уже знаем, что здесь находятся команды для программирования робота. Разработчики применили оригинальный прием и, сгруппировав программные блоки, присвоили каждой группе свой цвет, назвав группы палитрами.
Зеленая палитра называется: "Действие" :
На данной палитре расположены программные блоки управления моторами, блок вывода на экран, блок управления индикатором состояния модуля. Сейчас мы начнем изучение этих программных блоков.
Зеленая палитра – блоки действия
Первый программный блок зеленой палитры предназначен для управления средним мотором, второй блок - для управления большим мотором. Так как параметры этих блоков идентичны - рассмотрим настройку на примере блока - большой мотор.
Для правильной настройки блока управления большим мотором мы должны:
- Выбрать порт, к которому подключен мотор (A, B, C или D) (Рис. 3 поз. 1)
- Выбрать режим работы мотора (Рис. 3 поз. 2)
- Настроить параметры выбранного режима (Рис. 3 поз. 3)
Чем же отличаются режимы? Режим: "Включить" включает мотор с заданным параметром "Мощность" и после этого управление передается следующему программному блоку программы. Мотор будет продолжать вращаться, пока не будет остановлен следующим блоком "Большой мотор" с режимом "Выключить" или следующий блок "Большой мотор" не будет содержать другие параметры выполнения. Режим "Включить на количество секунд" включает большой мотор с установленной мощностью на указанное количество секунд, и только по завершению времени мотор остановится, а управление в программе перейдет к следующему программному блоку. Аналогично поведет мотор себя в режимах "Включить на количество градусов" и "Включить на количество оборотов" : только после выполнения установленного вращения мотора, он остановится и управление в программе перейдет к следующему блоку.
Параметр мощность (на Рис. 3 мощность установлена в 75) может принимать значения от -100 до 100. Положительные значения мощности задают вращение мотора по часовой стрелке, отрицательные - против часовой. При значении мощности равном 0 мотор вращаться не будет, чем "выше" значение мощности, тем быстрее вращается мотор.
Параметр мощность задается только целыми значениями, параметры: секунды, градусы, обороты могут принимать значения с десятичной дробью. Но следует помнить, что минимальный шаг вращения мотора равен одному градусу.
Отдельно следует сказать о параметре "Тормозить в конце" . Данный параметр, если установлен в значение "Тормозить" заставляет мотор тормозить после выполнения команды, а если установлен в значение "Двигаться накатом" , то мотор будет вращаться по инерции, пока сам не остановится.
Следующие два программных блока "Рулевое управление" и реализуют управление парой больших моторов. По умолчанию левый большой мотор подключается к порту "В" , а правый - к порту "С" . Но вы можете в настройках блока поменять порты подключения в соответствии с требованиями вашей конструкции (Рис. 4 поз. 1 ).
Параметр "Рулевое управление" (Рис. 4 поз. 2 ) может принимать значения от -100 до 100. Отрицательные значения параметра заставляют робота поворачивать налево, при значении равном 0 робот движется прямо, а положительные значения заставляют робота поворачивать направо. Стрелка над числовым параметром меняет свою ориентацию в зависимости от значения, подсказывая тем самым направление движения робота (Рис. 5 ).
Программный блок "Независимое управление моторами" похож на программный блок "Рулевое управление" . Он также управляет двумя большими моторами, только вместо параметра "Рулевое управление" появляется возможность независимого управления мощностью каждого мотора. При равном значении параметра "Мощность" для левого и правого мотора робот будет двигаться прямолинейно. Если на один мотор подать отрицательное значение мощности (например -50), а на второй - положительное значение (например 50), то робот будет разворачиваться на месте (Рис. 6 ).
Режимы работы этих блоков аналогичны режимам блока управления одним мотором, поэтому дополнительного описания не требуют...
Прямолинейное движение, повороты, разворот на месте остановка
Итак, теперь мы можем написать программу движения робота по какому-либо маршруту.
Задача 1
Экран, звук, индикатор состояния модуля
Программный блок "Экран" позволяет выводить текстовую или графическую информацию на жидкокристаллический экран блока EV3. Какое это может иметь практическое применение? Во-первых, на этапе программирования и отладки программы можно выводить на экран текущие показания датчиков во время работы робота. Во-вторых, можно выводить на экран название промежуточных этапов выполнения программы. Ну а в-третьих, с помощью графических изображений можно "оживить" экран робота, например с помощью мультипликации.
Программный блок "Экран" имеет четыре режима работы: режим "Текст" позволяет выводить текстовую строку на экран, режим "Фигуры" позволяет отображать на экране одну из четырех геометрических фигур (прямая, круг, прямоугольник, точка), режим "Изображение" может вывести на экран одно изображение. Изображение можно выбрать из богатой коллекции изображений или нарисовать свое, используя редактор изображений. Режим "Окно сброса настроек" сбрасывает экран модуля EV3 к стандартному информационному экрану, показываемому во время работы программы.
Рассмотрим параметры программного блока "Экран" в режиме "Текст" (Рис. 9 поз.1) . Строка, предназначенная для вывода на экран, вводится в специальное поле (Рис. 9 поз. 2) . К сожалению, в поле ввода текста можно вводить только буквы латинского алфавита, цифры и знаки препинания. Если режим "Очистить экран" установлен в значение "Истина" , то экран перед выводом информации будет очищен. Поэтому, если вам требуется объединить текущий вывод с информацией уже находящейся на экране, то установите этот режим в значение "Ложь" . Режимы "X" и "Y" определяют точку на экране, с которой начинается вывод информации. Экран блока EV3 имеет 178 пикселей (точек) в ширину и 128 пикселей в высоту. Режим "X" может принимать значения от 0 до 177, режим "Y" может принимать значения от 0 до 127. Верхняя левая точка имеет координаты (0, 0), правая нижняя (177, 127)
Во время настройки программного блока "Экран" можно включить режим предварительного просмотра (Рис. 9 поз. 3) и визуально оценить результат настроек вывода информации.
В режиме "Фигуры" (Рис. 11 поз. 1 ) настройки программного блока меняются в зависимости от типа фигуры. Так при отображении круга необходимо будет задать координаты "X" и "Y" центра окружности, а также значение "Радиуса" . Параметр "Заполнить" (Рис. 11 поз. 2) отвечает за то, что будет отображен либо контур фигуры, либо внутренняя область фигуры будет заполнена цветом, заданным в параметре "Цвет" (Рис. 11 поз. 3) .
Для отображения прямой необходимо задать координаты двух крайних точек, между которыми располагается прямая.
Чтобы отобразить прямоугольник следует задать координаты "X" и "Y" левого верхнего угла прямоугольника, а также его "Ширину" и "Высоту" .
Отобразить точку проще всего! Укажите лишь её координаты "X" и "Y".
Режим "Изображение" , наверное, самый интересный и самый используемый режим. Он позволяет выводить на экран изображения. Среда программирования содержит огромную библиотеку изображений, отсортированную по категориям. В дополнение к имеющимся изображениям вы всегда можете создать свой рисунок и, вставив его в проект, вывести на экран. ("Главное меню среды программирования" - "Инструменты" - "Редактор изображения") . Создавая своё изображение, вы можете также вывести на экран символы русского алфавита.
Как вы видите - отображению информации на экране главного модуля EV3 среда программирования придает огромное значение. Давайте рассмотрим следующий важный программный блок "Звук" . С помощью этого блока мы можем выводить на встроенный динамик блока EV3 звуковые файлы, тона произвольной длительности и частоты, а также музыкальные ноты. Давайте рассмотрим настройки программного блока в режиме "Воспроизвести тон" (Рис. 15) . В этом режиме необходимо задать "Частоту" тона (Рис. 15 поз. 1) , "Продолжительность" звучания в секундах (Рис. 15 поз. 2) , а также громкость звучания (Рис. 15 поз. 3) .
В режиме "Воспроизвести ноту" вам вместо частоты тона необходимо выбрать ноту на виртуальной клавиатуре, а также установить длительность звучания и громкость (Рис. 16) .
В режиме "Воспроизвести файл" вы можете выбрать один из звуковых файлов из библиотеки (Рис. 17 поз. 1) , либо, подключив к компьютеру микрофон, с помощью Редактора звука ("Главное меню среды программирования" - "Инструменты" - "Редактор звука") записать собственный звуковой файл и включить его в проект.
Давайте отдельно рассмотрим параметр "Тип воспроизведения" (Рис. 17 поз. 2) , общий для всех режимов программного блока "Звук" . Если данный параметр установлен в значение "Ожидать завершения" , то управление следующему программному блоку будет передано только после полного воспроизведения звука или звукового файла. В случае установки одного из двух следующих значений начнется воспроизведение звука и управление в программе перейдет к следующему программному блоку, только звук или звуковой файл будет воспроизведен один раз или будет повторяться, пока не его не остановит другой программный блок "Звук" .
Нам осталось познакомиться с последним программным блоком зеленой палитры - блоком "Индикатор состояния модуля" . Вокруг кнопок управления модулем EV3 смонтирована цветовая индикация, которая может светиться одним из трех цветов: зеленым , оранжевым или красным . За включение - выключение цветовой индикации отвечает соответствующий режим (Рис. 18 поз. 1) . Параметр "Цвет" задает цветовое оформление индикации (Рис. 18 поз. 2) . Параметр "Импульсный" отвечает за включение - отключение режима мерцания цветовой индикации (Рис. 18 поз. 3) . Как можно использовать цветовую индикацию? Например, можно во время различных режимов работы робота использовать различные цветовые сигналы. Это поможет понять: так ли выполняется программа, как мы запланировали.
Давайте используем полученные знания на практике и немного "раскрасим" нашу программу из Задачи 1.
Задача 2
Попробуйте решить задачу самостоятельно, не подглядывая в решение!
