Практикум по основам робототехники. Задачи для Lego mindstorms nxt и ev3. Учебно-методическое пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственного образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Волгоградский государственный социально-педагогический университет»

Кафедра информатики и информатизации образования

Ю. С. Пономарева

Т. В. Шемелова

Практикум по основам робототехники: задачи для LEGO MINDSTORMS NXT и EV3

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Волгоград

2016

УДК 007.52 ББК 32.816я7 П 563

Рецензенты:

Т. К. Смыковская, д-р пед. наук, профессор кафедры теории и методики обучения математике и информатике ВГСПУ;

А. Н. Сергеев, д-р пед. наук, профессор кафедры информатики и информатизации образования ВГСПУ

Пономарева Ю. С.

П 563 Практикум по основам робототехники: задачи для LEGO MINDSTORMS NXT и EV3: учеб.-метод. пособие / Ю. С. Пономарева, Т. В. Шемелова. – Волгоград, 2016. – 36 с.

В учебно-методическом пособии описываются особенности конструкторов программируемых роботов LEGO MINDSTORMS NXT и LEGO MINDSTORMS EV3, используемых в школах и вузах при изучении основ робототехники. Сравниваются системы программирования LEGOроботов NXT-G и EV3. Приводится система задач для освоения приемов программирования LEGO-роботов.

Рекомендовано студентам, изучающим основы образовательной робототехники, а также тренерам команд, принимающих участие в робототехнических соревнованиях, проводимых для учащихся школ.

УДК 007.52 ББК 32.816я7

©Пономарева Ю. С., Шемелова Т. В., 2016

©Волгоградский государственный социальнопедагогический университет, 2016

3

Введение

Переход отечественной системы образования на новые федеральные государственные образовательные стандарты определил более широкое использование инновационных педагогических и информационных технологий, следование идеям опережающего развития и системно-

деятельностного подхода. Согласно этому, школьников необходимо знакомить не только с технологиями, востребованными в настоящее время, но и с теми, чье массовое использование пока что только прогнозируется. В связи с этим весьма актуальным в настоящее время является изучение в школе основ робототехники.

История робототехники неразрывно связана с историей развития науки,

техники и технологий. Робототехника – это прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем, интегративное направление научно-технического прогресса, объединяющее знания в области физики, микроэлектроники, механики, современных информационных технологий и искусственного интеллекта. В образовательных учреждениях робототехнические конструкторы могут использоваться для проведения демонстрационных учебных экспериментов по физике, химии, биологии,

математике и основам безопасности жизнедеятельности.

Анализ проводимых исследований и существующей педагогической практики позволяет сделать вывод о том, что в настоящее время изучение робототехники в школах реализуется в следующих формах:

−факультатив или элективный курс;

−включение элементов робототехники в содержание ряда школьных дисциплин (математики, информатики и ИКТ, технологии, физики);

−индивидуальные исследования и проекты школьников.

Очевидно, что любая из перечисленных форм изучения робототехники в школе требует соответствующей квалификации педагогов, особенно – у

учителей информатики. Таким образом, востребованной становится

4

подготовка студентов – будущих учителей информатики к реализации всех форм изучения робототехники в школе.

В Волгоградском государственном социально-педагогическом университете такая подготовка осуществляется на факультете математики,

информатики и физики в рамках освоения курса по выбору «Основы робототехники». При изучении данной дисциплины формируются основополагающие представления об основных понятиях робототехники,

дидактических возможностях программируемых роботов как средстве реализации учебно-исследовательской деятельности обучающихся, развития их алгоритмического и технического мышления, инженерных навыков.

Основными задачами освоения дисциплины являются:

−формирование представлений о возможностях использования конструкторов программируемых роботов при обучении информатике;

−обучение использованию конструкторов программируемых роботов для создания конкретных моделей роботов;

−формирование опыта использования конструкторов программируемых роботов для сборки собственных моделей и составления для них компьютерных программ;

−формирование и развитие умений составлять собственных задания по конструированию программируемых роботов и написанию для них компьютерных программ;

−формирование опыта проектирования содержания элективных курсов

ивнеурочных форм обучения информатике.

В ходе освоения курса по выбору «Основы робототехники» студентам предлагается выполнить задания как на конструирование робота,

выполняющего определенный круг задач, так и задания, связанные с его программированием.

Предлагаемое пособие раскрывает особенности программирования роботов на основе образовательных версий конструкторов LEGO MINDSTORMS EV3 и LEGO MINDSTORMS NXT. Задачи, представленные в пособии, разделены на несколько уровней сложности в зависимости от

5

требуемых инструментов сред программирования EV3 MINDSTORMS и NXT-G. Особое внимание уделяется сравнению возможностей сред программирования EV3 MINDSTORMS и NXT-G при реализации задач олимпиадного типа.

6

Раздел 1. Конструкторы программируемых роботов

LEGO MINDSTORMS NXTи LEGO MINDSTORMS EV3

В настоящее время изучение робототехники в школе производится на основе конструкторов программируемых роботов, включающих в свой состав все необходимые элементы для сборки различных моделей роботов. Среди всего многообразия таких конструкторов следует выделить конструкторы

LEGO, ставшие фактически стандартом образовательной робототехники в нашей стране и за рубежом. При этом в настоящее время используется два поколения конструкторов программируемых роботов LEGO – это LEGO MINDSTORMS NXT и LEGO MINDSTORMS EV3.

LEGO MINDSTORMS NXT является интеллектуальным, управляемым компьютером роботом на базе элементов LEGO и системы MINDSTORMS.

Основа конструктора LEGO MINDSTORMS NXT: программируемый блок NXT (рис. 1.1), интерактивные сервомоторы (рис. 1.2) и несколько датчиков (рис. 1.3, 1.4). Существуют домашняя и образовательные версии

LEGO MINDSTORMS NXT, отличающиеся набором комплектующих.

Рис. 1.1. Программируемый блок NXT

7

Рис. 1.2. Сервомотор NXT

Рис. 1.3. Датчики касания, освещенности, звука NXT

Рис. 1.4. Ультразвуковой датчик NXT

В состав образовательного комплекта LEGO MINDSTORMS NXT

входят следующие датчики:

−два датчика касания;

−датчик освещенности, позволяющий определять интенсивность света;

−датчик звука – микрофон;

−ультразвуковой датчик – «глаза» робота, позволяющие ему измерять расстояние до объекта.

На момент написания пособия выпускается версия 8547, в которой

датчик звука отсутствует, а вместо датчика освещенности присутствует датчик

8

цвета – RGB-датчик, позволяющий роботу различать цвета и измерять яркость окружающего света. Существуют и другие датчики, которые выпускаются отдельно от комплекта, например, для измерения температуры, pH среды,

гироскопический датчик, компас и др.

Все датчики и моторы подсоединяются к NXT-блоку через порты входа и выхода. Сенсоры подключаются к входным портам под номерами 1–4, а

моторы – к выходным портам, имеющим на блоке NXT названия A, B, C. Блок

NXT работает от шести батарей типа AA. В образовательную версию набора входит аккумуляторная батарея.

LEGO MINDSTORMS EV3 поставляется в 2 версиях: домашняя (home version) и образовательная (education version). Программируемый блок и 3

мотора одинаковы в обоих наборах, но состав датчиков различается. Также в образовательный набор включили довольно полезную деталь – Ball Wheel. Это опорное колесо, которое позволяет поворачивать роботу в любых направлениях.

Программируемый блок, сервомоторы и датчики из набора LEGO MINDSTORMS EV3 представлены на рис. 1.5–1.9.

Рис. 1.5. Программируемый блок EV3

9

Рис. 1.6. Большой сервомотор EV3

Рис. 1.7. Средний сервомотор EV3

Рис. 1.8. Датчики касания, освещенности и гироскоп EV3

Рис. 1.9. Ультразвуковой датчик EV3

10