Незаметное погружение в физику через робототехнику
Обычно в школе ребята начинают изучение физики только в 7 классе. Однако, с её законами они знакомятся с самого рождения: если мяч подбросить вверх - он обязательно упадёт вниз; если зимой не одеться тепло - можно замёрзнуть; если подошвы ваших ботинок без протектора - то есть шанс подскользнуться и упасть на льду. Некоторые физические явления можно наблюдать и изучать, используя программируемых роботов или отдельные детали и датчики робототехнических конструкторов. Это даёт возможности не только прикоснуться к физике, но и понять её значимость в технике, выявить взаимосвязи физики с математикой, информатикой, технологией. Робототехника как пропедевтика Занимаясь робототехникой с детьми до того, как они начинают изучать физику, мы получаем возможность показать им принципы проектной деятельности, которые впоследствии можно использовать и при работе над проектами, касающимися непосредственно физики. Мы учимся формулировать вопрос, ставить гипотезу, планировать работу в соответствии с возникающими задачами. Также в процессе разработки робота и тестирования модели ребята получают знания об основах экспериментальной деятельности. Они понимают, что для опытов необходимо создать определённые условия, что эксперименты вскрывают зависимости между конкретными величинами. Важно также, что один и тот же эксперимент следует повторит определённое количество раз, собрать статистику, вычислить среднее значение результата. Здесь можно вести речь и о погрешности и точности измерений. Примером может служить исследование дальности полёта мяча при ударе по нему модели робота-нападающего. Собрав модель такого робота-футболиста, который может ударять по мячу, ребята получают задание подобрать мяч определённого веса и размера и провести испытания робота.
Вопросы, которые можно задать ученикам, проводящим эксперименты: - какова максимальная (минимальная) дальность полёта (по 5 проведённым опытам) в сантиметрах, в метрах? - совпадают ли ваши предположения о дальности полёта с данным, которые получены экспериментальным путём? - как зависит дальность полёта от начального положения "ноги" модели нападающего? - какие изменения можно внести в конструкцию, чтобы он стала более мощной? - какая программа будет наиболее эффективна для работы модели? - каким образом изменится дальность полёта, если мы увеличим/уменьшим вес мяча? - возрастёт ли дальность полёта, если взять мяч большего/меньшего размера? Выполняя подобные эксперименты, дети знакомятся с работой различных деталей и механизмов, изучают виды механического движения, превращение энергии. Конечно же, у ребят развиваются конструкторские и изобретательские умения. Рассматривая зубчатую или ременную передачу, мы говорим о том, что от диаметра шестерни или шкива будет зависеть скорость вращения детали. Конечно же, это угловая скорость, о которой говорится только в курсе физики 9 класса, но третьеклассники после проверки подобных соединений на практике формулируют безошибочные выводы.
Пытаясь построить механизм, который имеет не просто движущиеся элементы, а перемещающийся в пространстве (машинка или модель какого-либо животного), ребята используют не только ременные, но зубчатые передачи. Конечно, с передаточными числами для зубчатых передач мы не знакомимся, но в третьем классе ребята считают число зубчиков у шестерен: у малой шестерни их оказывается 8, у большой - 24. Отсюда делается вывод, что при их соединении за одно и то же время маленькая шестерня будет делать три оборота, а большая - один. Важно также обращать внимание на направление вращения шкивов и шестерен. Так, соседние шестерни всегда вращаются в разных направлениях. Это проверяется и в ходе практической работы. Кроме того, делается вывод, что если пронумеровать шестерни, начиная с ведущей, то все нечётные будут вращаться в одном направлении, а чётные - в другом. Ребята быстро придумывают и собирают модели, использующие не только три, но пять и более шестерней. Поэтому им нетрудно отвечать на вопросы о зубчатых передачах, наподобие этого: "Будет ли работать такая зубчатая передача?" (задание взято из "Библиотеки по физике" Злыгостева А.С.). Не спешите открывать ссылку. Как бы вы ответили на поставленный вопрос?
Самые первые эксперименты с моторами и осями всегда позволяют собрать простые, но эффектные механизмы: это разнообразные вентиляторы, кондиционеры, пропеллеры, разноцветные вертушки и пр. Здесь мы наблюдаем за превращениями энергии из электрической в механическую - в энергию вращательного движения. А энергия - это одно из основных понятий курса физики, использующееся в различных его разделах. Работая над этими же моделями, внося изменения в конструкцию, можно изучать вопросы смешения цветов, что относится к области оптики.
Механическое движение и его виды - тема, изучаемая в 7 и 9 классе. Наглядное представление о видах движения (поступательном, вращательном, колебательном) дают робототехнические механизмы, собираемые и программируемые ребятами. Кроме этого они узнают, например, что вращательное движение можно превратить в поступательное, используя кулачки.
Фантазируя, ребята разрабатывают модели различных механизмов и устройств, использующих моторы и различные виды передач. Так, они могут познакомиться с работой кривошипно-шатунного механизма, который служит для преобразования вращательного движения в прямолинейное и наоборот. Конечно же, следует объяснить ребятам, что эти свойства используются в двигателе внутреннего сгорания, а базовая деталь такого двигателя - движущийся цилиндр (в представленной на видео модели вместо цилиндра используется поршень, состоящий из оси и шкива). Этот материал относится к курсу физики 8 класса, но понимание принципа действия собранного механизма позволяет ребятам представить, что в настоящем двигателе в определённые моменты производится впуск топлива, затем оно сжимается, воспламеняется и толкает поршень, в результате чего раскручивается вал, с которым он соединён через шатун. Таким образом можно ненавязчиво дать понятие назначении ДВС и тактах его работы. При разработке данной модели также было выяснено, что поршню необходимо как можно плотнее прилегать к стенкам цилиндра, внутри которого он движется, но не касаться их. Одновременно следовало решить задачу уменьшения трения, которая была успешно решена. О силе трения и причинах её возникновения говорят на уроках физики 7-8 класса. Здесь же мы на практике получили вывод о том, что сила трения уменьшается, если поверхности являются более гладкими.
Итак, робототехника может успешно использоваться как составляющая пропедевтического курса физики, поскольку позволяет изучать и понимать: - превращение энергии; - виды механического движения; - работу простых механизмов; - различные типы передач. Кроме того, такие занятия развивают конструкторские умения, дают представление об экспериментальной и проектной деятельности, что обязательно пригодится в обучении физике. Продолжение следует...
