Materiály pro skupinu: Zkoumání světelného senzoru: jedna sada Lego Mindstorm NXT (maloobchodní nebo. nebo vzdělávací verze); Software Lego Mindstorm

9-11 years

Mat Vzdělávací obsah: Člověk a příroda / Robotika - Fyzika Klíčové pojmy: Robotika - Všudy přítomnost robotů - Práh citlivosti - Programování chování detekce - plán - úkon - Světlo: přirozené a umělé světlo ve třídě - Zvuk: hladina zvuku ve třídě - Teplota: regulace topení ve třídě Cílová věková skupina: 9 -11 let Délka aktivity: 3 hodiny Shrnutí: Děti se seznámí s robotem jakožto průzkumným nástrojem použitím výzkumné analogie mezi lidskými smysly a senzory robotů: Světelný senzor je analogií zraku, zvukový senzor je analogií sluchu, a tepelný senzor je analogií hmatu. Smysly i senzory zaznamenávají informace. Senzory mají některé výhodné vlastnosti: přesnost zaznamenávání, a skutečnost, že se nemusí být shromážděny v jednom těle jako lidské smysly, ale mohou být rozloženy po okolním prostředí. Nicméně zatímco lidské smysly mohou filtrovat okolní obrázky, zvuky a teploty, senzory nemohou filtrovat odchylky, pokud k tomu nejsou výslovně naprogramovány. Navíc, zatímco lidské smysly mají záměr (tj. můžeme cítit, ale můžeme také záměrně nasměrovat naši smyslovou pozornost spíše na poslech nežli na sluch, na pozorování nežli zrak atd.), senzory nemohou záměrně zaznamenávat, ale mohou k tomu být nařízeny. Děti jsou tak vedeni k objevování všudypřítomné robotiky z hlediska technologických zařízení, která, pokud jsou vhodně ovládaná, nám umožňují umocnit a rozmístit naše smysly

po okolním prostředí. Ve skupině, jsou zapojeny do tří podnětných šetření: 1) jak naprogramovat inteligentní stolní lampičku (světelný senzor), 2) jak rozpoznat hladinu zvuku ve třídě (zvukový senzor), (3) jak monitorovat školní systém topení (tepelný senzor). Pracovní listy pro předběžné a dodatečné hodnocení, stejně jako pracovní listy pro zprávu a cvičení jsou používány po celou dobu činnosti. Cíl: Během této činnosti, jsou děti vedeny k používání robotické sady Lego Mindstorm NXT® jakožto průzkumného nástroje pro postupné získávání schopností a představ o předmětech pozorování ve fyzice (světlo, zvuk, teplota). Také se tímto způsobem seznámí s vědeckou metodou zkoumání, logickým uvažováním (podmíněné výroky), schopnostmi souvisejícími s problémy a s technologickými dovednostmi (výstavba a programování všudypřítomných robotů). Materiály a pomůcky (pro každou skupinu): Materiály pro třídu: Tři čtvrtky formátu A3 a (nebo jeda magnetická tabule a magnety), vytištěné obrázky robotů, automatů, a strojů. Materiály pro skupinu: Zkoumání světelného senzoru: jedna sada Lego Mindstorm NXT ® (maloobchodní nebo vzdělávací verze); Software Lego Mindstorm NXT ®, počítač, pomalovaný nebo barevný papír, jedna prázdná sklenička a jedna prázdná plastová láhev. Zkoumání zvukového a tepelného senzoru: jedna sada Lego Mindstorm NXT ® (maloobchodní nebo vzdělávací verze); Software Lego Mindstorm NXT ®, počítač, tepelný senzor/čidlo (není součástí stavebnice) a tři nádoby na vodu pokojové teploty, vařící vodu, a kostky ledu.

Lidské smysly a robotické senzory Authors: I. Gaudiello, E. Zibetti, C. Tijus .

The content of the present document only reflects the author’s views and the European Union is not liable for any use that may be made of the information therein.

This project Pri-Sci-Net has received funding from the European Union Seventh Framework Programme (FP7 2007 /13) under grant agreement No.266647

LIDSKÉ SMYSLY A ROBOTICKÉ SENZORY

Plán hodiny (spolu s poznámkami pro učitele) – Popis aktivity Motivace (Formulace hypotézy) První hodina (45 minut: 10 minut Prezentace + 20 minut Předběžného hodnocení + 15 minut Představení robotiky) Prezentace (10 minut) Učitel představí obsah hodiny: objevování světa robotů jako nástroje pro pochopení vlastností světla, zvuku, a teploty. Zejména jde o objevování jednoho konkrétního druhu robotů ("všudypřítomných robotů"), kteří mohou být integrováni v prostředí třídy, aby monitorovali úroveň světla, zvuku a teploty. Děti jsou povzbuzovány ke kladení otázek týkajících se robotů obecně a konkrétně i všudypřítomných robotů. Diskutuje se kolektivně. Vyučující neposkytne definice, ale obeznámí děti s tím, že se v průběhu činnosti dozví, zda jsou jejich představy o robotech správné. Předběžné hodnocení (dobrovolné, 20 minut) Žáci jsou vyzváni k vyplnění dotazníku o svých předchozích vědeckých znalostech (o světle, zvuku a teplotě), o svém logickém uvažování (ovládání podmíněných výroků), o svých schopnostech v oblasti řešení problémů, zjišťování problémů a vymýšlení problémů a o svých technologických dovednostech (viz Pracovní Listy 1a-1d). Představení robotiky (15 minut) Vyučující připomíná, že děti ve svých prvních pracovních listech našly několik dotazů o robotech (Co je robot? Jak funguje?). Navrhne hru, která pomůže lépe vysvětlit jak robota rozpoznat a jak s ním komunikovat. Dětem je odhalena sada vytištěných obrázků. Hra spočívá v rozmístění těchto obrázků na jeden ze tří panelů (tři čtvrtky nebo magnetická tabule rozdělená do tří dílů): panel „stroj“, „automat“ nebo „robot“. Vyučující vede děti formou třídní diskuze k následující obecné definici strojů, automatů a robotů: 1. Stroje, jako například domácí spotřebiče, můžou být mechanické, elektronické i informační, ale mohou provádět pouze vestavěné funkce, které uživatel obvykle nemůže měnit (programovat) 2. Automaty jsou mechanické a můžou provádět jen jeden úkon (například automatický robot z filmu Hugo a jeho velký objev umí pouze vyrábět výkresy)


3. Roboti jsou mechanická, elektronická a informační zařízení, která mohou provádět více úkonů: vnímat pomocí senzorů, pohybovat se pomocí motorů, a přizpůsobit své chování okolnímu prostředí, pokud jim to přikážeme pravidly. Existují různé druhy robotů (humanoidní roboti, zvířecí roboti, neboli „animat“, průzkumní roboti, všudypřítomní roboti atd.) a stavebnice Lego umožňuje některé z nich postavit spojováním kostiček a programováním. Děti jsou poté vyzvány ke splnění cvičení v pracovním listu 2. Po kolektivní diskuzi, oznámí vyučující dětem, že se budou učit ovládat všudypřítomné roboty - roboty, které lze integrovat do prostředí, například ve třídě tak, aby detekovali světlo, zvuk a teplotu, a reagovali podle zvláštních pravidel, které děti vymyslí. Pro lepší vysvětlení všudypřítomných robotů, může vyučující použít analogii mezi robotickými senzory a lidskými smysly: Světelný senzor jako zrak, zvukový senzor jako sluch, a tepelný senzor jako hmat. Smysly i senzory zaznamenávají informace. Ale protože mezi smysly a senzory nejsou pouze podobnosti, zeptá se vyučující dětí na to, jaké jsou podle jejich názoru rozdíly mezi lidskými smysly a senzory robotů. Děti dohromady diskutují. Vyučující je vede k tomu, aby zvážily, že senzory mají výhodné vlastnosti: přesnost zaznamenávání, a skutečnost, že se nemusí být shromážděny v jednom těle jako lidské smysly, ale mohou být rozloženy po okolním prostředí. Nicméně zatímco lidské smysly mohou filtrovat okolní obrázky, zvuky a teploty, senzory nemohou filtrovat odchylky, pokud k tomu nejsou výslovně naprogramovány. Vyučující vyzve děti, aby si vzpomněly na situaci, ve které si vybraly specifické zdroje zvuku mezi hlukem (např. má-li dítě rádo fotbal, uslyší v televizi zprávy o fotbale, i když je kolem hodně hluku, a dítě nedávalo televizním zprávám příliš pozornosti). Navíc, zatímco lidské smysly mají záměr, senzory nemohou záměrně zaznamenávat, ale mohou k tomu být nařízeny. Tento fakt vyučující dětem vysvětlí tím, že se jich zeptá, zda mohou vysvětlit rozdíl mezi pojmy poslouchat a slyšet nebo sledovat a vidět. Děti o tom dohromady diskutují. Vyučující zasahuje do jejich diskuze a směřuje je k tomu, aby pochopily, že poslouchat je záměrně slyšet, a sledovat je záměrně vidět. Vyučující následně dětem vysvětlí, že použitím „všudypřítomných robotů“ mohou své lidské smysly rozložit po okolním prostředí. Aby k tomu mohlo dojít, musí děti vyřešit problém odchylek a mají navrhnout postup k tomu, aby senzory robotů byly úmyslné stejně jako lidské smysly. Druhá hodina (minimálně 60 minut) Výzva experimentu Vyučující poté navrhne výzvu: naprogramovat a vyrobit (ve skupině) 1) inteligentní stolní lampičku založenou na světelném senzoru, 2) třídní detektor zvuku založený na senzoru zvuku, 3) alarm pro třídní systém vytápění založený na tepelném senzoru. Vyučujícímu je vyhrazeno právo vybrat si jednu ze tří výzev (na ostatní aktivity se pak nahlíží jako na činnosti, při kterých se ověřuje přenos znalostí dětí, nebo jako na rozšiřující aktivity). Základní pojmy o hardwaru a softwaru Vyučující představuje sadu Lego: jeho mechanické (kostičky), elektronické (motory, senzory) a informatické (procesor, rozhraní) komponenty – viz. Poznámky pro učitele.


Před zahájením fáze bádání může vyučující spustit některé vestavěné zkušební programy, které si vybere z menu na displeji kostky s procesorem. Tyto programy jsou navrhnuty tak, aby robot reagoval na určité události, například aby se pohyboval rychleji, když někdo tleská, nebo mluví nahlas. Vyučující může vyzvat děti vícekrát k pozorování chování robota (program tedy spouští opakovaně). Nyní jsou děti vyzvány k tomu, aby vyvodily základní pravidlo tohoto chování, přičemž jsou upozorněny na vnitřní nastavení robota a na vnější události. Ve výše uvedeném příkladu: kdy robot zrychlí? Před potleskem nebo po potlesku? Co když potlesk přestane? Jak spolu souvisí tleskání a zvýšení rychlosti? Prostřednictvím dětských odpovědí může vyučující získat celkový obraz o pochopení a předpojatostech, které o fungování robota děti mají. Vybízí děti, aby zkontrolovaly své vlastní odpovědi tím, že sledují, jak roboti reagují na různé zvukové podněty, které jim děti vymyslí. Děti jsou tak vedeni 1) formulovat základní pravidlo konkrétního pozorovaného chování (tj. pokud zvukový senzor zaznamená vysoké zvuky, zvýší se rychlost motorů) pomocí empirického testování, 2) zobecnit toto pravidlo, tj. pochopit, že základní chování robota znamená významově sekvenci detekce - plán - úkon (nebo vstup-proces-výstup): robot zaznamená informace o okolním prostředí (vstup) a jedná (výstup) v souladu s pravidlem stanoveného programu (plán). Vyučující se ptá dětí jak kombinovat programování senzorů a pohonů aby dosáhly chování typu „detekce - plán – úkon”, jako toho, které právě pozorovali. Vyučující shromáždí všechny návrhy a vyzve děti, aby je otestovaly. Který postup je úspěšný? Proč jsou některé postupy neúspěšné? Děti předkládají svá vysvětlení. Vyučující připomíná koncept základního pravidla, se kterým se setkali při experimentu, který měl vysvětlit chování detekce-plán-úkon a který vyučující představil/a na začátku robotické lekce. Vysvětluje, že abychom mohli spojit senzory a pohony, musíme najít „pravidlo“, neboli „důvod“ mezi plánem a úkonem. To lze provést pomocí spojovacích programovacích ikon dohromady s programovými ikonami senzorů a pohonů. Vyučující poté ukazuje první příklad programu na základě detekce-plán-úkon: Ikona 1

Smyčka

Ikona 2

Spínač

Ikona 3

Motor

Ikona 4

Motor

Výsledný program

detekce-plánúkon

Tabulka I Podle tohoto programu se síla motoru zvýší na 70 v případě, kdy senzor zvuku zaznamená hluk přesahující 50 dB. Síla motoru jinak zůstává na hodnotě 20. This project Pri-Sci-Net has received funding from the European Union Seventh Framework Programme (FP7 2007 /13) under grant agreement No.266647

Experimenty Během práce ve skupině, si mohou děti vyzkoušet některé programy založené na chování detekceplán-úkon. Tato fáze je důležitá, neboť se děti seznámí s faktem, že senzor musí kontrolovat vnější prostředí v určitých časových intervalech (jedním z nejčastějších dětských omylů je domněnka, že senzory fungují se záměrem, tedy že samostatně zaznamenávají okolní prostředí v jakoukoliv dobu). Třetí hodina (45 minut: 30 minut na bádání + 15 minut na hodnocení) Výzvy a předpovědi Jakmile se děti seznámí se základními pojmy programování, učitel navrhne, aby s použitím robota objevily nové poznatky o světle, teplotě a zvuku ve své třídě. Učitel připomíná cíle všech tří výzev, načež se děti rozdělí do skupin podle své preferované výzvy. -

Bádání v rámci světelného senzoru: jak naprogramovat robota k tomu, aby automaticky zapnul LED žárovku za účelem vytvoření umělého světla, klesne-li intenzita přirozeného světla pod určitou hodnotu?

-

Bádání v rámci zvukového senzoru: jak otestovat, zda jsou chlapci při přestávce hlučnější než dívky, nebo zda je to spíše naopak?

-

Bádání v rámci tepelného senzoru: jak použít tepelný senzor pro sledování úrovně tepla třídních radiátorů?

Za účelem plnění bádání, mají děti navrhnout řešení, které 1) vyřeší problém odchylek (hluk) při zaznamenávání senzoru 2) zajistí, aby senzory byly úmyslné stejně jako lidské smysly Bádání Návrh a průběh experimentu: plánování, sběr a organizace informací. Bádání v rámci světelného senzoru (30 min) Děti jsou vyzvány, aby zformulovaly předpovědi hodnoty přirozeného světla ve třídě v určitém okamžiku dne a společně o svých predikcích diskutovaly. Aby bylo možné zaznamenat intenzitu přirozeného světla ve třídě, musí děti uvažovat o tom, že jsou ve třídě místa, která jsou více vystavena světlu a naopak místa, která jsou světlu vystavena méně. Vyučující se ptá dětí na to, jakým způsobem by mohly přijít na jedinečnou hodnotu, která bude odpovídat celkové úrovni intenzity světla ve třídě. Děti navrhnou své postupy ve skupinách a diskutují o nich společně s celou třídou. Vyučující tyto návrhy okomentuje a poté přidá svůj návrh: najít průměrnou hodnotu zaznamenaného světla. To lze provést tím, že se zaznamenají nejvyšší a nejnižší hodnoty, které se objeví na rozhraní (displeji), když je světelný senzor namířen na zkoumané místo ve třídě, součtem těchto dvou hodnot, a vydělením výsledku dvěma. Výsledkem dělení je průměrná hodnota intenzity přirozeného světla. This project Pri-Sci-Net has received funding from the European Union Seventh Framework Programme (FP7 2007 /13) under grant agreement No.266647

Vyučující navrhne dětem, aby si tuto metodu procvičily vyplněním pracovního listu 3a. Nyní se vyučující ptá dětí na to, jakým způsobem by se dal světelný senzor změnit, tak aby byl úmyslný, tj. jak by ho mohly naprogramovat, aby senzor světlo nejen viděl, ale také sledoval. Děti navrhnou své postupy ve skupinách a diskutují o nich společně s celou třídou. Vyučující tyto návrhy okomentuje a poté přidá svůj návrh: použít průměrnou hodnotu jako spodní hranici (prahovou hodnotu), která pokud bude překročena, sepne signál skrze robota (např. LED světlo). Tímto způsobem by děti vytvořily robota, který „záměrně“ monitoruje světelné prostředí. Viz program níže:

Obrázek 1 Program pro generování umělého LED světla, když intenzita přirozeného světla klesne pod hodnotu spodní hranice (v tomto snímku je spodní hodnota nastavena na 50). Všimněte si, že funkce “generovat světlo” je aktivní pouze pro druhou ikonu ve smyčce. Pojem spodní hranice může být dětmi intuitivně chápán, ale vyučující by se měl/a ujistit, že je pojem opravdu správně pochopen. Je vhodné uvést příklad prahových hodnot v přírodě. Například změny skupenství: voda přechází z kapalného skupentsví na plynné (vypařování), když dosáhne teploty 100  Celsia, a z kapalného skupenství na pevné - zmrazením, když dosáhne teploty 0  Celsia. Ke konci činnosti se vyučující ptá dětí, aby vysvětlily, jakým způsobem otestovaly své počáteční předpovědi, a zda výsledky testů potvrdily nebo vyvrátily jejich predikce (Pracovní list 4a). Bádání v rámci zvukového senzoru (30 min) Děti jsou vyzvány, aby si vybraly mezi jednou ze dvou předpovědí: buď že chlapci jsou hlučnější než dívky během přestávky, nebo naopak (Pracovní list 4b). K tomu, aby otestovaly tuto hypotézu, musí děti uvažovat o tom, že se zvuky (hlasy, zvuky, atd.) ve třídě mění během různých okamžiků školního dne. Vyučující se ptá dětí, jakým způsobem by mohly přijít na jedinečnou hodnotu, která bude odpovídat celkové úrovni intenzity zvuku ve třídě. Děti navrhnou své postupy ve skupinách a diskutují o nich společně s celou třídou. Vyučující tyto návrhy okomentuje a poté přidá svůj návrh: najít průměrnou hodnotu zvuku. To lze provést tím, že se zaznamenají nejvyšší a nejnižší hodnoty, které se objeví na rozhraní (displeji), když je zvukový senzor použit v tichém okamžiku (např. při hodině) a v chaotickém okamžiku (např. o přestávce), součtem těchto dvou hodnot, a vydělením výsledku dvěma. Výsledkem dělení je průměrná hodnota intenzity zvuku. Vyučující navrhne dětem, aby si tuto metodu procvičily vyplněním pracovního listu 3b.


Nyní se vyučující ptá dětí na to, jakým způsobem by se dal zvukový senzor změnit, tak aby byl úmyslný, tj. jak by ho mohly naprogramovat, aby senzor zvuk nejen slyšel, ale také poslouchal. Děti navrhnou své postupy ve skupinách a diskutují o nich společně s celou třídou. Vyučující tyto návrhy okomentuje a poté přidá svůj návrh: požít průměrnou hodnotu jako horní hranici (prahovou hodnotu), která pokud bude překročena, sepne signál skrze robota (například se ozve příkaz “Ticho!”, což je zvukový soubor, který mohou děti najít v rozhraní Lego) (obr.2). Tímto způsobem by děti vytvořily robota, který „záměrně“ monitoruje hluk ve třídě. Ke konci činnosti se vyučující ptá dětí, aby vysvětlily, jakým způsobem otestovaly své počáteční předpovědi, a zda výsledky testů potvrdily nebo vyvrátily jejich predikce (Pracovní list 4b).

Obrázek 2 Program, který umožňuje robotovi zaznamenávat hladinu hluku ve třídě a sepnout příkaz “Ticho!”, v okamžiku, kdy je prahová hodnota hluku překročena (na obrázku je prahová hodnota nastavena na 60). Bádání v rámci tepelného senzoru (30 min) Děti jsou vyzvány, aby zformulovaly předpovědi týkající se okamžiku během školního dne, kdy je ve třídě dosažena nejvyšší hodnota tepla a společně o svých predikcích diskutovaly. Aby měly děti představu o teplotě ve třídě, musí uvažovat o tom, že jsou ve třídě místa, která jsou více či méně v blízkosti topení, nebo jsou více či méně vystavena slunečnímu světlu v různých okamžicích školního dne. Vyučující se ptá dětí, jakým způsobem by mohly přijít na jedinečnou hodnotu, která by odpovídala celkové úrovni intenzity teploty ve třídě. Děti navrhnou své postupy ve skupinách a diskutují o nich společně s celou třídou. Vyučující tyto návrhy okomentuje a poté přidá svůj návrh: najít průměrnou hodnotu teploty. To lze provést zaznamenáním nejvyšší a nejnižší hodnoty, které se objeví na rozhraní (displejích) dvou tepelných senzorů namířených na nejchladnější nejteplejší místo ve třídě (např. bod, který je více vystaven světlu), následným součtem těchto hodnot a vydělením dvěma. Tento postup musí být proveden v nejteplejší hodinu dne. Výsledkem dělení je průměrná hodnota teploty ve třídě. Vyučující navrhne dětem, aby si tuto metodu procvičily vyplněním pracovního listu 3c. Nyní se vyučující ptá dětí na to, jakým způsobem by se dal tepelný senzor změnit, tak aby byl úmyslný, tj. jak by ho mohly naprogramovat, aby senzor teplotu nejen zaregistroval, ale také sledoval. Děti navrhnou své postupy ve skupinách a diskutují o nich společně s celou třídou. Vyučující tyto návrhy okomentuje a poté přidá svůj návrh: použít průměrnou hodnotu jako výchozí bod pro prahovou hodnotu. Například, pokud je průměrná teplota 15 C, teplota radiátoru by neměla přesáhnout 25 C nebo pokud je průměrná teplota 25 C může se topení vypnout. This project Pri-Sci-Net has received funding from the European Union Seventh Framework Programme (FP7 2007 /13) under grant agreement No.266647

V případě překročení prahové teploty může být robot (složený z tepelného senzoru a kostky s procesorem) naprogramován tak, aby spustil alarm vedle topení. Tímto způsobem by děti vytvořili robota, který “záměrně” monitoruje teplotu ve třídě. Zde je program:

Obrázek 3 Program, který umožňuje robotovi spustit alarm v okamžiku, kdy teplota topení překročí 25°C. Ke konci aktivity zadá vyučující dětem úkol, aby si poznamenaly, jakým způsobem otestovaly plýtvání energií a jaké řešení navrhují, aby se tomuto plýtvání zamezilo (Pracovní list 4c). Evaluace (20 minut) (Záznam výsledků) Hodnocení se provádí s využitím Pracovních listů 4a - 4c jako výchozích bodů pro skupinovou diskuzi. Vyučující řídí diskuzi a vyzívá děti k vyvození závěrů o jejich bádání. Na konci aktivity učitel zadá domácí úkol: dodatečné hodnocení o vědeckých poznatcích, logickém uvažování (ovládání podmíněných výroků), řešení, zjišťování a vymýšlení problémů, a o technologických dovednostech (Pracovní listy 5a-5h). Mohou být navrženy navazující aktivity: dají se formou senzorů kromě zraku, sluchu a hmatu napodobit i ostatní lidské smysly? Děti mohou diskutovat o svých nápadech, jak vytvořit senzor čichu, chuti a dokonce i propriorecepce (např. prostřednictvím rotačního senzoru).

Přiložené materiály: pracovní listy pro žáky, Tipy pro učitele, Poznámky pro učitele, další literatura, webové stránky.


PRACOVNÍ LISTY Pracovní list 1: Test Předběžného hodnocení (dobrovolný). 1a. Přečti si otázky v tabulce “Vědecké poznatky” a zaškrtni správnou odpověď. Každá otázka má jen jednu správnou odpověď. Vědecké poznatky Světlo Která z těchto vět je podle tvé předchozí odpovědi správně? a) moře je osvětlené oblohou b) předměty, na které se díváme, jsou osvětlené našima očima c) sklenice je osvětlená studenou vodou d) kniha na stole je osvětlená lampičkou Co můžeš změřit na barvě? a) rozměr b) intenzitu Zvuk Který z těchto předmětů vydává zvuk? a) ucho b) píšťalka c) zrcadlo d) horká voda Co můžeš změřit na zvuku? a) intenzitu b) váhu Teplota V co se mění voda při velmi nízké teplotě? a) páru b) led c) paprsek d) roztok Co můžeš změřit na teplotě? a) stupeň b) délku


1b. Zvaž následující pravidlo: „Když zapnu vypínač, zapne se žárovka“. Na základě tohoto pravidla si přečti začátky vět v tabulce „Logické uvažování“ a vyber k nim příslušný konec. Každá věta má pouze jeden správný konec.

Logické uvažování Základní podmíněné uvažování

Princip kontrapozice

Princip konverze

Princip inverze

Princip tranzitivity

Věta: „Když zapnu vypínač, bude žárovka“ a) rozsvícená b) zhasnutá Věta: „Pokud je žárovka rozsvícená, je vypínač“ a) zapnutý b) vypnutý Věta: „Pokud je žárovka zhaslá, je vypínač“ a) zapnutý b) vypnutý Věta: „Pokud vypínač nezapnu, bude žárovka“ a) rozsvícená b) zhaslá Přečti si pravidlo a vyber správnou možnost ukončení věty. Pravidlo: „Pokud je ráno, nezapnu vypínač a žárovka zůstane zhaslá“ Věta: „Pokud je ráno, je žárovka“ a) rozsvícená b) zhaslá


1c. Přečti si problematické texty v tabulce “Problémy” a zapiš své odpovědi. Problémy Řešení problémů

Problematický text: Klářin plavecký bazén je dlouhý 9 metrů. Tomášův bazén je o 1 metr delší než ten Klářin. Eliščin bazén je o 2 metry kratší než Klářin bazén. Jak dlouhý je Eliščin bazén? Odpověď:

Zjišťování problémů

Problematický text: Ve třídě je 15 chlapců a 5 děvčat. Kolik let je paní učitelce? Odpověď:

Vymýšlení problémů

Problematický text: Můžeš pro své spolužáky vymyslet krátkou úlohu? Text úlohy musí být jednoduchý a můžeš si vybrat svou oblíbenou aritmetickou operaci (sčítání, odčítání, násobení, dělení). Odpověď:

1d. Přečti si otázky v tabulce “Technologické dovednosti” a zapiš své odpovědi. Technologické dovednosti Předchozí zkušenosti s roboty

Otázka: Hrál/a sis někdy s robotem? Pokud ano, s jakým? Odpověď:

Deklaratorní znalosti o robotech

Otázka: Co je podle tebe robot? Odpověď:

Procedurální znalosti o robotech

Otázka: Můžeš vysvětlit, jak robot funguje? Odpověď:

Technologická kreativita

Otázka: Dokázal/a bys přijít na to, jak dokáže robot vidět, slyšet a hmatat? Dělá to stejně jako my lidi? Odpověď:


Pracovní list 2: Roboti a automaty. Prohlédni si tyto obrázky a prober se spolužáky, zda patří na panel „Stroj“, „Automat“, nebo „Robot“.

Obrázek 4 Zleva, čtyři příklady strojů: pračka, semafor, automatické dveře a kolotoč. I když jsou mechanické, elektronické a informační, tyto stroje nejsou roboti, protože jsou naprogramovány tak, aby vykonávaly pouze jeden vestavěný konkrétní úkol.

Obrázek 5 Zleva, příklady robotů: Nao, Lego a Mars Rover jsou mechanické, elektronické a informační. Mohou být naprogramováni k provádění více různých úkolů.

Obrázek 6 Příklad automatu: automat Hugo Cabreta, který je jen mechanický a může provádět pouze jednu úlohu: kreslit.


Pracovní list 3: Záznam světla, zvuku a teploty.

3a. Pomocí světelného senzoru zaznamenejte povrch tří různých předmětů uvedených v tabulce a u každého z předmětů uveďte odpovídající hodnotu intenzity světla, která se objeví v levém dolním rohu počítačového rozhraní.

Zaznamenané předměty

Průhledné předměty

Světelný senzor Průsvitné předměty např. plastový

např. sklenička

Neprůhledné předměty např. barevný papír

kalí šek

Přirozené světlo (průměrná hodnota)

3b. Pomocí zvukového senzoru zaznamenejte zvuk během tří různých situací zastoupených v tabulce a uveďte odpovídající hodnotu zvuku v dBA, která se objeví v levém dolním rohu počítačového rozhraní

Zaznamenané zvuky

Zvukový senzor Zvuku o vysoké Zvuku o střední intenzitě intenzitě

Zvuku o nízké intenzitě

např. píšťalka

např. dětský šepot

např. dřevěné bicí nástroje

Průměrná hodnota zvuku v dBA


3c. Pomocí teplotního čidla pro detekci teploty tří objektů uvedena v tabulce a pro každé zvukové zdroje na vědomí, odpovídající hodnotě Celsia, která se objeví v levém dolním rohu počítačového rozhraní

Zaznamenané předměty

Tepelný senzor Teplé předměty Předměty o pokojové teplotě např. např. voda o vařící pokojové teplotě voda

Studené předměty např. ledu

Průměrná hodnota teploty ve stupních Celsia


kostka

Pracovní list 4: Testování předpovědí a odvozování závěrů. 4a. Bádání v rámci světelného senzoru. Odpověz na tyto otázky na základě diskuze se svou skupinou: Jaká byla prvotní předpověď vaší skupiny?

Jak jste vypočítali průměrnou hodnotu světla ve vaší třídě?

Jak jste otestovali svou předpověď?

Potvrdil tento test vaší předpověď?

4b. Bádání v rámci zvukového senzoru. Odpověz na tyto otázky na základě diskuze se svou skupinou: Jaká byla prvotní předpověď vaší skupiny?

Jak jste vypočítali průměrnou hodnotu zvuku ve vaší třídě?

Jak jste otestovali svou předpověď?

Potvrdil tento test vaší předpověď?


4c. Bádání na základě tepelného senzoru. Odpověz na tyto otázky na základě diskuze se svou skupinou:

Jak jste vypočítali průměrnou hodnotu teploty ve vaší třídě?

Jak jste otestovali, zda se v topném systému vaší školy plýtvá energií?

Co jste zjistili?

Jaké řešení můžete navrhnout, aby se zabránilo případnému plýtvání?


Pracovní list 5: Test Dodatečného hodnocení (dobrovolný). 5a. Bádání v rámci světelného senzoru Přečti si otázky v tabulce “Vědecké poznatky” a zaškrtni správnou odpověď. Každá otázka má jen jednu správnou odpověď.

Vědecké poznatky Světlo

Jak se světlo pohybuje? a) přímočaře b) spirálovitě c) bleskem d) světlo je nehybné Neprůhledné předměty a) nepropouštějí světlo b) se musí vyčistit před tím, než se nastaví světlu c) propouštějí světlo d) absorbují barvy Průsvitné předměty a) nepropouštějí světlo b) částečně propouštějí světlo c) se při vědeckých experimentech nepoužívají d) jsou nebezpečné Průhledné předměty a) propouštějí světlo b) mění barvu každých 2,5 minut c) se při vědeckých experimentech nepoužívají d) částečně propouštějí světlo


5b. Bádání v rámci zvukového senzoru. Přečti si otázky v tabulce “Vědecké poznatky” a zaškrtni správnou odpověď. Každá otázka má jen jednu správnou odpověď. Vědecké poznatky Zvuk

Jak se měří zvuk? a) ve stupních Celsia b) v decibelech (dB/dBA) c) pouze ultrazvuk se dá změřit d) zvonem Jaký je rozdíl mezi posloucháním a slyšením? a) poslouchání je pozorné vnímání zvuků, slyšení je nepozorné vnímání zvuků b) jsou to synonyma c) poslouchání je vnímání zvuků bez sluchátek, slyšení je vnímání zvuků se sluchátky d) slyšení je pozorné vnímání zvuků, poslouchání je nepozorné vnímání zvuků

5c. Bádání v rámci tepelného senzoru. Přečti si otázky v tabulce “Vědecké poznatky” a zaškrtni správnou odpověď. Každá otázka má jen jednu správnou odpověď. Vědecké poznatky Teplota Jak se měří teplota? a) ve stupních Celsia či Fahrenheita b) v decibelech (dB/dBA) c) v metrech d) motorem Při jaké teplotě se voda vaří? a) 50 C b) 100 C c) 0 C


5d. Bádání v rámci světelného senzoru. Zvaž následující robotický program: „Pokud světelný senzor zaznamená intenzitu světla vyšší než 45, popojedou kolečka dopředu, v opačném případě popojedou dozadu.“ Na základě tohoto programu si přečti začátky vět v tabulce „Logické uvažování“ a vyber k nim příslušný konec. Každá věta má pouze jeden správný konec.



Princip konverze

Princip inverze


Věta: „Pokud světelný senzor zaznamená intenzitu světla vyšší než 45, pak kolečka“ a) popojedou dopředu b) popojedou dozadu Věta: „Pokud světelný senzor nezaznamená intenzitu světla vyšší než 45, pak kolečka" a) popojedou dopředu b) popojedou dozadu Věta: „Pokud robot popojede dopředu, znamená to, že“ a) zaznamenal intenzitu světla vyšší než 45 b) nezaznamenal intenzitu světla vyšší než 45 Věta: „Pokud světelný senzor nezaznamená hodnotu vyšší než 45, pak kolečka“ a) popojedou dopředu b) popojedou dozadu Přečti si pravidlo a vyber správnou možnost ukončení věty. Pravidlo: „V noci světelný senzor nezaznamená hodnotu vyšší než 45 a kolečka popojedou dozadu“ Věta: „Pokud je ráno, kolečka“ a) popojedou dopředu b) popojedou dozadu


5e. Bádání v rámci zvukového senzoru. Zvaž následující robotický program: „Pokud zvukový senzor zaznamená intenzitu zvuku vyšší než 45, popojedou kolečka dopředu, v opačném případě popojedou dozadu.“ Na základě tohoto programu si přečti začátky vět v tabulce „Logické uvažování“ a vyber k nim příslušný konec. Každá věta má pouze jeden správný konec.



Princip konverze

Princip inverze


Věta: „Pokud zvukový senzor zaznamená intenzitu zvuku vyšší než 45, pak kolečka “ a) popojedou dopředu b) popojedou dozadu Věta: „Pokud zvukový senzor nezaznamená intenzitu zvuku vyšší než 45, pak kolečka “ a) popojedou dopředu b) popojedou dozadu Věta: „Pokud se robot pohne dopředu, znamená to, že“ a) zaznamenal intenzitu zvuku vyšší než 45 b) neznamenal intenzitu zvuku vyšší než 45 Věta: „Pokud zvukový senzor nezaznamená intenzitu zvuku vyšší než 45, pak kolečka “ a) popojedou dopředu b) popojedou dozadu Přečti si pravidlo a vyber správnou možnost ukončení věty. Pravidlo: „Při vyučovací hodině nezaznamená zvukový senzor intenzitu zvuku vyšší než 45 a kolečka popojedou dozadu“ Věta: „Během vyučovací hodiny kolečka“ a) popojedou dopředu b) popojedou dozadu


5f. Bádání v rámci tepelného senzoru. Zvaž následující robotický program: „Pokud tepelný senzor zaznamená teplotu vyšší než 45°, popojedou kolečka dopředu, v opačném případě popojedou dozadu.“ Na základě tohoto programu si přečti začátky vět v tabulce „Logické uvažování“ a vyber k nim příslušný konec. Každá věta má pouze jeden správný konec.



Princip konverze

Princip inverze


Věta: „Pokud tepelný senzor zaznamená teplotu vyšší než 45°, pak kolečka “ a) popojedou dopředu b) popojedou dozadu Věta: „Pokud tepelný senzor nezaznamená teplotu vyšší než 45°, pak kolečka “ a) popojedou dopředu b) popojedou dozadu Věta: „Pokud se robot pohne dopředu, znamená to, že“ a) zaznamenal teplotu vyšší než 45° b) neznamenal teplotu vyšší než 45° Věta: „Pokud tepelný senzor nezaznamená teplotu vyšší než 45°, pak kolečka “ a) popojedou dopředu b) popojedou dozadu Přečti si pravidlo a vyber správnou možnost ukončení věty. Pravidlo: „Pokud je zimní období tepelný senzor nezaznamená teploty vyšší než 45 a kolečka popojedou dozadu" Věta: „Pokud je zimní období, kolečka“ a) popojedou dopředu b) popojedou dozadu


5g. Všechna bádání. Přečti si problematické texty v tabulce “Problémy” a zapiš své odpovědi. Problémy Řešení problémů

Problematický text: Klářin plavecký bazén je dlouhý 9 metrů. Tomášův bazén je o 1 metr delší než ten Klářin. Eliščin bazén je o 2 metry kratší než Klářin bazén. Jak dlouhý je Eliščin bazén? Odpověď:

Zjišťování problémů

Problematický text: Anička chodí 6 měsíců 2x týdně do fitness centra. Kolik váhy už shodila? Odpověď:

Vymýšlení problémů

Problematický text: Můžeš pro své spolužáky vymyslet krátkou úlohu? Text úlohy musí být jednoduchý a můžeš si vybrat svou oblíbenou aritmetickou operaci (sčítání, odčítání, násobení, dělení). Odpověď:

5h. Všechna bádání. Přečti si otázky v tabulce “Technologické dovednosti” a zapiš své odpovědi. Technologické dovednosti Předchozí zkušenosti s roboty

Otázka: Jaké vědecké poznatky ses během robotických aktivit naučil/a? Odpověď:

Deklaratorní znalosti o robotech

Otázka: Co je podle tebe robot? Odpověď:

Procedurální znalosti o robotech

Otázka: Můžeš vysvětlit, jak robot funguje? Odpověď:

Technologická kreativita

Jak vidíš, roboti mají světelné (a ultrazvukové) senzory k tomu aby „viděli“, zvukové senzory aby „slyšeli“ a tepelné (a dotykové) senzory aby „hmatali“. Nezdá se, že by uměli chutnat nebo čichat. Uměl/a bys vymyslet, jakým způsobem by se dal vyrobit robot, který by měl chuť nebo čich?


Tipy pro učitele

Před začátkem aktivity doporučujeme vyučujícím, aby: - potvrdily dostupnost materiálů: materiály k dostání ve škole (např. počítače) a materiály (např. robot), které je potřeba koupit v místním, či internetovém obchodě, nebo zapůjčit od asociací, pedagogických center nebo jiných škol, atd. - zkontrolovali vhodnost materiálů: kompatibilita počítačových operačních systémů s podmínkami Lego Softwaru, eventuální ztracené komponenty ze sady, fungování hlavních částí (senzory, motory, a procesory), další součásti, které byste mohli potřebovat, a nejsou zahrnuty v sadě (tepelný senzor, lithiová baterie s nabíječkou, další kabely a rozšiřující kostky k sadě). - Pokuste se sestavit a naprogramovat základní model robota podle instrukcí popsaných krok po kroku na rozhraní. - Připravte třídu tak, že pro každou skupinu srazíte dohromady 4 stoly tak, aby měly děti dostatek místa na: 1) krabici se součástkami (je vhodnější nechat součástky v krabici, aby děti mohly snadno najít typ kostky, kterou potřebují), 2) sektor k sestavení robota, 3) počítač, a 4) Pracovní listy. - Využijte menu nápovědy rozhraní a online komunitu k získání dalších vysvětlení a ohlasů týkajících se specifických řešení nebo při plánování rozšířených činností. - Nemusíte se obávat toho, že se budete muset naučit vše o fungování a programování robotů: základní pojmy jsou popsány v poznámkách pro učitele. Další funkce mohou být objeveny při testování aktivit: učitelé se částečně mohou učit souběžně a ve stejném tempu jako děti. Důležité je mít solidní obecné chápání sady, abyste mohl/a rozpoznat a opravit případné - Listy předběžného a dodatečného hodnocení jsou volitelné. Tato hodnocení lze provést i mimo dobu aktivity. Jsou koncipovány tak, aby sledovaly pokrok v učení dětí (různým schopnostem a pojmům). Nicméně, vyučující mohou preferovat jiné kvalitativní přístupy hodnocení (diskuze, navazující cvičení, návrhy nových projektů, soutěže, atd.).

Poznámky pro učitele Mezi koncem uváděcí fáze a začátkem šetřící, může učitel vyzvat děti k prozkoumání komponentů robotické stavebnice a klást otázky týkající se jejich fungování. Zvláště, by se měl zaměřit na fungování hardwaru a softwaru čtyř hlavních částí: rozhraní, senzorů, motorů, a procesoru.


Rozhraní

Jakmile otevřete aplikaci, zobrazí se okno, ve kterém je učitel vyzván k vytvoření nového projektu a jeho pojmenování. Ve stejném okně, je k dispozici cvičný program, který stručně představí obsah rozhraní (obr. 1).

1 3 2

Obr. 7 Aplikace Lego NXT: (1) Cvičný program “Začínáme”, (2) začít nový project, a (3) Centrum robota, s instrukcemi pro stavbu a programování Lego Roboti mohou být připojeni k počítači díky NXT, ikonový jazyk založený na National Instruments Labview (obr. 2).

1

2

5 3

4

1

Obr.8 Lego NXT rozhraní při spuštění nového projektu: (1) paleta Ikon, (2), pracovní plocha (3), zobrazení signálu, (4), panel parametrů, (5), NXT tlačítka (ve směru hodinových ručiček: první tlačítko lze použít pro stažení programu do procesoru kostky, druhý pro kontrolu paměti a Bluetooth adresy, třetí spustí vybranou část programu, čtvrtý program jí zastaví, pátý jí stáhne a spustí) , (6) Nápověda


Senzory Snímače světla, zvuku, ultrazvuku, doteku a rotace jsou zahrnuty do robotické sady (teplotní čidlo je třeba dokoupit samostatně). Jejich úkolem je detekovat signál z prostředí a odeslat jej do řídicího systému (viz tabulka 2).Detekovaný signál je vidět na rozhraní, takže je možné sledovat stav robota.

Senzor

Příslušná ikona NXT programu

Funkce

Světlo

Světelný senzor obsahuje žárovku promítající světelný paprsek a objektiv zachycující okolní světlo a světelné paprsky

Zvuk

Snímač zvuku umí detekovat zvuk různých intenzit (dB ad dBA)

Ultrazvuk

Snímač ultrazvuku meří vzdálenost (centimetry nebo palce) výpočtem času, který potřebuje zvuková vlna k dosažení objektu a návratu zpět Snímač dotyku umí rozpoznat tři stavy: úder, zmáčknutí, uvolnění.

Dotyk

Teplota

Snímač teploty detekuje teplotu různé intenzity, meření může být ve stupních Celsia nebo Fahrenheita

Tabulka 2 Lego sensory, jejich ikona v NXT programovém rozhraní, jejich funkce


Motory Servopohony (motory) umožňují robotovi vykonávat činnost, např. pohyb vpřed nebo vzad, otočit se atd. Z tohoto důvodu , má robot motory, které produkují energii a kola, která přenášejí energii do různých Lego kostek. Pohony jsou elektrické a mechanické komponenty robota. Sada Lego Mindstorm NXT ® obsahuje tři servomotory, s vestavěným čidlem otáčení (tabulka č. 3).

Pohony Motory

Příslušná ikona NXT programu

Funkce Pohony převádějí elektrický signal na mechanický signál

Tabulka 3 Lego servomotor, příslušná programová ikona v NXT rozhraní, funkce

Procesor Senzory a pohony jsou připojeny k procesoru, často nazývanému "inteligentní kostka", ve kterém jsou uloženy programy vytvořené dětmi pomocí rozhraní. Programy mohou být také přímo vytvořené na kostce procesoru nebo vyslané počítačem nebo mobilním telefonu pomocí Bluetooth.

Obr. 9 Vlevo: Lego Mindstorm NXT ® procesorová kostka obsahuje displej pro robrazení: menu pro vestavěné zkušební programy, programy vytvořené dětmi přes rozhraní nebo přímo na procesorové kostce; data senzorů a pohonů; blue-tooth zprávy, atd. Šipky lze použít k posouvání nabídky, oranžové tlačítko ke spuštění programu, šedivé tlačítko pro návrat do menu nebo vypnutí robota. Vpravo: senzory a motory připojené k procesoru.


Literatura 

Alimisis, D. (ed.) (2009). TERECoP Project: Teacher Education on Robotics-Enhanced Constructivist Pedagogical Methods. School of Pedagogical and Technological Education, ASPETE, Greece.



Datteri, E., Zecca,L., Laudisa, F., Castiglioni, M. (2011) Explaining robotic behaviors: a case study on science education“. Proceedings of 3rd International Workshop Teaching Robotics,Teaching with Robotics IntegratingRoboticsinSchoolCurriculum, RivadelGarda(Trento,Italy)April20,2012, pp. 134-143.



Demo, G.B., Moro, M., Pina, A., Arlegui, J. (2012). In and out of the School Activities Implementing IBSE and Constructionist Learning Methodologies by Means of Robotics. In B. Barker, G. Nugent, N. Grandgenett, & V. Adamchuk (Eds.), Robots in K-12 Education: A New Technology for Learning (pp. 66-92). IGI Global



Druin, A., & Hendler, J. (Eds.) (2000). Robots for Kids: Exploring New Technologies for



Learning. San Diego: Academic Press.



Eguchi, A., & Uribe, L. (2012). Educational Robotics Meets Inquiry-Based Learning: Integrating Inquiry-Based Learning into Educational Robotics. In L. Lennox, & K. Nettleton (Eds.), Cases on Inquiry through Instructional Technology in Math and Science (pp. 327–366).



Resnick, M. (1990). MultiLogo: A Study of Children and Concurrent Programming. Interactive Learning Environments, vol. 1, no. 3. 153-170.



Gelin, R. (2006). Le robot ami ou ennemi? Edition Le Pommier. Sullivan, F.R., (2008). Robotics and Science Literacy: Thinking Skills, Science Process Skills and Systems Understanding, Journal of research in science teaching, vol. 45, no. 3, pp. 373– 394.

Webové stránky 

Labview web: http://www.ni.com/labview/f/



Lego Mindstorm Web: http://www.legomindstorms.com/



Lego Mindstorm NXT® Komunita: http://us.mindstorms.lego.com/enus/Community/NXTLog/Default.aspx



Světlo, zvuk, teplota: http://www.physicsclassroom.com/



Oficiální příručka k Legu Mindstorm NXT®: http://www.google.it/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=web&cd=1&cad=rja&ved= 0CB4QFjAA&url=http%3A%2F%2Fcache.lego.com%2Fr%2Fsc%2F%2Fmedia%2Flego%2520education%2Fhome%2Fdownloads%2Fuser%2520guides%2Fglobal %2Fmindstorms%2Fts.20101019t110252.9797_lme_use



Neoficiální příručka k Legu Mindstorm NXT®: http://www.andyworld.info/legolab/Download/Books/The%20Unofficial%20Guide%20To%20 Lego%20Mindstorms%20Robots.pdf


Materiály pro skupinu: Zkoumání světelného senzoru: jedna sada Lego Mindstorm NXT (maloobchodní nebo. nebo vzdělávací verze); Software Lego Mindstorm

Recommend Documents