Zmysły robota – poznajemy podstawowe czujniki

Rozmowa połączona z lekcją interaktywną o zmysłach człowieka i czujnikach stosowanych w robotyce.

Czas trwania zajęć: 90 min (2 godziny lekcyjne)

Wprowadzenie (krótki opis zajęć):

Dyskusja połączona z lekcją interaktywną o zmysłach człowieka i czujnikach stosowanych w robotyce. Pokaz działania czujników, jakich będziemy używali podczas budowy robotów. Wprowadzenie w świat robotyki, poprzez zapoznanie się z różnymi modułami.

Cele zajęć:

Uczeń powinien:

  • Znać pojęcia: robot, modułowość, czujniki i aktuatory,
  • Rozumieć i zamiennie stosować pojęcia sterownik / komputer
    / procesor / mikrokontroler / mózg robota / Sterownik LOFI
    Brain,
  • Rozpoznawać i nazywać różne czujniki,
  • Opisać możliwości i funkcjonowanie kilku czujników,
  • Mieć świadomość, że w elektronice każde medium (światło,
    dźwięk, ruch) ma postać prądu elektrycznego, który jest głównym
    nośnikiem informacji.

Pojęcia kluczowe:

  • Robot,
  • Modułowość,
  • Czujniki,
  • Aktuatory,
  • Sterownik / Komputer / Procesor / Mikrokontroler / mózg robota
    / Sterownik LOFI Brain 2.0.

Metody pracy:

  • Wykład problemowy,
  • Pogadanka,
  • Dyskusja dydaktyczna związana z wykładem,
  • Pokaz,
  • Ćwiczenia laboratoryjne połączone z lekcją interaktywną na komputerach.

Materiały pomocnicze:

  • Zestaw CODEBOX LOFI Robot edycja Superkoderzy,
  • Moduły: potencjometr, fotorezystor, przycisk, czujnik odległości, dioda LED,
    (Przed lekcją należy naładować powerbanki),
  • Śrubokręty, kluczyki, ew. dodatkowe śrubki i nakrętki,
  • Laptop/komputer nauczycielski, projektor i tablica projekcyjna,

Treści programowe (związek z podstawą programową)

Podstawa programowa kształcenia ogólnego dla szkół podstawowych – II etap
edukacyjny – klasy IV-VI. Zajęcia komputerowe. Treści szczegółowe:

1. Bezpieczne posługiwanie się komputerem i jego oprogramowaniem. Uczeń:

1.5. posługuje się podstawowym słownictwem informatycznym;

3. Wyszukiwanie i wykorzystywanie informacji z różnych źródeł. Uczeń:

3.4. opisuje cechy różnych postaci informacji: tekstowej, graficznej,
dźwiękowej, audiowizualnej, multimedialnej.

6. Wykorzystywanie komputera oraz programów i gier edukacyjnych do poszerzania
wiedzy z różnych dziedzin. Uczeń:

6.1. korzysta z komputera, jego oprogramowania i zasobów elektronicznych (lokalnych i w sieci)
do wspomagania i wzbogacania realizacji zagadnień z wybranych przedmiotów;

6.2. korzysta z zasobów (słowników, encyklopedii, sieci Internet) i programów multimedialnych
(w tym programów edukacyjnych) z różnych przedmiotów i dziedzin wiedzy.

Przebieg zajęć:

1. Wprowadzenie w tematykę i integracja grupy

Czas na realizację tej części: ok 15 minut

Zadajemy uczniom pytanie: O czym rozmawialiśmy podczas ostatniej lekcji?

  • Mówiliśmy o tym, co to jest robot i maszyna.
  • Dowiedzieliśmy się, czym różni się maszyna od robota.
  • Podawaliśmy przykłady maszyn i robotów oraz ich zastosowanie.
  • Mówiliśmy o energii, źródłach energii i energii elektrycznej.
  • Wiemy, że za pomocą energii elektrycznej można wytworzyć ruch, dźwięk, światło itp.
  • Wiemy, z czego składa się robot.

Zadajemy uczniom pytanie: Przypomnijcie, czym różnią się roboty od maszyn?

  • Maszynami sterujemy, a roboty możemy programować.
  • Dowiedzieliśmy się, czym różni się maszyna od robota.
  • Maszyna – wykonuje polecenia natychmiast, nie zapamiętuje ciągu poleceń, podczas gdy robot zapamiętuje ciąg poleceń i wykonuje go po uzyskaniu polecenia rozpoczęcia, ponadto rozpoznaje swoje otoczenie – ma czujnik (zmysły), ma komputer (mózg), dzięki któremu może samodzielnie funkcjonować.
  • Roboty mają komputer / sterownik / mikrokontroler – tak jak człowiek ma mózg.

2. Część zasadnicza

Czas na realizację tej części: ok 15 minut

Wykład i pokaz (na przykładzie zestawu CODEBOX edycji #Superkoderzy) na temat podstawowych modułów elektronicznych

Wyjaśniamy uczniom, jaką rolę pełnią w robocie elementy elektroniczne.

Robot potrzebuje różnych elementów, aby móc odbierać informacje z zewnętrz (czyli czujniki) oraz elementów, dzięki którym będzie wypływał na otoczenie – wydawał dźwięki, poruszał się, świecił. Wszystkie te elementy elektroniczne (zarówno czujniki, jak i aktuatory) to kolejne moduły, które podłączamy do sterownika / komputera / mózgu robota. Każdy moduł daje robotowi nowe umiejętności.

Mówimy do uczniów: Najpierw przyjrzyjmy się ”mózgowi” naszego robota, czyli sterownikowi.

Wyjmujemy sterownik LOFI Brain z pudełka i prosimy uczniów o zrobienie tego samego. Omawiamy podstawowe elementy sterownika:

  • PROCESOR – to jego programujemy i to on steruje wszystkimi operacjami – procesor znajduje się na niebieskiej
    płytce Arduino UNO (umieszczona pod białym Brain-em).
  • WEJŚCIA (INPUT) – przy ich pomocy sterownik odbiera sygnały z podłączonych czujników
  • WYJŚCIA (OUTPUT) – przy ich pomocy sterownik steruje podłączonymi modułami
  • BUZZER – mały głośniczek, dzięki któremu robot może wydawać proste sygnały dźwiękowe
  • DODATKOWE ZŁĄCZA – niektóre moduły elektroniczne potrzebują odpowiedniego podłączenia dlatego mamy dla nich specjalne złącza – do czujnika odległości, modułu bluetooth i silników
  • WŁĄCZNIK ZASILANIA – uruchamia sterownik (przy pracy na kablu USB, nie ma potrzeby mieć go włączony)

LOFI Brain 2.0 - opisy złącz

3. Ćwiczenia laboratoryjne połączone z lekcją interaktywną na komputerach

Czas na realizację tej części: ok 45 minut

Tematem lekcji jest omówienie istoty działania czujników w robocie, jako modułów dających mu możliwość odbierania sygnałów z otoczenia, oraz omówienie sposobu działania poszczególnych czujników z zestawu CODEBOX edycji #Superkoderzy.

Przygotowanie:

Nauczyciel wcześniej sam przygotowuje sterownik i czujniki do pracy lub robią to uczniowie podczas zajęć, odpowiednio podłączając czujniki zgodnie z instrukcjami nauczyciela.

1. Podłącz następujące czujniki KONIECZNIE DO ODPOWIEDNICH ZŁĄCZ:

  • Przycisk do INPUT1
  • Czujnik przycisk

  • Potencjometr do INPUT2
  • czujnik - potencjometr

  • Czujnik światła do INPUT3
  • Czujnik światła - fotorezystor

  • Czujnik odległości do odpowiadającego mu gniazda na sterowniku opisanego jako DISTANCE

2. Połącz LOFI Brain z przeglądarką przy pomocy wtyczki LOFI Robot Extension

3. Połączenie z robotem działa TYLKO w przeglądarce CHROME

Uwaga: Być może nauczyciel będzie musiał pomóc niektórym grupom przy pierwszym podłączaniu i rozłączaniu modułów. Należy zwrócić uczniom uwagę, aby ostrożnie wtykali złączki i aby nie wyrwali kabli wyciągając.

Komentarz nauczyciela – część zasadnicza

Poniższe punkty przedstawiają przykładowy komentarz wraz z uwagami dla nauczyciela do poszczególnych slajdów

1. Wstęp

Zadajemy uczniom pytanie: Jak prawdziwy mózg może odbierać informacje, analizować je i odpowiednio
reagować?

2. Jakie zmysły mają ludzie – QUIZ

Dzięki zmysłom ludzie i inne organizmy żywe mogą odbierać sygnały z otaczającego ich świata. Czy wiecie jakie ludzie mają zmysły i co dzięki nim mogą rozpoznawać?

Zadanie

Uczeń powinien wpisać w pomarańczowe pole nazwy pięciu podstawowych zmysłów jakie posiadają ludzie (pisownia z polskimi znakami, wpisywać pojedyncze odpowiedzi, duże albo małe litery).

Poprawne odpowiedzi:

  • Wzrok
  • Słuch
  • Węch
  • Smak
  • Dotyk

Po odgadnięciu podstawowych pięciu zmysłów dyskutujemy z uczniami czy to na pewno wszystkie? W rzeczywistości mamy więcej zmysłów – mniej znane to zmysł bólu, temperatury, równowagi.

3. Zmysły robota

Roboty mają podobne „zmysły” do ludzi, nazywamy je CZUJNIKAMI, często pełnią one podobne funkcje do ludzkich zmysłów ale mogą być też bardziej wyspecjalizowane. Spróbuj dopasować działanie czujników w robocie do odpowiadających im zmysłów.

Zadanie

Dopasowanie poszczególnych czujników do odpowiadających im ludzkich zmysłów. Poprawność poszczególnych odpowiedzi jest sygnalizowana po wybraniu.

Poprawne odpowiedzi

  • Wzrok – Kamera video
  • Słuch – Mikrofon
  • Węch – Czujnik dymu
  • Zmysł temperatury – Termometr
  • Zmysł równowagi – Akcelerometr

4. Czujniki z zestawu EDUBOX

Na naszej lekcji będziemy wykorzystywać cztery czujniki.

  • Przycisk
  • Potencjometr
  • Czujnik światła
  • Czujnik odległości

Poproś uczniów o sprawdzenie czy rozpoznają każdy z tych czujników na swoim stanowisku i czy są one poprawnie podłączone do sterownika.

5. Przycisk

Pierwszym czujnikiem, który będziemy testować jest PRZYCISK

Zapytaj uczniów w jakich urządzeniach w swoim domu znajdują przyciski? Do czego mogą one służyć?

Prezentacja

Lekcja zawiera 3 interaktywne opcje używania przycisku:

  • Włącznik – przycisk możemy wykorzystywać do uruchamiania różnego rodzaju urządzeń np. lampki
  • Dzwonek do drzwi – zmieniliśmy program i teraz nasz przycisk uruchamia dzwonek do drzwi
  • Sterowanie grą – ponownie zmieniliśmy program i teraz nasz przycisk służy do sterowania grą komputerową.

UWAGA: Zwróć uczniom na istotny fakt – używaliśmy tego samego przycisku ale zmiana programu pozwoliła nam go wykorzystywać do różnych celów – kiedy jesteś programistą to ty ustalasz jakie funkcje mają pełnić czujniki Twojego robota.

6. Potencjometr

Potencjometr to „obrotowa gałka” przy pomocy, której możemy płynnie regulować różnego rodzaju parametry.

Prezentacja

Lekcja zawiera 3 interaktywne opcje używania przycisku:

  • Sterowanie jasnością światła – przy pomocy potencjometry możemy płynnie regulować jasność światła
  • Sterowanie głośnością nagrania muzycznego – po zmianie programu potencjometr służy pozwala płynnie zmieniać głośność odtwarzanego nagrania
  • Siła działania wentylatora – gdybyśmy potencjometr wykorzystali w konstrukcji jakiegoś rodzaju dmuchawy, moglibyśmy przy jego pomocy płynnie regulować jej moc

UWAGA: Ponownie zwróć uczniom uwagę, że to od nas (od programisty/konstruktora) zależy jaką funkcję będzie pełnił potencjometr.

7. Czujnik światła

Czujnik światła mierzy ilość światła (słonecznego lub np. z latarki),która pada na znajdujący się na nim fotorezystor (to ta mała czerwona główka z „zygzakiem”). Kolor tła slajdu zmienia się zależnie od ilości światła (im mniej światła tym ciemniejsze tło) trzeba więc zasłonić czjujnik aby tekst slajdu stał się widoczny.

Prezentacja

Slajd zawiera jedną interaktywną prezentację – lampę włączającą się gdy jest ciemno.

UWAGA: Zwróć uczniom uwagę, że ten slajd zawiera tylko jedną opcję wykorzystania tego czujnika ale tak samo jak z poprzednimi, to od nas zależy jaką będzie on pełnił funkcję.

8. Czujnik odległości

Czujnik odległości przy pomocy fal ultradźwiękowych jest w stanie zmierzyć w jakiej odległości znajduje się obiekt umieszczony na wprost przed nim. Istota jego działania podobna jest do echolokacji występującej np. u nietoperzy i delfinów. Jedna sonda czujnika emituje sygnał dźwiękowy a druga odbiera jego echo i zależnie od czasu opóźnienia z jakim się ono pojawia określa odległość do przeszkody.

Prezentacja

Lekcja zawiera dwie interaktywne prezentacje:

  • Czujnik parkowania – możemy go spotkać w nowszych samochodach, dzięki niemu wiemy w jakiej odległości znajduje się tył samochodu od przeszkody
  • Automatycznie otwierające się drzwi – czujnik odległości wykrywa osobę zbliżającą się do drzwi i wysyła sygnał do ich otwarcia – w tym przykładzie „drzwi” otwierają się gdy odległość zmierzona przez czujnik jest mniejsza od 20 cm

9. Podsumowanie

Na koniec lekcji podsumowujemy czego się nauczyliśmy przeprowadzając, krótką dyskusję z uczniami.

Przykładowe pytania:

  • Dlaczego czujniki robota podobne są do ludzkich zmysłów? – Odp: Bo pozwalają robotowi odbierać sygnały z otoczenia, wiedzieć co się wokół niego dzieje.
  • Czy każdy z czujników ma ściśle określoną funkcję? – Odp: NIE – możemy zmieniać funkcję czujników tworząc do nich odpowiednie PROGRAMOWANIE.
  • Jaki czujnik wykorzystalibyście do zbudowania robota omijającego przeszkody? – Odp: CZUJNIK ODLEGŁOŚCI.

Zadanie

Uczniowie rozwiązują quiz z trzema pytaniami. Po jego rozwiązaniu mają możliwość zagrać w grę sterując robotem na ekranie przy pomocy przycisku (strzelanie) i potencjometru (przesuwanie robota).

Poprawne odpowiedzi

  • Fale emitowane przez czujnik odległości – ULTRADŹWIĘKOWE
  • Człowiek posiada WIĘCEJ NIŻ PIĘĆ zmysłów
  • Najlepszy do sterowania głośnością będzie POTENCJOMETR

Podsumowanie i ewaluacja

Podsumowanie i ewaluacja

Zadajemy uczniom pytanie: Czego nauczyliśmy się podczas dzisiejszej lekcji?

  • Mówiliśmy o tym, czym jest robot, moduł, czujniki.
  • Rozmawialiśmy o zmysłach, jakie ma człowiek.
  • Poznawaliśmy różne czujniki, jakie możemy podłączyć do robota (w zależności od tego, ile czasu na koniec
    lekcji zostanie – można wymienić dla przypomnienia).

Zadajemy uczniom pytanie: Co jest niezbędne, aby informacje z czujników docierały do sterownika robota? Pytania
naprowadzające: Co jest głównym nośnikiem informacji? Jest to również potrzebne, aby świeciło światło,
aby robot poruszał się?

Prąd elektryczny.