Lekcja 2: Zmysły robota - poznajemy podstawowe czujniki.

UWAGA

Opisana poniżej wersja lekcji z czujnikami jest NIEAKTUALNA. Obecnie zastąpiła ją LEKCJA INTERAKTYWNA NIE WYMAGA ona wgrywania żadnego skryptu na Arduino.

Wprowadzenie (krótki opis zajęć):

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

Program do wgrania na Arduino

LINK DO POBRANIA

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 ·

  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. ·

Metody pracy:

• Wykład problemowy
• Pogadanka
• Dyskusja dydaktyczna związana z wykładem
• Pokaz
• Ćwiczenia laboratoryjne

Materiały pomocnicze:

Zestaw EDUBOX LOFI Robot (Sterownik LOFI BRAIN z wgranym skryptem do testowania czujników. Moduły: potencjometr, fotorezystor, przycisk, czujnik odległości, dioda LED. Przed lekcją należy naładować powerbanki). Skrypt do testowania czujników: http://www.lofirobot.com/edubox/testowanie-modulow/ - nauczyciel powinien wgrać skrypt na każdy sterownik przed lekcją 2, aby uczniowie mogli testować moduły. Śrubokręty, kluczyki, ew. dodatkowe śrubki i nakrętki. Laptop/komputer nauczycielski, projektor i tablica projekcyjna. Materiał video: http://www.lofirobot.com/edubox/testowanie-modulow/ (ok 13 min) - do obejrzenia przez nauczyciela przed lekcją. ·

Przebieg zajęć:

1. Wprowadzenie w tematykę i integracja grupy

Czas na realizację tej części: ok 10 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.
• 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.

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

• To nasze ZMYSŁY - ludzie mają organy, dzięki którym odbieramy informacje:
  • wzrok - oczy,
  • słuch - uszy,
  • dotyk - dłonie,
  • węch - nos,
  • smak - język,
  • zmysł równowagi - błędnik w uchu,
  • ból - powierzchnia (i wnętrze) całego ciała,
  • temperatura - powierzchnia ciała.

Zadajemy pytanie: Jakie zmysły może mieć robot?

• Podobne do ludzkich:
  • wzrok - kamera
  • słuch - mikrofon
  • czujniki dotyku/zbliżenia
  • czujnik dymu/czadu
  • żyroskop
  • termometr
• Poza podobnymi do ludzkich:
  • zmysł echolokacji (wykrywania odległości do obiektów znajdujących się w pobliżu),
  • widzenia w podczerwieni (może “widzieć” temperaturę - przedmiotów jak kamera termowizyjna),
    • mierzenia siły wiatru,
    • mierzenia ciśnienia,
    • mierzenia wilgotności,
    • pomiar pola magnetycznego,
    • określanie swojego położenia geograficznego przy pomocy kompasu i dokładnej lokalizacji na kuli ziemskiej przy pomocy GPS.

2. Część zasadnicza

Czas na realizację tej części: ok 30 minut.

Wykład i pokaz (na przykładzie zestawu EDUBOX) na temat podstawowych modułów elektronicznych (10-15 min).

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 (czylki aktuatorów). 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
• WEJŚĆIA - przy ich pomocy sterownik odbiera sygnały z podłączonych czujników
• WYJŚCIA - 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

Mówimy do uczniów: Teraz przyjrzyjmy się CZUJNIKOM.

• Wyjmujemy z zestawu EDUBOX poszczególne czujniki, pokazujemy uczniom. Prosimy uczniów (podzielonych na grupy) o odszukanie tych czujników w ich zestawach.
• Mówimy, że czujniki to moduły, dzięki którym robot jest w stanie rozpoznawać otoczenie.

Czujniki stanowią ZMYSŁY robota:

• Przycisk
• Potencjometr
• Czujnik światła
• Czujnik odległośc

Wskazówka: dobrym sposobem wyjaśnienia zasady działania czujnika odległości jest porównanie go do nietoperza i zjawiska echolokacji.

Mówimy do uczniów: Teraz obejrzymy AKTUATORY, czyli moduły, dzięki którym robot może wpływać na otoczenie: Następnie wyjmujemy z zestawu EDUBOX aktuatory, pokazujemy uczniom i prosimy ich o odszukanie tych elementów.

• Silnik
• Diody LED
• Buzzer

Mówimy uczniom, że w elektronice każde medium (światło, dźwięk, ruch) ma postać prądu elektrycznego, który jest głównym nośnikiem informacji.

Pokaz i ćwiczenia laboratoryjne (15-20 min):

Ćwiczenie nr 1 - Fotorezystor + dioda LED (ok. 5 min):

Czytamy uczniom poniższe polecenia, wykonujemy sami - pokazujemy i prosimy, aby uczniowie zrobili to samo:

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.

Zwróć uwagę na odpowiednie podłączanie wtyczek modułów (czarna wtyczka z jednej strony ma widoczne blaszki, wpinamy ją tak aby blaszki skierowane były w stronę plastikowego bolca gniazda).

Przygotuj 4 elementy:

• Sterownik LOFI BRAIN (z wgranym wcześniej przez nauczyciela skryptem do testowania czujników)
• Powerbank (wcześniej musi być naładowany)
• Czujnik światła
• Diodę led

Podłącz powerbank do Sterownika LOFI BRAIN.

Czujnik światła (FOTOREZYSTOR) podłącz do INPUT1. Diodę LED podłącz do OUTPUT1. Włącz przełącznik Sterownika LOFI BRAIN.

Zasada działania: Im więcej światła pada na fotorezystor tym dioda jaśniej świeci. Przysłaniaj więc fotorezystor - dioda będzie świeciła słabiej. Odsłaniaj - dioda będzie świeciła mocniej. Zasłoń dokładnie fotorezystor ręką - dioda zgaśnie.

Po zakończeniu każdego ćwiczenia: wyłącz zasilanie sterownika, odłącz używane przed chwilą moduły (czujnik i diodę) oraz odłuż na miejsce na biurku, które możemy nazwać “magazynem podzespołów”.

Ćwiczenie nr 2 - Przycisk + dioda LED (ok. 5 min)

Czytamy uczniom poniższe polecenia, wykonujemy sami - pokazujemy i prosimy, aby uczniowie zrobili to samo:

Potrzebne będą 4 elementy:

• Sterownik LOFI BRAIN
• Powerbank
• Przycisk
• Dioda led

Podłącz powerbank do Sterownika LOFI BRAIN. PRZYCISK podłącz do INPUT2. DIODĘ LED podłącz do OUTPUT2 Włącz przełącznik Sterownika LOFI BRAIN. Naciskaj przycisk, obserwuj co się dzieje z diodą.

Po zakończeniu ćwiczenia: wyłącz zasilanie sterownika, odłącz używane przed chwilą moduły (przycisk i diodę) oraz odłóż na miejsce na biurku do “magazynu podzespołów”.

Ćwiczenie nr 3 - Czujnik odległości + buzzer (ok. 5 min)

Czytamy uczniom poniższe polecenia, wykonujemy sami - pokazujemy i prosimy, aby uczniowie zrobili to samo:

Potrzebne będą 3 elementy:

• Sterownik LOFI BRAIN
• Powerbank
• Czujnik odległości

CZUJNIK ODLEGŁOŚCI umieść bezpośrednio w przeznaczonym dla niego złączu (opisy na sterowniku pasują do opisów na czujniku). Włącz Sterownik LOFI BRAIN. Przybliżaj i oddalaj od czujnika odległości otwartą dłoń i słuchaj, jak sygnalizuje to buzzer.

Po zakończeniu ćwiczenia: wyłącz zasilanie sterownika, odłącz używane przed chwilą moduły oraz odłóż na miejsce na biurku do “magazynu podzespołów”.

Ćwiczenie nr 4 - Potencjometr + silnik (ok. 5 min)

Czytamy uczniom poniższe polecenia, wykonujemy sami - pokazujemy i prosimy, aby uczniowie zrobili to samo:

Potrzebne będzie 4 elementy:

• Sterownik LOFI BRAIN
• Powerbank
• Potencjometr
• Silnik (wystarczy sam silnik, jeszcze bez założonego koła)

POTENCJOMETR podłącz do INPUT4. SILNIK podłącz do złącza M2 Włącz Sterownik LOFI BRAIN. Kręć potencjometrem i obserwuj prędkość obrotową silnika.

W grupach, w których zostanie czas, można poinformować uczniów, że: Skrypt do testowania czujników zakłada, że wejście INPUT1 jest połączone z wyjściem OUTPUT3 z odwróceniem sygnału, tzn. maksymalna wartość (5 volt) na wejściu daje minimalną na wyjściu (0 volt) i na odwrót. Można zachęcić do przetestowania tego przy pomocy poznanych wcześniej czujników i aktuatorów.

Prosimy uczniów o pochowanie wszystkich elementów do pudełek.

3. Podsumowanie i ewaluacja

Czas na realizację tej części: ok 10 minut.

Zadajemy uczniom pytanie: Czego nauczyliśmy się podczas dzisiejszej lekcji?

• Mówiliśmy o tym, czym jest robot, moduł, czujniki i aktuatory.
• 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).
• Poznaliśmy aktuatory, które będziemy podłączać do robota (j.w.).

Zadajemu 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?

Odpowiedź: Prąd elektryczny