Title of activity: Human body and robot body: sensors as ubiquitous

Transkript

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.
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.
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.
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
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
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"
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“
b) popojedou dozadu
ukončení věty.
Pravidlo: „V noci světelný senzor
nezaznamená hodnotu vyšší než 45 a
kolečka popojedou dozadu“
Věta: „Pokud je ráno, kolečka“
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 “
b) popojedou dozadu
Věta:
„Pokud
zvukový
senzor
nezaznamená intenzitu zvuku vyšší než 45,
pak kolečka “
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 “
b) popojedou dozadu
ukončení věty.
Pravidlo:
„Při
vyučovací
hodině
nezaznamená zvukový senzor intenzitu
zvuku vyšší než 45 a kolečka popojedou
dozadu“
Věta: „Během vyučovací hodiny kolečka“
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 “
b) popojedou dozadu
Věta: „Pokud tepelný senzor nezaznamená
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
b) popojedou dozadu
ukončení věty.
Pravidlo: „Pokud je zimní období tepelný
senzor nezaznamená teploty vyšší než 45 a
kolečka popojedou dozadu"
Věta: „Pokud je zimní období, kolečka“
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

Title of activity: Human body and robot body: sensors as ubiquitous

Transkript

Podobné dokumenty

Proiectxo: Laptop pro každé dítě

We are looking forward to seeing YOU!

KDY? ČTVRTEK 17:00-18:00 KDE ? FITNESS CLUB ŘEPY

POR NIŃOS DEL ECUADOR

Milé děti a vážení rodiče, výuková centra Helen Doron v Brně vás

PÁTEK 3. 4. 2015 9:30 – 12:30 HOD EASTER BUNNY HUNT

letak cccd1.indd

Rarášci a jejich cestička dlážděnými kamínky Halloween (26.10

Cestování s dětmi do zahraničí

info příměstský tábor 2014 - scooby doo