Погружение в будущее: методика проведения подводной робототехники с ТНПА «Пиранья» и ИИ-ассистентами

Автор: Шакирова Гульнара Мизхатовна

Организация: МБОУ «Гимназия №3 ЗМР РТ»

Населенный пункт: г.Зеленодольск

Предмет: труд (технология)

Класс: 8

Модуль: Робототехника

Тема урока: Подводная робототехника и основы конструирования АНПА на базе робототехнического комплекса «Пиранья»

Продолжительность: 90 минут

 

1. Организационно-методический блок:

Цели урока:

Обучающая (дидактическая): Познакомить учащихся с принципами работы автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА), устройством и функционалом робота «Пиранья»; обучить базовым принципам гидродинамики, балансировки плавучести и управления ТНПА/АНПА.

Развивающая: Развить навыки системного инженерного мышления, командного взаимодействия, оперативного решения технических задач с использованием искусственного интеллекта и цифровых симуляторов.

Воспитательная: Повысить интерес к перспективным морским профессиям, бережному отношению к экологии мирового океана и современным научно-техническим разработкам РФ.

Воспитательная: Ценности научного познания и инженерное мировоззрение. Формирование понимания, как современные сквозные технологии (робототехника + ИИ) помогают человеку исследовать труднодоступные и опасные для жизни среды (мировой океан). Критическое отношение к информации и ИИ.

 

Планируемые результаты:

Предметные: Знание ключевых узлов робота «Пиранья» (моторы, контроллер, датчики); умение рассчитывать плавучесть; навыки программирования движений робота.

Метапредметные: Умение формулировать точные промпты для ИИ; критический анализ данных; навыки проектной деятельности и распределения ролей.

Личностные: Понимание значимости подводных исследований; готовность к преодолению конструкторских и алгоритмических ошибок.

 

Оборудование и цифровые инструменты:

• Материальные: Конструкторы подводных роботов «Пиранья», испытательный наливной куб/бассейн с водой, калибровочные грузы, ноутбуки с ПО для прошивки робота.
• Цифровые инструменты: Цифровая интерактивная доска, среды блочного программирования Python IDE.
• Инструменты ИИ: Локальный чат-бот или доступные ИИ-ассистенты (для генерации и отладки кода, симуляции физических процессов).

 

 

2. Структура и тайминг урока (90 минут)

 

Этап урока

№	Этапы	Продолжительность	Деятельность учителя	Деятельность учащихся	Применяемые ИИ и цифровые инструменты
1	Организационный момент/ Мотивация	10 минут	Демонстрирует видеоролик о реальном применении подводных роботов. Задает проблемный вопрос.	Обсуждают физические вызовы работы под водой (давление, герметизация, связь).	Интерактивная панель, демонстрационное видео.
2	Актуализация знаний/ Теория	15 минут	Объясняет устройство робота «Пиранья».	Разбирает с классом закон Архимеда и понятие «нулевой плавучести»( моделирование обтекания, пограничный слой и турбулентность, коэффициенты сопротивления. Изучают компоненты робота. Задают ИИ вопросы для закрепления теории физики жидкостей.	ИИ-ассистент (быстрые ответы на физические вопросы).
3	Практическая работа (1 часть)	20 минут	Выдает задания командам. Задача: собрать базовую раму робота «Пиранья» и произвести механическую балансировку.	Собирают аппарат, рассчитывают массу грузов, тестируют плавучесть в резервуаре	Электронные интерактивные инструкции по сборке.
4	Практическая работа (Часть 2)	25 минут	Объясняет логику управления движителями (моторами). Ставит задачу: написать алгоритм погружения и прохождения ворот.	Составляют код. Используют ИИ как код-ревьюера для поиска ошибок и оптимизации алгоритма.	Среда программирования робота, ИИ-помощник для отладки кода.
5	Испытания /демонстрация	12 мин	Организует полигон (бассейн) для демонстрации. Фиксирует результаты прохождения подводной трассы командами.	Тестируют роботов в воде в реальном времени. Корректируют плавучесть и код.	Цифровой секундомер, таблица результатов на экране.
6	Рефлексия/ Итоги	8 минут	Модерирует обсуждение. Дает домашнее задание:	Анализируют ошибки. Проводят самооценку работы команды. | Онлайн-форма опроса/рефлексии	Онлайн-форма опроса/рефлексии (Яндекс Формы)

 

 

3. Подробный сценарий этапов урока

 

Этап 1: Мотивационный модуль

Действие: Учитель показывает кадры работы исследовательских АНПА.

Проблемная ситуация: «Представьте, что наш робот должен обследовать затонувшее судно на глубине, где нет связи с оператором. Какими свойствами он должен обладать? Почему обычный сухопутный робот там не проработает и минуты?»

Результат: Выход на понятие герметичности, гидродинамики и автономности.

 

Этап 2: Инженерно-теоретический экскурс (Анатомия «Пираньи»)

Разбор конструкции:

Герметичный бокс (аккумулятор и контроллер управления).

Винтомоторная группа (ВМГ): горизонтальные и вертикальные движители.

Датчики: глубина, гироскоп/акселерометр, камера.

Интеграция ИИ: Ученикам предлагается сделать запрос к ИИ:

Промпт для ИИ: `«Объясни простыми словами для 8 класса, как работает датчик давления в подводном роботе и как его показания перевести в метры глубины».`

 

Этап 3: Практикум «Дифферент и плавучесть»

Задача: Добиться строго горизонтального положения робота «Пиранья» под водой в толще воды (нулевая плавучесть).

Процесс: Учащиеся навешивают калибровочные грузики на раму. Если нос робота тонет (дифферент на нос), они смещают грузы к корме или добавляют элементы положительной плавучести (вспененный материал).

 

Этап 4: Алгоритмизация и Программирование с поддержкой ИИ

Задача для робота: Включить вертикальные моторы -> погрузиться на 0.5 метра -> удерживать глубину 5 секунд -> включить маршевые моторы -> пройти вперед -> всплыть.

Работа с ИИ (Промпт-инжиниринг):

Ученики пишут код. Если робот движется некорректно, они загружают фрагмент своего кода в ИИ с описанием проблемы.

*Промпт для ИИ: `«Мой подводный робот при команде идти вперед начинает вращаться волчком влево. Вот конфигурация моих 4-х моторов: [вставить код]. Исправь полярность или логику включения моторов, чтобы он шел прямо».`

*ИИ выдает: Исправленный вариант кода и пояснение, какой мотор вращался не в ту сторону из-за инверсии винта.

 

 

 

4. Критерии оценивания работы команд:

№	Действие	Отлично (оценка 5)	Хорошо (оценка 4)	Удовлетворительно (оценка 3)
1	Балансировка	Робот имеет идеальную нулевую плавучесть, нет крена и дифферента	Робот плавает, но есть небольшой наклон или медленное всплытие/погружение	Робот камнем идет на дно или выбрасывается на поверхность.
2	Код и автономность	Алгоритм полностью отработан, успешно применен ИИ для отладки	Программа работает, но робот промахивается мимо траектории. ИИ использовался слабо	Код написан с критическими ошибками, робот не выполнил задачу.
3	Работа с ИИ-инструментами	Составлены грамотные инженерные промпты, критически оценены ответы ИИ	Ответы ИИ принимались на веру без проверки, промпты односложные.	ИИ не использовался или использовался не по теме урока.
4	Командное взаимодействие	Четкое разделение ролей (конструктор, программист, испытатель)	Роли размыты, но задачи выполняются сообща	Работает один человек, остальные не вовлечены.

 

 

Подведение итогов, выставление оценок

Домашнее задание:

Цель задания: Закрепить знания по гидродинамике и программированию подводных роботов, развить навыки работы с искусственным интеллектом (ИИ) как с техническим ассистентом, а также проявить инженерное творчество.

 

 

РАБОЧАЯ КАРТОЧКА: ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

Тема: Подводная робототехника и ИИ. Инженерный вызов для ТНПА «Пиранья»

ФИО ученика: __________________________________

 

Класс: 8 «___»

Ф.И.О обучающегося:_________________________________

 

 

ЧАСТЬ 1. ГИДРОДИНАМИКА И БАЛАНСИРОВКА (Физика в действии)

Контекст: Ваш подводный робот «Пиранья» в базовой комплектации настроен на «нулевую плавучесть» в пресной воде (вес аппарата — 2,5 кг). Вы привезли робота на испытания в Красное море, где вода соленая и имеет повышенную плотность.

 

1. Что произойдет с плавучестью робота в соленой воде?(Выберите один вариант)*

( ) Станет положительной (робот начнет всплывать)

( )Станет отрицательной (робот начнет тонуть)

( ) Останется нулевой

 

2. Обоснуйте свой выбор, опираясь на закон Архимеда и формулу выталкивающей силы:

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

 

3. Инженерное решение.

Предложите 2 конкретных практических способа вернуть роботу нулевую плавучесть в соленой воде (без изменения электроники и двигателей):

Способ 1: ______________________________________________________________________________

Способ 2: ______________________________________________________________________________

 

 

 

ЧАСТЬ 2. ЦИФРОВОЕ ПРОТОТИПИРОВАНИЕ С ИИ (Работа с нейросетью)

Задание: Зайдите в любой доступный ИИ-чат (ChatGPT, YaGPT, Шедеврум и др.) Выполните роль инженера-проектировщика навесных модулей.

 

1. Скопируйте и отправьте искусственному интеллекту следующий промпт:

 

«Я ученик 8 класса, изучаю подводную робототехнику на базе конструктора „Пиранья“. Мне нужно спроектировать навесной модуль для (впишите свою задачу, например: сбора пластикового мусора со дна / забора проб воды / дополнительного освещения). Предложи, из каких легких и водостойких материалов его можно сделать, как закрепить на раме робота и какие датчики или приводы для этого пригодны. Ответ дай в виде кратких тезисов».

 

2. Запишите 3 самые удачные идеи, которые предложил вам ИИ-ассистент:

Идея 1: ________________________________________________________________________________

Идея 2: ________________________________________________________________________________

Идея 3: ________________________________________________________________________________

 

3. Критика ИИ (Поиск инженерных ошибок): Нейросети могут ошибаться. Найдите в ответе ИИ одно слабое или технически неверное решение для подводной среды (например, материал, который заржавеет, или датчик без гидроизоляции). Объясните, почему это решение не сработает в реальном водоеме:

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

 

 

 

 

 

 

ЧАСТЬ 3. ПРОГРАММИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ КОДА (Поиск багов)

Контекст: Программист написал алгоритм аварийного всплытия робота «Пиранья» на случай, если датчик протечки (`leak_sensor`) зафиксирует воду внутри герметичного бокса. Однако в коде допущена критическая ошибка.

 

python

Алгоритм аварийного всплытия ТНПА «Пиранья»

leak_sensor = True # Датчик зафиксировал протечку!

 

while leak_sensor == True:

print("ВНИМАНИЕ: Протечка! Включаем моторы на вертикальный подъем вверх.")

vertical_motor.set_speed(100) Мотор работает на полную мощность вверх

 

print("Робот успешно всплыл, отключаем двигатели.")

vertical_motor.set_speed(0)

`

 

1. В чем заключается опасность этого цикла `while`? К какому поведению программы и робота он приведет?

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

 

2. Исправьте ошибку. Напишите правильный фрагмент кода (или псевдокода), в котором робот включает моторы, ждет 5 секунд (время, необходимое для всплытия) с помощью функции `time.sleep(5)`, а затем выключает двигатели:

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

 

 

Подпись преподавателя: ___________________ Оценка: _________*