Risolvere un labirinto semplice

Materiali di costruzione (per ogni squadra)

Materiali richiesti (abbastanza materiali per ogni squadra per costruire un labirinto quadrato di 12 pollici per 2 pollici di altezza)

• Per base:
  • cartoncino
  • Cartone
• Per pareti: 
  • Fogli di schiuma
  • Cartone ondulato
  • Styrofoam
  • cartoncino

Risorsa per insegnanti 

Design Challenge

Sei un team di ingegneri che deve affrontare la sfida di selezionare i materiali e costruire un labirinto. Verrà fornito il design del labirinto. Il labirinto finito non dovrebbe essere più di 30 cm quadrati e 2 pollici di altezza. Dovrebbe contenere 16 celle e avere un inizio (origine) e una fine (destinazione). 

Criteri 

• Contiene 16 celle
• Copiato dal design fornito
• Ha una sorgente (inizio) in basso a sinistra del labirinto e una destinazione (arrivo) in alto a destra del labirinto

vincoli

• Non più di 30 cm quadrati e 2 pollici di altezza
• Utilizzare solo i materiali forniti
• Le squadre possono scambiare materiali illimitati

1. Suddividi la classe in squadre di 2-4.
2. Distribuisci il foglio di lavoro Risolvere un labirinto semplice e alcuni fogli di carta per disegnare i disegni. 
3. Discuti gli argomenti nella sezione Concetti di base. Per impostare la scena, mostra agli studenti qualsiasi video del robot micromouse / labirinto che risolve (vedi la sezione Scavare più a fondo). Istruire gli studenti a pensare a ciò che spinge i robot effettivamente a guidare verso la destinazione da soli. Questo li aiuterà ad introdurli alla comprensione degli algoritmi. 
4. Rivedere il processo di progettazione ingegneristica, la sfida di progettazione, i criteri, i vincoli e i materiali. 
5. Condividi la foto del labirinto mostrato nella sezione Materiali sotto Risorsa per l'insegnante. Spiega agli studenti che la loro sfida è determinare quali materiali useranno per progettare lo stesso labirinto. Mentre stanno facendo il brainstorming sul loro design, dovrebbero pensare ai passaggi necessari a un robot per completare il labirinto e documentare il modo in cui questi passaggi sono numerati. Dovrebbero anche determinare l'inizio e la fine del labirinto.  
6. Fornisci a ogni squadra i loro materiali.
7. Annuncia il tempo a disposizione per progettare e costruire (1 ora consigliata). 
8. Usa un timer o un cronometro in linea (funzione di conto alla rovescia) per assicurarti di rimanere puntuale. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dare agli studenti regolari "controlli del tempo" in modo che rimangano concentrati. Se hanno difficoltà, fai domande che li porteranno a una soluzione più rapida. 
9. Gli studenti si incontrano e sviluppano un piano per costruire il loro labirinto. Sono d'accordo sui materiali di cui avranno bisogno e scrivono / disegnano il loro piano. I team possono scambiare materiali illimitati con altri team per sviluppare il loro elenco di parti ideali.
10. Le squadre costruiscono i loro labirinti. Dovrebbero contrassegnare l'inizio del labirinto (la fonte) e la fine del labirinto (la destinazione) con un pennarello. Quindi, dovrebbero numerare le righe del labirinto iniziando con "1" per la "sorgente" e spostandosi lungo la riga inferiore e quindi spostandosi alla riga successiva. La "destinazione" dovrebbe essere etichettata "16." Un diagramma della numerazione è mostrato nelle Risorse per l'insegnante.
    
11. Chiedi agli studenti di immaginare un robot che si muove attraverso il loro labirinto dalla "sorgente" alla "destinazione". Dovrebbero pensare a ciò che vede il robot e documentare il percorso che seguirà scrivendo la sequenza di numeri. Mentre gli studenti stanno documentando il percorso, chiedi loro di considerare:
    • Il robot conosce i numeri in anticipo e conosce il numero di destinazione che deve raggiungere prima di fermarsi?
    • Il robot parte dalla sorgente e controlla quale percorso è aperto, guardando a destra, a sinistra, davanti e dietro prima di muoversi? Una volta trovato il percorso aperto, passa alla cella successiva? Quando raggiunge la cella successiva, controlla se quella cella è "16?" In caso contrario, controllerà di nuovo il percorso e si sposterà in una cella vuota fino a raggiungere "16", quindi si fermerà?
12. In classe, discuti le domande di riflessione degli studenti.
13. Per ulteriori contenuti sull'argomento, vedere la sezione "Scavare più a fondo".

Estensione

Come attività estesa, chiedi agli studenti di cambiare il labirinto dal design standard a uno proprio. Incoraggiali a pensare a qualsiasi modifica che i loro algoritmi richiederanno per il nuovo labirinto. Menziona che potrebbero voler fare attenzione a non progettare un labirinto con vicoli ciechi o anelli. Se il loro progetto li contiene, l'algoritmo dovrà tenere un registro del percorso precedente. Quando è presente un solo percorso, è necessario registrare solo la cella precedente. 

Riflessione degli studenti (quaderno di ingegneria)

1. Sei riuscito a costruire il labirinto sulla base della figura che ti è stata data? In caso contrario, perché?
   
2. Sei riuscito ad arrivare alla soluzione per il labirinto? In altre parole, sei riuscito a dare al robot le "istruzioni" adeguate in modo che raggiungesse la destinazione? In caso contrario, perché?
3. Hai negoziato scambi di materiale con altre squadre? Come ha funzionato questo processo per te?
   
4. Una volta che hai iniziato a costruire il labirinto, hai deciso di cambiare i materiali o aggiungere altri materiali?
5. Pensi che gli ingegneri debbano attenersi al loro piano originale durante la fase di costruzione? Perché?
   
6. Pensi che la fase di "costruzione" ti abbia aiutato a visualizzare il problema in modo molto chiaro? Se sì, come ti ha aiutato a risolvere il problema?
   
7. Se avessi lavorato da solo, avresti potuto portare a termine il progetto più facilmente? Spiegare.
8. Sulla base di questa attività, cosa ne pensate dello sviluppo di algoritmi? Spiegare.

La lezione può essere svolta in un solo periodo di lezione per gli studenti più grandi. Tuttavia, per aiutare gli studenti a non sentirsi di fretta e per assicurarne il successo (specialmente per gli studenti più giovani), dividi la lezione in due periodi dando agli studenti più tempo per fare brainstorming, testare le idee e finalizzare il loro progetto. Condurre il test e il debriefing nel prossimo periodo di lezione.

Sono passati così tanti anni da quando si è presentata la sfida dei robot che risolvono labirinti. Così tante persone in passato hanno sviluppato e dimostrato vari modelli per lo stesso. Se pensi all'affermazione del problema di base, ti verrà in mente i giorni della tua infanzia in cui sei stato sfidato ad aiutare un topo a trovare la sua rotta verso la destinazione, in un labirinto. Il labirinto ha una struttura complicata man mano che sei cresciuto !!!… Allora, hai mai immaginato uno scenario reale, in cui potresti creare un topo abbastanza intelligente da risolvere il labirinto da solo? Poiché la tecnologia si è evoluta ulteriormente in modo tale da poter sviluppare robot intelligenti, questo problema ha trovato il suo posto. È così che micromouse è diventata una dichiarazione di problemi standard. Puoi tornare a casa e cercare la dichiarazione del problema, o anche puoi cercare su YouTube per i video, dove le persone dimostrano che i propri robot risolvono il labirinto. Hey!! Non si tratta solo di risolvere il labirinto, ma di risolverlo nel più breve tempo possibile ... Oh !! Sì, il problema si complica man mano che cresci .. Ma, per iniziare con il mondo dell '"intelligenza artificiale e robotica", pensiamo a un semplice labirinto e muoviamoci verso la missione finale. Potresti dimenticare la parte hardware. C'è qualcosa che non ha limiti; è la nostra immaginazione, il nostro modo di pensare per risolvere un problema. Sì!! Riguarda lo sviluppo del software. Lo sviluppo di software per tali attività si basa semplicemente su algoritmi. A proposito, cos'è un algoritmo ?? Non è altro che una procedura "passo passo" per completare una missione. Allora, sei pronto ad affrontare il problema?

• Algoritmo: una serie di linee guida che descrivono come eseguire un'attività. Pensa a un algoritmo come a istruzioni passo passo che creano uno schema prevedibile in un insieme di numeri o in righe di codice.
• Intelligenza artificiale: teoria e sviluppo di sistemi informatici in grado di svolgere compiti che normalmente richiedono l'intelligenza umana, come la percezione visiva, il riconoscimento vocale, il processo decisionale e la traduzione tra lingue.
• Vincoli: limitazioni relative a materiale, tempo, dimensioni del team, ecc.
• Criteri: condizioni che il progetto deve soddisfare come le sue dimensioni complessive, ecc.
• Ingegneri: inventori e risolutori di problemi del mondo. Venticinque grandi specialità sono riconosciute in ingegneria (vedi infografica).
• Processo di progettazione ingegneristica: gli ingegneri di processo utilizzano per risolvere i problemi. 
• Engineering Habits of Mind (EHM): sei modi unici in cui pensano gli ingegneri.
• Iterazione: test e riprogettazione sono un'iterazione. Ripeti (più iterazioni).
• Labirinto: un percorso o una raccolta di percorsi, in genere da un ingresso a un obiettivo.
• Prototipo: Un modello funzionante della soluzione da testare.

Connessioni Internet

• http://www.youtube.com/watch?v=xrF4v28AOlc
• http://www.youtube.com/watch?v=H5F1nfFgBdI

lettura consigliata

• http://en.wikipedia.org/wiki/Maze_solving_algorithm
• http://www.astrolog.org/labyrnth/algrithm.htm#solve

Attività di scrittura 

Leggi la pagina di Wikipedia sugli algoritmi per la risoluzione dei labirinti e la pagina Astrolog sui tipi di labirinti e scrivi un riepilogo dei diversi approcci. Scegli uno degli approcci ed elenca i suoi punti di forza in termini di criteri come complessità (semplice è meglio) e velocità (più veloce è meglio)

Allineamento ai Curriculum Frameworks

Nota: I piani delle lezioni di questa serie sono allineati a uno o più dei seguenti gruppi di standard:  

• Standard statunitensi per l'educazione scientifica (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• Standard scientifici di nuova generazione degli Stati Unitihttp://www.nextgenscience.org/) 
• Standards for Technological Literacy della International Technology Education Association (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• Principi e standard del Consiglio nazionale degli insegnanti di matematica degli Stati Uniti per la matematica scolastica (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• US Common Core State Standards for Mathematics (http://www.corestandards.org/Math)
• Associazione degli insegnanti di informatica K-12 Standard di informatica (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Principi e modelli di matematica scolastica

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi

Standard di geometria

• Specificare le posizioni e descrivere le relazioni spaziali utilizzando la geometria delle coordinate e altri sistemi di rappresentazione
• Usa la visualizzazione, il ragionamento spaziale e la modellazione geometrica per risolvere i problemi

Standard per la risoluzione dei problemi

• Applicare e adattare una serie di strategie appropriate per risolvere i problemi.
• Risolvi i problemi che sorgono in matematica e in altri contesti.

sul Mercato

• Usa le rappresentazioni per modellare e interpretare fenomeni fisici, sociali e matematici

Common Core State Standards for School Mathematics Grades 3-8 (età 8-14)

Operazioni e pensiero algebrico

• Genera e analizza modelli.
• CCSS.Contenuto.matematico.4.OA.C.5 Genera un numero o un modello di forma che segue una determinata regola. Identifica le caratteristiche apparenti del modello che non erano esplicite nella regola stessa. Ad esempio, data la regola "Aggiungi 3" e il numero iniziale 1, genera i termini nella sequenza risultante e osserva che i termini sembrano alternarsi tra numeri dispari e pari. Spiega in modo informale perché i numeri continueranno ad alternarsi in questo modo.

Standard per l'alfabetizzazione tecnologica - Tutte le età

La natura della tecnologia

• Standard 2: gli studenti svilupperanno una comprensione dei concetti fondamentali della tecnologia. 

CSTA K-12 Computer Science Standards Grades 6-9 (età 11-14)

5. 2 Livello 2: Informatica e comunità (L2)

• Pensiero computazionale (CT)

3. Definisci un algoritmo come una sequenza di istruzioni che possono essere elaborate da un computer.
4. Descrivi e analizza una sequenza di istruzioni da seguire (ad esempio, descrivi il comportamento di un personaggio in un videogioco come guidato da regole e algoritmi).
5. Esamina le connessioni tra elementi di matematica e informatica, inclusi numeri binari, logica, insiemi e funzioni.

• Collaborazione (CL)

2. Progettare, sviluppare, pubblicare e presentare prodotti in modo collaborativo (ad es. Video, podcast, siti Web) utilizzando risorse tecnologiche che dimostrano e comunicano i concetti del curriculum.
3. Collabora con colleghi, esperti e altri utilizzando pratiche collaborative come la programmazione in coppia, il lavoro in team di progetto e la partecipazione ad attività di apprendimento attivo di gruppo.
4. Mostrare le disposizioni necessarie per la collaborazione: fornire feedback utili, integrare feedback, comprendere e accettare prospettive multiple, socializzazione.

• Collaborazione (CL)

3. Collabora con colleghi, esperti e altri utilizzando pratiche collaborative come la programmazione in coppia, il lavoro in team di progetto e la partecipazione ad attività di apprendimento attivo di gruppo.

• Computing Practice & Programming (CPP)

4. Dimostrare una comprensione degli algoritmi e della loro applicazione pratica.

Progetta il tuo labirinto e risolvilo ..

Stai lavorando come un team di ingegneri a cui è stata affidata la sfida di progettare un labirinto usando i materiali che ti sono stati dati e poi risolverlo. A questo punto, potresti aver già visto l'aspetto di un labirinto e alcuni interessanti robot che risolvono labirinti. Prima di lanciarti nel gioco reale, iniziamo con la costruzione del labirinto. Come hai visto, il labirinto è costituito da una piattaforma e dai muri montati su di essa. Una volta costruito il tuo labirinto con le dimensioni suggerite dal tuo insegnante, dovrai risolvere il labirinto - inventando una procedura passo passo che puoi dare al robot in modo che possa viaggiare dalla sorgente alla destinazione. Il labirinto ha sedici celle. La fonte è nella cella inferiore sinistra del labirinto e la destinazione è nella parte superiore destra del labirinto.

Pianificazione

Come squadra, discutete tra voi su come costruire il labirinto. Dovrai decidere di cosa hai bisogno tutti i materiali. Puoi ottenerli dal tuo insegnante. Puoi restituire materiali, scambiare materiali con altre squadre. Consulta il tuo insegnante se hai bisogno di chiarimenti o dubbi in questa fase.

Costruzione

Prendi il materiale che usi per la piattaforma, diciamo, il cartone. Usando la matita o il pennarello, disegna un layout del labirinto sulla piattaforma. Condividi materiali con altre squadre per costruire il tuo labirinto. Questo è un lavoro di squadra ed è importante che tu discuti tra i membri del tuo team e goditi lo spirito di lavorare in una squadra. Condividi i tuoi pensieri e condividi il tuo lavoro. Ascolta i tuoi amici e aiutali. Assicurati di guardare come le altre squadre hanno progettato il loro labirinto e quanto sono diversi i labirinti rispetto ai tuoi.

Soluzione

Ora è il momento di iniziare a risolvere il labirinto. Prendi il percorso in termini di numeri di celle, attraverso il quale un topo (un robot) deve viaggiare per raggiungere la destinazione dalla sorgente. Ora, pensa a cosa ti ha fatto arrivare alla soluzione. Descrivi la logica alla base della tua soluzione. Discuti tra i tuoi amici e scrivilo.

È importante pensare alla soluzione in termini di numeri. Puoi vedere l'intero labirinto e pensare a come arrivare dalla sorgente alla destinazione. Tuttavia, sei molto più intelligente del robot. Il robot non può vedere la destinazione o comprendere l'intero labirinto: il robot conosce solo il numero della sua posizione attuale e il numero delle caselle adiacenti in cui può spostarsi.

Questo è il vero problema, come descrivi la soluzione al robot? Il robot non sa come risolvere il labirinto. Sa solo che il numero di origine è 1 e il numero di destinazione è 16. Quindi devi dare al robot una serie di istruzioni in modo che il robot raggiunga la destinazione. Prendi le istruzioni; consultare il proprio insegnante per la verifica.

Quando lo fai, pensa a come funzionerebbe la tua soluzione se il labirinto fosse costruito in modo diverso. È facile progettare una soluzione se conosci in anticipo il labirinto e comunica semplicemente al robot le mosse necessarie. Tuttavia, puoi trovare una soluzione che funzioni indipendentemente dallo schema del labirinto? Riesci a pensare a come testare la tua soluzione?

Valutazione

Usa questo foglio di lavoro per valutare i risultati del tuo team in questa lezione.

1. Sei riuscito a costruire il labirinto sulla base della figura che ti è stata data? In caso contrario, perché?

2. Sei riuscito ad arrivare alla soluzione per il labirinto? In altre parole, sei riuscito a dare al robot le "istruzioni" adeguate in modo che raggiungesse la destinazione? In caso contrario, perché?

3. Hai negoziato scambi di materiale con altre squadre? Come ha funzionato questo processo per te?

4. Una volta che hai iniziato a costruire il labirinto, hai deciso di cambiare i materiali o aggiungere altri materiali?

5. Pensi che gli ingegneri debbano attenersi al loro piano originale durante la fase di costruzione? Perché?

6. Pensi che la fase di "costruzione" ti abbia aiutato a visualizzare il problema in modo molto chiaro? Se sì, come ti ha aiutato a risolvere il problema?

7. Se avessi lavorato da solo, avresti potuto portare a termine il progetto più facilmente? Spiegare.

8. Sulla base di questa attività, cosa ne pensate dello sviluppo di algoritmi? Spiegare.