Х а б а р ш ы с ы в е с т н и к семипалатинского государственного

52 
 
The purpose of this work is not to replace current school physics curriculum. Instead, the purpose of 
my work is to supplement school curriculum. I will try to share with teachers in Kazakhstan a set of activities 
centered  on  LEGO  robotics  because  they  work  well  to  engage  students  in  the  process  of  learning  the 
concepts and skills of physics. But I know that every school and every class within every school is different 
and  those  differences  warrant  adaption.  In  writing  this  work,  I  wanted  to  focus  how  every  teacher  in 
Kazakhstan can utilize LEGO® MINDSTORMS® in every classroom. Therefore, while the activities of this 
work  do  not  require  any  modification  to  use  in  the  classroom,  I  encourage  teachers  and  students  to  do.  I 
supplement  my  own  physics  class  with  new  ideas.  The  ideas  that  inspired  the  activities  of  this  work  often 
came  from  conversations  I  had  with  my  own  students,  teachers  and  other  specialists  in  fields  related  to 
physics  education.  I  hope  that  the  ideas  will  help  to  teachers  and  students  to  create  unique  and  powerful 
learning opportunities in classrooms in Kazakhstan. 
 
LEGO® as a Physics Learning Technology 
The  goal of this  work is to  describe  how the tools  of  a LEGO® MINDSTORMS® robotics  kit fits 
into  a  physics  learning  environment.  Because  the  work  itself  serves  to  demonstrate  specifically  how  the 
LEGO® MINDSTORMS®kit is used in a physics class, my approach in this section is to treat the topic more 
generally, explaining more about why I chose these tools in our own physics classrooms. This section is also 
designed  to  be  "food  for  thought"  for  teachers  and  students  as  they  start  to  modify  and  create  activities. 
Generally  speaking,  the  components  of  a  LEGO®  MINDSTORMS®kit  serve  as  both  measurement  and 
design tools. As a measurement tool, they are only limited by the type of sensor to which you can connect. 
Both the NXT and RCX can be connected to many LEGO and non-LEGO based sensors. As a design tool, 
they  afford  the  student  a  great  deal  of  precision  in  their  measurements  and  they  allow  students  to  use  the 
same medium for designing scientific experiments as well as solutions to engineering design challenges. 
 
LEGO® MINDSTORMS® as a measurement tool. 
With  LEGO  built  light  sensors,  thermometers,  angle  sensors,  microphones,  and  distance  sensors, 
both the RCX and NXT serve as stand-alone measurement tools. Both the NXT and the RCX have a "view" 
option that allows to see the data streaming in on any sensor directly on the device's screen. The NXT can be 
set-up quickly for a diversity of short and simple investigations. 
With a little more effort, the NXT can be extended to display data from third party sensors as well. 
For  example,  teacher  can  connect  the  NXT  and  sensors  made  by  Vernier  Software  and  Technology.  Used 
this way, one can turn the NXT into a customizable data display center. 
 
Using  LEGO®  MINDSTORMS®  for  accuracy  and  precision  investigation  and  design 
activities. 
How  often  do students  discuss "human  error"  in their lab reports? How  often are the  data collected 
by  students  inconclusive?  How  often  are  discussions  with  students  less  about  what  the  data  are  and  more 
about what the  data should be? The final point that I wish to discuss in this section about the role LEGO® 
MINDSTORMS®plays  in  physics  classroom  is  the  issue  of  accuracy  and  precision  in  robot  based  physics 
investigations. 
While the robotic tools used in the activities of this work enhance student investigations and applied 
physics design projects, they  do  not take the thinking  out of the process. LEGO® MINDSTORMS®do  not 
necessarily  make a student's  measurements  more accurate. Students will still  need to  learn and practice the 
essential  skills  of  experimental  design  and  the  methods  of  science.  They  will  need  to  determine  the 
parameters of their experiment such as which variables to control, instruments to use, units of measurement, 
the duration of each run, and the number of runs. They will practice how to analyze data, reading trends and 
fitting appropriate models. They will practice evaluating the results of an investigation and comparing their 
results with their predictions.  
LEGO® MINDSTORMS®is very helpful in improving the precision of student measurements. The 
precision  of  a  set  of  measurements  communicates  how  close  the  measurements  are  to  each  other.  Precise 
measurements  have  a  very  small  variance.  NXT  and  RCX  based  experiments  come  in  quite  handy  when 
precision  is  needed.  If  teacher  program  the  robot  to  move  for  5  wheel  rotations,  it  will  travel  the  same 
distance every single time. If student program the robot to move its motor at a specified speed, it will do that 
every single time.  
With  the  exception  of  low  battery  issues,  students  will  be  very  pleased  with  the  precision  of  the  data 
collected. This will be evident in the activities of this work. Experiencing the precision of data in a LEGO® 
 

53 
 
MINDSTORMS®based  investigation  opens  up  students  mind  to  investigations  that  students  did  not  think 
possible before. 
LEGO® MINDSTORMS® as a physics investigation and design tool. 
As  a  measurement  tool,  the  NXT  and  RCX  stand  with  meter  sticks,  stop  watches,  spring  scales, 
thermometers, digital force meters, digital motion detectors, voltmeters, ammeters, and other instruments in 
your  physics  equipment  inventory.  But,  what  about  the  rest  of  the  pieces  that  come  in  a  LEGO® 
MINDSTORMS®kit?  LEGO  is,  after  all,  known  as  a  construction  medium.  The  LEGO  blocks,  beams, 
wheels, gears, etc allow students to build a myriad of set-ups for investigations and applied physics projects. 
Bridging the gap between physics and engineering 
Engineering design challenges are not new to physics classes. From paper airplanes, egg drops, water 
rockets, toothpick bridges and  mousetrap cars, engineering  challenges  in physics  instruction allow students 
the  opportunity  to  engage  in  creative,  enjoyable,  and  practical  ways.  Engineering  design  challenges  gives 
students  an  opportunity  to  talk  about  physics  as  it  relates  to  something  they  created,  something  practical. 
Engineering  design  challenges  puts  physics  to  use  and  immediately  answers  the  question,  "Why  are  we 
learning this?" 
If physics teachers already do engineering design challenges, how doLEGO® MINDSTORMS® kits 
enhance  this  form  of  instruction?  They  maximize  the  ratio  of  equipment  to  project  possibilities.  With  egg 
drops,  toothpick  bridges  and  mousetrap  cars,  teacher  need  to  obtain  and  maintain  a  steady  supply  of 
materials,  each set  of  materials  dedicated to  only a few types  of projects. With LEGO® MINDSTORMS® 
the  number  of  projects  is  almost  limitless.  Perhaps  teacher  will  not  do  an  egg  drop  project  with 
MINDSTORMS or launch an NXT in a rocket, but with one kit of materials, teacher can do many other very 
engaging applied physics projects. 
Summary 
In  this  work,  I  emphasize  the  link  between  physics  investigations  and  engineering  design  by 
providing  activities  that  show  students  the  need  to  investigate  while  taking  on  an  engineering  design 
challenge. For example, students will investigate gear ratios while creating a motorized crane or drag car and 
investigate sound waves while creating a system to make the best ear protection. By having students engaged 
in  projects  that  synthesize  investigations  with  engineering  design,  teacher  are  helping  them  close  the  gap 
between  the  concepts  and  skills  of  physics  and  the  practical  use  of  those  skills.  In  closing  the  gap,  I  try  to 
help students take what they learn in the classroom and use it in the rest of their lives. 
 
References  
 
1 
www.phvsicswithrobotics.com
  
2 www.legoengineering.com  
3 www.MINDSTORMS.lego.com   
4 www.vernier.com/nxt  
5 www.education.rec.ri.cmu.edu/index.htm.  
6 www.lugnet.com 
7 
www.domabotics.com/index.php
 
8 www.philohome.com 
9 www.extremenxt.com/lego.htm 
10 www.legoeducation.com 
11 www.hitechnic.com 
12 www.mindsensors.com 
13 
www.dcpmicro.com
  
 
Бұл  жұмыста  біз  робототехниканы  физика  сабақ  үстінде  жүргізуды  талдаймыз. 
Робототехника  оқушыларды  қызықтырып  зерттеу  жұмыстарына  қызығушылығын  оятады,  яғни 
зертеу арқылы мәселелер шешіледі. Робототехниканы физика сабағында қолдану қазіргі заманға сай 
деп ойлаймыз. 
Робототехника  дает  нам  два  аспекта  изучения  физики  в  одном  лице.  В  этой  работе  мы 
попытаемся объяснить, о возможности использования робототехники в классе для исследований  и 
практики.  Робототехника  привлекает,  способствует  творческому  решению  проблем,  поощряет 
учеников представлять свои идеи в реальном мире.  
UDC 372.853 
 

54 
 
Z.K Kenzhekey, N.A.Tanat  
Undergraduate of Suleymen Demirel university, Almati city  
University named after Shakarim, Semey city 
 
EXAMPLE PROJECTS OF USING LEGO MINDSTORMS IN SCHOOL EDUCATION 
 
Inserting robotics activities in school curriculum produces opportunities to engage students in real 
world  science  and  help  them  to  develop  conceptual  understanding  of  physics  through  the  process  of 
investigation, data analysis, engineering design, and construction. 
Key words: Measure, conceptual, frequency, investigation, calculations. 
 
Based on the author’s experience, students have difficulty learning, especially in physics classrooms. 
But by allowing them to solve problems where the answer is not already on an answer sheet, students learn 
problem-solving and this way bring better understanding of concepts. Engineering problems, based on real-
life examples provide students many reasons to learn new material. Use of engineering problems also helps 
to focus student’s attention on the process as well as the result. 
There are many toolsets available, but I will concentrate on LEGO MINDSTORMS kit because it’s 
most  popular  toolset  in  the  world,  students  are  familiar  with  LEGO.  Activities  based  on  robotics  are  very 
important because this is the synthesis between science investigation and engineering design, a synthesis that 
closes the gap between concepts of physics and the practical use of physics. 
Example projects  
For each example, I will write a project overview and learning objectives from different branches of 
physics. 
Microphone  sound  reduction.  In  this  activity,  students  explore  sound  waves.  They  use  a  LEGO 
sound  sensor  to  explore  a  sound  wave’s  loudness.  Students  explore  variables  such  as  the  distance  between 
sound  source  and  microphone,  sound  wave  direction  and  shape,  the  frequency  response  of  the 
MINDSORMS  microphone,  and  the  conductivity  of  sound  through  different  media.  Finally,  they  design 
better  “ear”  protection  for  the  sound  sensor  by  taking  what  they  have  learned  through  the  science 
investigation and applying it to an engineering design problem. The learning objectives for this project are: 
-
 
Describe sound waves in terms of a transfer of energy. 
-
 
Measure the loudness of a sound wave and relate this measurement to wave’s amplitude, energy, power, 
and intensity. 
-
 
Create an experiment that investigate which variables affect the measured loudness of a sound wave. 
-
 
Engineer ear protection that reduces the sound levels measured by the microphone.    
Testing speed and acceleration of drag cars. Students work in team to figure out which is more important in a 
drag race – speed or acceleration. After a design and construction of a drag car, students use a rotation sensor 
to measure distance, speed, and acceleration of their car. They upload, view, and analyze motion graphs via 
the data logging function of a LabVIEW program. The learning objectives for this project are: 
-
 
Describe motion in terms of speed and acceleration. 
-
 
Compare various factors that may affect speed and acceleration of an object including power, time of 
travel, gear ratio and wheel size. 
-
 
Utilize a scientific experiment to inform the engineering design process with the goal of maximizing 
acceleration and speed. 
Simple harmonic motion. In this experiment, students use a LEGO microcontroller and an ultrasonic sensor 
to investigate the change in vertical motion of an oscillating spring. Calculations of the amplitude and period 
can be made using the data from the resulting graph. The learning objective for this project is: 
-
 
Study periodic and the characteristics of a displacement graph that represents simple harmonic motion. 
Ten  second  timer.  In  this  project,  students  will  use  their  understanding  of  a  simple  harmonic  motion  to 
engineer  a  mechanical  10-second  timer  that  utilizes  an  external  pendulum  based  clock.  Students  work  in 
teams to  design a pendulum and sensor package to count swings. Their system  is successful  if  it  marks 10 
seconds with an audio and visual display.  The learning objectives for this project are: 
-
 
Use an idealized system (simple pendulum) to make predictions about the period of a physical pendulum. 
-
 
Apply predicted performance of a physical pendulum in the engineering design process of a mechanical 
timer. 
-
 
Use MINDSTORMS sensors to measure the performance of the system nad compare with a calibrated 
timer such as a watch.    
Conclusion 

55 
 
Using  LEGO  MINDSTORMS  robotics  activities  to  teach  physics  concepts  creates  an  effective 
learning environment for conceptual knowledge development through the process of design, construction and 
experimental testing. Students  have  opportunities to  develop their skills and become  more independent and 
confident learners. 
 
 
References   
 
1 Church W., Ford T., Perova N. Physics with robotics // International Journal of Science Education.- 2009. 
№ 29.- Р.226-273. 
2 Bratzel B. Physics by Design, 2nd Edition, ROBOLAB Activities for the NXT and RCX.- Knoxville  TN.: 
College House Enterprises, 2007. - Р.125-130. 
3  Erwin  B.  Creative  Projects  With  LEGO®  MINDSTORMS®.-  Boston  MA.:  Addison-  Wesley,-  2001.- 
Р.223-260. 
4  Wang  E.  Engineering  With  LEGO®  Bricks  and  ROBOLAB™,  3rd  Edition.  -  Knoxville  TN.:  College 
House Enterprises, - 2007. Р.85-113. 
 
Бұл    жобада  біз  физика  пәнінде  робототехниканы  қолдану  мысалдарын  береміз,  және 
мысалдар арқылы оқушыларға  тақырыпты жақсы түсінуге комек қызметін атқарады. 
В этой работе мы даем несколько примеров того как использовать робототехнику на уроках 
физики, потому что внедрение этого помогает ученикам хорошо усвоить материал. 
 
 
 
УДК 54.057 
 
М.К.Сейсенбаева, С.К
. Килибаева,  Б.С.Тойкин  
Семипалатинский государственный университет имени Шакарима 
 
МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА СВС В 
ЯДЕРНОЙ ТЕХНИКЕ
 
 
В  данной  статье  описывается  метод  получения  термостойкого  материала,  путем  его 
горения.  В  результате  чего  материал  будет  обладать  хорошими  теплофизическими  и  ядерно-
физическими свойствами необходимыми в ядерной технике.  
Ключевые 
слова: 
самораспрастроняющийся 
высокотемпературный 
синтез, 
теплопроводность, термоударная стойкость. 
 
Ведутся исследования в лаборатории Семипалатинским Государственным университетом им. 
Шакарима  совместно  с  Институтом  Атомной  Энергии  г.  Курчатов  в  области  естественнонаучных 
основ  технологии  получения  новых  материалов  с  помощью  метода  самораспространяющегося 
высокотемпературного синтеза. К таким материалам относятся, используемые в ядерной технике при 
изготовлении  защиты  от  сочетанных  потоков  ионизирующих  излучений,  в  системах  управления  и 
защиты у физико-энергетических установок,  материалы на основе борида вольфрама и карбида бора.     
Материалы, 
полученные 
экспериментальным 
путем, 
обладают 
рядом 
преимуществ 
по 
теплофизическим  и  ядерно-физическим  характеристикам  по  сравнению  с  традиционными 
материалами.  Но  в  тоже  время  они  обладают  достаточно  существенным  недостатком  –  плохое 
сопротивление  термическому  удару.  В  реальных  условиях  при  эксплуатации  материалы  ФЭУ 
подвержены  мощному  воздействию  потоков  заряженных  частиц,  поэтому  уделяется  большое 
внимание  их  термоударной  стойкости.  При  исследовании  структуры  и  анализе  фазового  состава 
материалов  было  установлено,  что  причиной  указанного  недостатка  является  многофазность 
конечного  продукта.  Введение  в  исходную  шихту  реакционно-способных  добавок  стало  одним  из 
решений  данной  проблемы.  Невозможно  получить  всего  многообразия  материалов,    ограничиваясь  
лабораторными    экспериментами.  Поэтому    возникает    необходимость    проведения  
предварительного    расчетно-теоретического    анализа    процесса    горения    в    той    или    иной  
двухкомпонентной    системе.  Для  достижения  цели  использовалась  математическая  модель, 

56 
 
основанная    на  решении  нестационарного  двухмерного  уравнения  теплопроводности  с    подвижным 
источником тепловыделения: 
 
                       а(Т)
∙ (
Т
+
+ 
Т
) +
( )∙ρ
= 
,                                  (1) 
 
где а(Т)- коэффициент температуропроводности, С(Т)- температурная зависимость теплоемкости,   -
плотность образца, 
 q - объемный источник тепловыделения. 
Уравнение  (1)  представляет  собой  краевую  задачу  и  для  ее  решения  можно  задавать 
начальные и граничные условия. 
На  рисунках  1,2  представлены  распределения  температуры  синтеза  по  высоте  образца  в 
начальный  (рис.1)  и  конечный  (рис.2)  моменты  времени  соответственно.  Горизонтальной  чертой 
обозначена температура реакции синтеза для системы WB, нижняя граница показывает температуры 
образования фазовых составляющих конечного продукта: борида вольфрама, диборида вольфрама и 
пентаборида дивольфрама. 
 
 
Рис.1- Распределение температуры по высоте образца при различных значениях суммарного 
теплового эффекта в момент времени 0,2 с после инициирования процесса синтеза 
 
 
 
Рис.2- распределение температуры по высоте образца при различных значениях суммарного 
теплового эффекта в момент времени 3,8 с после инициирования процесса синтеза. 
 
Развиваемая  температура  горения  в  процессе  синтеза  зависит  от  количества  добавленной 
никель  -  алюминиевой  добавки  в  исходную  шахту  реагентов.  Предполагаем,  что  с  изменением 
температуры процесса горения фазовый состав конечного продукта будет меняться. 
В  лаборатории  экспериментально  синтезировали  материалы  с  никель-  алюминиевыми 
добавками  различного  стехиометрического  состава,  введенными  в  различных  количествах  в 
исходную  шихту.  В  процессе  синтеза  идет  значительное  повышение  температуры  горения. 
Рентгенофазовый  анализ  показал,  что  введение  добавки  приводит  к  изменению  фазового  состава 
конечного продукта 

57 
 
Результаты, полученные в рамках модели теплового состояния и в приборном эксперименте, 
представлены в таблице. 
Таблица  -  Фазовый  состав  материала  на  основе  WB  при  различных  количествах  никель  - 
алюминиевой добавки 
 
Количество добавки, % вес.
 
Фазовые составляющие сиcтемы W-B, полученные в ходе:
 
Расчетных оценок на основании 
разработанной модели
 
Лабораторных экспериментов
 
0
 
WB; WB
2
; W
2
B
5
 
WB; WB
2
; W
2
B
5
; WO
3
 
15
 
WB; WB
2
 
WB; WB
2
; WO
3
; Ni
3
Al
 
Полученные  результаты  расчетно-теоретических  и  приборных  экспериментов  показывают 
удовлетворительное согласие между собой. Это позволяет говорить о конкретности модели, а также о 
возможности  подбора  оптимальных  начальных  значений  энергии  источника  тепловыделения,  как 
фактора,  который  позволяет  управлять  реакцией  самораспространяющегося  высокотемпературного 
синтеза, и более того фазовым составом конечного продукта. 
 

жүктеу/скачать 22,31 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: