XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Программный код с планеты Земля

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Судаков В.А. 1

---

1МБОУ «Средняя общеобразовательная школа №13» г. Калуги

Хретинина А.А. 1

---

1МБОУ «Средняя общеобразовательная школа №13» г. Калуги

Работа в формате PDF

1.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Невозможное сегодня станет возможным завтра

К.Э. Циолковский

Сегодня можно с уверенностью перефразировать слова великого ученого: «Невозможное вчера стало возможным сегодня». Человечество не остановить в стремлении изучать Вселенную и покорять космическое пространство.

Изучая Вселенную, астрономы делают совершенно неожиданные открытия, которые позволяют заглянуть в её далёкое прошлое и строить планы по освоению новых планет.

Но другие планеты нашей Галактики находятся от нас на гигантском расстоянии, с точки зрения возможностей землянина, а не с точки зрения расстояний во Вселенной.

В последние годы благодаря уменьшению стоимости полётов в мировой космонавтики появился интерес к Луне, что способствовало возрождению идеи освоения Луны. Но так ли безопасен спутник планеты Земля для его колонизации? Возможно, с этой задачей справятся роботы?

Актуальность исследования обусловлена тем, что программирование помогает визуализировать процесс, недоступный человеческому глазу, моделирует опасные для жизни человека ситуации, создаёт модели их применения в жизни на Земле и на других планетах, при этом автоматизируя работу машин и устройств.

Проблема исследования состоит в поиске ответа на вопросы: «Можно ли запрограммировать на Земле роботов для исследования Луны? Будет ли среда программирования «Kodu Game Lab» эффективным средством для исследования Луны?

Цель работы: разработать элементы визуального программирования на основании игровой среды «Kodu Game Lab».

Для достижения намеченной цели поставлены следующие задачи:

1. Провести анализ литературы по теме исследования.

2. Выявить причины необходимости колонизации планет.

3. Провести анализ терминов: «программирование», «программное обеспечение», «программный код».

4. Изучить интерфейс программы, инструменты и принципы составления программы.

5. Создать визуальный космический мир с помощью «Kodu Game Lab» наЛуне.

6. Написать компьютерную программу для роботов-астронавтов с учетом миссии лунной экспедиции и внешних условий нахождения на Луне.

Объект исследования: колонизация Луны.

Предмет исследования: среда программирования «Kodu Game Lab».

Гипотеза: колонизация Луны может стать реальностью, если использовать запрограммированных на Земле роботов-исследователей.

Методы исследования: анализ, синтез, сравнение, обобщение, создание компьютерной программы.

Практическая значимость работы и личный вклад автора состоят в создании космического мира и поверхности планеты-спутника Луна, на которую прилунится космическая экспедиция с роботами-астронавтами, выполняющими определенные задачи в данной экспедиции, а также создание Руководства к программе «Kodu Game Lab» «Как начать программировать в «Kodu Game Lab» за 10 шагов», которое будет полезно начинающим новичкам-программистам.

Глава I. Освоение космоса продолжается.

1.1 Нельзя «вечно жить в колыбели».

Мы живем в эпоху покорения космоса. Россия – одна из ведущих в мире стран, достигшая больших успехов в освоении космического пространства. Россия одной из первой предложила начать исследование Луны не на экваториальных зонах, а на полярных полюсах, на Южном Полюсе Луны. Две основные научные задачи для программы «Луна-27» заключаются в исследовании полярного реголита и лунной экзосферы. В современной истории Россия ещё не осуществляла таких сложных маневров, как посадка космического аппарата на Луну в районе полюсов Луны. Все предыдущие советские станции прилунялись только в экваториальной зоне.

Помимо России освоением Луны занимаются другие страны: США, Китай, Индия, Южная Корея, Япония. У всех стран есть свои долгосрочные программы освоения лунного пространства. Поэтому перспективы развития космоса большие. Человечество не может «вечно жить в колыбели» и уже не «робко проникает за пределы атмосферы». Зачем же это нужно? Прежде всего, для общего прогресса науки и наших знаний об окружающем мире, для распространения человечества в Солнечной системе.

Земля – общий дом для семи миллиардов человек. Пищи и ресурсов на земле хватит ещё надолго, перенаселение пока не грозит. Однако учёные уверены, что вечно такая идиллия не сможет продержаться, когда-то наша планета перестанет быть пригодной для жизни. Это может быть результатом мировой войны, глобального катаклизма или космического воздействия.

Каков же выход для человека? Человечество сейчас находится на определенном витке своего технологического развития, поэтому выходит в космос, пытаясь завоевать его. Неплохо было бы переселиться на другую пригодную для проживания планету, конечно, заблаговременно её для этого подготовив.

1.2 Будущее решается сегодня

В настоящее время перед человечеством остро встаёт проблема - сохранения нашего общего дома, так как развитие цивилизации приводит к экологическим катастрофам на планете. Выход есть: пора колонизировать космос и осваивать другие планеты. Именно там, на соседних планетах и спутниках планет, могут быть построены заводы по производству особо чистых материалов, нужных в медицине, промышленности.  И уж точно нас ждут электростанции в космосе, удаление вредных производств с поверхности Земли, заводы на околоземной орбите.

Мы живет в уникальное время. Человек создал книгу с одной страницей, которая помещается в кармане. Человек научился быстро передавать информацию и получать ее даже с других планет. Человек может даже заставить окружающую среду работать во благо человечества!

Все сложные устройства создает человек своим умом и творческими способностями. Именно человек может спроектировать умных роботов, с помощью которых можно будет использовать космос в мирных целях.

Ближе всего к земле находятся Луна, спутник нашей планеты. Именно лунные пространства могут стать интересными инвестиционными проектами.

1.3 Долгий путь к Луне

Луна сопровождает нашу планету неотступно в ее пути вокруг Солнца. До нее – 384 467 км. Луна не является планетой, но она привлекательна тем, что полёт к ней составляет всего 3 дня. На спутнике Земли была обнаружена вода, небольшое количество которой сконцентрировано на полюсах [5].

К сожалению, Луна лишена подходящей для жизни атмосферы и существенного магнитного поля [1]. Так что от метеоритов и радиации защиты практически нет. К тому же нужно решать проблему всепроникающей лунной пыли, которая не только портит оборудование, но и проникает в защитные космические скафандры астронавтов, а также в лёгкие человека. Создавать земные условия на Луне сложно, но её близкое расположение к Земле является неоспоримым преимуществом.

Ученые рассчитали, что построить поселение на Луне не очень-то и дорого: 10 миллиардов долларов (изначальный ценник был больше в 10 раз!). Постройка такой базы была бы очень выгодной. Во-первых, с лунной базы удобнее отправлять исследовательские экспедиции; во-вторых, водород для топлива кораблей можно брать тут же, у лунных полюсов.

На Луне много материала для изготовления бетона. В частности, минерала ильменита, в состав которого входят оксиды железа и титана [5]. Из него можно сделать бетон, который по своим характеристикам будет даже крепче земного. И уж тогда на Луне можно возводить здания самой причудливой архитектуры, притяжение это позволяет.

Сегодня Луна рассматривается, прежде всего, как место проведения научных исследований и как источник полезных ископаемых. В особенности землян привлекает наличие там гелия-3, в котором мы будем нуждаться в обозримом будущем.

Поэтому именно Луна может стать постоянным научно-инженерным полигон, где будут строиться базы и происходить постоянные экспедиции.

1.4 Программное обеспечение и программирование

В современном мире технологии играют жизненно важную роль. Многие важные данные сохраняются и передаются через программное обеспечение и программы.

Программное обеспечение– это программа или множество программ, используемых для управления компьютером [2]. Программное обеспечение является интеллектом любого аппарата, созданного инженером-конструктором. Это позволяет управлять роботом, находясь на любом расстоянии в Солнечной системе.

Программирование – это процесс создания компьютерных программ [2]. Программирование связано с написанием кода. Он отдает компьютеру команды, которые тот выполняет.

Программный код — это совокупность алгоритмов, по которым работает программа, сайт или приложение [3]. Обычно его пишут программисты, и этот процесс называется «кодинг». Когда человек пишет код, про него говорят, что он кодит.

Специалисты, профессионально занимающиеся программированием, называются программистами. Чаще всего термин «кодит» применяют по отношению к программистам, которых еще называют кодерами.

Язык программирования - формальный язык, предназначенный для записи компьютерных программ [3].

Языки программирования служат своеобразным компромиссом между сложными для человека машинными кодами и непонятным для компьютера человеческим языком.

Программное обеспечение и программирование необходимы для всестороннего изучения Луны. Первый период – использование автоматических аппаратов, в том числе роботов, для предварительной разведки поверхности Луны и ее ресурсов. Второй период (через 7-10 лет) – организация пилотируемых лунных полетов.

Глава II. Роботы покоряют Луну

2.1 Робот-астронавт - умный механизм

Человек – самое умное существо на Земле. Не всегда человек может выжить во внеземных условиях. Тогда его может заменить робот, который будет имитировать действия человека. На Луну его можно будет доставить посадочным аппаратом. Робот должен будет сам отсоединиться от него, собрать грунт и положить его в аппарат. Но робота надо научить полезным действиям, которые выполняет человек: ходить, прыгать, приседать, захватывать грунт, добывать воду.

Робота надо научить передвигаться в разном стиле, что позволит ему преодолевать большие расстояния за короткий промежуток времени: подниматься по крутым склонам, использовать научные инструменты и даже восстанавливаться в случае маловероятного падения.

Пока добыча воды на Луне является сложной задачей, но может стать реальностью. Вода отсутствует на Луне в жидком виде, а существует в виде водяного пара. Он быстро разлагается под солнечными лучами. В настоящее время единственный способ получить воду с Луны — при помощи льда из ее грунта.

Вода позволит снабжать колониальные станции кислородом, а водород будет использоваться для заправки космических кораблей для дальнейшего исследования космоса.

Впервые о наличии воды на Луне стало известно еще в 1978 году — советские исследователи провели анализ образцов реголита, доставленных на Землю зондом «Луна-24», и в них обнаружилось 0,1% воды. А данные с индийского аппарата «Чандранаян-1» в 2008 году показали, что водный лед присутствует в лунном грунте в количестве до 20-30%, если рассматривать отдельные области.

2.2 Робот-ремонтник – мобильный фургон.

Первым лунным объектом в лунном лагере может стать мобильный фургон. Его можно назвать «мобильной обитаемой платформой». Он будет герметичным, с системами роботообеспечения. Первые роботы-астронавты смогут осуществлять необходимые ремонтные работы лунохода или других роботов, так как здесь будут храниться необходимые запчасти.

Фургон будет предназначен для дальних поездок за пределы лагеря.

2.3 Робот - исследователь поверхности Луны

Поверхность Луны - неровная и негладкая. Чтобы ее исследовать, надо быстро передвигаться. Вероятно, лучшим способом передвижения могут стать прыжки.

Исследуя поверхность Луны, робот может изучать возвышенности и впадины, кратеры и выбросы вокруг них, свежие места ударов и обрушивающиеся лавовые трубки. Именно здесь материал мог не измениться в результате космического выветривания и других процессов.

Для исследования поверхности Луны наш робот должен сначала научиться прыгать на Земле. Поэтому прыжок и передвижение прыжками – одно из важных умений, которому надо научить робота.

2.4 Робот - копатель

Робот – копатель представляет собой научно-исследовательский прибор. Он напоминает экскаватор в миниатюре.

Для надежной работы и передвижения робот-копатель снабжен двумя барабанами для рытья, плюс гусеницами. Ученые подсчитали, что грузоподъемность робота должны быть — 18 килограммов.

Робот также может использовать ноги, чтобы копать каналы в почве, переворачивать валуны или более мелкие камни для дальнейшего осмотра и брать образцы.

Копание необходимо для того, чтобы собирать грунт. Оно может также привести к поиску строительных материалов. Робот-копатель нужен еще и для расчистки местности для посадки прилетающих космических аппаратов, для строительства лунной базы.

Робота-копателя можно использовать и для сбора сыпучего лунного грунта - реголита. Это потенциальный строительный материал для 3D-принтеров, которые первые колонисты могут привезти с собой.

Реголит по структуре схож с песком, он легко отрывается от поверхности и несет опасность для оборудования и космонавтов [5].

Робота-копателя надо отправить на Луну вместе с передвижной лабораторией. Она должны быть подвижной, что впоследствии облегчит задачу доставки собранного материала на базу. Именно там грунт будет подвержен разнообразным анализам.

2.5 Создаем лунный мир «Kodu Game Lab». «Kodu Game Lab» — это интересный визуальный конструктор, среда разработки 3D-игр [4]. «Kodu Game Lab» знакомит с логикой программирования и способами решения проблем [6].

Для визуализации поверхности спутника Земли необходимо создать виртуальный мир, дальше создать и запрограммировать необходимые объекты: робота-астронавта, мобильный фургон или робота-ремонтника, робота-исследователя поверхности Луны, робота-копателя. Алгоритм работы можно свести к ряду последовательных шагов.

Первоначального нам необходимо создать территории и изменить поверхность виртуального мира.

Для создания полноценного виртуального мира, необходимо предварительно создать территорию, на которой будет проводиться работа. Заходим в основное меню программы и выбираем New World.

Основа для виртуального мира создана! (Рисунок 1)

Рисунок 1. Основа для виртуального мира в "Kodu Game Lab".

Зеленое поле – основа для размещения игровых объектов в мире.

С помощью команда «Кисть» (Рисунок 2) и других доступных средств формирования ландшафта визуализируем необходимую под нашу задачу поверхность Луны: возвышенности и впадины, кратеры, камни, лунную пыль, ледяные озёра.

Рисунок 2. Панель инструментов в "Kodu Game Lab".

После формирования местности, к миру можно добавлять и программировать объекты и персонажей: мобильный лунный фургон (робота-ремонтника), робота-астронавта, робота-исследователя, робота-копателя.

Добавить объекты можно с помощью инструмента «Объект» на нижней панели инструментов. В программе «Kodu Game Lab» предусмотрено 20 типов персонажей, обладающих различными характеристиками (Рисунок 3, Рисунок 4).

Чтобы все персонажи соответствовали нашим требованиям их можно немного подкорректировать. Например, мы можем изменить цвет. Для этого нажмём на нужного персонажа и с помощью клавиш стрелок изменим цвет. (Рисунок 5)

Рисунок 5. Выбор цветов для персонажей в программе.

С помощью программирования все персонажи смогут двигаться и выполнять поставленные задачи на Луне. А точнее роботы смогут объезжать препятствия и исследовать территорию.

Чтобы зайти в опцию программирования, нужно щёлкнуть по персонажу правой кнопкой мыши и в выпадающем меню выбрать «Программа».

Все инструкции кода в «Kodu Game Lab» начинаются с условия «Когда» (When), за которым следует оператор «Делать» (Do) и перечень выполняемых действий. (Рисунок 6. Рисунок 7 (а,б).

Выбор фрагмента в любой момент времени зависит от предшествующих событий. Все условия проверяются одновременно. Если область «Когда» пуста, соответствующее действие выполняется всегда.

Таким образом, мы задаём условия и действия каждому персонажу.

Рисунок 6. Визуальная панель, отражающая выполняемые действия персонажем в программе «Kodu Game Lab»

Далее тестируем программы, проверяя нашу модель в действии, выбираем на панели инструментов выбираем иконку «Играть», после чего все объекты начинают движение по заданным условиям.

В программе «Kodu Game Lab» мы ограничены в выборе объектов и возможностей их действий, таким образом мы программируем исходя из функционала программы.

Последовательность создания лунной территории, роботов и визуальные результаты работы представлены в Приложение 1.

Заключение

Китайская мудрость гласит: «Делай великое, пока оно еще мало, потому что все великое начинается с малого».

Покорение Луны – это реальный шаг человечества в недалеком будущем. Пока рано заглядывать на десятилетия вперед, но хотелось бы приблизить детскую игру и фантастическое программирование к научным исследованиям в освоении космоса.

Проведенное исследование позволило сформулировать следующие выводы:

1. Анализ литературы показал, что идеи К.Э. Циолковского о покорении космоса — это не миф, а реальность. Но настало время для глобального освоения Вселенной.

2. Освоение космоса имеет большие перспективы. Главная причина лунной программы - возможность организовать космические колонии.

3. Анализ терминов «программирование», «программное обеспечение» показал, что это разные понятия, входящие в словарный запас программиста.

4. Изучение программы «Kodu Game Lab» показало, что это интересный визуальный конструктор, среда разработки 3D-игр.

5. С помощью программы «Kodu Game Lab» создан визуальный космический мир на Луне.

6. Написана компьютерная программа для роботов-астронавтов с учетом миссии лунной экспедиции и внешних условий нахождения на Луне.

7. Создано Руководство к программе «Kodu Game Lab» «Как начать программировать в «Kodu Game Lab» за 10 шагов», которое будет полезно начинающим новичкам-программистам (Приложение 2).

8. Лично для себя сделаны первые шаги в удивительные миры космоса и программирования.

В жизни нет ничего невозможного. Именно нам, сидящим сегодня за партами, предстоит сделать великие открытия для развития своей цивилизации и лучшей жизни будущих поколений!

Литература

1. Ликсо В.В. Самая невероятная книга о космосе. М. 2018

2. Могилев А.В, Могилева В.Н., Цветкова М. С. Информатика 3-4 класс. - М.: Просвещение. Бином. Лаборатория знаний. 2022.

3. Что такое код. – [ Режим доступа: https://synergy.ru/akademiya/programming/chto_takoe_kod#:~:text=Код%20—%20это%20совокупность%20алгоритмов%2C,задачи%20соответствует%20стандартам%20выбранного%20синтаксиса ]

4. Яникова Н. В., Михеева О. П., Брыксина О. Ф., Останин Я. Е. 5 простых шагов к созданию 3D игр вместе с KODU. 2013. Электронное издание. – [Режим доступа: https://it-marafon.ucoz.ru/_ld/0/1_KODU______.pdf ]

5. Dorling Kindersley (DK), Авдеева А.Космос. Энциклопедия. М.: Манн, Иванов и Фербер. 2019.

6. Kodu. - [Режим доступа: https://www.microsoft.com/en-us/research/project/kodu/ ]

Приложения 1.

Создаем виртуальный мир с помощью программы «Kodu Game Lab».

Шаг 21

.

Рисунок 21. Лунная поверхность со льдом, кратерами, впадинами, камнями, лунной пылью. На поверхности Мобильный лунный фургон, робот-астронавт, робот-исследователь, робот-копатель.

Приложение 2

Руководство по созданию виртуального мира в программе «Kodu Game Lab»:

«Научись программировать в «Kodu Game Lab» за 10 шагов».

Шаг 1.

Скачиваем среду программирования с сайта www.microsoft.com/kodu/

Шаг 2.

Устанавливаем программу на компьютере, у нас появляются значки для запуска программы.

Шаг 3.

Осуществляем вход в программу: Игра «Kodu Game Lab» находится в группе Microsoft Research меню «Программы».

Шаг 4.

Создание территории и знакомство с основными жестами управления.

Чтобы создать полноценный виртуальный мир, необходимо предварительно создать территорию, на которой будет проводиться работа. Заходим в основное меню программы и выбираем New World. Основа для виртуального мира создана! (Рисунок 1)

Рисунок 1. Основа для виртуального мира в «Kodu Game Lab»

Зеленое поле – основа для размещения игровых объектов в мире.

Чтобы переместить поверхность, зажмите левую клавишу мышки и подвигайте мышку из стороны в сторону.

Если покрутить колесико мыши, то поверхность будет отдаляться и приближаться.

А вот чтобы повернуть поверхность, следует зажать правую клавишу мыши.

Шаг 5.

Знакомство с панелью инструментов.

Панель инструментов – это то, без чего не получится создать виртуальный мир.

Здесь есть множество команд, которые необходимы в создании игры. Переход по командам осуществляется с помощью перемещения курсора мыши и последующего клика. Слева направо (Рисунок 2):

1. иконка «Главное меню» позволит открыть набор настроек,

2. иконка «Играть» запустит вашу программу,

3. иконка с рукой переместит камеру,

4. иконка с Kodu – «Объект» - даст возможность добавлять и редактировать персонажей или объекты,

5. иконка «Путь» отредактирует или добавит пути, по которым будут двигаться объекты,

6. иконка «Кисть для земли» поможет нарисовать, добавить или удалить землю,

7. иконка «Вверх/вниз» создаст рельеф виртуальному миру,

8. иконка «Сглаживание» уберет рельеф и сделает землю ровной,

9. иконка «Неровности» добавит пики и холмы,

10. иконка «Вода» поможет добавить в проект водоёмы,

11. иконка «Удалить» уберёт не нужные объекты,

12. иконка «Изменения параметров мира» позволит вам поменять настройки.

Рисунок 2. Панель инструментов в «Kodu Game Lab».

Шаг 6.

Создание, добавление, изменение земли виртуального мира.

Для этого этапа нам понадобится команда Кисть.

Здесь доступен выбор цвета и типа кисти (квадрат, овал, квадратная линия, овальная линия). Чтобы быстро создать территорию, достаточно увеличить размер кисти, нажимая клавишу со стрелкой вправо, и «нарисовать» один квадрат. (Рисунок 3).

Рисунок 3. Изменение поверхности в виртуальном мире с помощью команда «Кисть».

Остальные средства формирования ландшафта позволяют создавать возвышенности и впадины и делать их более округлыми или более резкими. Для этого можно использовать команды: «Вверх/вниз», «Сглаживание», «Неровности».

С помощью команды «Вода» можно добавить в мир водоёмы. Все водные поверхности должны создаваться только поверх суши. По умолчанию каждый мир имеет «стеклянные стены», которые удерживают воду и не дают предметам падать за края, то есть применяются законы физики.(Рисунок 4). Рисунок 4. Создаём водоёмы на поверхности виртуального мира в программе «Kodu Game Lab».

Шаг 7.

Оформляем внешний вид виртуального мира под лунную поверхность.

Таким образом мы создаем собственный новый мир: в нашей работе это поверхность Луны, визуализируем в программе наши знания о ее поверхности: кратеры, впадины, камни, лунную пыль. (Рисунок 5).

Рисунок 5. Создаём поверхность исходя из данных о местности.

После формирования местности, к миру можно добавлять и программировать объекты и персонажей.

Шаг 8.

Добавление объектов в программе «KoduGameLab».

Добавить объекты можно с помощью инструмента «Объект» на нижней панели инструментов. В программе «Kodu Game Lab» предусмотрено 20 типов персонажей, обладающих различными характеристиками. Следует щёлкнуть в любом месте поверхности, после чего появится меню со всеми

доступными объектами. (Рисунок 6).

Если нажать по группе элементов, то появится полное собрание нужных объектов. (Рисунок 7).

На данном этапе добавляем всех необходимых действующих лиц нашего проекта или виртуального мира.

Шаг 9.

Изменение персонажей.

Чтобы все персонажи соответствовали нашим требованиям их можно немного подкорректировать. Например, мы можем изменить цвет. Для этого нажмём на нужного персонажа и с помощью клавиш стрелок изменим цвет. (Рисунок 8)

Рисунок 8. Выбор цвета для объектов в программе.

Также мы можем изменить положение объекта, просто зажав его левой клавишей мыши и двигая самой мышкой.

А чтобы изменить размер, нужно кликнуть правой клавишей мыши по нужному объекту и в выпадающем меню выбрать «изменить размер».

Шаг 10.

Программирование в «Kodu Game Lab».

С помощью программирования все персонажи смогут двигаться и выполнять поставленные задачи на Луне. А точнее роботы смогут объезжать препятствия и исследовать территорию.

Чтобы зайти в опцию программирования, нужно щёлкнуть по персонажу правой кнопкой мыши и в выпадающем меню выбрать «Программа».

Все инструкции кода в «Kodu Game Lab» начинаются с условия «Когда» (When), за которым следует оператор «Делать» (Do) и перечень выполняемых действий. (Рисунок 9. Рисунок 10 (а,б))

Выбор фрагмента в любой момент времени зависит от предшествующих событий. Все условия проверяются одновременно. Если область «Когда» пуста, соответствующее действие выполняется всегда.

Таким образом, мы задаём условия и действия каждому персонажу.

Рисунок 9. Визуальная панель, выполняемых действий персонажем (объектом) в программе «Kodu Game Lab».

Рисунок 10 (а,б). Перечень возможных действий для объектов.

Тестируем программу: на панели инструментов выбираем иконку «Играть», после чего все объекты начинают движение по заданным условиям.

Поздравляю Вас! Вы ознакомились с программой «Kodu Game Lab».