XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ОБУЧАЮЩИЙ СТЕНД «ПРАВИЛА ДОРОЖНОГО ДВИЖЕНИЯ ДЛЯ ПЕШЕХОДОВ»

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Макаровских Е.А. 1

---

1Лицей 11 г. Челябинска

Цибулис Д.Э. 1

---

1академия "Робозум"

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Автомобиль давно уже стал привычным средством передвижения на дорогах большого города. В последние несколько лет к ним добавились новые участники движения: курьеры и любители покататься на электросамокатах. Но пешеходы и велосипедисты (среди которых много детей) всегда были и останутся полноправными участниками движения на дорогах. Безопасность на дороге зависит как от пешеходов, так и от водителей. И риски также присутствуют у обеих сторон. Потому что довольно часто виновными в дорожно-транспортных происшествиях (ДТП) являются именно пешеходы, переходящие улицу на красный свет или в неположенном месте. Поэтому и водителям, и пешеходам необходимо соблюдать основные правила, при которых риск дорожно-транспортных происшествий уменьшится [1]: пешеходы должны двигаться по тротуарам или пешеходным дорожкам, а при их отсутствии — по обочинам; на пешеходных переходах пешеходы могут выходить на проезжую часть после того, как оценят расстояние до приближающихся транспортных средств, их скорость и убедятся, что переход будет для них безопасен. Существуют также правила, по которым посадка и высадка производится со стороны тротуара или обочины и только после полной остановки транспортного средства [2]. При этом водитель должен помнить, что остановка запрещена на пешеходных переходах и ближе 5 м перед ними (в этом случае при высадке из машины нарушат правила и водитель, и пассажир).

Поскольку большинство детей активно пользуются велосипедами, для них также обязательно исполнение Правил дорожного движения (ПДД) [3]: дети до 7 лет должны ездить только по тротуарам, пешеходным, велопешеходным дорожкам со стороны движения пешеходов и в пешеходных зонах; дети от 7 до 14 лет вправе передвигаться по тротуарам, пешеходным, велосипедным, велопешеходным дорожкам и в пешеходных зонах. Дети старше 14 лет и взрослые обязаны ездить по велосипедной, велопешеходной дорожке, проезжей части велосипедной зоны или полосе для велосипедистов; пересекать дорогу по пешеходному переходу только пешком. Велосипедист должен спешиться и вести велосипед за руль.

Актуальность работы. Несмотря на простоту правил, наличие информационных стендов в учебных заведениях (школах, домах творчества), постоянные публикации статистики о дорожно-транспортных происшествиях на сайтах школ и напоминания об основных правилах в преддверии каникул, статистика происшествий в Челябинской области остается неутешительной [4]. Такие информационные стенды и сообщения настолько стали обыденностью, что на них никто не обращает внимание, а маленькие пешеходы зачастую ведут себя точно так же, как поступают их родители, что и становится причиной беды.

Гипотеза. Можно ли создать технологичный обучающий стенд-игру, в котором в качестве учителя и проверяющего участвует робот? Основное назначение такого стенда – поднять уровень знаний основных правил дорожного движения со стороны школьников и их родителей.

Цель работы. Изучить возможность реализации обучающего стенда для иллюстрации основных опасных ситуаций на перекрестке, связанных с движением пешеходов и велосипедистов, посадкой-высадкой пассажиров, остановкой водителей с целью посадки или высадки.

Задачи работы

1. Определить правила дорожного движения, которые вызывают затруднения у большинства учеников начальной школы.

2. Составить дорожную карту реализации проекта по созданию интерактивного обучающего стенда.

3. Собрать прототип стенда с использованием конструктора Lego EV3 и Pixy камеры, иллюстрирующий опасные ситуации при наиболее часто нарушаемых пешеходами и пассажирами правилах дорожного движения.

4. Протестировать работу стенда, изучить качество усвоения материала после демонстрации основных правил с использованием стенда.

Методы исследования: наблюдение, анализ, сравнение, эксперимент, моделирование.

Анализ существующих на рынке обучающих игр

1. С активным развитием электроники и информационных технологий современные игры и игрушки для детей дошкольного и школьного возраста зачастую имеют электронные обучающие и развлекающие элементы. Наиболее близким аналогом обучающего стенда являются обучающие коврики (рис. 1-2).

2. Такие игрушки способствуют развитию воображения и фантазии, позволяют формировать социально-ролевые навыки, позволяют организовать простые викторины и проверить правильность ответа на вопрос. Коврик на рис.1(а) является просто элементом игры, и в нем отсутствует всяческая автоматизация. Коврик на рис.1(б) имеет в своей основе электронную схему, реализованную с помощью тончайших проводов.

3. 1. 1. 1. 1. 1. (а) (б)

Рисунок 1. Примеры обучающих ковриков для детей дошкольного возраста

Алгоритм работы таких ковриков прост: голосом задается вопрос, ребенок нажимает пальцем на ту зону, где по его мнению расположен верный ответ. Ответ проверяется и озвучивается результат. Основным недостатком таких ковриков является их недолговечность, поскольку проводки, ведущие от блока управления к различным областям коврика, являются очень хрупкими и заменить их невозможно. Еще один недостаток – ориентация подобных игрушек для детей раннего дошкольного возраста.

4. Для более старших игроков рынок предлагает карточные игры с ограниченным набором вопросов (рис.2(а)) либо электровикторины, организованные по тому же принципу, что и развивающие коврики для детей более младшего возраста, но являющиеся более надежными, поскольку вся электроника расположена в коробке (рис.2(б)). Такие игры также обладают рядом недостатков: ограниченное число вопросов (которые очень быстро выучиваются игроками), фиксированные варианты ответов.

5. (а) (б)

6. Рисунок 2. Примеры обучающих игр

В своем предыдущем исследовании [5] автором проведено изучение игр-викторин и предложено приложение с пополняемым набором вопросов. Известен и ряд проектов других авторов, посвященных повышению грамотности учащихся в области ПДД, например, [6]. В проекте [6] автором приводится обучающая игра, однако в игре не проверяется уровень усвоения знаний правил дорожного движения. В работе [7] предлагается настольная игра, но проверка правильности выполнения заданий в ней лежит на организаторе (учителе). Целью настоящей работы является изучение возможности создания технологичного интерактивного обучающего стенда, в котором в качестве учителя, задающего вопросы и проверяющего правильность ответа на них является робот. В работе [8] педагог обосновывает использование для обучения детей ПДД различные виды игр и наглядных пособий, однако в ее работе так же не рассмотрена возможность использования современных технологичных средств для видуализации происходящего на дороге.

Исследование знаний правил дорожного движения учениками начальной школы

Целью исследования является выявление наиболее проблемных правил, которые чаще всего нарушаются школьниками. Аналогичное исследование проведено в [7], однако автором этой работы не выявлены наиболее проблемные правила, а исследованы общие вопросы: соблюдаются ли правила в целом.

В качестве предмета исследования выбраны ситуации, которые наиболее часто происходят рядом со школой. Филиал МБОУ «Лицея №11» г. Челябинска расположен в квартале, ограниченном оживленной улицей Худякова с напряженным движением в часы пик (8 полос для движения в обоих направлениях) и примыкающими улицами Лесопарковой (4 полосы в обоих направлениях) и Татьяничевой (2 полосы). Фасад лицея расположен вдоль улицы Худякова, и от ул. Татьяничевой до ул. Лесопарковой установлен знак 3.28 «Стоянка запрещена». Данный знак запрещает стоянку автотранспорта на данном участке дороги (парковку). Стоянкой считается любая остановка, которая длится более 5 минут. Знак «Стоянка запрещена» запрещает стоянку транспортного средства на время более 5 минут по причинам, не связанным с посадкой или высадкой пассажиров либо загрузкой или разгрузкой автомобиля. В таблице 1 приведены ситуации, наиболее часто случающиеся в том числе и на описанном перекрестке. Среди учеников 3в класса (в тот момент на уроке присутствовало 18 человек) проведен опрос, в котором было предложено отметить ситуации, в которых не нарушаются правила дорожного движения. В третьем столбце таблицы приведено количество правильно ответивших на каждый из вопросов.

8. Результаты опроса показывают, что ученики хуже всего знают о возможности завершения маневра любым из участников движения и обязанностях других участников движения дать возможность завершить этот маневр.

9. Не всем ученикам известно, что необходимо при возможности выходить из транспортного средства со стороны, где не осуществляется движение, что время посадки и высадки ограничено, и что запрещено останавливаться на местах для инвалидов (если водитель не инвалид) и пешеходных переходах.

10. Правила движения для велосипедистов также знают далеко не все, поскольку переезжающий дорогу курьер, спортсмен, родитель или кто-нибудь еще – наглядная демонстрация того, что так делать можно. А наглядная информация запоминается лучше всего.

Описание проекта

11. Дорожная карта проекта приведена на рис.3. Проект является комплексным и подразумевает проведение ряда исследований. На текущем этапе изучена актуальность разработки стенда, исследованы аналогичные разработки, спроектирован, собран и протестирован на ряде примеров прототип из конструктора Lego. Описание прототипа приведено в следующем разделе.

12. Рисунок 3. Дорожная карта выполнения проекта по созданию интерактивного стенда

13. Финальной целью проекта является создание интерактивного стенда, состоящего из следующих элементов:

14. 1. Поле для расстановки фигур (город),

15. 2. База данных с различными ситуациями на дороге, из которых ведущий может составлять различные задания.

16. 3. Мобильное приложение, которое устанавливается на телефон обучающегося. Телефон фиксируется на штативе, входящем в комплект стенда.

17. Описанный стенд функционирует следующим образом. С помощью мобильного приложения ведущий (учитель) составляет задание для игрока (обучающегося), заключающееся в расстановке фигур на поле и выполнении действий в указанные промежутки времени. После завершения расстановки фигур обучающийся запускает в приложении режим проверки. Через встроенную камеру смартфона в приложение поступает информация о текущей расстановке фигур и действиях обучающегося. Происходит сравнение выполненных действий с правильными ответами, выдается правильный ответ и рассчитывается количество очков, набранных обучающимся за правильные ответы. Рейтинг обучающегося может быть сохранен в приложении и использован в дальнейшем для сравнения с результатами других обучающихся.

Сборка, программирование и тестирование прототипа

Рассмотрим процесс создания автоматического стенда для обучения детей правилам дорожного движения в игровой форме. Стенд представляет собой собранную из деталей конструктора LEGO платформу с моделями домов, машин, пешеходов, светофоров, образующими перекресток с обозначенными пешеходными переходами, стоянками для автомобиля и т.д.

Основной частью стенда является камера технического зрения (Pixy-камера), установленная на определенной высоте, чтобы она могла захватить перекресток и ближайшие макеты зданий в кадр. Камера неподвижно фиксируется на штанге, собранной из деталей конструктора LEGO Mindstorms EV3 45544, а сама штанга жестко прикрепляется к микроконтроллеру EV3 (рис. 4).

Рисунок 4. Штанга-штатив для Pixy-камеры

Внешний вид перекрестка приведен на рис.5.

Основной принцип, по которому происходит проверка правильности выполнения заданий на стенде: (1) поиск цветовых пятен, обозначающих пешеходов и машины; (2) определение местоположения объектов; (3) сравнение с координатами ключевых точек в кадре.

Pixy-камера хорошо распознает яркие цвета, поэтому каждая машина на стенде имеет яркую однотонную расцветку. Мини-фигурки пешеходов также имеют однотонную раскраску (на рис.5 пешеход собран из желтых деталей).

Рисунок 5. Перекресток. Вид сверху

Поскольку камера закреплена неподвижно, можно определить координаты ключевых точек: перекрестка и автомобильной стоянки. Для этого Pixy-камера подключается к компьютеру и изображение выводится на экран через приложение Pixymon v2. Разрешение видеокадра в приложении – 320 × 240 пикселей. Горизонтальная ось – координаты x, вертикальная – координаты y. Начало координат находится в левом верхнем углу кадра. Чтобы получить координаты, достаточно навести курсор в интересующую точку кадра. Координаты точки отобразятся в правом нижнем углу под видеокадром. Необходимо сохранить координаты перекрестка и стоянки для последующего использования в программе. На рис.6 отмечены области, в которых камера будет проверять наличие объекта.

Рисунок 6. Области, в которых камера определяет наличие пешехода или автомобиля

В ходе опроса было выяснено, что у детей возникают сложности с понятиями «стоянка» и «остановка», а также с понятием «завершение маневра». Таким образом, это первые функции, которые были реализованы в стенде.

В настоящий момент прототип стенда работает по следующему принципу (рис.7). После расстановки фигурок пешеходов, автомобилей и установки цвета светофора, камера распознает расположение объектов и проверяет выполнение одного из трех сценариев:

1. пешеход переходит дорогу на красный свет:

Раздается звук, когда пешеход находится на перекрестке

2. пешеход завершает маневр на зеленый свет:

Раздается звук, когда горит зеленый свет, и пешеход не двигается более 20 секунд

3. автомобиль припарковался в зоне действия знака 3.28 «Стоянка запрещена»:

Раздается звук, когда автомобиль находится на стоянке и прошло больше 5 секунд

Реализация этих условий возможна в среде программирования EV3-G. Это программное обеспечение, которое поставляется в комплекте с конструктором Lego Mindstorms EV3. Среда создана на основе LabVIEW и позволяет программировать контроллеры NXT и EV3 на языке G [9].

На рис.7 представлен фрагмент программы, реализующий проверку наличия машины на стоянке.

Рисунок 7. Схема функционирования прототипа

На рис.8 представлен фрагмент программы, который реализует работу с пешеходом на перекрестке. Верхняя ветка отвечает за пешехода, задерживающегося на перекрестке на зеленый сигнал, нижняя – за пешехода, вышедшего на красный.

Рисунок 8. Проверка наличия машины на стоянке

Рисунок 9. Фрагмент программы, отвечающий за проверку нахождения
пешехода на перекрестке

Использование результатов проекта

Функционирование собранного в ходе работы прототипа было продемонстрировано участникам опроса, приведенного в п. 2. Были показаны возможности стенда и совместно решены несколько заданий. После демонстрации ученикам вновь было предложено ответить на те же самые вопросы. В отличие от первого эксперимента, когда ответы на вопросы давались без предварительной подготовки, сейчас ученикам были наглядно продемонстрированы проблемные ситуации из вопросов 5 и 11. В таблице 2 приводятся результаты повторного опроса той же группы учеников 3 класса. Жирным отмечены вопросы, на которые количество верных ответов после проведения демонстрации стенда увеличилось.

Из таблицы видно, что практические вопросы о соблюдении ПДД вызывают затруднения даже при визуальной демонстрации. Следует отметить, что количество верных ответов несколько увеличилось для ряда вопросов о завершении маневра (5, 6, 9), вопросы о правилах остановки и высадки пассажиров 7, 8 и 10 оказались усвоены. Тем не менее, вопрос о времени стоянки (11) до сих пор вводит детей в заблуждение. Скорее всего, проблемы с ответом на этот вопрос связаны с особенностями организации стоянки рядом с Лицеем. Также вызвали некоторые затруднения и вопросы о правилах движения велосипедистов (1–3): наглядная демонстрация несоблюдения данного правила в данном случае работает эффективнее.

Таким образом, выдвинутая гипотеза о возможности создания технологичного обучающего стенда-игры с целью поднятия уровня знаний основных правил дорожного движения нашла свое подтверждение.

Заключение

Результаты проведенных исследований показывают, что выдвинутая гипотеза нашла свое подтверждение: визуальная демонстрация с помощью высокотехнологичного стенда позволяет обратить внимание на такую с одной стороны важную, с другой – поднадоевшую тему, как соблюдение Правил дорожного движения. Составлена дорожная карта долгосрочного проекта, предусматривающего создание игрового поля (города), базы данных игровых ситуаций (заданий), мобильного приложения для составления заданий и проверки правильности их выполнения с использованием алгоритмов машинного обучения для распознавания изображения.

В данной работе предложен прототип такого стенда, собранный с помощью конструкторов Lego. Для распознавания ситуации на игровом поле использована Pixy-камера. Прототип стенда позволяет распознать три ситуации: завершение маневра пешеходом, переход на красный свет и нарушение правил стоянки. Результаты разработки прототипа и проведенный опрос среди учеников начальной школы демонстрируют, что подобные визуализации происходящего хорошо воспринимаются современными школьниками и позволяют эффективно запоминать предлагаемую информацию.

Отсюда очевидным образом вытекают направления дальнейших исследований:

• разработка полностью автоматизированного прототипа (светофор с переключателем, использование датчиков движения и касания),

• усложнение заданий для пользователя,

усовершенствование программы с целью автоматизации определения ситуации, происходящей в области зрения камеры.

Список литературы

1. Госавтоинспекция. Официальный сайт [Электронный ресурс] // URL: https://госавтоинспекция.рф/mens/pravo-peshehoda (дата обращения 21.03.2025).

2. Обязанности пассажиров [Электронный ресурс] // URL: https://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_2709/ebac29ce89bbf83c3390095a126a259f746a0cb8/ (дата обращения 21.03.2025).

3. Дополнительные требования к движению велосипедистов, водителей мопедов и лиц, использующих для передвижения средства индивидуальной мобильности [Электронный ресурс] // URL: https://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_2709/b11240808fefa9a32c03b5b7c81829af379a790e/ (дата обращения 21.03.2025).

4. В Челябинской области в ДТП в 2024 году погибли 11 детей [Электронный ресурс] // URL: https://www.kommersant.ru/doc/7247658 (дата обращения 21.03.2025).

5. Макаровских, Е.А. Приложение для генерации вопросов квеста для игры-бродилки / Е.А. Макаровских [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://school-science.ru/24/4/61024

6. Маричева, Н.А. Опасные ситуации на дорогах. Знатоки ПДД (урок в 5 классе) / Н.А. Маричева [Электронный ресурс] // Старт в науке. 2025. № 1.; URL: https://science-start.ru/ru/article/view?id=2448 (дата обращения: 03.05.2025).

7. Смирнова, Ю.А. «Дорога безопасности» игра по безопасности дорожного движения «Твой путь – школа – дом» / Ю.А. Смирнова [Электронный ресурс] // Старт в науке. 2023. № 1.; URL: https://school-science.ru/3/16/32385 (дата обращения: 03.05.2025).

8. Панькина О.И. Использование инновационных подходов в работе с детьми по изучению ПДД [Электронный ресурс] // URL: https://nsportal.ru/detskiy-sad/raznoe/2022/06/19/ispolzovanie-innovatsionnyh-podhodov-v-rabote-s-detmi-po-izucheniyu (дата обращения 03.05.2025).

9. Мордвинов, Д.А. Сравнение образовательных сред визуального программирования роботов / Д.А. Мордвинов, Ю.В. Литвинов // Компьютерные инструменты в образовании, 2016. № 3: С. 32–49.

10. Макаровских Е.А. Исходный код для контроллера и крупноблочная инструкция [Электронный ресурс] // https://gitverse.ru/Makarovskikh/Pixikrestok/content/master (дата обращения 23.10.2025).

Приложения

Таблица 1. Вопросы первичного опроса, правильные ответы и процент верно ответивших

Таблица 2. Результаты повторного опроса учеников начальной школы