Одной из ключевых проблем в России является недостаточная обеспеченность инженерными кадрами в условиях текущей демографической ситуации, а также низкого статуса инженерного образования при выборе будущей профессии выпускниками школ. Сейчас необходимо активно начинать популяризацию профессии инженера. Детям нужны образцы для подражания в любой области, в частности в инженерной деятельности.
Развитие робототехники, появление различных электронных приборов упрощает и улучшает повседневную жизнь человека. Информационные технологии вызывают у обучающихся интерес к техническому творчеству и разработке собственных устройств, стимулируют проявление у молодого поколения интереса к науке, технике, инициативности, творческого мышления, способности к нестандартным решениям, привлекают детей и подростков к занятиям научными изысканиями и творчеством.
В настоящий момент существуют необходимость в обучении работы с микроконтроллерной техникой для поддержания и развития познавательной, исследовательской и экспериментальной деятельности школьников в области разработки и программирования электронных устройств. Основным задерживающим фактором является недостаток теоретических знаний учащихся в области электроники и программирования микроконтроллерной техники.
Школьники, территориально проживающие вдали от районного центра зачастую лишены такой возможности, так как организация дополнительного образования на местах требует наличия в штате узких специалистов и сложной дорогостоящей техники, чего зачастую не бывает. Для решения это проблемы в 2014 году на базе ГАУДО МО “МОЦДО “Лапландия” была разработана дополнительная общеобразовательная программа «Робонавтика: мир Arduino» (дистанционная)» направленная то, чтобы сформировать теоретическую базу знаний у учащихся в этой области инженерно-технического творчества и способствовать реализации их образовательных потребностей в области разработки различного вида робототехнических конструкций по средством дистанционных образовательных технологий.
Цель программы заключается в удовлетворении образовательных потребностей учащихся в области теоретических знаний в сфере электроники, алгоритмизации, программирования и конструирования автоматизированных комплексов на базе микроконтроллера Arduino, средствами дистанционного обучения.
Программа включает теоретическую часть и практические задания. Отличительной особенностью данной программы является её практико-ориентированная направленность. В содержание программы включены материалы и задания творческого, аналитического характера, практические занятия. Программа призвана помочь осуществлению выпускниками осознанного выбора путей продолжения образования и выбора будущей профессиональной деятельности.
В содержании программы условно можно выделить три направления:
- формирование представлений о роли микроэлектроники в современном обществе, преимуществах автоматизации управления;
- формирование знаний об физических принципах функционирования автоматизированных систем и других устройств на основе микроконтроллерной техники;
- развитие умений объяснять, конструировать, анализировать и электрические схемы, программировать микроконтроллерную технику.
Срок реализации программы 3 года, возраст учащихся от 14 до 17 лет, программа рассчитана на 36 часов в год.
Для успешного усвоения программы желательно:
- знание базового курса физики за 8 класс, по разделу «Электричество» и базовые понятия курса информатики, особенно раздела «Алгоритмизация и программирование»;
- умения самостоятельно работать с дополнительными источниками информации;
- иметь навыки работы с ПК, электронной почтой, Internet.
Содержание программы представлено в виде несколькими взаимосвязанными модулями.
Модуль 1. Основы электроники.
Тема 1. Основные понятия электроники.
Электрические цепи и переключатели, электрические схемы и переключатели, измерение напряжения, резисторы и падение напряжения, измерение тока и закон Ома. Электромагнитные явления (электромагнит, реле, двигатель постоянного тока, шаговый двигатель).
Тема 2. Полупроводниковые приборы.
Строение и принцип действия диодов, светодиодов, транзисторов. Изучение свойств полупроводниковых приборов под воздействием различных факторов (свет, электрический ток, давление). Интегральные микросхемы.
Модуль 2. Основы программирования микроконтроллеров.
Тема 3. Алгоритмизация и программирование.
Основные алгоритмические конструкции. Язык программирования Wiring. Среда разработки Arduino.
Тема 4. Программирование микроконтроллеров.
Программирование микроконтроллеров семейства Arduino с помощью языка программирования Wiring в среде разработки Arduino: аналоговые и цифровые сигналы, прием и передача сигнала, виртуальный порт.
Модуль 3. Прием и передача информации с помощью микроконтроллера
Тема 5. Генераторные датчики.
Содержание темы: генераторные датчики осуществляющие непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал (термопара, пьезоэлектрический датчик, индукционный датчик).
Тема 6. Параметрические датчики.
Параметрические датчики осуществляющие преобразование входной величины в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или С) датчика (емкостные, индуктивные, резистивные датчики).
Модуль 4. Разработка автоматизированных устройств.
Тема 7. Программирование базовых модулей Arduino.
Модули для Arduino, расширяющие возможности микроконтроллера, позволяющие упростить прием и передачу информации между устройством и пользователем.
Тема 8. Программирование робота
Разработка роботизированной конструкции и программирование автономного управляемого устройства на основе микроконтроллеров семейства Arduino.
Модуль 5. Подключение и программирование модулей Arduino.
Тема 9. Программирование сложносоставных модулей Arduino.
Сложносоставные устройства включающие в свой состав несколько модулей Arduino, расширяющие возможности создания автономного управляемого устройства на основе микроконтроллера. Изучение методов организации беспроводных каналов передачи информации.
Тема 10. Разработка приложения для аппаратно-программной платформы.
Разработка приложения для аппаратно-программной платформы с использованием LCD дисплея и устройств ввода-вывода.
Модуль 6. Разработка аппаратно-программных приложений с визуальным интерфейсом.
Тема 11. Разработка приложений с визуальным графическим интерфейсом.
Изучение методов и средств разработки визуального графического интерфейса.
Тема 12. Разработка приложения с визуальным интерфейсом для управления микроконтроллером.
Управление роботизированной конструкцией с помощью приложения с визуальным интерфейсом.
Работа по данной программе реализуется совместно с двумя учебными учреждениями МБОУ СОШ №19 г. Заполярный и МБОУ “Хибинская гимназия” г. Кировск. Обе площадки для проведения занятий закупили оборудование, на котором учащиеся индивидуально (максимум в парах) выполняют учебные задания.
В каждом учебном заведении есть куратор, учитель который помогает в организации учебного процесса (собирает детей, выдает оборудование, ведет диалог с ведущим педагогом, организует канал связи и пр.).
Хочется отметить некоторые достижения учащихся, например, в 2016-2017 учебном году обучающиеся приняли участие:
- в фестивале научно-технического творчества «Юные инженеры Арктики» (сертификаты участников), ГАУДО МО “МОЦДО “Лапландия”, январь 2017
- в Региональном научно-практическом семинаре «Разработка и эксплуатация нестандартного оборудования, подключаемого к ПК», (свидетельство участников), ФГБОУ ВО «МАГУ», апрель, 2017.
- соревнованиях по робототехнике в рамках «Студенческой научно-технической конференции (СНТК)» ФГБОУ ВО «МГТУ», (первое место в номинации “следуй по линии”, третье место в номинации “ралли”), апрель 2017
На основании представленных выше результатов деятельности обучающихся можно говорить об успешности реализации данной дополнительной образовательной программы. Это свидетельствует о том, что работа по программе может быть использована для развития инженерно-технического творчества у обучающихся живущих на отдаленных территориях.
Библиографический список
- Брага Н.С. Создание роботов в домашних условиях. / Н.С.Брага. – М.: НТ Пресс, 2007. – 368 с.
- Массимо Б. Arduino для начинающих волшебников. / Пер. с англ. под ред. М. Райтман. – М.: Рид Групп, 2012. – 128 с.
- Матаев Г.Г. Компьютерная лаборатория. – Мурманск: МГПИ, 1998. – 292 с.
- Предко М. 123 эксперимента по робототехнике. / пер. с англ. Попова В.П. – М.: НТ-Пресс, 2007. – 544с.
- Соммер У. Программирование микроэлектронных плат Arduino/Freeduino. – СПб.: БХВ-Петербург, 2012. – 256 с.