Общеобразовательная общеразвивающая программа «Роботопроектированиена Ардуино»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Учхозская средняя общеобразовательная школа» Краснослободского муниципального района Республики Мордовия

Общеобразовательная общеразвивающая программа

«Роботопроектирование»

Направленность: техническая

Уровень: стартовый

Возраст учащихся: 11-17лет

Объем: 72 часов

Срок реализации: 1 год (72часа)

Авторы-составители:

Бахарев Ю.В. учитель информатики , первая категория

Преображенский - 2020

Оглавление

Пояснительная записка 3

Актуальность. 3

Направленность: 3

Новизна образовательной программы. 4

Педагогическая целесообразность 4

Отличительные особенности программы: 4

Объем программы 72 часов. 4

Наполняемость групп 15 человек. 4

Возраст обучающихся 11-17 лет 4

Форма и режим занятий 4

Формы занятий: 4

Цель и задачи программы 5

УЧЕБНЫЙ ПЛАН 7

Календарно-тематический план 8

Содержание программы дополнительного образования 10

Комплекс организационно-педагогических условий 15

Формы аттестации и оценочные материалы 15

Способы определения результативности: 15

Формы аттестации: 15

Условия реализации программы 15

Материально-техническое обеспечение 15

Описание набора 16

Состав набора: 16

Методические материалы 21

Список литературы 22

Пояснительная записка

Современное общество стоит на пороге очередной промышленной революции. Она характеризуется распространением новых промышленных явлений, основанных на информационных технологиях. Это 3Д-печать, большие данные, интернет вещей, виртуальная и дополненная реальность, ну конечно же широкое внедрение робототехники во все сферы жизни. Новая промышленная революция — это активное слияние информационных технологий и реального физического мира, т.е. создание киберфизических систем как в промышленности, так и в быту. Такие киберфизические системы уже сейчас стали основным направлением деятельности ученых и инженеров во всех развитых странах мира. Успехи в этой сфере будут определять технологическое лидерство, а вместе с ним и уровень экономического развития, благосостояние того государства, в котором разрабатывается и производятся такие высокотехнологические продукты.

Робота проектирование - это проектирование и конструирование всевозможных интеллектуальных механизмов - роботов, имеющих модульную структуру и обладающих мощными микропроцессорами. Робототехника опирается на электронику, механику и программирование.

Программа позволяет организовать обучение детей в области научно-технического творчества, робототехники, мехатроники.

В рамках программы допускается работа по индивидуальным образовательным маршрутам с одаренными детьми и детьми с ограниченными возможностями здоровья.

Для обучающихся с ограниченными возможностями здоровья, детей-инвалидов образовательный процесс по программе реализуется с учетом особенностей психофизического развития указанных категорий обучающихся

Актуальность. Актуальность программы заключается в том, что знания и умения, необходимые для организации учебно-исследовательской деятельности, пригодятся для реализации школьных проектов. Программа позволяет реализовать и такие актуальные в настоящее время подходы, как компетентностный, личностно-ориентированный и деятельностный.

Направленность: техническая.

Уровень освоения – стартовый.

Новизна образовательной программы. Новые образовательные технологии и методики, позволяющие решить существующие проблемы в ранней профориентации, дополнительном образовании в области робототехники, системной инженерии, научно-техническом творчестве детей и подростков.

Педагогическая целесообразность заключается в том, чтобы расширить имеющиеся знания в области информационных технологий, робототехники, способствовать систематизации полученных знаний по данным направлениям; способствовать внедрению информационных технологий с учетом задач физического и эмоционального развития; способствовать ранней профессиональной ориентации школьников, формированию готовности к ответственному и осознанному выбору своей будущей профессии, ознакомление школьников с теми специальными знаниями и умениями, которые необходимы в профессиональной деятельности по компетенции мехатронике, робототехнике, системной инженерии, интернету вещей.

Отличительные особенности программы:

• прямое взаимодействие с ведущими специалистами и инновационными компаниями;

• уникальность программы подготовки детей по новой профессии «Робототехнические системы

• проведение научно-практической конференции и соревнований

Объем программы 72 часов.

Наполняемость групп 15 человек.

Возраст обучающихся 11-17 лет

Форма и режим занятий

Формы занятий:

• практические занятия;

• теоретические занятия;

• самостоятельная работа, творческие конкурсы, проектные работы;

• научно-практическая конференция;

• соревнования по робототехническим и инженерным дисциплинам.

Формы организации деятельности: индивидуальные, групповые.

Методы обучения:

• вербальные;

• наглядные;

• практические;

• аналитические.

Цель и задачи программы

Цель программы: развитие у детей прикладных знаний и навыков в области робототехники, научно-технического творчества.

Задачи программы:

Обучающие:

• освоение работы с микрокомпьютерами, датчиками, исполнительными устройствами;

• получение знаний по разработке, тестированию, отладке и продвижению цифровых приложений;

• приобретение навыков безопасного, правильного использования любого технологического оборудования;

• популяризация достижений отечественной и мировой науки;

• приобретение навыков защиты выполненных проектов.

Развивающие:

• аскрытие потенциала обучающихся в процессе работы с современными технологиями;

• профессиональная ориентация молодежи в сфере техники и технологий;

• развитие у обучающихся интереса к глубокому изучению основ наук, проектной и исследовательской деятельности;

• развитие у обучающихся инженерно-технологических компетенций, навыков и умений.

Воспитательные:

• содействие профессиональному самоопределению, личностному и профессиональному развитию;

• привитие чувства гражданственности, ответственности, патриотизма;

• содействие свободному ориентированию обучающихся в инновационных технологиях настоящего и будущего, проникающих во все сферы жизни современного человека;

• формирование у обучающихся понимания ценности научных знаний для каждого человека и общества в целом;

• формирование отношения сотрудничества, содружества и толерантности в детском коллективе и во взаимодействии со взрослыми: научиться уважать чужое мнение, слушать и говорить, работать в группе.

УЧЕБНЫЙ ПЛАН

Календарно-тематический план

Содержание программы дополнительного образования

Тема 1. «Введение» (2 часа).

Теория (1 час): Введение в робототехнику. Роботы. Введение в историю робототехники. Микроконтроллер. Плата Ардуино. Основы программирования в Arduino.

Практика (1 час): Управление светодиодом с Arduino. Мигание светодиодом, изменение времени его включения/выключения, управление им по программе

Тема 2. «Основы программирования контролеров Ардуино» (4 часа)

Теория (2 час): Понятия программы и алгоритма. Условия, циклы, функции. Среда разработки приложений. Среда разработки приложений для микроконтроллера Arduino. Язык C/C++. Структура программы. Операторные скобки. Константы. Комментарии. Управление цифровым входом/выходом. Случайные числа. Переменные. Присваивание. Арифметические операции и математические функции. Условный оператор. Операторы сравнения. Циклы. Кодирование информации. Двоичное кодирование. Кодирование информации с помощью светодиодов.

Практика (2 часва): Разработка алгоритма функционирования светофора на разноцветных светодиодах. Изучение среды разработки приложений. Создание схемы с одним, двумя, тремя и т.д. светодиодами. Программное управление последовательностью включения светодиодов и временем их горения. Создание модели, описывающей работу ёлочной гирлянды. Управление включением/выключением светодиодов, подключённых к Arduino. Создание и контроль счётчиков включений светодиодов. Создание кодовой таблицы, используя последовательность светодиодов и кодового табло из светодиодов. Программное управление передачей закодированного сообщения.

Тема 3. Знакомство с контроллером Ардуино

Теория(5часов). Что такое сигналы. Какие виды сигналов существуют. Устройство аппаратной платформы Arduino: Atmega 328 и FT232. . Изменение яркости светодиода с помощью широтно-импульсной модуляции с помощью функций delay() и analogWrite(). Управление RGB-светодиодом. Создание генератора цветов радуги с помощью Ардуино, потенциометра и RBG-светодиода. Переменные резисторы. Фоторезистор. Применение. Звук. Громкоговорители. Пьезоэлектрический эффект. Пьезокерамические излучатели (пьез излучатели). Генерирование звука на пьез излучателе. Таблица соответствия частоты и нот. Последовательность нот как массив элементов. Массивы. Интерфейс человек-машина. Миниатюрное механическое устройство для передачи сигнала (ввода информации). Пример подключения кнопки к контроллеру Arduino. Функции связи микроконтроллера с компьютером. Счётчик нажатий на кнопку. Функции связи микроконтроллера Arduino с компьютером. Датчики давления. Тензорезистор. Принцип действия, применение. Тензостанция. Системы защиты и контроля. Система контроля открытия дверей. Единицы измерения температуры. Датчики температуры. Цифровые датчики. Интерфейс 1-Wire. Схема подключения датчика к Arduino.

Практика (5 часов). Работа с цифровыми и аналоговыми сигналами на примере датчиков освещенности и расстояния. Подключение сервомотора. Управление углом поворота сервомотора в зависимости от значения, полученного с датчика расстояния. Мониторинг цифровых показаний с фоторезистора с помощью монитора последовательного интерфейса. Поиск коэффициента перевода сопротивления фоторезистора в цифровой код. Схема управления включением светодиода в зависимости от окружающей освещённости. Изучение модели системы управления автоматическим включением/выключением освещения. Изучение соответствия нот и частот. Изучение работы прототипа музыкальной открытки (шкатулки). Подключения управляющей кнопки к микроконтроллеру. Счётчик нажатий на кнопку. Изучение и программное решение проблемы дребезга контактов. Изучение системы ввода информации, использующей всего 2 кнопки. Контроль показаний тензодатчика и управление светодиодами, в зависимости от показаний. Создание модели цифрового силомера (в зависимости от силы нажатия на датчик загораются несколько светодиодов). Программный контроль температурного режима.

Тема 4. «Основы проектирования и моделирования электронного устройства на базе Ардуино (28 часов).

Теория(14 часа). Цветовая модель. Цветовые модели. Аддитивная цветовая модель. RGB-куб. Смешение цветов (синтез). Широтно-импульсная модуляция (PWM). Создание схемы для модели «Декоративный светильник». Цикл со счётчиком. Жидкокристаллический дисплей (LCD). Характеристики. Подключение символьного дисплея к микроконтроллеру. Основные команды для вывода информации на экран дисплея. Семисегментный индикатор.

Двигатель постоянного тока. Конструкция и принцип работы. Транзисторный мост Н-типа. Драйвер двигателей. Сервоприводы. Состав. Рулевая машинка (сервомашинка). Характеристики. Применение. Электродвигатели постоянного тока. Способы управления мощной нагрузкой. MOSFET-транзистор. Управление электродвигателем.

Алгоритм движения по линии по двум датчикам линии. Кубический алгоритм. Возможность накопления ошибки и оценки скорости ее изменения. Подключение мотора постоянного тока к Arduino.

Практика (14 часов). Создание и тестирование алгоритма работы устройства с несколькими датчиками работающего полностью на основе их показаний. Создание моделей светофора. Создание модели музыки света, на основе RGB- светодиода. Программное управление работой четырехразрядного 7-сегментовогоцифрового индикатора.. Изучение аддитивной цветовой модели и синтеза цветов. Работа с символьным жидкокристаллическим дисплеем. Вывод информации на экран дисплея. Бегущая текстовая строка. Вывод показаний на семисигментный индикатор.

Создание и тестирование алгоритма работы устройства с несколькими датчиками работающего полностью на основе их показаний.. Практическая работа по использованию функции для поворота мотора от 0 до 180° и наоборот. Создание модели пульта управления робота (используя кнопки и сервомоторы).

Тема 5. «Основы проектирования роботизированных технических систем (28 часов).

Теория (14 часов). Создание программ управления работой различных моделей светофора. Реализация классических алгоритмов работы со строковыми переменными (палиндром, счастливый билет). Двигатель постоянного тока. Конструкция и принцип работы. Транзисторный мост Н-типа. Драйвер двигателей. Сервоприводы. Состав. Рулевая машинка (сервомашинка). Характеристики. Применение. Электродвигатели постоянного тока. Способы управления мощной нагрузкой. MOSFET-транзистор. Управление электродвигателем. Алгоритм движения по линии по двум датчикам линии. Кубический алгоритм. Возможность накопления ошибки и оценки скорости ее изменения.. Разработка алгоритмов ориентации в пространстве по датчику расстояния. Разработка алгоритмов ориентации в пространстве по датчику расстояния. Подключение мотора постоянного тока к Arduino. Практическая работа по использованию функции для поворота мотора от 0 до 180° и наоборот. Создание модели пульта управления краном погрузчика (используя кнопки и сервомоторы).

Практика (14 чассов). Подключение мотора постоянного тока к Arduino. Практическая работа по использованию функции для поворота мотора от 0 до 180° и наоборот. Создание модели пульта управления робота (используя кнопки и сервомоторы). Установка моторов на шасси. Подключение моторов к драйверу двигателей. Написание программы для движения робота вперед, назад, влево и вправо. Алгоритмы перемещения робота по квадрату, кругу и треугольнику. Создание и тестирование следователя по линии. Сборка и испытание робота

1.4. Планируемые результаты

В результате обучения по программе у обучающиеся сформируются: технологическая грамотность, навыки конструирования, моделирования, программирования, интерес к дальнейшему познанию и научно-техническому творчеству, знание современных инновационных технологий и умение применять их на практике.

Программы курса ориентирована на первичное освоение обучающимися следующих универсальных и специальных компетенций по профессии специалист по обслуживанию систем Интернета вещей:

Универсальные компетенции (общее развитие):

• выбирать способы решения задач профессиональной деятельности, применительно к различным контекстам;

• организовывать собственную деятельность, исходя из цели и способов ее достижения;

• анализировать рабочую ситуацию, осуществлять текущий и итоговый контроль, оценку и коррекцию собственной деятельности, нести ответственность за результаты своей работы;

• осуществлять поиск информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач;

• пользоваться профессиональной документацией;

• использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности;

• работать в команде, эффективно общаться с коллегами;

• планировать собственное профессиональное и личностное развитие.

Специальные компетенции:

• определять основной функционал реализуемого на объекте решения;

• определять соответствие проектируемого решения требованиям технического задания;

• определять спецификацию технического решения;

• корректно размещать и подключать датчики и исполнительные устройства к РБТС;

• локальное программировать и настраивать используемое оборудование (контроллер);

• сетевое подключение используемого локального инженерного оборудования;

• настройка сетевого взаимодействия локального оборудования и облачного приложения.

• настройка возможностей автоматической работы системы в рамках программируемых параметров;

• реализация основного функционала объекта в виде 8 функциональных решений с использованием линейных, условных и вариативных условий в соответствии с техническим заданием на реализацию;

• выявление несоответствия реализуемых функций предоставленному ТЗ и возможностей оперативных изменений;

• поиск возможных неисправностей в работе системы;

• выполнение дополнительного технического задания.

Учащиеся познакомятся с новой профессией «инженер-робототехник»

Комплекс организационно-педагогических условий

Формы аттестации и оценочные материалы

Способы определения результативности:

• педагогическое наблюдение;

• результаты промежуточного тестирования на предмет усвоения материала;

• защита проектов;

• участие воспитанников в мероприятиях (соревнованиях, конференции);

• решение задач поискового характера;

• активность обучающихся на занятиях.

Формы аттестации: самостоятельная работа, зачет, соревнования, презентация творческих работ, самоанализ, защита проектов на научно-практической конференции, выявление лидеров и награждение.

Условия реализации программы

Материально-техническое обеспечение

Материально техническое обеспечение для реализации программы на одно рабочее место – два обучающихся:

1. Расширенный набор Робот+(Программируемые контроллеры)

2. Локальная сеть (провод), с доступом в интернет

3. Персональные компьютеры -5 шт.

Описание набора

Состав набора:

• ПО для компетенции «Роботтехника»

• Платы Ардуино

Методические материалы

Обеспечение программы методическими видами продукции (разработки игр, бесед, походов, экскурсий, конкурсов, конференций и т. д.);

1. Перед началом курса преподаватель-мейкер проводит беседу с целью краткого изложения курса

2. Имеется комплекс игр по тимбилдингу. В ходе игр возможно определение роли участников проекта;

3. Рекомендуется посещение конференция для ознакомления с форматом их проведения и непосредственного участия;

4. Имеется набор УМК, каждый из которых обеспечивает методическим материалом различные этапы проекта;

Рекомендации по проведению лабораторных и практических работ, по постановке экспериментов или опытов и т. Д.

1. Рекомендуется подробное изучение системы облачных приложений ThingSpeak;

2. Требуется знание по работе с платформой Arduino;

3. Необходимо проверить все компоненты проекта;

4. Каждый этап проекта по работе с отдельными компонентами должен быть произведен независимо от других этапов, каждый схема этапа разбирается до следующего этапа;

Дидактический и лекционный материалы, методики по исследовательской работе, тематика опытнической или исследовательской работы и т. д.

1. В ходе работы над проектом рекомендуется использовать материалы сайтов arduino.ru, arduino.cc, amperka.ru;

2. К изучению предлагается теоретический материал, полученный на занятиях по платформе Arduino;

3. Материалы и техническую документацию по компонентам можно найти на сайте производителей.

Список литературы

4.1. Список использованной литературы

1. Блум Д. Изучаем Arduino. Инструменты и методы технического волшебства - М.: БХВ-Петербург, 2015.

2. Голованов В.П. Методика и технология работы педагога дополнительного образования: учеб. пособие для студ. учреждений сред.проф. образования. — М.: Владос, 2004.

3. Евладова Е., Логинова Л., Михайлова Н. Дополнительное образование детей. – М.: Владос, 2004.

4. Петин В. Проекты с использованием контроллера Arduino – М.: БХВ-Петербург, 2015.

5. Роуз Д. Будущее вещей. Как сказка и фантастика становятся реальностью. – М.: Альпина нон-фикшн, 2015.

6. Marco Schwartz. Internet of Things with the Arduino Yún. – Packt Publishing Ltd, 2014.

4.2. Список литературы, рекомендованной обучающимся

1. Блум Д. Изучаем Arduino. Инструменты и методы технического волшебства - М.: БХВ-Петербург, 2015.

2. Петин В. Проекты с использованием контроллера Arduino – М.: БХВ-Петербург, 2015.

3. Роуз Д. Будущее вещей. Как сказка и фантастика становятся реальностью. – М.: Альпина нон-фикшн, 2015.