Элективный курс «Программирование робототехнических устройств на базе Arduino» для учащихся 9 класса в рамках предпрофильной подготовки

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

« СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 21»

ГОРОДСКОГО ОКРУГА «ГОРОД ЯКУТСК»

Степанова Анжелика Ивановна

Элективный курс «Программирование робототехнических устройств на базе Arduino» для учащихся 9 класса в рамках предпрофильной подготовки

Автореферат

Роль школы занимает большое значение при выборе пути человека, с которой он сталкивается каждый раз. Проблема выбора профиля является непростым испытанием как для учащихся, так и для их родителей. Многим впервые в жизни предстоит совершить столь серьезный шаг, от которого во многом будет зависеть их дальнейшая судьба.

Предпрофильная подготовка рассматривается как подготовительная ступень профильного обучения, нацеленная на создание благоприятных условий для жизненного личностного самоопределения учащихся. Именно в 9-м классе, в данный возрастной период, наиболее интенсивно формируются ценностные установки, личностные ориентации, проявляются те или иные способности, выявляется интерес к выбору профессии.

Одной из важнейших задач предпрофильной подготовки является выявление профессиональных интересов и возможностей учащихся на основе элективных курсов, направленных на формирование представлений о характере профессионального труда людей.

Выбор учащегося ложится в основу определения своей дальнейшей образовательной траектории, которая будет реализована либо в учреждениях начального или среднего профессионального образования, либо на старшей ступени общего образования в рамках профильного обучения. Во втором случае учащийся будет иметь возможность для уточнения или изменения своих образовательных и жизненных планов, в процессе выбора и освоения профильных и элективных курсов.

Особое значение имеют элективные курсы по информатике позволяющие выявить средствами предмета информатики профессиональный интерес личности. Изучение информатики оказывает значительное влияние на развитие у школьников теоретического, творческого мышления.

Разработка и организация элективных курсов - это достаточно сложный и трудоемкий процесс, и не всегда у современного учителя хватает времени на разработку собственных авторских курсов. В связи с этим разработка элективных курсов в рамках предпрофильной подготовки по информатике является достаточно актуальной проблемой.

Исходя из этого можно сказать что в курсе по выбору в наше время актуальна робототехника - цикл мероприятий в средней школе, в котором программирование и конструирование, объединяясь, позволяют формировать навыки технического творчества, мотивируют школьников на изучение точных наук и обеспечивают профессиональную ориентацию. Исходя из этого среда обитания современного человека насыщена разнообразными электронными устройствами, которые будут и в дальнейшем развиваться, и совершенствоваться. Другая сторона этого явления-упрощение самого процесса создания электронного устройства. В частности, такую возможность предоставляет вычислительная платформа «Arduino». На базе этой платформы ученики могут конструировать и программировать модели электронных управляемых систем, не вдаваясь в сложные вопросы схемотехники и программирования на низком уровне.

Актуальность выбора платформы Arduino обусловлена несколькими факторами:

1. Это платформа завоевывает все больший рынок в мире, благодаря низкому уровню входа в технологию, доступности, удобству эксплуатации, позволяет учащимся демонстрировать робототехнические устройства на более низком аппаратном и программном уровне.

2. Несмотря на наличие в Интернет достаточно количества примеров использования Arduino, по некоторым причинам Arduino все еще слабо освоено учителями школ, особенно по сравнению с Lego Mindstorms.

Исходя из вышеизложенного, выбрана тема исследования «Элективный курс «Программирование робототехнических устройства на базе Arduino» для учащихся 9 класса в рамках предпрофильной подготовки»

Объект исследования: предпрофильная подготовка школьников.

Предмет исследования: элективные курсы по информатике для учащихся 9 класса в рамках предпрофильной подготовки.

Сформулированный объект и предмет исследования определяют основной момент работы, цель исследования: разработать элективный курс «Программирование робототехнических устройства на базе Arduino» для учащихся 9 класса в рамках предпрофильной подготовки.

В соответствии с указанным объектом, предметом и для достижения цели были определены следующие задачи исследования:

1. Изучить и проанализировать психолого-педагогическую, научно – методическую литературу по проблеме исследования;

2. Выявить особенности элективных курсов по робототехнике для предпрофильной подготовки;

3. Разработать элективный курс по информатике для учащихся 9 класса в рамках предпрофильной подготовки;

4. Экспериментально проверить разработанные материалы и привести результаты эксперимента.

Гипотеза исследования заключается в том, что разработанный элективный курс выступит в качестве одного из средств, способствующих более осознанному выбору учащимися профиля обучения в старших классах.

Практическая значимость заключается в том, что разработанный элективный курс может использоваться учителями в учебном процессе школы в рамках предпрофильной подготовки.

Элективные курсы по робототехнике являются эффективным средством выявления у учащихся интереса к инженерным, техническим специальностям.

Элективные курсы по Arduino для предпрофильной подготовки позволяет учащимся:

• совместно обучаться в рамках одной группы учащимся с разными профессиональными интересами: электроника, механика, программирование, автоматизация многих процессов;

• приучает распределять обязанности в своей группе;

• проявлять творческий подход к решению поставленной задачи;

• создавать модели реальных объектов и процессов;

• видеть реальный результат своей работы.

Проекты с использованием Arduino позволяют применять полученные учащимися на разных предметах знания на практике, участвовать в проектно-исследовательских работах, и стимулировать интерес учащихся к предметам, которые они проходят в рамках школьной программы.

Пояснительная записка

В наше время, время робототехники и компьютеризации, ребенка необходимо учить решать задачи с помощью автоматов, которые он сам может спроектировать, защищать свое решение и воплотить его в реальной модели, т.е. непосредственно сконструировать и запрограммировать.

Актуальность этой темы заключается в том, что в настоящий момент в мире и в нашей стране бурно распространяются компьютерные технологии и робототехника. Уникальность образовательной робототехники заключается в возможности объединить конструирование и программирование в одном курсе, что способствует интегрированию преподавания информатики, математики, физики, технологии.

Среда обитания современного человека насыщена разнообразными электронными устройствами, которые постоянно развиваются и совершенствуются. Работой многих устройств управляют микроконтроллеры, они компактны, надежны и разнообразны. Arduino, как программно-аппаратное средство с микроконтроллером, предоставляет удобный и несложный способ создания многих известных нам электронных устройств. На базе этой платформы ученики могут конструировать и программировать модели электронных управляемых систем, не всегда вдаваясь в сложные вопросы схемотехники и программирования на низком уровне.

Элективный курс предназначен для учащихся 9 класса в рамках предпрофильной подготовки. Курс рассчитан на 18 часов: два занятия в неделю в течение одной четверти. Итогом работы является творческий проект учащихся.

Одной из важнейших задач предпрофильной подготовки является выявление профессиональных интересов и возможностей учащихся на основе элективных курсов, направленных на формирование представлений о характере профессионального труда людей.

Курс составлен таким образом, чтобы учащиеся получили, расширили и усовершенствовали свои знания, умения и навыки в области робототехники, получили первоначальные понятия по программированию на языке С/С++. Для работы используется аппаратно-программный комплекс Arduino, измерительные датчики компании Vernier.

Особенности курса в том, что в данном учебном курсе учащиеся знакомятся с аппаратно-программным комплексом Arduino с его конструктором, с программированием, с измерительными устройствами компании Vernier, как с ними работать. Так же учебный курс позволяет заложить основы работы с программированием С/С++, благодаря которому в будущем учащиеся смогут осваивать язык C/С++, и главная особенность курса в том, что курс способствует в дальнейшем выборе профиля для обучения в старшей школе. По окончании курса учащиеся должны создать и защитить проект «Измерительные устройства на Arduino» с использованием разнообразных датчиков, сенсоров.

Цель курса:

• ознакомить учащихся с принципами и методами разработки, конструирования и программирования управляемых электронных устройств на базе вычислительной платформы Arduino;

• формирование информационной культуры школьника, под которой понимается умение целенаправленно работать с информацией и использовать для этого различные технические устройства;

Задачи курса:

Образовательные:

• освоение учащимися первоначальными знаниями о конструкции робототехнических устройств «Arduino»;

• с программированием в среде Arduino IDE;

Развивающие:

• повышение интереса к изучению предметов информатики и физики;

• творческое развитие учащихся.

Воспитательные:

• воспитание у учащихся качеств, для самостоятельной работы.

• воспитывать умение работать в коллективе, эффективно распределять обязанности.

Личностные, метапредметные, предметные результаты освоения элективного курса

В личностном направлении:

• умение ясно, точно, грамотно излагать свои мысли в устной речи;

• представление о информатике о ее значимости для развития цивилизации;

• инициатива, находчивость, активность при написании программы;

• умение контролировать процесс и результат учебной деятельности;

В метапредметном направлении:

• умение находить в различных источниках информацию, необходимую для решения проблем, и представлять ее в понятной форме;

• умение планировать и осуществлять деятельность, направленную на выполнение практических работ.

В предметном направлении:

• умение работать со схемой сборки измерительного устройства (извлекать необходимую информацию), точно и грамотно выражать свои мысли в устной речи;

• умение подключать провода, датчики, кнопки, соединять макетную плату с платформой, моторы, жидкокристаллические экраны;

• умение применять изученные понятия, результаты, практические работы из смежных дисциплин с использованием при необходимости справочных материалов, компьютера.

Минимально необходимый уровень знаний, умений и навыков учащихся, необходимых для успешного прохождения курса:

• базовые понятия языка программирования Pascal;

• базовые алгоритмические структуры;

• базовые понятия раздела (электрический ток) по физике 8 класс.

Прогнозируемый результат

По окончанию курса обучения учащиеся должны:

Знать:

• основные компоненты Arduino;

• компьютерную среду, включающую в себя графический язык программирования (Arduino IDE);

• программирование в среде Arduino IDE;

• как использовать измерительные датчики компании Vernier;

• создавать реально действующие приборы при помощи специальных элементов по разработанной схеме, по собственному замыслу;

• создавать измерительные устройства для проектно-исследовательских работ;

Уметь:

• составлять программу;

• прогнозировать результаты работы;

• руководить работой группы или коллектива;

• высказываться устно в виде сообщения или доклада.

Методы и формы преподавания

Занятия включают лекционную и практическую часть.

В качестве основной формы организации учебных занятий используется выполнение учащимися практических работ за компьютером (компьютерный практикум). Практические задания для самостоятельного выполнения.

Текущий контроль выполняется по результатам выполнения учащимися этих практических заданий. Итоговый контроль осуществляется в форме защиты итоговых проектов.

В процессе обучения используется следующее программное обеспечение:

• операционная система Microsoft Windows XP, Linux;

• среда программирования Arduino IDE.

При проведении занятий используются следующие формы работы:

• лекционная, когда учитель объясняет новый материал, сопровождая объяснение мультимедийной презентацией или записями на доске;

• демонстрационная, когда учащиеся слушают объяснения педагога и наблюдают за демонстрационным экраном;

• фронтальная, когда учащиеся синхронно работают под управлением учителя;

• самостоятельная, когда учащиеся выполняют индивидуальные задания групповая, проектная.

Содержание изучаемого курса

1. Знакомство с микроконтроллером (1ч.)

Повторение правил техники безопасности в кабинете информатики. Что такое микроконтроллер, светодиод, макетная доска.

1. Знакомство с аппаратно-программным комплексом Arduino (7 ч.)

Датчики расстояния, кнопка, индикатор, жидкокристаллические экраны, двигатели. понятие электричества, резистор, диод, особенности работы кнопки, широтно-импульсная модуляция, колесная платформа, мезонинная плата.

1. Среда программирования для Arduino. Обзор языка программирования (6,5 ч.)

Процедуры setup, loop, pinMode, digitalWrite, delay, переменные в программе, цикл: конструкции if, for, while, switch, как написать свою собственную программу, массив, строка, кодировка, процедуры, ветвление.

1. Знакомство с измерительными устройствами компании Vernier (1)

Измерительные датчики температуры, освещенности, датчик звука.

1. Итоговая работа (3 ч.)

Создание и защита проекта «Измерительные устройства на Arduino».

Примерный тематический план

Заключение

В данной работе были рассмотрены роль и место элективных курсов в предпрофильном обучении, что побудило разработать программу элективного курса, нацеленного на предпрофильную подготовку учащихся 9-го класса в течение одной четверти.

Была проанализирована психолого-педагогическая и научно-методическая литература, рассмотрена сущность процесса предпрофильной подготовки, раскрыты особенности элективных курсов по робототехнике, приведен краткий обзор аппаратно-программного комплекса Arduino.

Разработанный элективный курс имеет некоторые свои отличительные особенности, на основе которых сделаны две практические рекомендации для учителей:

1. Целесообразно в начале курса добавить несколько занятий по цифровой электронике, что не просто прививает навыки работы с макетной платой и электронными компонентами, но и позволяет учащимся своими глазами увидеть разницу между обычными интегральными микросхемами и программируемыми микросхемами. Такой подход удобен для учителей, имеющих опыт работы с электронных устройств. Информация о примерах уроков по цифровой электронике приведена в приложении.

2. Одним из путей быстрого освоения учителями Arduino может быть такой подход к курсу, на котором целью является создание измерительных и измерительно-контролирующих устройств, когда хотя бы на начальном этапе можно было бы пренебречь приобретением навыков работы с электронными схемами и компонентами. Разработанные устройства могли бы далее использоваться в проектно-исследовательских работах учащихся.

Якутск, 2021