Образовательная схемотехника и робототехника на Arduino

Ссылка на страницу программы

http://moodle.pgusa.ru/course/view.php?id=8545

Цель программы «Образовательная схемотехника и робототехника на Arduino»

Курс призван ознакомить слушателей с принципами электромеханической работы современных технических устройств, научить их собирать подобные устройства и программировать их. Структура курса представляет собой набор логически законченных и содержательно взаимосвязанных тем, изучение которых обеспечивает системность и практическую направленность знаний и умений слушателей. Занятия направлены на более углубленное понимание принципов электротехнической части физики и принципов программирования. 

 

Программа "Образовательная схемотехника и робототехника на Arduino" посвящена

подготовке слушателей в области электротехники и программированию этой техники, а также, преподаванию в этой области. Курс затрагивает вопросы общего свойства, например, откуда берется ток, как работает кнопка и др. для лучшего усвоения материала, начиная с основ. В процессе изучения курса слушатели изучат процессы проектной деятельности, начиная от анализа задачи, ее проектирования и моделирования, и заканчивая средствами поддержки и масштабирования проекта, кроме того, научатся обучать подобной деятельности своих учеников.

Курс "Образовательная схемотехника и робототехника на Arduino" нацелен на формирование трех общепрофессиональных компетенций: информационно-педагогическая, проектная и программно-аналитическая. Усвоение информационно-педагогической компетенции заключается в формировании информационной базы по темам схемотехники и робототехники на уровне, достаточном для преподавания данных курсов в образовательных учреждениях. Сюда входит теоретическая подготовка, подбор и разработка заданий, средств оценивания результатов образовательной деятельности.

Усвоение проектной компетенции направлено на формирование у слушателя четкой пошаговой инструкции создания прототипов и самих устройств при соблюдении нормативов жизненного цикла проекта и его заявляемых характеристик.

Усвоение программно-аналитической компетенции направлено на формирование системы "анализ – синтез" при работе в области схемотехники и робототехники, изучение особенностей языка С/С++ при программировании устройств, принципов оптимизации использования памяти и минимизации размеров устройства при выполнении поставленных задач.

Для обучения по образовательной программе по техническим требованиям необходимо стабильное подключение к сети Интернет, а также регистрация на сайте tinkercad.com. Желательно наличие комплекта Arduino (достаточно Starter Kit). Для обучения с точки зрения входных условий подготовки желательно иметь профессиональное педагогическое образование, иметь хотя бы начальные навыки программирования на любом алгоритмическом языке.

В процессе обучения слушатели изучат принципы работы с Arduino как с технической, так и с программной части, научатся создавать приборы и роботов, обучать их требуемым действиям, а также научатся обучать данной технологии своих будущих учеников. Данная программа актуальна ввиду большой востребованности схемотехники и робототехники в настоящее время, а также недостаточного количества преподавателей, имеющих подходящую подготовку в данной области, в том числе, обучающих технологии в средних образовательных учреждениях.

 

Учебная (рабочая) программа повышения квалификации «Образовательная схемотехника и робототехника на Arduino»

Модуль  1. Принципы робототехники (8 час.).

Тема 1.1 Структура работы Arduino (2.5  час).

Основные понятия электротехники. Схема работы Arduino. Подключение и общие принципы схемотехники на Arduino. Сборка устройств с помощью платы Arduino Uno и печатной платы. Простые устройства ввода и вывода: светодиод, кнопка, динамик и т.д.

Тема 1.2 Создание схем на Arduino с помощью программного обеспечения TinkerCAD Circuits (5.5 час.).

Программирование на С/С++ для Arduino. Организация кода, блоки setup() и loop(). Явное и неявное задание значений при работе с данными. Создание схем на Arduino с использованием устройств вывода.

Модуль 2. Использование датчиков в устройствах (13 час.).

Тема 2.1. Использование инструментов для управления состоянием компонентов схем на Arduino (7 час.).

Передача данных от устройства компьютеру. Принципы организации сигналов о состоянии устройства. Использование устройств ввода. Работа с кнопками, подавление шумов кнопки. Создание схем с управлением устройством с помощью кнопки и джойстика.

Тема 2.2. Использование инструментов фиксации и сбора информации от внешней среды (6 час.).

Использование датчиков для организации более сложных приборов. Датчики движения, температуры, влажности. Перевод значений устройства в общеупотребимые значения.

Модуль 3. Программирование на Arduino (13 час.).

Тема 3.1. Создание эффективных программ для Arduino (2.5 час).

Использование конструкций языка С/С++ для организации работы устройств. Использование функций и библиотек, написание эффективного кода с учетом дальнейшего масштабирования устройства.

Тема 3.2. Использование структур данных для организации работы схем (5 час.).

Использование ветвления, массивов данных, циклическое исполнение программ для оптимизации программ собираемого устройства.

Модуль 4. Комплексные устройства (13 час.).

Тема 4.1. Создание простого светофора (2.5 час.)

Этапы конструирования сложных приборов. Процесс проектной изобретательской деятельности в робототехнике. Создание светофора с помощью светодиодов, определение временных интервалов задержки событий.

Тема 4.2. Подключение динамика и 7-сегментного дисплея к светофору (3.5 час.).

Доводка и масштабирование проекта прибора. Жизненный цикл проекта, сопровождение устройства. Организация посекундного звукового оповещения и визуального отображения времени светофора.

Тема 4.3. Организация эффективного управления 7-сегментным дисплеем с помощью декодера (6 час.).

Использование двоичной кодировки и вычислительного программирования при визуальном упрощении схемотехники. Использование декодера для упрощения схемы светофора.

Модуль 5. Обучение схемотехнике (10 час.).

Тема 5.1. Использование компьютерных средств для обучения схемотехнике (5  час.).

Создание виртуального класса при использовании web-ориентированной системы TinkerCAD. Организация удаленной работы обучающихся робототехнике, использование метода дополненной задачи при обучении. Создание многоуровневой системы подготовки и индивидуальной образовательной траектории обучающихся. 

Тема 5.2. Принципы организации проектной деятельности при обучении схемотехнике и робототехнике (5 час.).

Командообразование в процессе изобретательства. Организация этапов изобретательства в схемотехнике и робототехнике. Обучение реализации проектов, подготовка к выпуску продукции.

Модуль 6. Основы электромеханики (14 час.).

Тема 6.1. Основы движения. Сервопривод. Аккумуляторы (7 час.).

Использование электромоторов в качестве движущих элементов приборов. Сервоприводы и их использование в робототехнике. Подключение портативных источников питания.

Тема 6.2. Двигатели и передача импульсов для движения на Arduino (7 час.).

Создание движущихся элементов робота. Движение по системе колесной электротяги, организация шагового движения посредством сервоприводов.

 

Описание практико-ориентированных заданий и кейсов

	Номер темы/модуля	Наименование практического занятия	Описание
2	Создание схем на Arduino с помощью программного обеспечения TinkerCAD Circuits	ПЗ.1. Создание схемы с мигающим светодиодом	Создание простой схемы с мигающим светодиодом
1.2	Создание схем на Arduino с помощью программного обеспечения TinkerCAD Circuits	ПЗ.2. Создание светомузыки	Создание цели мигающих светодиодов с организацией их совместной работы
.1	Использование инструментов для управления состоянием компонентов схем на Arduino	ПЗ.3. Создание схемы управления светодиодом	Создание схемы с двумя кнопками, с помощью которых управляется режим светодиода
2.1	Использование инструментов для управления состоянием компонентов схем на Arduino	ПЗ.4. Создание схемы вычисления по методу "палочек" с помощью кнопок и светодиодов	Создание схемы с двумя кнопками, с помощью которых увеличивается или уменьшается количество работающих светодиодов
2.1	Использование инструментов для управления состоянием компонентов схем на Arduino	ПЗ.5. Создание схемы управления громкостью динамика с помощью джойстика	Создание схемы с динамиком, джойстиком, который управляет громкостью динамика и светодиодами, которые показывают уровень громкости
2.2	Использование инструментов фиксации и сбора информации от внешней среды	П3.6. Создание схемы определения температуры помещения	Создание схемы с датчиком температуры и RGB-светодиодом, показывающим уровень тепла помещения.
2.2	Использование инструментов фиксации и сбора информации от внешней среды	П3.7. Создание схемы с использованием датчика движения	Создание схемы с датчиком движения и звуковым сигналом при определении фактического движения в диапазоне.
3.1	Создание эффективных программ для Arduino	ПЗ.8. Усовершенствование схемы датчика движения с использованием светодиодов.	Создание схемы с датчиком движения и звуковым сигналом при определении фактического движения в диапазоне, добавление светодиодов, которые с помощью функции и датчика расстояния показывают дальность до движущегося объекта.
3.2	Использование структур данных для организации работы схем	ПЗ.9. Усовершенствование схемы светомузыки с использованием массивов.	Создание цели мигающих светодиодов с организацией их совместной работы с использованием массивов
4.1	Создание простого светофора	ПЗ.10 Создание простого светофора	Создание автоматического светофора с использованием светодиодов
4.2	Подключение динамика и 7-сегментного дисплея к светофору	ПЗ.11 Подключение динамика и 7-сегментного дисплея к светофору	Усовершенствование светофора с помощью динамика и 7-сегментного дисплея для определения оставшегося времени
4.3	Организация эффективного управления 7-сегментным дисплеем с помощью декодера	ПЗ.12 Использование декодера в светофоре для упрощения схемы светофора	Усовершенствование светофора с помощью декодера и построение двоичной логики функционирования 7-сегментного дисплея
5.1	Использование компьютерных средств для обучения схемотехнике	ПЗ.13 Создание задания для обучающихся на основе выполненных заданий по системе уровней усвоения материала	Создание задания для обучающихся на основе выполненных заданий по системе уровней усвоения материала
5.2	Принципы организации проектной деятельности при обучении схемотехнике и робототехнике	ПЗ.14 Создание плана разработки устройства (по примеру светофора) для обучения проектной деятельности	Создание плана разработки устройства (по примеру светофора) для обучения проектной деятельности
6.1	Основы движения. Сервопривод. Аккумуляторы	ПЗ.15 Создание элемента погрузчика на основе сервопривода	Создание системы погрузчика с помощью сервопривода для поднятия груза
6.2	Двигатели и передача импульсов для движения на Arduino	ПЗ.16 Создание двигающейся платформы на основе колесной тяги	Использование электродвигателя для создания колесной платформы
6.2	Двигатели и передача импульсов для движения на Arduino	ПЗ. 17 Создание шагающего механизма	Использование сервопривода для создания "ног" шагающего робота

 

Планируемые результаты обучения:

2.1.Знание (осведомленность в областях)

2.1.1.  Принципы работы современных устройств в области схемотехники и робототехники.

2.1.2. Логическая структура технических средств из реальной жизни.

2.1.3. Принципы программирования устройств, а также принципах реализации псевдоискусственного интеллекта при построении роботов, в том числе основы движения.

2.1.4. Обучать принципам работы по сборке и программированию устройств на базе Arduino.

2.2. Умение (способность к деятельности)

2.2.1. Сборка электротехнических приборов на основе системы Arduino.

2.2.2. Программирование работы устройств, их масштабирование и усложнение.

2.2.3. Эффективное использование ресурсов памяти и энергии.

2.2.4. Создавать материалы и задания для обучения схемотехнике и робототехнике на базе Arduino.

2.3.Навыки (использование конкретных инструментов)

2.3.1. Использование компонентов системы Arduino для сборки устройств схемотехники и робототехники.

2.3.2. Применение среды программирования Arduino IDE для составления программ и загрузки их на собираемое устройство.

2.3.3. Использование web-ориентированной среды дизайна устройств  TinkerCAD Circuits для построения моделей и программирования.