Техносфера вокруг нынешнего общества насыщена разнообразными электронными устройствами, которые будут и в дальнейшем развиваться и совершенствоваться. Другая сторона этого явления — упрощение самого процесса создания электронного устройства. Благодаря накопленным разработкам, он может быть настолько простым, что с ним справится и ребёнок. Однако, в данный момент в России наблюдается падения престижа инженерного образования и как следствие нехватка молодых квалифицированных инженерных кадров, что может стать фактором, что приведет к снижению скорости экономического роста государства, темпах прироста ВВП и т. п. Ведущую роль в появлении такой ситуации играет масс-медиа и отсутствие технических клубов для школьников. В последнее время наметился рост спортивных секций, он безусловно повышает качество молодежного контингента, но не решает проблему не желанием выпускников школ идти в инженеры.
Вполне очевидно, что решать создавшеюся проблему необходимо совместными усилиями школ, технических и педагогических высших учебных заведений, в независимости от формы их собственности и общественных организаций в области спорта, технических видов спорта и клубной (кружковой) работы с детьми.
Классические школьные занятия, к которым привыкли учителя и родители, очень редко бывают, интересны и увлекательны, особенно по сложным предметам типа физики, математики и информатики. Определенные сложности создает постоянная перегрузка школьников предметами не несущими особой смысловой нагрузки.
Понятно, что привлечение школьников к занятиям должно проходить методом «пряника», а значит тут самый востребованный метод — увлечь! Находясь на пересечении различных дисциплин, робототехника включает в себя все самое интересное, а главное наглядное, от каждой из них. А самое главное — занятия робототехникой позволяют раскрыть творческий потенциал школьников, развить талант, научиться работать в команде над собственным реальным проектом, результат которого можно проверить в деле в обозримой перспективе.
Изучая робототехнику в школе, а ровно и в рамках клубной работы с детьми в кружках и секциях. Одна из них, самая распространенная в нашей стороне это роботы на платформе LegoNXT. У данного варианта есть масса неоспоримых преимуществ: отработанность материальной части, большое количество примеров в сети Интернет, развитое методическое обеспечение, отсутствие необходимости в специальных инструмента и навыках для сборки. Но есть и недостатки. Главный из них закрытый интерфейс, вы не можете подключить к системе любой датчик, необходимо выбирать из того, что предлагает Lego, причем даже разъемы задействованы специальные, и вы не сможете купить их отдельно. Количество каналов контролера тоже ограничено 3 на выход и 4 на вход, ели вы хотите поставить еще 5 датчик, то единственный выход ставить еще один контролер и формировать сеть. Второй подход начать с изучение электроники и механики, что. Безусловно, даст больший выход с точки зрения общеобразовательной программы. Для этого необходимо использовать платформу с полностью открытой архитектурой. На наш взгляд оптимальным предложением является Arduino.
Arduino — аппаратная вычислительная платформа, основными компонентами которой являются простая плата ввода-вывода и среда разработки на языке Processing/Wiring. Arduino может использоваться как для создания автономных интерактивных объектов, так и подключаться к программному обеспечению, выполняемому на компьютере.
Плата Arduino состоит из микроконтроллера Atmel AVR (ATmega328P и ATmega168), а также элементов обвязки для программирования и интеграции с другими схемами. На многих платах присутствует линейный стабилизатор напряжения +5В или +3,3В. Тактирование осуществляется на частоте 16 или 8 МГц. В микроконтроллер предварительно прошивается загрузчик BootLoader, поэтому внешний программатор не нужен.
Текущие рассылаемые платы, например, Diecimila, программируются через USB, что осуществляется благодаря микросхеме конвертера USB-to-Serial FTDI FT232R. В версии платформы Arduino Uno в качестве конвертера используется микроконтроллер Atmega8 в SMD-корпусе. Данное решение позволяет программировать конвертер так, чтобы платформа сразу определялась как мышь, джойстик или иное устройство по усмотрению разработчика со всеми необходимыми дополнительными сигналами управления.
Платы Arduino позволяют использовать большую часть I/O выводов микроконтроллера во внешних схемах. Например, в плате Diecimila доступно 14 цифровых входов/выходов, 6 из которых могут выдавать ШИМ сигнал, и 6 аналоговых входов. Эти сигналы доступны на плате через контактные площадки или штыревые разъемы. Также доступны несколько видов внешних плат расширения, называемых «англ. shields» (дословно: «щиты»), которые присоединяются к плате Arduino через штыревые разъёмы.
На базе этой платформы ученики могут конструировать и программировать модели электронных управляемых систем, не вдаваясь в сложные вопросы схемотехники и программирования на аппаратном уровне. Интегрированная среда разработки Arduino — это кроссплатформенное приложение на Java, позволяющая работать, как под классический windows, так и под Линукс подобными системами в том числе и Android, включающее в себя редактор кода, компилятор и модуль передачи прошивки в плату.
Нашим коллективом разработан учебный курс «Основы разработки робототехнических автономных мобильных устройств на базе микроконтроллерной платформы Ардуино (ARM)», который даёт возможность обучаемым освоить основные приёмы разработки аппаратной и программной части автономных автоматизированных комплексов.Курс Начинается с основ электроники, электротехники и пайки. В рамках курса изучается программирование, алгоритмизация задач и схемотехника, хоть это не всегда формально прописано. При изучении основ электроники учащиеся, для закрепления знаний строят BEAM-роботов.
BEAM-технология позволяет создавать простых и шустрых роботов с уникальным поведением из доступных и распространенных компонентов без необходимости сложного программирования. Конструкция робота, выполненная с учетом анатомии насекомых, позволяет даже очень простым роботам демонстрировать достаточно интересное поведение. Насекомые выбраны в качестве одной из основных моделей в силу того, что их нервная система является одной из самых простых и эффективных относительно других живых существ.
Учебный курс «Основы разработки робототехнических автономных мобильных устройств на базе микроконтроллерной платформы Ардуино (ARM)» является программой дополнительного образования или клуба технического творчества. Он включает 120 час аудиторных занятий (один учебный год по 4 часа в неделю) и обязательную контролируемую самостоятельную работу обучающихся.
При необходимости курс может быть адаптирован для профильной подготовки учащихся в классах физико-математического и информационно- технологического профилей. В неполном объёме курс может быть использован также при изучении информатики и технологии в непрофильных классах.
Курс также предполагает знакомство с основами программированием на языке высоко уровня С++ или аналог.
Предметом изучения являются принципы и методы разработки, конструирования и программирования управляемых электронных устройств на базе контроллера Ардуино или её аналога. Целесообразность изучения данного курса определяется:
- востребованностью специалистов в области программируемой микроэлектроники в современном мире
- возможностью развить и применить на практике знания, полученных при изучении дисциплин математики, физики, информатики
- возможностью предоставить образовательную среду, развивающую его творческие способности и амбиции, формирующую интерес к обучению, поддерживающую самостоятельность в поиске и принятии решений.
- познакомить обучающихся с основные приёмы разработки аппаратной и программной части автономных автоматизированных комплексов
- развить навыки алгоритмизации задач в среде прикладного программирования
- углубить знания, повысить мотивацию к обучению путем практического интегрированного применения знаний, полученных в различных образовательных областях (математика, физика, информатика)
- развить интерес к научно-техническому, инженерно-конструкторскому творчеству
- развить творческие способности обучающихся
Освоение и практическое закрепление приёмов разработки аппаратной и программной части автономных автоматизированных комплексов на примере микроконтроллерной платформы Ардуино.
Решение задачи разбивается на несколько этапов
1. на базе набора электронных элементов с использованием макетной платы и научить обучающихся:
- понимать основы работы радиоэлектронных компонентов,
- уметь читать принципиальные схемы,
- уметь собирать схемы на макетных платах или брекбордах по принципиальным схемам
- освоить технологию пайки РЭЭ
- использовать измерительную аппаратуру на примере мультиметра
2. на базе Ардуино с использованием макетной платы и набора электронных элементов научить обучающихся:
- освоить основы программирования на встроенном языке программирования,
- освоить работу с аналоговыми и цифровыми датчиками, простыми интерфейсами и моторами
- взаимодействие с другими
Основной формой обучения является практическая работа, которая выполняется малыми (до 3 человек) группами. Для работы необходим персональный компьютер (один на каждую группу), установленное программное обеспечение (может быть установлено с официального сайта проекта Ардуино http://arduino.cc). контроллер Arduino Uno или его аналог (1 на каждую группу), комплект деталей и модулей.
Контроль уровня усвоения материала осуществляется:
- по результатам электронного тестирования, завершающего изучение темы (модуля)
- по результатам выполнения учащимися практических заданий на каждом уроке
- по результатам конкурсных работ (в течение изучения курса проводится несколько творческих конкурсов)
Формы организации учебного процесса
- практическая направленность занятий, выполнение законченного практического проекта на каждом занятии
- аудиторные занятия в малых группах, индивидуализированные образовательные траектории
- дистанционная консультация по средствам электронной коммуникация.
Литература:
1. Плат Ч. Электроника для начинающих: Пер. с.англ. — СПб.: БХВ, 2013. -480 с.
2. Робототехника для детей и родителей. СПб.: Наука, 2013, 319 с.
3. Jack Purdum Beginning C for Arduino. Apress 2012
4. Сеюшкин Н. С., Парамонов В. В., Завьялов Р. А. Многоцелевая экспериментальная мобильная платформа с двухуровневой системой // Молодой ученый.-Чита, изд-во «Молодой ученый», № 7 (18), 2010, с. 48–52
