Программа внеурочной деятельности технической направленности кружка "Триггер"

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Актуальность и педагогическая целесообразность программы

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. Благодаря накопленным разработкам, он может быть настолько простым, что с ним справится и ребёнок. В частности, такую возможность предоставляет вычислительная платформа Ардуино. На базе этой платформы ученики могут конструировать и программировать модели электронных управляемых систем, не вдаваясь в сложные вопросы схемотехники и программирования на низком уровне. Причём эта уникальная инженерно-конструкторская среда имеет низкий порог вхождения и не имеет потолка. Конструировать и программировать простые устройства управления новогодней гирляндой или передачи акустических сигналов азбукой Морзе, несложные электронные игрушки ребёнок может уже на первых шагах знакомства с Ардуино. В то же время Ардуино используют профессиональные программисты и «продвинутые» любители в сложных конструкциях управления робототехническими устройствами.

Интегрированная среда разработки Arduino — это кроссплатформенное приложение на Java, включающее в себя редактор кода, компилятор и модуль передачи прошивки в плату.

Среда разработки основана на языке программирования Processing и спроектирована для программирования новичками, не знакомыми близко с разработкой программного обеспечения.

Занятия в кружке по созданию устройств на основе программируемой микроэлектроники «Триггер» дают возможность ученику освоить основные приёмы конструирования и программирования управляемых электронных устройств и получить необходимые знания и навыки для дальнейшей самореализации в области инженерии, изобретательства, информационных технологий и программирования.

При этом необходимо отметить, что оснащение курса не требует больших финансовых вложений, а программное обеспечение относится к классу СПО.

Целесообразность изучения данного курса определяется:

 востребованность специалистов в области программируемой микроэлектроники в современном мире

 возможностью развить и применить на практике знания, полученные на уроках математики, физики, информатики

 возможностью предоставить ученику образовательную среду, развивающую его творческие способности и амбиции, формирующую интерес к обучению, поддерживающую самостоятельность в поиске и принятии решений.

Предметом изучения являются принципы и методы разработки, конструирования и программирования управляемых электронных устройств на базе вычислительной платформы (контроллера) Ардуино или её клона, а также создание электронных устройств в рамках небольших проектов.

Основные цели программы

 познакомить учащихся с принципами и методами разработки, конструирования и программирования управляемых электронных устройств на базе вычислительной платформы Ардуино;

 развить навыки программирования в современной среде 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 учащихся.

Решаемые задачи

1. На репродуктивном уровне научить учащихся:

 понимать заданные схемы («схема на макетке») электронных устройств и воспроизводить их на макетной плате;

 понимать назначение элементов, их функцию;

 понимать правила соединения деталей в единую электрическую цепь;

 понимать ограничения и правила техники безопасности функционирования цепи;

 понимать написанный программный код управления устройством, вносить незначительные изменения, не затрагивающие структуру программы (например, значения констант);

 записывать отлаженный программный код на плату Ардуино, наблюдать и анализировать результат работы;

 использовать монитор последовательного порта для отладки программы, наблюдения за показателями датчиков и изменением значений переменных;

2. На уровне применения знаний в знакомой ситуации научить:

 модифицировать заданные схемы для измененных условий задачи

 понимать написанный программный код управления устройством и модифицировать его для измененных условий задачи

 самостоятельно отлаживать программный код, используя, в частности, такие средства как мониторинг показаний датчиков, значений переменных и т. п.

 записывать отлаженный программный код на плату Ардуино, наблюдать и анализировать результат работы, самостоятельно находить ошибки и исправлять их

3. На уровне творческого применения полученных знаний научить самостоятельно разрабатывать электронные устройства на базе вычислительной платформы «Ардуино».

Организационная составляющая программы

Возраст детей, участвующих в реализации программы – 9-16 лет.

Срок реализации программы – 1 год.

Программа рассчитана на 68 аудиторных часов, причем половина времени отводится на теоретические занятия и половина на практические, при этом для поддержания интереса к предмету теория и практика изучаются на каждом занятии 2 раза в неделю.

РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ КУРСА ВНЕУРОЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

В результате освоения программы учащиеся познакомятся с основным понятиям электротехники и электроники, контроллерами Ардуино и его видами, с устройством и принципами функционирования Ардуино и отдельных элементов, с основной структурой и принципами программирования микроконтроллеров Ардуино. Научатся созданию базовых проектов из комплектов Ардуино по готовым схемам, подключению и использованию датчиков, исполнителей, составлению программ для проекта Ардуино, самостоятельному поиску нужной информации из разных источников, для создания проекта, разработке, проектированию и анализу собственных проектов и моделей электронных устройств.

Личностными результатами программы являются умение выдвигать обоснованные технические предложения, критически подходить к выбору наилучшего решения, умение аргументировано отстаивать свою позицию и др.

Метапредметными результатами программы является формирование следующих универсальных учебных действий:

регулятивные – определять и формулировать цель деятельности, строить последовательность своих действий, формулировать свои идеи, предложения, уметь работать по предложенному плану, уметь оценивать результаты своей деятельности и деятельности группы;

познавательные – ориентироваться в материале, находить нужную информацию в литературе и сети интернет, критически оценивать полученную информацию, анализировать, делать выводы, составлять модели (схемы, эскизы, алгоритмы), реализовывать модели в виде макетов работающих устройств и программного обеспечения к ним.

коммуникативные – умение донести свою позицию до других, умение оформлять свои идеи в письменном и устном виде, слушать и понимать речь других, выполнять различные роли в группе (лидера, исполнителя, критика).

Методика мониторинга результатов

Виды и формы контроля:

Для отслеживания результативности образовательного процесса используются следующие виды контроля:

- начальный контроль (вводное собеседование);

- текущий контроль (осуществляться по результатам выполнения учащимися практических заданий);

- промежуточный контроль (выполнение творческих заданий, самостоятельных работ);

- итоговый контроль (защита проектов, выставка работ, участие в конкурсах, соревнованиях)

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

Знакомство с электричеством. Знакомство с контроллерами Ардуино. Техника безопасности при выполнении практических работ. Понятие электрической цепи и ее элементов (макетная плата, соединительные провода, источники питания, кнопки, светодиоды и др.). Контроллер Arduino Uno. Внешний вид и назначение элементов. Правила техники безопасности и безопасные приемы выполнения работ. Практическая работа «Эксперименты со светодиодами».

Среда программирования Arduino IDE. Порты вывода. Эксперимент «Маячок». Знакомство со средой программирования Arduino IDE. Подключение контроллера Arduino Uno к компьютеру. Знакомство со структурой кода и основными функциями языка программирования. Эксперимент «Маячок».

Широтно-импульсная модуляция. Порты вывода с ШИМ модуляцией. Эксперимент «Маячок с нарастающей яркостью». Понятие ШИМ модуляции. Программная реализация ШИМ модуляции. Применение ШИМ сигнала для плавного управления процессами. Эксперимент «Маячок с нарастающей яркостью».

Делитель напряжения и потенциометр. Мультиметр и электрические измерения. Практическая работа «Измерение сопротивлений и напряжений». Понятие делителя напряжения и прибора – потенциометр. Назначение мультиметра, приемы электрических измерений мультиметром. Выполнение практической работы по определению выходного напряжения с делителя напряжения и потенциометра.

Датчики. Резистивные датчики. Аналоговые порты ввода. Эксперимент «Светильник с управляемой яркостью». Взаимодействие Ардуино с внешней средой – понятие датчика. Делитель напряжения и потенциометр, как резистивный датчик. Понятие аналогового порта ввода. Функция языка Arduino IDE для считывания сигнала с аналогового порта. Оцифровка аналогового сигнала. Эксперимент «Светильник с управляемой яркостью».

Фоторезистор. Применение фоторезистора в делителе напряжения. Практическая работа «Изменение выходного напряжения делителя с фоторезистором в зависимости от освещения». Понятие фоторезистора, принцип его работы и его применение. Выполнение практической работы по изучению свойств фоторезистора.

Датчики. Аналоговый датчик света. Генерация звука контроллером Ардуино. Эксперимент «Терменвокс». Понятие датчика реагирующего на освещение. Возможности контроллера Ардуино по генерации звука. Пьезоэлемент и его назначение, подключение его к Ардуино. Функция tone. Эксперимент «Терменвокс».

Функция ветвления в языке Arduino IDE. Эксперимент «Ночной светильник». Алгоритмы с ветвлением их назначение. Организация ветвления в языке Arduino IDE. Выполнение эксперимента «Ночной светильник».

Транзистор. Управление «большими токами». Эксперимент «Пульсар». Полупроводниковый прибор – транзистор, устройство и назначение. Применение транзистора в качестве ключа для управления «большим током». Эксперимент «Пульсар».

Циклы. Цикл со счетчиком. Эксперимент «Бегущий огонек». Организация цикла со счетчиком в языке Arduino IDE применение циклов. Эксперимент «Бегущий огонек».

Цифровые порты ввода. Эксперимент «Мерзкое пианино». Кнопочное управление. Подключение кнопки к контроллеру Ардуино. Эксперимент «Мерзкое пианино».

Дребезг кнопки и методы борьбы с ним. Эксперимент «Кнопочный переключатель». Понятие дребезга контактов кнопки и его влияние на работу устройства. Программный метод борьбы с дребезгом. Эксперимент «Кнопочный переключатель».

Пользовательские функции. Эксперимент «Светильник с кнопочным управлением». Создание «собственных» функций языка Arduino IDE, как средство оптимизации разработки программного обеспечения. Эксперимент «Светильник с кнопочным управлением».

Семисегментный индикатор. Эксперимент «Секундомер». Устройство и принцип работы семисегментного индикатора. Подключение семисегментного индикатора к Ардуино. Эксперимент «Секундомер».

Сдвиговый регистр. Эксперимент «Счетчик нажатий». Ветвление выходов контроллера Ардуино. Устройство и назначение сдвигового регистра, подключение к Ардуино. Эксперимент «Счетчик нажатий».

Библиотеки языка Arduino IDE. Эксперимент «Комнатный термометр». Оптимизация разработки программного обеспечения для электронного изделия с помощью библиотек языка. Эксперимент «Комнатный термометр».

Ардуино и компьютер. Эксперимент «Метеостанция». Ардуино как периферийное устройство персонального компьютера (датчик). Последовательный порт. Монитор порта. Отображение полученной Ардуино информации от датчиков на компьютере. Эксперимент «Метеостанция».

Исполнительный механизм сервопривод. Эксперимент «Пантограф». Понятие исполнительного механизма. Сервопривод устройство и назначение. Управление сервоприводом с помощью Ардуино. Эксперимент «Пантограф».

LCD дисплей. Эксперимент «Тестер батареек». Устройство, назначение, подключение к контроллеру Ардуино LCD дисплея. Полупроводниковый прибор – диод, принцип его работы и назначение. Эксперимент «Тестер батареек».

Ардуино и компьютер. Эксперимент «Светильник, управляемый по USB». Ардуино как периферийное устройство персонального компьютера (исполнительное устройство). Объекты класса string. Цикл с условием. Переменные типа char.

Дребезг кнопки и аппаратный метод борьбы с ним. Эксперимент «Перетягивание каната». Понятие аппаратной борьбы с дребезгом. Инвертирующий триггер Шмитта, принцип работы и назначение. Прерывания и их назначения. Эксперимент «Перетягивание каната».

ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

1. Плат Ч. Электроника для начинающих: Пер. с англ. – СПб.: БХВ-Петербург, 2012.

2. Дистанционный курс на сайте amperka.ru http://wiki.amperka.ru/конспект-arduino

3. Список ссылок на сайте Arduino, do it! https://sites.google.com/site/arduinodoit/