"Роботехника . Ардуино"
рабочая программа (4 класс)

2. Пояснительная записка

    Дополнительная образовательная «общеобразовательная» программа «Робототехника Arduino» на примере платформы Arduino составлена в соответствии с учебным планом МБОУ «СОШ п. Малиновский» имеет научно-техническую направленность. Она направлена на развитие и поддержку детей, проявивших интерес и определенные способности к техническому творчеству.

       Общая характеристика курса

      Технологии образовательной робототехники способствуют эффективному овладению обучающимися универсальными учебными действиями, так как объединяют разные способы деятельности при решении конкретной задачи. Программа «Робототехника Arduino» предназначен для того, чтобы обучающиеся имели представления о мире техники, устройстве конструкций, механизмов и машин, их месте в окружающем мире. Реализация данной программы позволяет стимулировать интерес и любознательность, развивать способности к решению проблемных ситуаций умению исследовать проблему, анализировать имеющиеся ресурсы, выдвигать идеи, планировать решения и реализовывать их, расширить технический и математический словари ученика. Кроме этого, помогает развитию коммуникативных навыков учащихся за счет активного взаимодействия детей в ходе групповой проектной деятельности. Целью использования «Робототехника Arduino» является овладение навыками технического конструирования, знакомство с элементами радио-конструирования, развитие мелкой моторики, изучение понятий конструкции и основных свойств (жесткости, прочности, устойчивости), навык взаимодействия в группе. Дети работают с микросхемой Arduino UNO и наборами датчиков. С их помощью школьник может запрограммировать робота - умную машинку на выполнение определенных функций.

      Актуальность, педагогическая целесообразность программы.

Дополнительная образовательная программа «Робототехника Arduino» соотносится с тенденциями развития дополнительного образования и согласно Концепции развития дополнительного образования способствует удовлетворению индивидуальных потребностей учащихся в занятиях научно-техническим творчеством.

     Важными приоритетами социально-экономической политики сегодня становятся привлечение детей и молодёжи в научно-техническую сферу профессиональной деятельности и повышение престижа научно-технических профессий – от рабочих до инженеров и от изобретателей до инноваторов. Экономика России предполагает широкое использование наукоемких технологий и оборудования с высоким уровнем автоматизации. Все современные технологические процессы связаны с электронными технологиями, которые будут и в дальнейшем развиваться и совершенствоваться.

Целесообразность изучения данного курса определяется:

Возможностью продолжить обучение в области        робототехники для обучающихся старших классов;

Расширением         возможностей для проектной и исследовательской деятельности учащихся в различных предметных областях;

Возможностью развить и применить на практике знания, полученные в школе на уроках информатики, физики, математики;

    Новизна программы заключается в принципиально новом подходе к обучению робототехнике и проведению ранней профориентационной работы.

 Программа составлена на основе действующих нормативных правовых актов и государственных программных документов

• Федеральный Закон «Об образовании в Российской Федерации» от 29.12.2012 №273-ФЗ
• Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.4.4.3172-14 (Зарегистрировано в Минюсте России 20 августа 2014 г. N 33660)
• Приказ Министерства просвещения РФ от 09 ноября 2018 г. № 196 «Об утверждении порядка организации и осуществления образовательной деятельности по дополнительным общеобразовательным программам»
• Письмо Министерства образования и науки РФ от 18.11.2015 г. «О направлении Методических рекомендаций по проектированию дополнительных общеразвивающих программ (включая разноуровневые)»
• в соответствии с учебным планом МБОУ «СОШ п. Малиновский»

Отличительные особенности программы заключаются в возможности объединить конструирование и программирование управляемых электронных устройств в одном курсе, что способствует интегрированию преподавания информатики, математики, физики, черчения, естественных наук с развитием инженерного мышления, через техническое творчество.

Цель: образование детей в сфере инновационных технологий на основе конструирования и программирования роботов Arduino,

Задачи:                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                

Обучающие:  

• Обучить принципам работы с радиоэлектронными компонентами;
• Обучить принципам сборки схем на макетных платах;
• Сформировать навыки чтения принципиальных схем;
• Обучить принципам работы с измерительными приборами;
• Обучить принципам работы с аналоговыми и цифровыми датчиками, исполнительными устройствами;
• Обучить основам программирования в среде Arduino Uno;
• Обучить   базовым алгоритмами  движения        и ориентации робота в пространстве;

Развивающие:   

-мотивировать к изучению наук информационно-технического цикла: информатики (программирование и автоматизированные системы управления) и математики;

-развивать инженерное мышление, навыки конструирования,

программирования;

- Развивать        познавательную        активность        учащихся посредством включение в проектную деятельность;

-Развивать        интерес учащихся к различным областям электроники, программирования и роботостроения;

-продолжить развитие мелкой моторики, внимательности, аккуратности, изобретательности;

-развивать креативное мышление и пространственное воображение;

-развивать и поддерживать желание участвовать в соревнованиях, конкурсах и проектах с целью мотивации к обучению и закреплению изученного материала;

Воспитательные:     

-формировать стремление к получению качественного законченного результата;

-способствовать формированию культуры коллективной

проектной деятельности учащихся при реализации общих

технических проектов.

Планируемый результат:

Теоретические компетенции

Обучающиеся будут

• знать/понимать

По окончанию обучения учащиеся будут знать и уметь:

Знать основные законы электричества;

Знать        технические        характеристики        основных электронных компонентов;

Уметь читать принципиальные схемы;

Уметь чертить электронные схемы в САПР;

Уметь собирать электронные схемы на макетных платах;

Уметь использовать в работе измерительные приборы;

Уметь находить и устранять ошибки в схеме;

Знать и уметь использовать в работе цифровые и аналоговые датчики, исполнительные устройства;

Знать основы программирования в среде Arduino Uno;

Знать        базовые алгоритмы        движения и ориентации робота в пространстве;

Уметь        самостоятельно находить информацию в        сети интернет, работать в команде;

Практические компетенции

-создавать реально действующие модели устройств при помощи специальных элементов по разработанной схеме, по собственному замыслу;

-создавать программы на компьютере для различных устройств; -корректировать программы при необходимости;

-демонстрировать технические возможности устройств;

Общеучебные умения и навыки

Овладеют навыками определения адекватных способов решения учебной задачи на основе заданных алгоритмов;

Научатся комбинировать известные алгоритмы деятельности в ситуациях, не предполагающих стандартное применение одного из них;

Научатся использовать для решения познавательных и коммуникативных задач различные источники информации, включая энциклопедии, словари, Интернет-ресурсы и базы данных;

Овладеют умениями совместной деятельности (согласование и координация деятельности с другими участниками, объективное оценивание своего вклада в решение общих задач коллектива, учет особенностей различного ролевого поведения).

Формы контроля

Контроль уровня освоения материала обучающимися осуществляется по результатам выполнения практических заданий на каждом занятии, по результатам тестирования, завершающим теоретические разделы программы.

Критерии оценки качества выполнения практических заданий:

• Сборка и программирование электронного устройства осуществлена без ошибок в полном соответствии с инструкцией к заданию - хорошее освоение материала;
• Сборка и программирование электронного устройства осуществлена без ошибок в полном соответствии с инструкцией к заданию, выполнены дополнительные задания, предполагающие творческое решение учащимися поставленной задачи – отличное освоение.

Важным элементом механизма оценивания образовательных результатов является рейтинг творческой активности учащихся в конкурсах, выставках и иных мероприятиях различных уровней.

 Формы подведения итогов

• по результатам конкурсных         работ        на муниципальной, региональном уровне;
• по результатам соревнований по робототехнике;

3. Механизм реализации программы.

       Для реализации программы используются традиционные формы и методы (словесные, наглядные) проведения занятий. Это рассказы, беседы, лекции, из которых обучающиеся узнают много новой информации; практические задания для закрепления теоретических знаний и реализации собственной творческой мысли. Занятия сопровождаются использованием наглядного материала. Программно-методическое и информационное обеспечение помогают проводить занятия интересно и грамотно.

Методы обучения

1. Познавательный  (восприятие, осмысление и запоминание учащимися нового материала с привлечением наблюдения готовых примеров, моделирования, изучения иллюстраций, восприятия, анализа и обобщения материалов);
2. Метод проектов  (при усвоении и творческом применении навыков и умений в процессе разработки собственных моделей)
3. Контрольный метод  (при выявлении качества усвоения знаний, навыков и умений и их коррекция в процессе выполнения практических заданий)
4. Групповая работа (используется при совместной сборке моделей, а также при разработке проектов)

Формы организации  занятий очная с применением дистанционных технологий

• урок-консультация;
• практикум;
• урок-проект;
• урок проверки и коррекции знаний и умений.
• выставка; 
• соревнование;

     Разработка каждого проекта реализуется в форме выполнения конструирования и программирования модели робота для решения предложенной задачи.

       При проведении занятий строго соблюдаются санитарно-гигиенические нормы, время выполнения заданий на компьютере, проводятся физкультминутки и динамические паузы.

Место программы «Робототехника Arduino»  в учебном плане

 На реализацию дополнительной общеобразовательной программа «Основы робототехники»  используется время, отведенное на внеурочную деятельность. Форма реализации курса по выбору - кружок. Условием отбора детей в объединение является желание заниматься деятельностью, связанной с робототехникой и конструированием.

Допуск к занятиям производится только после обязательного проведения и закрепления инструктажа по технике безопасности по соответствующим инструкциям.

Сроки реализации 1 год

Общий объем учебного времени 34 недели - 102 учебных часа (3 часа в неделю).

Программа предусматривает свободный набор   45 человек до 15 человек  в группе в возрасте от 12 до 17 лет.

Режим работы:  3 часа в неделю по 1 часу.

Программа реализуется без предъявления требований к уровню образования и  квалификации педагога

Методическое и материально-техническое обеспечение программы

4. Содержание программы

Раздел 1. «Вводное занятие»

Тема занятия: Вводное занятие.

Теория: Знакомство с конструкторами. Организация рабочего места. Техника безопасности.

Практика: Показ конструкторов, рассматривание комплектующих конструктора.

Раздел 2«Основные понятия электричества»

Тема занятия: Электрический ток.

Теория:

Понятие о строении вещества, электрическом токе и его действиях. Проводники, полупроводники, непроводники, их свойства и применение.        Резисторы.Применение резисторов. Светодиоды. Принципиальные схемы. Быстрая сборка схем на макетной плате. Основные электрические величины (напряжение, сила тока, сопротивление).

Мультиметр. Закон        Ома.

Практика:

«Определение номинала резистора по цветовому коду, с помощью мультиметра»

«Определение номинала резистора для светодиода по закону Ома»

«Сборка простейших схем на макетной  плате»

Раздел 3 «Основы проектирования электронного устройства на базе Arduino Uno»

Тема занятия: Плата Arduino

Теория: Основные сведения о микроконтроллерах. Применение и перспективы развития в России. Плата Arduino. Технические спецификации. Знакомство с программой Fritzing для создания принципиальных электрических схем. Электроника:        широтно-импульсная модуляция, порты, поддерживающие ШИМ Программирование: Встроенная функция analogWrite, параметры      функции. Объявление переменных. Электроника: последовательное и параллельное подключение, делитель напряжения, переменные резисторы, устройство резистивных датчиков, потенциометр. Обзор цифровых и аналоговых датчиков. Инфракрасный дальномер, датчик освещенности, датчик линии. Особенности подключения кнопки. Светодиодная шкала. Циклы со счетчиком. Семисегментный        индикатор.Транзистор– управляющий элемент схемы. Назначение, виды и устройство транзисторов. Биополярный транзистор. Использование транзистора в моделях, управляемых Arduino.        

Разновидности двигателей:        постоянные, шаговые,     серводвигатели.        

Способы управления мощной нагрузкой. MOSFET – транзистор. Конденсатор.

Практика: Цифровые порты Arduino. Мини-проекты «Маячок», «Железнодорожный семафор» на макетной плате. Дополнительные творческие задания: «Бегущий огонек», «Светофор». Программирование: знакомство со средой программирования, структура программы, процедуры setup () и loop (). Встроенные функции pinMode, digital Write, delay параметры функций. «Схема«Светофор» во Fritzing. «Маячок с нарастающей яркостью», «Светильник с управляемой яркостью» «Умный светильник», «Терменвокс», Вывод сигнала датчика на монитор порта. Назначение и устройство жидкокристаллических        экранов.Библиотека . LCD дисплей. Подключение LCD дисплея. Вывод показаний датчика на дисплей. «Кнопочный переключатель» «Мерзкое пианино» «Светильник с кнопочным управлением». «Бегущий огонек» «Счет        до 10 и обратно», «Секундомер»  

Управление серводвигателем. Библиотека Servo.h

Раздел 4 «Основы робототехники на базе Arduino Uno»

Тема занятия: Сборка мобильного роботана основе двухмоторной платформы Turtle.

Теория: Управление без обратной связи: Движение вперед, назад. Подключение инфракрасного дальномера. Datasheet. Простейший метод нахождения препятствий. Отражательные датчики линии. Datasheet. Преимущества и недостатки цифровых и аналоговых датчиков. Концепция программирования. Реализация программы. Теория автоматического управления – предмет изучения. Краткий обзор. Понятие регулятора.        Объект        управления, управляющие воздействие, ошибка. Типовые законы управления. Пропорционально-дифференциальное управление.        Дифференциальная компонента.        Концепция программирования.

Практика: Движение по контуру геометрических фигур. Объезд препятствий. Движение вдоль стены. Обнаружение белых и черных участков поверхности с помощью аналоговых датчиков линии. Усреднение аналогового сигнала.

Движение робота в пределах границ (танец вкруге). Движение вдоль черной линии. Концепция

Подключение сервопривода. Робот для соревнований «биатлон»

Раздел 5 Проектная деятельность

Тема занятия: Работа над индивидуальным проектом

Теория: Обсуждение идей. Темы проектов.

Практика: Самостоятельный поиск информации. Реализация идеи.

5. Календарный учебный график

6. Список литературы

Интернет-ресурсы

1. http://wiki.amperka.ru/ - проекты, теоретические сведения, видеоуроки по направлению Arduino, форум увлеченных по обмену опытом;
2. https://edugalaxy.intel.ru/ - сообщество учителей. Обмен опытом.
3. http://arduino-projects.ru/ - все проекты Arduino в одном месте.
4. http://myrobot.ru/ - роботы своими руками. Простейшие роботы на одной микросхеме. Программирование микроконтроллеров

https://www.arduino.cc/ - официальный сайт Arduino. Программное обеспечение. Блокнот программиста

Примерные темы для проектной деятельности:

1. Робот-автомобиль;
2. Робот для соревнований по регламенту «Траектория»;
3. Робот для соревнований по регламенту «Биатлон»;
4. Электронные устройства для «умного дома»;
5. Электронные устройства для мониторинга погодных условий;
6. Бытовые роботы-помощники;