Чему учит практика?

Результатом проведенного мастер-класса по работе с Ардуино является формирование интереса детей к инженерным устройствам, снижение психологического барьера для начала самостоятельных занятий, даже если участники занятия не увлекались техникой изначально. Дети получают навыки работы в команде, сотрудничества, учатся моделированию и гибкости, учатся слушать и задавать вопросы, помогать друг другу.

На мастер-классе дети узнают что такое робот, чем он отличается от обычных механизмов, каковы главные элементы конструкции робота: контроллер, датчики, двигатели и привод, механические конструкции, электроника, программное обеспечение, система питания. Узнают, что контроллер позволяет создавать не только роботов, но и любые другие «интеллектуальные» устройства, которые можно активно использовать при работе над школьными исследовательскими проектами.

Так же дети научатся собирать простые схемы на плате Ардуино, изучат назначение основных элементов схемы, принцип работы контроллера, принцип последовательного соединения элементов электрической цепи, познакомятся со средой программирования и интерфейсом Arduino IDE, изучат структуру и назначение основных инструкций, основам программирования. Узнают, как подключается контроллер с помощью USB-провода, и загружается в него выбранная программа.

Ребята ознакомятся с  основными положениями техники безопасности при работе с низковольтной аппаратурой. Узнают о работе устройств, различных датчиков и приборов, проведут измерения и кратко интерпретируют полученные результаты.

Что составляет учебный материал? Описание задач/проблем/кейсов, которые решают дети

На мастер-классе дети изучают схемы Ардуино, подбирают необходимые компоненты.

Предлагается без предварительной подготовки модифицировать простейшую программу в среде Arduino IDE.

Ребята проводят полевые исследования с использованием различных датчиков и приборов, они должны ознакомиться с работой устройств, провести измерения и предоставить краткую интерпретацию полученных результатов.

 

Какие ресурсы потребуются?

  1. Базовый набор, состоящий из контроллера Arduino Uno, USB-провода, макетной платы, соединительных проводов, батарейки типа «крона» со специальным переходником питания, 6 сопротивлений 220 Ом, 6 светодиодов. Данный набор можно легко приобрести в российских интернет-магазинах, найдя их по ключевым словам «arduino starter kit». Рекомендуется использовать один набор на 1-2 участников.
  2. Набор датчиков для демонстрации возможностей по созданию исследовательских приборов (например, датчик расстояния, движения, фоторезистор, датчик влажности почвы и т.д.). Поиск по ключевым словам — «arduino sensors».
  3. Готовые приборы по измерению температуры, влажности, атмосферного давления, освещенности, скорости ветра, pH и т.д. Данные приборы позволяют провести краткий практикум по основам инструментальных измерений.
  4. Ноутбук или компьютер с установленной средой разработки Arduino IDE (1 компьютер на 2-4 человека). Arduino IDE бесплатна и может быть загружена с официального сайта https://acc
  5. Предварительно на контроллеры должна быть загружена программа для выполнения первых заданий.
  6. Для занятий в походных условиях необходимо найти сухое место, защищенное от осадков и прямых солнечных лучей, оборудование горизонтально выровненными столами (для того, чтобы не рассыпались электронные компоненты, используемые при монтаже) из расчета 1 средний школьный стол на 2 человек. Желательно иметь рядом ручей и открытую площадку для проведения натурных исследований. На столах перед началом занятий не должно быть никаких предметов кроме ручек и чистых листов бумаги.
  7. Схемы для сборки первых моделей, напечатанные на бумаге. Примеры самых простейших заданий:
  • Маячок (светодиод и резистор, при включении светодиод мигает).
  • Мигалка (два светодиода, мигающих по очереди).
  • Светомузыка (5 светодиодов).
  • Светофор (3 светодиода, желательно по цветам светофора).
  1. Набор коротких роликов про роботов-птиц, рыб, змей, собак, охранников и т.п.

Что делает держатель практики (педагог, наставник)? Что делают дети?

Структура занятия

Вводный этап

В первую очередь необходимо расшифровать понятие «Зеленой робототехники» с целью выработки единого понимания того, о чем будет предстоящее занятие. Для этого сначала разбираются ассоциации со словом «зеленый» и «роботы», потом задается вопрос о том, что мы могли бы назвать «зеленым роботом». Как правило, у участников возникают такие варианты:

  • Техническое устройство (робот, машина, механизм), которое не вредит природе.
  • Устройство, использующее экологически безопасные виды топлива.
  • Устройство, защищающее природу.
  • Устройство, помогающее ее изучать.
  • Устройство зеленого цвета.

Преподаватель приводит примеры того, как робот может помогать, исследовать, защищать и не вредить. Возможен показ коротких роликов про роботов-птиц, рыб, змей, собак, охранников.  Затем преподаватель рассказывает о том, что такое робот, чем отличается робот от обычных механизмов, каковы главные элементы конструкции робота: контроллер, датчики, двигатели и привод, механические конструкции, электроника, программное обеспечение, система питания. Объясняется, что в рамках занятия мы будем заниматься только «мозгом»  роботов  — контроллером. Такой выбор делается из-за того, что для создания двигающихся устройств требуется большой объем теоретических знаний и специальное дорогое оборудование. К тому же, контроллер позволяет создавать не только роботов, но и любые другие «интеллектуальные» устройства, которые можно активно использовать при работе над школьными исследовательскими проектами.

Итогом этого этапа занятий должен быть сформированный интерес детей к нестандартным инженерным решениям, даже если участники занятия не увлекались техникой изначально.

Практическое знакомство с контроллером Arduino

Ученики разбиваются на группы по 2-3 человека, им раздаются контроллеры Arduino (без остальных элементов набора), и учитель объясняет предназначение основных элементов платы. Алгоритм работы контроллера заключается в подаче и считывании электрического сигнала с портов ввода-вывода под действием управляющей команды, которая записывается в энергонезависимую память контроллера и запускается каждый раз при подключении питания. Ученикам раздаются элементы питания с переходниками  и предлагается подключить устройство. После включения на устройстве загораются и несколько минут мигают встроенные светодиоды, что, как правило, вызывает бурную реакцию детей.

После поверхностного ознакомления с устройством педагог зачитывает основные положения техники безопасности при работе с низковольтной аппаратурой:

  • Не включать собранную схему без разрешения преподавателя.
  • Не перегревать, не повреждать и не разбирать элементы питания, не прикасаться к ним открытыми участками кожи, не допускать короткого замыкания.
  • Не брать в рот и не засовывать в уши или нос мелкие детали.
  • Быть аккуратным с соединительным проводами, имеющими острые концы.
  • Соблюдать порядок на столе при работе над проектами.

Проведя инструктаж и получив подтверждение о его прохождении, преподаватель раздает рабочим группам схемы для сборки первых моделей, напечатанные на бумаге. Примеры самых простейших заданий:

  • Маячок (светодиод и резистор, при включении светодиод мигает).
  • Мигалка (два светодиода, мигающих по очереди).
  • Светомузыка (5 светодиодов).
  • Светофор (3 светодиода, желательно по цветам светофора).

Каждое задание представляет собой схему подключения элементов, которую нужно повторить с помощью оборудования, лежащего перед глазами у ребенка. Как правило, схема содержит условные изображения контроллера, макетной платы и соединенных между собой электронных компонентов.

На беглый осмотр схем дается несколько минут, после чего предлагается приступить к заданию номер 1 (как правило, это самая простая схема — маячок). Но выполнение этого указания невозможно по причине отсутствия необходимых  компонентов (в данный момент у детей на руках только контроллер и элемент питания). Ребята сами изучают схему и называют те элементы, которых им не хватает для выполнения задания. После получения всех необходимых частей схемы, ученики приступают к работе, для этого им дается не более 10 минут.

На этом этапе назначение большинства элементов на схеме детям неизвестно, поэтому их работа сводится к прямому копированию того, что они видят на бумаге на реальную макетную плату. Такой формат работы в самом начале представляется единственно возможным, т.к. спустя около 20 минут с начала занятий ребята уже достаточно сильно устают от обилия теоретических сведений. Данный этап также позволяет проверить способности отдельных учеников  ориентироваться в схемах и оценить организацию внутригрупповой работы.

После завершения сборки первых схем и проверки ее работы производится торжественный запуск (включение) собранного устройства. Желательно сформировать позитивное отношение к результату, т.к. в дальнейшем схемы станут сложнее, и от учеников потребуется дополнительное внимание и терпение. Как правило, внутри группы сборкой занимается один человек, поэтому после включения работающего устройства предлагается его разобрать и дать возможность собрать другим членам группы. Возможна ситуация, когда какая-то группа выполнила первое задание, а у кого-то это не получается. Желательно перенаправить ребят, уже закончивших работу, на помощь «отстающим».

Убедившись, что все группы закончили сборку первой схемы и рабочие столы превратились в новогоднюю елку, преподаватель начинает объяснение того, как работает макетная плата, предназначенная для соединения электронных компонентов. Затем объясняется принцип работы контроллера, посылающего высокое и низкое напряжение на контакт, к которому по схеме присоединен светодиод. Объясняется принцип последовательного соединения элементов электрической цепи, подчеркивается важность соблюдения полярности и избегания коротких замыканий. После теоретического блока ученикам предлагается разобрать и заново собрать устройство, основываясь на полученных знаниях, не подглядывая в листочек со схемами. Убедившись, что все выполнили это задание, учитель дает разрешение на сборку следующих проектов, работа над которыми строится аналогичным образом. На этом этапе занятий подгруппы уже не ждут друг друга — после проверки и включения схемы команда приступает к работе над следующей.

Сборка различных схем может потребовать загрузки в Arduino новых управляющих команд. Такая процедура выполняется через ноутбук преподавателя и занимает около 30 секунд. При этом следует параллельно демонстрировать процесс загрузки ученикам, этот процесс всегда очень интересен. Т.к. разные подгруппы заканчивают работу над схемами в разное время, перепрошивка контроллера не сдерживает работы остальных участников занятий.

Введение в программирование  Arduino

После успешной сборки и запуска всех проектов преподаватель просит навести на столе порядок и освободить место под ноутбуки. Как правило, данный этап работы наступает спустя 1-1,5 часа после начала работы, поэтому  желательно сделать небольшую (5 минут) паузу, посмотрев короткий ролик про роботов. Это время можно также использовать для ответов на оставшиеся вопросы и свободное общение.

Включив ноутбуки, ученики самостоятельно открывают среду программирования Arduino IDE и знакомятся с ее интерфейсом. Внутри программы есть возможность просматривать и загружать уже готовые программы с примерами работы различных устройств. Преподаватель демонстрирует процесс открытия простейшей программы (цикличное включение и выключение маячка), рассказывает про ее структуру и назначение основных инструкций,  затем подключает контроллер с помощью USB-провода и загружает в него выбранную программу. После короткого этапа загрузки (несколько секунд), контроллер перезагружается и начинает выполнять новую программу.

На данном этапе ученикам предлагается без предварительной подготовки модифицировать простейшую программу, добившись изменения времени свечения и отключения светодиода. Результат достигается путем замены одного параметра в функции задержки в двух строчках программы, что с успехом выполняется даже теми учениками, кто ни разу не сталкивался с программирование. Внеся изменения и загрузив их в контроллер, ребята убеждаются в правильности работы программы. Затем контроллер отключается от компьютера и подключается к внешнему источнику питания, что демонстрирует сохранность внесенных изменений внутри самого устройства. Успешная демонстрация перепрограммированного контроллера встречается бурными аплодисментами.

Если задания выполняются успешно, можно попросить внести более существенные изменения в программу, например, создав несколько разных циклов свечения и мигания (задание выполняется простым копированием строк и изменении времени задержки, что не требует длительной теоретической подготовки).

На этом этапе ученики испытывают дополнительный прилив радости и гордости, т.к. смогли с помощью простейших действий, выполненных на компьютере в «виртуальной» среде,  повлиять на работу «реального» физического устройства. Необходимо сфокусировать внимание группы на этом факте, объяснив еще раз, что с помощью контроллеров Arduino процесс перехода от идей и  виртуальных проектов к их практическому воплощению существенно ускоряется.

Измерения с помощью Arduino

Как правило, данный этап работы наступает спустя 2-2,5 часа после начала занятий, поэтому задача преподавателя в очень простой форме познакомить учеников с большим спектром разнообразных измерительных устройств и датчиков Arduino:

  • Датчик расстояния.
  • Датчик движения.
  • Фоторезистор (датчик освещенности).
  • Атмосферный датчик температуры и влажности.
  • Датчик влажности почвы и д.р.

 

По возможности, датчики подключаются к контроллеру, и каким-то образом демонстрируется их работа (выводятся на экран показатели, происходит изменение светодиодных индикаторов при выполнении каких-то действий или изменении параметров окружающей среды и т.д.). Итогом данного этапа занятий должно  стать понимание учениками широких возможностей по использованию контроллеров и датчиков в реальных исследовательских проектах. Желательно, если позволяет время, обсудить уже выполненные и планируемые проекты ребят, проанализировав возможность применения в них контроллеров Arduino.

Измерения с помощью различных приборов

В оставшейся части занятий рекомендуется провести в виде полевых исследований с использованием различных датчиков и приборов. Детям дается задание по сбору информации, они должны ознакомиться с работой устройств, провести измерения и предоставить краткую интерпретацию полученных результатов.