Scratch и Arduino для юных программистов и конструкторов. Методические рекомендации.

Практически во всех документах, посвященных стратегии развития образования в РФ, отражается заинтересованность в развитии цифровой образовательной среды, технологической составляющей проектной деятельности, современных технологий предпрофессиональной подготовки и профессиональной ориентации обучающихся.

Развитие внеурочной деятельности и дополнительного образования, реализация дополнительных общеобразовательных программ технической направленности позволяют интегрировать технологический и проектные подходы во все виды образовательной деятельности, сформировать у обучающихся основы технического мышления, технологической культуры (техноментальности) и навыков проектно-исследовательской деятельности, соответствующих ФГОС ОО и востребованных в условиях технологической революции и реализации Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации.

 

УМК "Scratch и Arduino для юных программистов и конструкторов" был разработан как модульный продукт, готовый для использования на внеурочных занятиях или кружках.

В УМК входят: учебное пособие, набор электронных компонентов, сайт поддержки (методические рекомендации, дополнительные материалы, электронный архив).

 

Предпосылки разработки курса.

(Рекомендуем почитать: "Умные вещи", новый виток развития технологий")

Появление доступных микроконтроллеров произвело настоящую революцию в области технического творчества и кардинально расширило возможности для реализации сложных технических проектов.

Один из самых распространенных в настоящее время контроллеров - Arduino, можно охарактеризовать следующими качествами:

  •   открытость всех стандартов и универсальность платформы;
  •     быстрая сборка прототипов устройств (возможность собирать схемы без пайки);
  •     отсутствие необходимости использовать спецоборудование (программаторы);
  •     удобная среда программирования, доступная для освоения неспециалистами;
  •     достаточная вычислительная мощность платформы;
  •     чрезвычайно низкая цена (по словам создателей, «цена устройства должна быть эквивалентна стоимости обеда в пиццерии»).

Микроконтроллеры просто созданы для того, чтобы стать основой множества учебно-ориентированных проектов, но пока их использование в школе чаще всего ограничено кружками робототехники и электроники в старшей школе. Почему? Потому что среда текстового программирования все же достаточна сложна и изучение синтаксиса даже  Arduino IDE - задача для старшеклассника.   Но многочисленные психологические исследования доказывают, что тот тип интеллекта, который складывается к 7–8 классу, качественно изменить уже практически невозможно. Те интеллектуальные способности, которые не достигли к этому возрасту определенного уровня развития, не будут в дальнейшем развиваться сами по себе, по мере взросления школьника. Таким образом основы информатики, программирования, конструирования, прототипирования лучше всего закладывать в начальной и основной школе. Необходима направленная и системная работа по развитию логико-алгоритмического мышления детей младшего школьного возраста. Требуется интеллектуализировать их познавательную деятельность, сделать ее активно-поисковой, сформировать творческое и деятельностное отношение к действительности.

И вот тут мы подходим к второй революции в области использования микроконтроллеров, которая позволила существенно снизить возрастной «порог вхождения» в проектную работу с использованием электроники. Появились и стремительно развиваются  визуальные средства разработки, доступные для изучения в начальной и основной школе (пример наиболее распространенной в образовательной практике среды -  Scratch).

С развитием графических средств программирование микроконтроллеров стало доступным даже детям!

Для эффективного использования той или иной среды визуального программирования в образовательном процессе она должна обладать некоторыми качествами.

  1.     Универсальность. Необходимо, чтобы была возможность работы с разнообразными микроконтроллерами, в первую очередь самыми распространенными, с устройствами разной конфигурации.
  2.     Открытость и бесплатность. Открытость программного кода является гарантией того, что бесплатное программное обеспечение не перейдет неожиданно в разряд проприетарного.
  3.     Поддержка как интерактивного режима работы (немедленное исполнение команды, отправленной с компьютера), так и автономного (с загрузкой программы в энергонезависимую память микроконтроллера). Отсутствие интерактивного режима работы является принципиальным недостатком многих программных сред, включая Arduino IDE с плагином Ardublock, поскольку приводит к необоснованно высоким затратам времени при частой перекомпилляции программ и резко снижает эффективность учебного процесса.
  4.     Возможность легкого переключения между интерактивным и автономным режимом работы без необходимости использовать для этого дополнительные программные инструменты.
  5.     Кроссплатформенность, поддержка различных операционных систем.

Обзор визуальных сред, позволяющих программировать микроконтроллеры можно посмотреть в статье А.Григорьева "Умные вещи", новый виток развития технологий".

Так же рекомендуем статью А.Григорьева  "Визуальное программирование микроконтроллеров в образовании".

Основой нашего УМК стала среда “mBlock for PC” (“Scratch for Robots”) www.mblock.cc. Основанная на Scratch2.0 и наиболее подходящая под учебные нужды в настоящий момент среда программирования позволяет работать как со специализированными робототехническими контроллерами компании MakeBlock, так и с распространенными Arduino микроконтроллерами и совместимыми с ними.

 

Итак. Существуют доступные микроконтроллеры и множество электронных компонентов , которые можно использовать для проектно-ориентированной работы во внеурочной деятельности и в дополнительном образовании. Существует среда, с помощью которой даже дети могут программировать микроконтроллеры. Замечательно, осталось объединить техническую базу и среду программирования в учебные курсы! Именно для этого и предназначен наш продукт.

 

На какой возраст ориентирован УМК?

 УМК в полном виде рассчитан на учащихся 5-7 классов. В виде отдельных модулей (см.ниже) успешно применялся в 3-4 классах. Возможно и применение в старших классах общеобразовательных школ, т.к. несмотря на то, что в старшей школе актуальнее и предпочтительнее изучение более "взрослых" сред программирования (те же Arduino IDE, Processing и т.д.), визуальное программирование микроконтроллеров  в mBlock  позволит создавать сложные и интересные технические проекты даже ребятам, специально не изучавшим синтаксис языков программирования. Кроме того, возможно использование отдельных тем пособия при прохождении тем "Алгоритмизация" , "Исполнитель" в рамках информатики на любой возрастной ступени.

 

Варианты использования УМК

 1. Отдельный курс.  В варианте дополнительного образования или внеурочной деятельности на уровне 5-7 классов. В этом варианте потребуется полный набор электронных компонентов, рассматриваемых в пособии, для реализации учебных проектов курса. Сложность самостоятельных проектов учащихся будет определяться возрастной группой и уровнем знаний по математике, электронике.

Для учащихся 5 класса для самостоятельных проектов больше подходят игровые проекты с сопряжением компьютерных персонажей и электроники (пульт управления, датчики)и простые проекты серии "Умный дом" (охранная сигнализация, Азбука Морзе)

Дополнительные проекты можно посмотреть в нашем разделе "Умный дом".

В 6-7 классах проекты могут быть дополнены кинематическими проектами (передача данных от положения детали конструкции на экран компьютера , пример можно посмотреть в нашем Инстаграме ), более сложными игровыми и имитационными проектами. 

Пример: дополнительная общеобразовательная общеразвивающая программа Лаборатория проектов. Возраст учащихся 11-14 лет. Срок реализации 1 год (72 часа).

Download
ДООП Лаборатория проектов.pdf
Adobe Acrobat Document 376.3 KB
Download
ДООП Лаборатория проектов.doc
Microsoft Word Document 79.5 KB

2. Модуль более общего курса конструирования, проектной деятельности, компьютерной графики, электроники и т.д.

Примеры:

- в школе нет набора электроники, только печатное пособие. Даже в этом случае можно использовать блок обучения программированию, который по сути построен на различных графических задачах в стиле Scratch. Да, стоит иметь в виду, что среда mBlock в этом курсе не отличается от Scratch, поэтому те же задачи можно реализовывать в Scratch. Особенный интерес представляют проекты с программной отрисовкой  орнаментов, такие работы вполне можно включать и в курс изучения программирования и компьютерной графики, и в курс технологии во время изучения орнаментов, художественных ремесел различных стран. 

- в школе наоборот, развитая база электроники, робототехники и конструирования. В этом случае более целесообразны комбинированные учебные курсы с изучением различных технологий. В нашей школе мы так и используем пособие, включая разные блоки в различные программы кружков и внеурочных занятий.

Примеры в рабочих программах

 В программе внеурочной деятельности "Робототехника и конструирование" в 3 классе есть 2 блока, в которых используется пособие:

  • Основы языка программирования Scratch (12 ч)  Цели и способы их достижения. Планирование последовательности шагов, ведущих к достижению цели. Понятие исполнителя. Управление исполнителем: непосредственное или согласно плану. Система команд исполнителя. Представление об алгоритмах. Цикл, ветвление. Управление исполнителем.
  • Основы конструирования (13 ч) 

    Знакомство с составом конструктора. Базовые конструктивные элементы. 

    Знакомство с простейшими машинами и механизмами и управление машинами и механизмами. 

    Сборка из деталей конструктора моделей механизма. Основы электроники, программирование микроконтроллеров.

 В программе внеурочной деятельности "Робототехника и конструирование" в 5 классе пособие используется в теме:

  • Микропроцессорная электроника. Устройство на базе микроконтроллера как исполнитель (15ч)  Система команд микроконтроллера, цифровые порты ввода-вывода и их состояние. Электрическое напряжение на портах ввода-вывода, логи­ческие уровни сигнала "истина" и "ложь". Электрические схемы. Команды чтения состояния портов, команды управления состоянием портов. Аналоговый и цифровой сигнал, управление мощностью. Усиление управляющего сигнала для работе с мощными устройствами. Информационный обмен между устройствами, понятие о протоколе связи. Работа под управлением другого устройства и автономная работа.