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).

 В 2018 году УМК на основе данного набора стал лауреатом петербургского конкурса инновационных продуктов и получил приз "Овация".

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).

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.