Дополнительная общеразвивающая программа «Основы программирования на Arduino» | Любимова Татьяна Сергеевна. Работа №330930

Министерство образования Кировской области

Кировское областное государственное образовательное автономное учреждение дополнительного образования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дополнительная общеразвивающая программа технической

направленности IT- квантум

«Основы программирования на Arduino»

(вводный, базовые модули)

 

 

 

 

 

 

 

Возраст детей: 10-15 лет

Срок реализации:

вводный модуль 144 часа

базовый модуль 144 часа

углубленный модуль 144 часа

 

Составитель: педагог дополнительного образования:

Устинова Татьяна Сергеевна

 

 

 

 

 

 

 

2020 г.

Пояснительная записка

Дополнительная общеразвивающая программа «Основы программирования на Arduino» направлена на развитие интереса школьников к программированию, конструированию электронных схем и устройств на их основе, принципам работы операционных систем, компьютерных сетей и микропроцессорных систем. Данная программа формирует профессиональные компетенции, которые позволят обучающимся в будущем успешно создавать собственные электронные устройства, заниматься администрированием компьютерных сетей, программированием микроконтроллеров, а также конкурировать на рынке рабочей силы в области информационных технологий.

Общая характеристика

Дополнительная общеразвивающая программа «Основы программирования на Arduino» (далее Программа) технической направленности делится на модули по возрастающей сложности: вводный и базовый. Сроки обучения соответствуют учебному плану и зависят от уровня программы. Обучение детей начинается с вводного модуль. Основные задачи модуля – привлечь детей к исследовательской и изобретательской деятельности, показать им, что выбранное ими образовательное направление интересно и перспективно. А также, развить у учащихся навыки, которые им потребуются в проектной работе и в дальнейшем освоении базовой программы квантума.

Базовый модуль продолжительностью 144 часа, в рамках которого дети изучат компоненты вычислительных устройств, базовые алгоритмические структуры, используемые в языках программировании, алгоритмами компьютерных игр; самостоятельно разработают игровую программу и выступят с защитой своего проекта.

Новизна программы состоит в том, что она учитывает новые технологические уклады, которые требуют новый способ мышления и тесного взаимодействия при постоянном повышении уровня междисциплинарности проектов.

Актуальность программы состоит в том, что данная программа составлена с учётом современных потребностей рынка в высококвалифицированных специалистах в области информационных технологий. Предусмотрено приобретение навыков в области применения информационных технологий в биологии, робототехнике, виртуальной реальности, дизайне, геоинформационных системах, аэрокосмических технологиях.

Педагогическая целесообразность программы обусловлена потребностью общества в расширении использования информационно-компьютерных технологий во всех сферах жизни и особенно для повышения образовательного уровня учащихся, их развития и социализации.

Настоящая программа составлена на основе:

- Федеральный закон от 29 декабря 2012 г. № 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации»;

- Государственная программа Российской Федерации «Развитие образования» на 2013-2020 годы (постановление Правительства РФ от 15.04.2014 N 295 (ред. от 27.04.2016));

- Концепция развития дополнительного образования детей, утвержденная распоряжением правительства Российской Федерации от 4 сентября 2014 г. № 1726-р;

- Устав КОГОАУ ДО «Центр технического творчества»;

- СанПин 2.4.4.3172-14 «Санитарно-эпидемиологические требования к устройству, содержанию и организации режима работы образовательных организаций дополнительного образования детей», утвержденный постановлением Главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 4 июля 2014 г. № 41, где установлены требования к организации образовательного процесса.

Цель программы: развитие интереса учащихся к информационным и телекоммуникационным технологиям; реализация их творческих идей в области программирования и электроники в виде проектов различного уровня сложности.

Для реализации поставленной цели необходимо решить ряд задач:

Обучающие:

формирование знаний базовой части математического аппарата, применяемого в программировании современных электронных вычислительных машин и микропроцессорной техники;

обучение методам программирования на языках, применяемых в современной вычислительной технике;

обучение работе в интегрированных средах разработки;

формирование навыков конструирования сложных систем, управляемых микроконтроллерами и миникомпьютерами;

обучение способам и возможностям построения и использования каналов передачи данных между аппаратными средствами.

Развивающие:

развитие навыков инженерного мышления, умения работать по предложенным инструкциям, программирования, проектирования и эффективного использования электронного вычислительного оборудования

развитие внимательности, аккуратности и изобретательности при работе с техническими устройствами, создании электронных устройств и выполнении учебных проектов.

развитие творческого мышления и воображения, умения излагать мысли в четкой логической последовательности, отстаивать свою точку зрения, анализировать ситуацию и самостоятельно находить ответы на вопросы путем логических рассуждений и информационного поиска.

Воспитательные:

формирование мотивации учащихся к изобретательству, созданию собственных программных реализаций и электронных устройств.

формирование стремления к получению качественного законченного результата в проектной деятельности.

формирование навыков проектного мышления, работы в команде, эффективно распределять обязанности при реализации проекта, требующего от участников знаний и умений из различных направлений.

Отличительные особенности программы:

разноуровневость программы: для различного уровня обучающихся предусмотрены различные варианты в базовом образовательном блоке, исходя из в

ходных компетенций обучающегося;

вариативность содержания программы: в зависимости от предпочтений обучающегося в проектной деятельности возможен выбор образовательных модулей в специализированном блоке.

Таким образом, в программе реализуется возможность выбора и построения индивидуальной образовательной траектории для каждого обучающегося.

Использование ультрасовременного оборудования позволяет не только изучать базовые концепции, но и формировать образ мышления в контексте использования технологий будущего. Кроме того, благодаря междисциплинарности проектной деятельности, обучающиеся будут получать навыки работы в команде, распределения ролей при выполнении задания, требующего знаний и умений в различных областях науки и техники, а также навыки управления проектом.

Все эти особенности в совокупности помогут обучающимся в дальнейшей профориентации при поступлении в ВУЗы.

Возраст детей, участвующих в реализации программы.

 

Программа предназначена для обучающихся в возрасте 10-15 лет. Возможно разделение обучающихся на группы, определяющим фактором при разделении будет уровень входных компетенций.

Сроки реализации программы 144 часа вводный модуль, 144 часа базовый модуль, углубленный модуль 144 часа.

Формы занятий:

Программой предусмотрено проведение комбинированных занятий, состоящих из теоретической и практической части.

При проведении занятий традиционно используются три формы работы:

демонстрационная, когда обучающиеся слушают объяснения педагога и наблюдают за демонстрационным экраном или экранами компьютеров на ученических рабочих местах;

фронтальная, когда обучающиеся синхронно работают под управлением педагога;

самостоятельная, когда обучающиеся выполняют индивидуальные задания в течение части занятия или нескольких занятий.

Методы: кейс-метод, проектная деятельность, датаскаутинг.

Программа позволяет создавать благоприятные условия для развития технических способностей школьников.

Ожидаемые результаты освоения программы

Личностные результаты

проявление познавательных интересов и активности;

развитие трудолюбия и ответственности за качество своей деятельности;

проявление технико-технологического мышления.

Метапредметные результаты:

проявление инновационного подхода к решению учебных и практических задач;

самостоятельная организация и выполнение различных творческих работ по созданию робототехнических конструкций;

приведение примеров, подбор аргументов, формулирование выводов по обоснованию технико-технологического и организационного решения;

отражение в устной или письменной форме результатов своей деятельности;

обоснование путей и средств устранения ошибок или разрешения противоречий в выполняемых технологических процессах;

соблюдение норм и правил безопасности.

Предметные результаты вводного и базового модуля:

знания об устройстве микроконтроллеров и компьютерных сетей, их истории и современных тенденциях развития;

знания об основных принципах программирования;

овладение навыками написания простейших программ для управления микроконтроллерами;

овладение навыками чтения электронных схем, самостоятельного проектирования и сборки простых электронных устройств;

овладение навыками работы с платформой Arduino/Genuino, программирования в среде, создания собственных устройств и обеспечения их безотказной работы;

знания об устройстве всемирной глобальной сети, основных принципах ее функционирования;

овладение навыками создания простейших web-страниц.

Формы подведения итогов:

анкетирование входное и итоговое – позволяет выявить начальный уровень подготовки и оценить результативность программы;

включенное педагогическое наблюдение – помогает на всех этапах программы отслеживать качество усвоения учениками знаний и умений;

защита проектных работ – проверяется достигнутый учащимися уровень владения умением создания приложений, помогают находить ошибки в программе и оперативно их исправлять, демонстрируют достижения учеников.

Защита проектных работ – проверяется достигнутый учащимися уровень владения умением создания приложений, помогают находить ошибки в программе и оперативно их исправлять, демонстрируют достижения учеников.

УЧЕБНО-ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН

вводный модуль

№ п/п

 

Наименование разделов

 

Кол-во часов

всего

теория

практика

1.

Вводное занятие.

4

4

0

2.

Основы программирования. Введение в Arduino.

60

16

44

3.

Написание программ. Работа с Arduino.

40

16

24

4.

Реализация личного проекта.

40

16

24

 

Итого

144

52

92

 

Содержание программы вводного модуля

1. Вводное занятие.

Теория: Введение, инструктаж по технике безопасности, Общие сведения об информационных технологиях и демонстрация возможностей кванта.

2. Основы программирования. Введение в Arduino.

Теория: Понятие компьютерной программы, программирования. Принцип работы компьютерных программ. Понятие алгоритма. Языки программирования.

Программирование и его роль в современной жизни. Компьютерные игры. Мобильные приложения. Программирование для интернета. Роботы. Миникомпьютеры. Вредоносное программное обеспечение.

3. Практика: изучение интерфейса (введение в Arduino), основы программирования, базовые уроки Arduino, продвинутое программирование, продвинутые уроки Arduino.

4. Реализация личного проекта.

Теория: Краткое повторение основных возможностей сред разработки.

Обсуждение заданий для личных проектов и помощь в их реализации.

Создание проекта в среде разработки Arduino.

Индивидуальная работа с каждым обучающимся.

Практика: Защита проекта.

 

 

УЧЕБНО-ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН

базовый модуль

№

п/п

 

Наименование разделов

 

Кол-во часов

всего

теория

практика

1.

Актуализация учебного материала вводного модуля

2

2

-

2.

Основы программирования

18

4

14

3.

Базовые задания Arduino

22

6

16

4.

Сети и веб-технологии

20

8

12

5.

Язык программирования

40

10

30

6.

Взаимодействие ПК с устройствами на базе микроконтроллера

16

6

10

7.

Интернет вещей

10

2

8

8.

Реализация личных проектов

16

2

14

 

ИТОГО:

144

40

104

Содержание программы базового модуля

 

Вводное занятие.

Теория:

Введение, инструктаж по технике безопасности, инструктаж по пожарной безопасности и правилах поведения в кабинете. Вводная лекция о содержании курса.

2. Основы программирования

Теория: о платформе, подключаемые платы, интерфейсы, распиновка платы, питание платы, начало работы, работа с Arduino IDE, первая прошивка, ошибки, FAQ.

3. Основы программирования

Теория: Повторение основ программирования. Углубленное изучение среды программирования. Основные структурные блоки программирования.

Принципы разработки Arduino. Интерфейс программной среды. Основные компоненты среды программирования. Свойства компонент. Блоки программирования. Сохранение и запуск программ.

Практика: Написание и отладка программ.

4. Сети и веб-технологии

5. Язык программирования

Теория: синтаксис и структура кода, типы данных, переменные, математические операции, массивы, сравнения и условия, циклы, строки, массивы, функции, классы.

Практика: Разработка и отладка сетевых устройств и приложений

6. Взаимодействие ПК с устройствами на базе микроконтроллера

7. Интернет вещей

Теория. Основные понятия интернета вещей

Практика. Разработка и сборка устройств интернета вещей.

8. Реализация личных проектов

УЧЕБНО-ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН

углубленный модуль

№ п/п

 

Наименование разделов

 

Кол-во часов

всего

теория

практика

1.

Вводное занятие.

4

4

0

2.

Продвинутое программирование

60

16

44

3.

Продвинутые уроки Arduino

40

16

24

4.

Реализация личного проекта.

40

16

24

 

Итого

144

52

92

 

 

Содержание программы углубленного модуля

Вводное занятие.

Теория: введение, инструктаж по технике безопасности, инструктаж по пожарной безопасности и правилах поведения в кабинете. Вводная лекция о содержании курса.

Продвинутое программирование: битовые операции, операции с битами, двоичная система и хранение данных, макросы для манипуляций с битами, быстрые вычисления, экономия памяти, “Трюки” с битами.

Практика: написание и отладка программ согласно материалу в теории.

Работа с регистрами

Регистры, байты, биты

Запись/чтение регистра

16-бит регистры

Практика: написание и отладка программ согласно материалу в теории.

Указатели и ссылки

Указатели

Указатели на “обычные” переменные

Указатели на массивы

Указатель на функцию

Указатель на структуры/классы

Указатель на void

Разбивка на байты (Ссылки):

Ссылки на типы данных

Ссылка на строку

Ссылка на структуру

Практика: написание и отладка программ согласно материалу в теории.

Теория: (директивы препроцессора) препроцессор, #include – подключить файл, #define / undef, проблемы, #if – условная компиляция, сообщения от компилятора, #pragma, макросы.

Практика: написание и отладка программ согласно материалу в теории.

Пишем свою библиотеку

: п

ишем свою библиотеку для Arduino

, р

азбираемся с файлами

, о

снова библиотеки

, п

ишем класс

,

Keywords.txt

, п

римеры реализации

(

Библиотека без класса

, о

бернём в namespace

, п

ередача и вывод значения в класс

, и

зменение переменной из класса

, п

ередача массива в класс

, п

ередача функции в класс

, а

втоматическое создание объекта

, д

елаем константы

, в

мешательство в компиляцию

.

Практика: написание и отладка программ согласно материалу в теории.

Работа с динамической памятью

: р

аспределение памяти

, в

ыделение памяти

, п

акетное управление памятью

.

Практика: написание и отладка программ согласно материалу в теории.

Работа с PROGMEM памятью

Практика: написание и отладка программ согласно материалу в теории.

Работа с EEPROM памятью

Практика: написание и отладка программ согласно материалу в теории.

Оптимизация кода

Практика: написание и отладка программ согласно материалу в теории.

3. Продвинутые уроки Arduino

- Увеличение частоты ШИМ

- Библиотеки для работы с ШИМ

Практика: написание и отладка программ согласно материалу в теории.

Программаторы, ISP, фьюзы

Практика: написание и отладка программ согласно материалу в теории.

Работа с голым камнем, ATtiny

- Работа с голым чипом

- UART и ISP

- Подключение программатора

- Ставим “ядро”

- Программирование

- Проект на голом МК

Практика: написание и отладка программ согласно материалу в теории.

Сторожевой таймер (watchdog)

- Сторожевой таймер Arduino

- Библиотека GyverWDT

- Примеры из библиотеки

- Watchdog и сон

- Проблемы

- Проверка работоспособности Watchdog

Практика: написание и отладка программ согласно материалу в теории.

Прерывания по таймеру

- Таймеры

- Библиотека GyverTimers

- Примеры

Практика: написание и отладка программ согласно материалу в теории.

Фильтрация сигналов

- Шум при измерениях

- Измерение значений

- Фильтры

- Среднее арифметическое

- Медианный фильтр

- Простой “Калман”

- Альфа-Бета фильтр

- Метод наименьших квадратов

- Быстрые целочисленные фильтры

- Какой фильтр выбрать?

- Библиотека GyverFilters

Практика: написание и отладка программ согласно материалу в теории.

Реализация личного проекта

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

 

Учебно-методическое обеспечение: печатные и электронные ресурсы, авторские разработки, аутентичные источники, сборники упражнений, задач и примеров проектов, прилагаемые к образовательным наборам.

Материально-техническое обеспечение: специализированное учебное оборудование на базе Технопарка, а также учебное, производственное и научно-исследовательское оборудование на площадках партнеров. Применяемое оборудование является современным и актуальным, позволяя использовать в образовательном процессе последние научно-технические достижения.

Занятия строятся с учётом индивидуальных особенностей учащихся, что позволяет заинтересовать, увлечь каждого ребёнка, раскрыть его творческие способности.

При изучении тем программа предусматривает использование фронтальной, индивидуальной и групповой формы учебной работы обучающихся:

фронтальная форма - для изучения нового материала, информация подаётся всей группе из 10-14 человек;

индивидуальная форма - самостоятельная работа учащихся, педагог может направлять процесс в нужную сторону;

групповая форма помогает педагогу, сплотить группу общим делом, способствует качественному выполнению задания, для реализации проектной деятельности в малых группах (3-5 человека)

Помимо основных занятий, программа включает в себя и культурно-массовые мероприятия, такие как: экскурсии, конкурсы, выставки.

Предполагаются следующие активные формы проведения занятий:

Лекционно-практические занятия, проблемные лекции

Тренинги, мастер-классы,

workshop

Экскурсии

Будут реализованы активные методы обучения такие, как:

Метод проектов

Метод кейсов

Метод задач

Материально-техническое обеспечение

Перечень основного оборудования

компьютер, мультимедиа-проектор,

документ-камера,

роботизированный комплект "Робот-рисовальщик, роботизированный комплект "Сегвей

сервер HP DL380Gen9 с ПО, жесткий диск HP <J9F50A> MSA 1TB 12G SAS 7.2K 2.5in 512e ENT HDD,

дисковый массив MSA 2040

микроконтроллеры Arduino

/Genuino с периферийными устройствами

отладочная плата на базе STM32F103 с ядром Cortex-M3,

роботизированный

комплект” ГРИНХАУС

”,

модуль

EDI2ARDUIN.AL.K Intel® Edison Kit for Arduino*, Single

микроконтроллеры Arduino

/Genuino с макетными платами, проводами и периферийными устройствами

.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

Cписок литературы для педагога

Периферийные устройства вычислительной техники: учеб. пособие / под ред. Партыка Т. Л., Попов И. И. - 3-е изд., испр. и доп. — М. : ФОРУМ, 2016. — 432 с.

Таненбаум Э., Бос Х. Современные операционные системы [пер. с англ.]. 4-еизд. — СПб.: Питер, 2015. — 1120 с.

Новиков Ю.В. Основы локальных сетей/ Новиков Ю.В., Кондратенко С.В. — М.: Национальный Открытый университет "Интуит", 2016. — 407с.

Никсон Р. Создаем динамические веб-сайты с помощью

PHP

,

MySQL

,

JavaScript

,

CSS

и

HTML

5 [пер. с англ.]. — СПб.: Питер, 2015. — 688с.

Олифер В.Г., Олифер Н.А Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. Учебник для вузов [пер. с англ.]. 5-ое изд. — СПб.: Питер, 2016. — 992 с.

Колисниченко Д.Н. PHP и MySQL. Разработка Web-приложений. — 5е изд., перераб. и доп.- СПб.: БХВ-Петербург, 2015. —592с.

Робачевский А.М., Немнюгин С.А., Стесик О.Л. Операционная система UNIX. — 2-е изд., перераб. и доп. — СПб.. БХВ-Петербург, 2010. — 656 с.

Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники [пер. с англ.]. — 7-е изд, пер. — М.: Бином, 2014. — 704 с.

Джонс М. Х. Электроника — практический курс [пер. с англ.]. — М.: Техносфера, 2006. — 512 с.

Соммер У. Программирование микроконтроллерных плат Arduino/Freeduino [пер. с нем.]. — СПб.: БХВ-Петербург, 2012. —244 с.

Блум Д. Изучаем Arduino: инструменты и методы технического [пер. с англ.]. — СПб.: БХВ-Петербург, 2015. — 336 с.

Монк С. Программируем Arduino. Основы работы со скетчами [пер. с англ.]. — СПб.: Питер, 2016. — 176 с.

 

Cписок литературы для обучающихся

Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: учебник / под ред. Максимов Н. В., Партыка Т. Л., Попов И. И,. — 5-е изд., перераб. и доп. — М. : ФОРУМ: ИНФРА-М, 2016. — 512 с.

Таненбаум Э.С. Архитектура компьютера[пер. с англ.] — 2011 — books.google.com (Дата обращения: 07.11.2016).

Денис

Голиков,

"Scratch

для

юных программистов" г.

2017.

Юлия

Торгашева,

"Первая

книга юного

программиста.

Учимся

писать

программы

на

Scratch"

г.

2016.

Scrum.

Революционный метод

управления проектами

Джефф

Сазерленд

Основы

Scrum

Автор:

Кеннет

С.

Рубин