V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Инженер будущего

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Сесюгин З.Д. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа № 5» г. Вологды, МОУ «СОШ № 5»

Биловол Е.О. 1

---

1Вологодский государственный университет

Работа в формате PDF

660.6 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

2018 год планировалось объявить инженерным годом [3], что влечет определенную проблему в качестве негативного состояния материально-технической базы практических всех школ нашего города. При чем это связано как с оборудованием лаборантских по физике, так и вычислительными возможностями в области информатики, которые уже устаревают и не поспевают за научно-техническим прогрессом. Поэтому, необходимо повышать мотивацию обучающихся к получению современных сведений в области ИТ, профессий «инженер» и «программист» [4], которые неразрывно связаны с физикой и информатикой в школе, особенно в старших профильных классах.

Результаты проекта заинтересуют несомненно и 5-9 классы, что может повысить их мотивацию в данных областях. Опыт, полученный в результате реализации проекта может быть обобщен и применен в любой школе города. Следует отметить, что применение платформ Арудино в образовательном процессе ведется активно с 2010 года, различными учеными как на базе университета, так и на уроках физики [1, 2].

Цель: профориентация обучающихся в области ИТ через проведение практических занятий в стиле профессий «программист» и «инженер» на уроках физики и информатики в 10-11 классах с помощью элементов программирования на платформе Ардуино и прилагаемых к ней датчиков.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

– подборка материалов для занятий (от физических законов до их реализации средствами программирования на Ардуино);

– выбор платформы Ардуино, закупка, определение необходимых датчиков;

– связь лабораторных работ и уроков с выбранным комплектом датчиков;

– реализовать метапредметность (постановка проблемы на уроке физики – создание модели и программирование на уроке информатики – измерение на уроке физики) через связанные уроки информатики и физики;

– сделать обобщение в виде ролика / научных статей / статей в городской газете;

– написание методических рекомендаций по проведению разработанных занятий.

Прогнозируемые эффекты по итогам проекта можно выделить следующие:

– создать экспериментальную платформу на базе Арудино и прилагаемых к ней датчиков в МОУ «СОШ № 13» г. Вологды;

– привлечь обучающихся к одной из развивающихся отраслей ИТ посредством распространения информации о проекте, проведения открытых уроков и мастер-классов;

– познакомить обучающихся с основами умной электроники;

– создать методические рекомендации для проведения занятий;

– предложить опыт проекта для реализации профильных инженерных классов на уровне города.

Апробация результатов состоялась на Всероссийской научно-практической конференции «С наукой в будущее» в г. В. Устюг (март 2018), городской проектной конференции (март 2018). Постановка проблемы, описанной в проекте и её способ решения представлен на городском конкурсе социальных проектов (ноябрь 2017) и отмечен жюри на высоком уровне (приложение 1). Общая концепция применения Арудино в школе показана в приложении 2, отношение в приложении 3.

Глава 1. Современные принципы радиоэлектроники1.1. О платформе Arduino

Arduino - это плата с микроконтроллером, с помощью неё можно создавать различные устройства и их программировать. В ней имеется: разъём USB (см. Приложение 6), для того чтобы загрузить программу, 13 цифровых (digital) выходов (такие порты, значение которых либо 0 – нет напряжения, либо 1 – напряжение есть), 5 аналоговых (analog in) портов, плюс источника питания (порт 5V и 3.3V) и минус (порт GND), что показано на рисунке 1.

Рис. 1. Схема платформы Arduino Uno

Платформу Arduino выбрана по нескольким причинам:

1) Соответствует современным тенденциям радиоэлектроники.

2) Датчики можно программировать и создавать самим.

3) Позволяет проводить практические работы, которые невозможны на имеющемся школьном оборудовании.

4) Более дешёвый вариант, по сравнению с непрограммируемыми датчиками и школьным оборудованием.

1.2. Анализ лабораторных работ по физике

На основании анализа школьных учебников по физике нами были выделены лабораторные работы, в которых можно заменить традиционные оборудование и метод на датчики Arduino и вспомогательное оборудование (таблица 1).

Таблица 1 – Применение платформы Arduino в лабораторных работах

В стандартный набор входит: платформа Arduino; резисторы 1 кОм, 10 кОм, 377 Ом; соединительный провода; светодиод 3-5 В; крона на 9 В; дисплей.

Таким образом, из таблицы видно, что при помощи датчика на платформе Arduino можно выполнить ряд традиционных лабораторных работ, а также предложить новые.

1.3 Приложение для программирования

Для платформы Arduino разработано специальное приложение, со встроеным компилятором. С помощью него пишется программа (скетч) на языке С++ и загружается на микроконтроллер. Зная С++ на базовом уровне, без труда получилось разобраться в программе для Arduino. Также в приложении есть такой важный инструмент, как мониторинг порта. Именно с помощью него на экран выводятся экспериментальные данные.

Стоит отметить недостатки такого приложения, как наличие различных ошибок, которые непосильны для решения учениками. В будущем стоит разработать программу с учебным уклоном для школьного уровня сложности. Её общая структура представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Общая схема образовательной среды для программирования Arduino

Глава 2. Реализация проекта.

Проект посвящен повышению интереса обучающихся основной и старшей школы к программированию через платформу Ардуино (и её аналогов), что непосредственно связано и с физикой. Подобные курсы привлекают большой интерес в центрах дополнительного образования, однако, в них участвуют учащиеся 5-7 классов, у которых курс вызывает трудности в силу незнания основ физики и информатики [5,6].

Наша работа направлена на тех, кто уже начинает определяться с будущей профессией или не знает о ней вовсе. Платформа Ардуино является одной из самых популярных среди учащихся и мало используется в образовательном процессе. Наш проект направлен на её применение и поднятие статуса «программиста» и «инженера» в глазах обучающихся.

В качестве аналога Arduino выбрана плата RobotDyn UNO от российского производителя. Она конструктивно идентична оригинальной плате и имеет более распространенный разъем micro USB, кроме того, на плату дополнительно установлено два аналоговых входных канала A6 и A7. В основе RobotDyn UNO микроконтроллер ATmega328p. Связь микроконтроллера с компьютером реализована на чипе CH340G, что требует для работы с ПК загрузку дополнительного драйвера для CH340G, который можно найти в свободном доступе на сайте разработчика.

Площадкой для реализации проекта выбрана МОУ «СОШ № 13» г. Вологды, на базе которой в январе-марте 2018 года состоялся ряд занятий с группами физико-математического профиля обучения 10 и 11 классов. По итогам проведения лабораторных занятий проведен последующий анализ применения данной платформы в рамках среднего общего образования.

Для подобных проектов необходимо определить качественные и количественные показатели.

К качественным показателям проекта относится:

– обучающиеся научатся программировать на одной из самых быстро развивающихся платформ, которая влечет начало обучения для любого будущего инженера или программиста;

– введение вариационного модуля рабочей программы учителя физики и информатики (по закону учитель в праве менять до 30% образовательной программ от авторской), кроме того, данный проект выполняется в условиях ФГОС, отличительной чертой которого является его метапредметность (физика и информатика) и практичность (профориентированность);

– освоение практических навыков для будущей профессии;

– появление в городе первого инженерно-технического класса.

К количественным:

– проведенные занятия среди обучающихся 10-11 классов быстро распространятся по школе, что привлечет интерес других школьников;

– количество заинтересованных учителе физики и информатики;

– количество учеников, прошедших практические занятия;

– количество оценок, репостов в соц. сетях (оценка резонанса среди общественности);

– другие школы могут использовать подобную практику;

– больше желающих на инженерные курсы, робототехнику и программирование;

– увеличение в городе физико-математических и инженерных классов.

Отмечен высокий интерес старшеклассников к данному виду работ, несколько учащихся выбрали для исследования создание датчиков для лабораторных работ, проводимых в основной школе, что подтверждено диаграммами в приложении 4.

Заключение

Таким образом, достигнута цель и решена большая часть поставленных задач. Городская апробация проекта оканчивается в апреле 2018 г., после которой будет выстроена дальнейшая методика введения данных платформ в образование.

Достигнуты следующие результаты:

Личный

первый социальный проект успешно реализован;

полное техническое сопровождение от закупки и тестирования до ввода в эксплуатацию и проведение занятий;

желание учиться в инженерно-техническом классе (Если его нет - создай сам);

Проектный

ученики научились использовать Arduino для достижения целей в рамках урока по физике;

познакомились с одним из современных языков программирования;

дали обратную связь и оценили свои достижения.

Общественный

проект стал городской апробацией идеи введения инженерно-технического класса;

вызвал интерес со стороны таких городских центров, как "Мезон", "Брайт". В последствии достигнуто соглашение с программистом-инженером по созданию "образовательной" Arduino под профильные классы.

Перспективы

организовать подобные практические работы для желающих 9-10 классов физико-математического профиля для города;

идея постоянной технической поддержки введённых комплектов и их распространение среди школ города и области;

Список литературы

1. Хегай Д.Н., Белов Ф.А. Использование Arduino в общеобразовательных учреждениях в рамках внеурочной кружковой деятельности // Инновационные стратегии развития педагогического образования: сборник научных трудов Тринадцатой международной очно-заочной научно-методической конференции: в 2 частях. - Ч. 2 (Л-Я). - С. 147-151.

2. Минкин А.В., Дерягин А.В., Ибатуллин Р.Р. Использование микроконтроллера Atmega32 на уроках физики // Научное обозрение. Педагогические науки. – 2015. – № 2. – С. 159-160.

3. Голодец предложила обсудить включение робототехники в школьную программу Режим доступа: https://life.ru/t/новости/1053492/gholodiets_priedlozhila_obsudit_vkliuchieniie_robototiekhniki_v_shkolnuiu_proghrammu (дата обращения 03.04.2018).

4. Объявить 2018 год в России – Годом Инженера! Режим доступа: http://npirf.ru/2018-god-v-rossii-god-inzhenera/ (дата обращения: 03.04.2018).

5. Победителей городского конкурса социального проектирования назвали в Вологде / официальный сайт Администрации г. Вологды URL: http://vologda-portal.ru/novosti/index.php?ID=382702&SECTION_ID=151 (дата обращения: 07.02.2018).

6. Рыжова Т. Успех в начинаниях / Т. Рыжова // Вологда.РФ. - 2017.- 20 декабря. - С. 19.

Приложение 1. Победа в городском конкурсе социальных проектов ГОР.СОМ35 (второй слева).

Приложение 2. Общая концепция Arduino в школе

Приложение 3. Отношение

Приложение 4. Распространение о проекте в социальных сетях

Приложение 5. Обратная связь по лабораторной работе в МОУ «СОШ № 13»