Работа по выявлению и развитию способностей учащихся.

Работа по выявлению и развитию способностей учащихся.

Работа по выявлению и развитию способностей учащихся на уроках физики основана на развитии навыков проектно-исследовательской деятельности учащихся. На уроке физики проектно-исследовательская деятельность учащихся строится на основе  выполнения проектов по робототехнике (робототехническая платформа Arduino). 

Применение элементов робототехники на уроке физики является основой для создания стойкого интереса учащихся к предмету физики. Привитие интереса к предмету является базисом для развития способностей учащихся.

Внедрение элементов робототехники  позволяет  придать  актуальность и новизну современному уроку физики.

Основным видом деятельности учащихся на уроке физике при таком подходе является: проектная и исследовательская деятельность. Учащийся на таком уроке становится мейкером^[1]. Мейкер – творец, создатель, творческая личность, который в удовольствие себе и на радость окружающим, разрабатывает и воплощает различные проекты.

В нашей школе на уроках физики с 7-11 класс используется робототехническая платформа Arduino в силу низкой стоимости и доступности. Кроме проектов на основе платформы Arduino, в 10-11 классе учащиеся выполняют  проекты с применением микрокомпьютера Raspberry Pi.

Платформа Arduino позволяет учащимся создавать прототипы электронных устройств за короткий промежуток времени (10-15 мин.) в рамках конкретного урока физики.

Особый интерес у учащихся вызывают проекты из концепции Internet of Things (интернет вещей).

Internet of Things (IoT, интернет вещей) – это концепция умного дома, где все (или многие) бытовые приборы и системы управляются через Интернет.

Платформа Arduino позволяет создавать учащимся прототипы электронных устройств для Интернета вещей в рамках урока физики.

Интернет вещей предполагает оснащение каждого устройства, будь то пылесос, холодильник или стиральная машина, модулем подключения к Интернету с возможностью взаимодействия его с домашним компьютером или смартфоном домовладельца.

С появлением Интернета вещей автоматически решится множество самых разных проблем: от индивидуального комфорта и безопасности, когда «умный» дом будет оценивать и контролировать собственное состояние, до ликвидации пробок на дорогах, когда машины сами станут договариваться со светофорами об оптимальном трафике. Холодильники смогут следить за просроченными продуктами, лекарства подскажут время приема, портфель в дождливую погоду напомнит хозяину, что тот забыл зонтик, а автомобиль сам выдержит безопасную дистанцию в потоке машин и покажет где и как лучше припарковаться. Интернет вещей — это не только множество различных приборов и датчиков, объединенных между собой проводными и беспроводными каналами связи и подключенных к сети Интернет, а более тесная интеграция реального и виртуального миров, в котором общение осуществляется между людьми и устройствами.

Для выявления и развития способностей учащихся во внеурочной деятельности проводится неделя физики и астрономии, неделя робототехники. Главным во внеурочной деятельности по физике, является развитие навыков проектно-исследовательской деятельности учащихся.  

Внеурочная деятельность по физике, также основана на кружковой работе (4-11 класс). В школе действует кружок по робототехнике (одна группа 4-5 класс, другая группа 7-11 класс), кружок по авиамоделированию (4-9 класс).

На робототехнике учащиеся  выполняют проекты на основе робототехнической платформы Arduino. Основными средствами обучения на кружке авиамоделирования являются квадракоптеры.  

Ссылки на кружки:

Кружок по робототехнике:

https://xn--90abg3bbdhg8l.xn--p1ai/program/3202-robototekhnika

Кружок по авиамоделированию:

https://xn--90abg3bbdhg8l.xn--p1ai/program/4357-kruzhok-aviamodelirovanie

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

кружка «Робототехника»

для  4-5  класса

на 2018-2019 учебный год

Составитель программы:

Хамаганов Ю.Ю.

учитель физики

2018 г.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Рабочая программа составлена с учётом рекомендаций Федерального института развития образования (ФИРО).  Программа рассчитана на  учащихся 4-5 классов. Занятия проводятся 1 раз в неделю, в качестве  межпредметного образовательного  модуля (35 часов в год). Рабочая программа предусматривает выполнение 18  практических работ в течение учебного года.

Общая характеристика учебного предмета.

Робототехника - это проектирование и конструирование всевозможных интеллектуальных механизмов - роботов, имеющих модульную структуру и обладающих мощными микропроцессорами. Робототехника опирается на электронику, механику и программирование.

Целью использования робототехники является овладение обучающимися универсальными учебными действиями, так как в робототехнике обьединены разные способы деятельности при решении конкретной задачи. А именно навыками технического конструирования, знакомство с элементами радио-конструирования, развитие мелкой моторики, изучение понятий конструкции и основных свойств (жесткости, прочности, устойчивости), навык взаимодействия в группе.

Применение робототехники в школе, позволяет существенно повысить мотивацию учащихся, организовать их творческую и исследовательскую работу. А также позволяет школьникам в форме познавательной игры узнать многие важные идеи и развивать необходимые в дальнейшей жизни навыки.

На занятиях по робототехнике осуществляется работа с образовательными конструкторами серии Arduino. Дети работают с микросхемой Arduino UNO, L293D, и наборами датчиков. С их помощью школьник может запрограммировать робота на выполнение определенных функций.

В данном курсе используется среда визуального программирования Scratch for Arduino(S4A). Это творческая среда, в которой, помимо работы с Arduino, можно взаимодействовать с графикой и звуками. Программа на S4A состоит из блоков, которые окрашены в разные цвета, в зависимости от назначения и соединяются между собой подобно элементам пазла. Программирование в данной среде развивает у детей абстрактное и логическое мышление, знакомит с основными принципами программирования и алгоритмизации.

Таким образом, данный учебный курс  подготавливает учащихся для более легкого и успешного усвоения и понимания   в дальнейшем текстовых языков программирования.

Цели:

• повышение мотивации к изучению предметов естественно-математического цикла (физика, информатика, математика, технология), знакомство с основными принципами механики, с основами программирования в графическом языке; понимание важности межпредметных связей. Формирование целостного миропонимания и современного научного мировоззрения.
• Освоение знаний о механических, тепловых, электромагнитных и квантовых явлениях, величинах, характеризующих эти явления, законах, которым они подчиняются, о методах научного познания природы и формирование на этой основе представлений о физической картине мира;
• Развитие творческих способностей и формирование профессионального самоопределения обучающихся в процессе конструирования и проектирования.  
• Воспитание убежденности в познаваемости окружающего мира, в необходимости разумного использования достижений науки и технологий для дальнейшего развития человеческого общества, уважения к творцам науки и техники; отношения к робототехнике как к элементу общечеловеческой культуры;
• Применение полученных знаний и умений для решения практических задач повседневной жизни, для обеспечения безопасности жизнедеятельности.

Требования к подготовке школьников по робототехнике

В результате изучения робототехники ученик должен:

знать/понимать

• теоретические основы создания робототехнических устройств;
• элементную базу при  помощи которой собирается устройство;
• порядок взаимодействия механических узлов робота с электронными и оптическими устройствами;
• порядок создания алгоритма программы действия робототехнических средств;
• правила техники безопасности при работе с инструментом и электрическими приборами.

уметь:

• проводить сборку робототехнических средств с применением конструкторов Arduino;
• создавать программы для робототехнических средств при помощи специализированных визуальных конструкторов.

Предполагаемые результаты реализации программы

Личностные, метапредметные и предметные результаты освоения курса:

Личностными результатами изучения является формирование следующих умений:

• самостоятельно и творчески реализовывать собственные замыслы.
• повышение своего образовательного уровня и уровня готовности к продолжению обучения с использованием ИКТ.
• навыки взаимо - и самооценки, навыки рефлексии;
• сформированность представлений о мире профессий, связанных с робототехникой, и требованиях, предъявляемых различными востребованными профессиями, такими как инженер-механик, конструктор, архитектор, программист, инженер-конструктор по робототехнике;

Предметные образовательные результаты:

• Определять, различать и называть детали конструктора,

• Способность реализовывать модели средствами вычислительной техники;
• конструировать по условиям, заданным взрослым, по образцу, по чертежу, по заданной схеме и самостоятельно строить схему.

• Владение основами разработки алгоритмов и составления программ управления роботом;
• Умение проводить настройку и отладку конструкции робота.

Метапредметными результатами изучения является формирование следующих универсальных учебных действий (УУД):

Познавательные УУД:

• ориентироваться в своей системе знаний: отличать новое от уже известного.
• перерабатывать полученную информацию: делать выводы в результате совместной работы всего класса, сравнивать и группировать предметы и их образы;
• умение устанавливать взаимосвязь знаний по разным учебным предметам (математике, физике, природоведения, биологии, анатомии, информатике, технологии и др.) для решения прикладных учебных задач по Робототехнике.

Регулятивные УУД:

• уметь работать по предложенным инструкциям.
• умение излагать мысли в четкой логической последовательности, отстаивать свою точку зрения, анализировать ситуацию и самостоятельно находить ответы на вопросы путем логических рассуждений.
• определять и формулировать цель деятельности на занятии с помощью учителя;

Коммуникативные УУД:

• уметь работать в паре и в коллективе; уметь рассказывать о постройке.
•  уметь работать над проектом в команде, эффективно распределять обязанности.

Содержание.

Тема 1. Вводное занятие. Техника безопасности при работе в компьютерном классе. Общий обзор курса. (1 ч.)

      Техника безопасности при работе в компьютерном классе и электробезопасность. Современное состояние робототехники и микроэлектроники в мире и в нашей стране.

Тема 2. Знакомство с платой Arduino Uno. (1 ч.)

Структура и состав микроконтроллера. Пины.

Тема 3-4. Теоретические основы электричества. (2 ч.)

Управление электричеством. Законы электричества. Как быстро строить схемы: макетная плата. Чтение электрических схем. Управление светодиодом. Мультиметр. Электронные измерения.

Тема 5. Знакомство со средой программирования S4A (1 ч.)

Подпрограммы: назначение, описание и вызов. Параметры, локальные и глобальные переменные. Логические конструкции.

Тема 6. Проект «Маячок» (1 ч.)

Знакомство с резисторами, светодиодами.  Сборка схем. Программирование: функция digital write.

Тема 7. Проект «Маячок с нарастающей яркостью» (1 ч.)

Таблица маркировки резисторов. Мигание в противофазе.

Тема 8. Проект «Светильник с управляемой яркостью» (1 ч.)

Подключение потенциометра. Аналоговый вход.

Тема 9. Проект «Терменвокс» (1 ч.)

Терменвокс. Подключение  фоторезистора, пьезопищалки. Воспроизведение звука.

Тема 10. Логические переменные и конструкции (1 ч.)

Особенности подключения кнопки. Устранение шумов с помощью стягивающих и подтягивающих резисторов. Программное устранение дребезга. Булевые переменные и константы, логические операции.

Тема 11.  Аналоговые и цифровые входы и выходы. Принципы их использования. (1 ч.)

Аналоговые и цифровые сигналы, понятие ШИМ. Управление устройствами с помощью портов, поддерживающих ШИМ. Циклические конструкции, датчик случайных чисел.

Тема 12. Проект «Ночной светильник» (1 ч.)

Последовательное и параллельное подключение резисторов.  Фоторезистор.

Тема 13. Проект «Кнопка + светодиод» (1 ч.)

Особенности подключения и программирования кнопки.

Тема 14. Проект «Светофор» (1 ч.)

Моделирование работы дорожного трехцветного светофора.

Тема 15. Проект «RGB светодиод» (1 ч.)

Подключение и программирование RGB-светодиода.

Тема 16. Проект «Пульсар» (1 ч.)

Знакомство с устройством и функциями транзистора. Подключение и программирование устройств  с транзисторами и светодиодной шкалой.

Тема 17. Проект «Бегущий огонек» (1 ч.)

Подключение и программирование устройств  с транзисторами и светодиодной шкалой.

Тема 18.  Проект «Мерзкое пианино»

Подключение трех кнопок и пьезопищалки. Программирование музыки.

Тема 19. Проект «Кнопочный переключатель» (1 ч.)

Понятие «дребезг» контактов. Триггер.

Тема 20. Проект «Кнопочные ковбои» (1 ч.)

Создание игрушки на реакцию: на быстроту нажатия кнопки по сигналу.

Тема 21. Проект «Секундомер». (1 ч.)

Подключение семисегментного индикатора. Программирование.

Тема 22. Проект «Охранная система» (1 ч.)

Подключение инфракрасного датчика.

Тема 23. Сенсоры. Датчики Arduino. (1 ч.)

Роль сенсоров в управляемых системах. Сенсоры и переменные резисторы. Делитель напряжения. Потенциометр. Аналоговые сигналы на входе Arduino. Использование монитора последовательного порта для наблюдений за параметрами системы.

Тема 24. Проект «Термометр» (1 ч.)

Подключение датчика температуры. Создание цифрового термометра.

Тема 25.  Проект «Дистанционный светильник» (1 ч.)

Тема 26.  Подключение различных датчиков к Arduino (1 ч.)

Датчики сердцебиения, лазер. Датчик дождя (влаги). Датчик окиси углерода. Датчики температуры и влажности dht11 и dht22. Датчик давления. Датчик холла. Датчики пара, пламени, освещенности, звука, влажности почвы, наклона и др.

Тема 27. Подключение серводвигателя (1 ч.)

Устройство и принцип работы серводвигателя. Подключение полевых транзисторов и выпрямительных светодиодов.

Тема 28-33. Создание собственных творческих проектов учащихся. (7 ч.)

Тема 34. Итоговая конференция учащихся (1 ч.)

Презентация собственных проектов.

Учебно-методические материалы.

1. http://wiki.amperka.ru/ теоретический и практический материал, описание практикума  
2. http://robocraft.ru/page/summary/#PracticalArduino  Теоретический и практический материал
3. http://avr-start.ru/?p=980 Электроника для начинающих. Уроки.
4. https://sites.google.com/site/arduinodoit/home Методические разработки, описание практических и лабораторных работ.
5. http://arduino4life.ru практические уроки по Arduino.
6. http://bildr.org Инструкции и скетчи для подключения различных компонентов к плате Arduino.
7. http://arduino-project.net/ Видеоуроки, библиотеки, проекты, статьи, книги, приложения на Android.
8. http://cxem.net Сайт по радиоэлектроники и микроэлектронике.
9. http://arduino-project.net/ Видеоуроки, библиотеки, проекты, статьи, книги, приложения на Android.
10. http://arduino-diy.com Все для Arduino. Датчики, двигатели, проекты, экраны.
11. http://www.robo-hunter.com Сайт о робототехнике и микроэлектронике.
12. http://boteon.com/blogs/obuchayuschie-lekcii-po-arduino/uroki-po-arduino-oglavlenie.html? Уроки по Arduino

Календарно-тематический план

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

кружка «Авиамоделирование: беспилотные летательные аппараты»

для  4-7 класса

на 2019-2020 учебный год

Составитель программы:

Хамаганов Ю.Ю.

учитель физики

2019 г.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Рабочая программа составлена с учётом рекомендаций Федерального института развития образования (ФИРО).  Программа рассчитана на  учащихся 4-7 классов. Занятия проводятся 1 раз в неделю, в качестве  межпредметного образовательного  модуля (35 часов в год). Рабочая программа предусматривает выполнение 20 практических работ в течение учебного года.

Общая характеристика учебного предмета.

Авиамоделирование  - это конструирование и создание всевозможных летательных аппаратов. В настоящей программе курс авиамоделирования рассматривается на основе беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).

В современном мире беспилотные летательные аппараты (БПЛА) приобретают все большую популярность в качестве легких и недорогих инструментов для исследования, воздушных съемок. В России ведутся разработки по внедрению БПЛА в областях экологической и сельскохозяйственной деятельности, а также при решении различных задач мониторинга местности. Одно из главных преимуществ БПЛА — исключение человеческого фактора при выполнении поставленной задачи, который особенно сказывается в опасных для жизни человека задачах.

Настоящая программа имеет научно-техническую направленность. Предполагает дополнительное образование детей в области конструирования, моделирования и беспилотной авиации, программа также направлена на формирование у детей знаний и навыков, необходимых для работы с беспилотными авиационными системами (БАС).

Программа позволяет создавать благоприятные условия для развития технических способностей школьников.

Настоящая программа соответствует общекультурному уровню освоения и предполагает удовлетворение познавательного интереса обучающегося, расширение его информированности в области беспилотных летательных аппаратов и систем, а также обогащение навыками общения и приобретение умений совместной деятельности в освоении программы.

Новизна настоящей образовательной программы заключается в том, что она интегрирует в себе достижения современных и инновационных направлений в малой беспилотной авиации.

Актуальность программы Современные тенденции развития роботизированных комплексов в авиации получили реализацию в виде беспилотных авиационных систем (БАС).

В настоящее время наблюдается лавинообразный рост интереса к беспилотной авиации как инновационному направлению развития современной техники, хотя история развития этого направления началась уже более 100 лет тому назад. Развитие современных и перспективных технологий позволяет сегодня беспилотным летательным аппаратам успешно выполнять такие функции, которые в прошлом были им недоступны или выполнялись другими силами и средствами.

Благодаря росту возможностей и повышению доступности дронов, потенциал использования их в разных сферах экономики стремительно растёт. Это создало необходимость в новой профессии: оператор БАС. Стратегическая задача курса состоит в подготовке специалистов по конструированию, программированию и эксплуатации БАС.

Настоящая образовательная программа позволяет не только обучить ребенка моделировать и конструировать БПЛА, но и подготовить обучающихся к планированию и организации работы над разноуровневыми техническими проектами и в дальнейшем осуществить осознанный выбор вида деятельности в техническом творчестве.

Педагогическая целесообразность настоящей программы заключается в том, что после ее освоения обучающиеся получат знания и умения, которые позволят им понять основы устройства беспилотного летательного аппарата, принципы работы всех его систем и их взаимодействия, а также управление БПЛА. Использование различных инструментов развития soft-skillsу детей (игропрактика, командная работа) в сочетании с развитием у них hard-компетенций (workshop, tutorial) позволит сформировать у ребенка целостную систему знаний, умений и навыков.

Цели:

Целью программы является формирование у обучающихся устойчивых soft-skills и hard-skills^[1] по следующим направлениям: проектная деятельность, теория решения изобретательских задач, работа в команде, аэродинамика и конструирование беспилотных летательных аппаратов, основы радиоэлектроники и схемотехники, программирование микроконтроллеров, лётная эксплуатация БАС (беспилотных авиационных систем).

Программа направлена на развитие в ребенке интереса к проектной, конструкторской и предпринимательской деятельности, значительно расширяющей кругозор и образованность ребенка.

Требования к подготовке школьников по авиамоделированию

В результате изучения авиамоделирования ученик должен:

знать/понимать

• научную терминологию, ключевые понятия, методы и приемы конструирования, моделирования, сборки квадрокоптеров;
• знать простейшие основы электромеханики;
• виды конструкций и моделей квадракоптеров;
• технологическую последовательность сборки моделей;

уметь:

• собирать квадракоптер из отдельных деталей конструктора;  
• определять последовательность выполнения действий, составлять инструкции (алгоритмы) в несколько действий;
• читать и оформлять технологическую документацию;
• выполнять простейший анализ свойств квадрокоптеров;
• вносить свои изменения в конструкцию или настройки квадрокоптера, адаптируя его под выполнение поставленной задачи;
• свободно управлять моделями квадрокоптеров.

Предполагаемые результаты реализации программы

Личностные, метапредметные и предметные результаты освоения курса:

Личностные:

• сформированность коммуникативной культуры обучающихся, внимание, уважение к людям;
• развитие трудолюбия, трудовых умений и навыков, широкий политехнический кругозор;
• сформированность умения планировать работу по реализации замысла, способность предвидеть результат и достигать его, при необходимости вносить коррективы в первоначальный замысел;
• сформированность способности к продуктивному общению и сотрудничеству со сверстниками и взрослыми в процессе творческой деятельности.

Предметные:

• приобретение обучающимися знаний в области моделирования и конструирования БАС;
• занятия по настоящей программе помогут обучающимся сформировать технологические навыки;
• сформированность навыков современного организационно-экономического мышления, обеспечивающая социальную адаптацию в условиях рыночных отношений.
• Метапредметными результатами изучения является формирование следующих универсальных учебных действий (УУД):

Познавательные УУД:

• ориентироваться в своей системе знаний: отличать новое от уже известного.
• перерабатывать полученную информацию: делать выводы в результате совместной работы всего класса, сравнивать и группировать предметы и их образы;
• умение устанавливать взаимосвязь знаний по разным учебным предметам (математике, физике, природоведения, биологии, анатомии, информатике, технологии и др.) для решения прикладных учебных задач по авиамоделированию.

Регулятивные УУД:

• уметь работать по предложенным инструкциям.
• умение излагать мысли в четкой логической последовательности, отстаивать свою точку зрения, анализировать ситуацию и самостоятельно находить ответы на вопросы путем логических рассуждений.
• определять и формулировать цель деятельности на занятии с помощью учителя;

Коммуникативные УУД:

• уметь работать в паре и в коллективе; уметь рассказывать о постройке.
•  уметь работать над проектом в команде, эффективно распределять обязанности.

Содержание.

1. Теория мультироторных систем.

Устройство мультироторных систем. Основы конструкции мультироторных систем. Принципы управления мультироторными системами.

Аппаратура радиоуправления: принцип действия, общее устройство.

Техника безопасности при работе с мультироторными системами.

Электронные компоненты мультироторных систем: принципы работы, общее устройство.

Литий-полимерные аккумуляторы и их зарядные устройства: устройство, принцип действия, методы зарядки/разрядки/хранения/ балансировки аккумуляторов, безопасная работа с оборудованием.

Пайка электронных компонентов: принципы пайки, обучение пайке, пайка электронных компонентов мультироторных систем.

2. Сборка и настройка квадрокоптера. Учебные полёты.

Полётный контроллер: устройство полётного контроллера, принципы его функционирования, настройка контроллера с помощью компьютера, знакомство с программным обеспечением для настройки контроллера.

Бесколлекторные двигатели и их регуляторы хода: устройство, принципы их функционирования, пайка двигателей и регуляторов.

Платы разводки питания: общее устройство, характеристики, пайка регуляторов и силовых проводов к платам разводки питания.

Инструктаж перед первыми учебными полётами. Проведение учебных полётов в зале, выполнение заданий: «взлёт/посадка», «удержание на заданной высоте», «вперед-назад», «влево-вправо», «точная посадка на удаленнуюточку»,

«коробочка», «челнок», «восьмерка», «змейка», «облет по кругу».

Разбораварийныхситуаций.

3. Настройка, установка FPV – оборудования.

Основы видеотрансляции: принципы передачи видеосигнала, устройство и характеристики применяемого оборудования.

Установка, подключение и настройка видеооборудования на мультироторные системы. Пилотирование с использованием FPV- оборудования.

4. Работа в группах над инженерным проектом.

Работа над инженерным проектом: основы планирования проектной работы, работа над проектом в составе команды.

Основы 3D-печати и 3D-моделирования: применяемое оборудование и программное обеспечение.

Практическая работа в группах над инженерным проектом по теме «Беспилотная авиационная система».

Подготовка и проведение презентации по проекту.

Учебно-методические материалы.

1. Белинская Ю.С. Реализация типовых маневров четырехвинтового вертолета. Молодежный научно-технический вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. №4. Режим доступа: http://sntbul.bmstu.ru/doc/551872.html (дата обращения 31.10.2016).
2. Гурьянов А. Е. Моделирование управления квадрокоптером. Инженерный вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014 №8 Режим доступа: http://engbul.bmstu.ru/doc/723331.html (дата обращения 31.10.2016).
3. Ефимов.Е. Программируем квадрокоптер на Arduino.
4. Институт транспорта и связи. Основы аэродинамики и динамики полета. Рига, 2010.
5.  Канатников А.Н., Крищенко А.П., Ткачев С.Б. Допустимые пространственные траектории беспилотного летательного аппарата в вертикальной плоскости.
6. Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. №3.

Календарно-тематический план