Використання апаратно-програмного комлексу Arduino на уроках інформатики

Використання апаратно-програмного комлексу Arduino на уроках інформатики

На сьогодні в освітньому процесі сучасної школи поряд із традиційними засобами навчання (друковані підручники, посібники, зошити) широко використовуються електронні засоби навчання (мультимедійні презентації, електронні підручники).

При допомозі комп’ютерно-орієнтованого навчального середовища, можна забезпечити учасникам освітнього процесу нові, недоступні на попередньому етапі розвитку технічних засобів навчання, форми  подання навчального матеріалу, нові засоби діяльності суб’єктів навчання, засоби, за допомогою яких підтримують новий рівень спілкування і взаємодії між учасниками навчально-виховного процесу. 

Учнів все важче і важче зацікавити та заохотити до навчання. Звичні для них інформаційні засоби навчання та електронні пристрої втрачають свою новизну та унікальність. То ж у боротьбі за увагу учнів, інтерес до навчання та розвитку пізнавального інтересу потрібно використовувати інноваційний підхід, нові засоби навчання з розширеним функціоналом. У своїй роботі я хочу продемонструвати, як за допомогою апаратно-програмного комплексу Arduino (та йому подібних) можна активізувати пізнавальну діяльність учнів, зацікавити їх вивчати предмети шкільного курсу, понад шкільний курс, займатись самоосвітою, створювати нове та в підсумку стати конкурентноздатними як на всеукраїнському, так і на світовому ринку праці; реалізувати головну мету STEM-освіти.

Arduino - торгова марка апаратного та програмного забезпечення для побудови простих систем автоматизації та робототехніки, призначених для непрофесійних користувачів. Програма складається з вільної оболонки програмного забезпечення (IDE) для написання програм, їх компіляції та програмного забезпечення. Апаратне забезпечення - це набір змонтованих друкованих плат, що продаються як офіційним виробником, так і сторонніми виробниками. Повністю відкрита архітектура системи дозволяє користувачам вільно копіювати чи доповнювати лінійку Arduino, саме завдяки цьому вона стала такою популярною. З кожним днем список пристроїв на базі Arduino поповнюється. Arduino може використовуватися як для створення автономних об'єктів автоматики, так і підключатися до програмного забезпечення на комп'ютері через стандартні дротові і бездротові інтерфейси.

Лінійка Ардуіно включає в себе велику кількість плат різного призначення, що в свою чергу впливає на конструкцію, форму, вагу, та простір, який займає плата.

Arduino і Arduino-сумісні плати були спроектовані таким чином, щоб до них можна було додавати нові компоненти – шилди. Ці плати розширень підключаються до Arduino за допомогою штирів та відповідних роз'ємів. Існує ряд плат з уніфікованим конструктивом, забезпечує конструктивно жорстке з'єднання процесорної плати і плат розширення в стовбчик через штирові лінійки. Крім того, випускаються плати зменшених габаритів (наприклад, Nano, Lilypad) і спеціальних конструктивів для задач робототехніки.

Порти введення-виведення мікроконтролерів оформлені у вигляді штирьових лінійок. Ніякої буферизації, захисту, конвертації рівнів, як правило, немає. Мікроконтролери харчуються від 5В або 3,3, в залежності від моделі плати. Відповідно порти мають такий же розмах допустимих вхідних і вихідних напруг. Програмісту доступні деякі спеціальні можливості портів введення-виведення мікроконтролерів, наприклад широтно-імпульсна модуляція (ШІМ), аналогово-цифровий перетворювач (АЦП), інтерфейси UART, SPI, I2C. Кількість і можливості портів введення-виведення визначаються конкретним варіантом мікропроцесорної плати.

Крім портів на платах мікроконтролерів іноді встановлюється периферія в вигляді інтерфейсів USB або Ethernet. Опціональний набір зовнішньої периферії на модулях розширення включає в себе:

•             USB Device (найчастіше як віртуальний COM порт через FTDI FT232, є також версії з емуляцією USB HID Class клавіатур і мишок).
•             Дротової і бездротової Ethernet як на основній платі так і на платах розширення.
•             Модуль GSM і інші бездротові інтерфейси .
•             USB Host .
•             SD card.
•             Модуль управління низьковольтних мотором на базі L298. Підтримуються кроковий і колекторний двигуни з напругою до 12 В і струмом до 2А на канал. Можуть підключатися також реле, електромагніти і т. П. Модуль не має гальванічної розв'язки.
•             Графічний РКІ індикатор.
•             Модуль з макетним полем.

У концепцію Arduino не входить корпусних або монтажний конструктив. Розробник вибирає метод установки і механічного захисту плат самостійно. Сторонніми виробниками випускаються набори робототехнической електромеханіки, орієнтованої на роботу спільно з платами Arduino.

Незалежними виробниками також випускається велика гамма всіляких датчиків і виконавчих пристроїв, в тій чи іншій мірі сумісних з базовим конструктивом Ардуіно.

Проаналізувавши ринок праці України стає зрозуміло, що зростає попит на спеціалістів з програмування, веб-дизайну, інженерії та технічної підтримки. Знання і вміння, що дозволятимуть ефективніше освоїти професії IT-спеціаліста починають формуватися у середній школі. Та часто здібності окремих учнів до програмування та електротехніки виявляють вже у 3 та 4 класі, під час вивчення теми «Алгоритми».  Теперешні школярі дуже цікавляться сферою програмування та електротехніки, так результати опитування, яке було проведене серед школярів, визначило, що 60% учнів дуже хочуть навчитися програмувати, а 18.5% намагаються самостійно освоїти програмування. Але структура предмету «Інформатика» у 5-9 класах загальноосвітньої школи не достатньо відповідає вимогам навчання учнів програмуванню, веб-дизайну, а фрагментарно дає учням знання з різних тем поступово розширюючи їх у наступних класах. Переважна більшість годин шкільної програми приділяється компетентностям, які школярі отримують самостійно, а частина учнів вже опанували ці знання та уміння власними силами, за допомогою батьків або на додаткових заняттях.

Потенціометр та мигаючий індикатор перевантаження: Arduino Uno, макетна плата, джампери, потенціометр, резистори, світлодіоди.

Учні збирали датчик перевантаження. Суть його роботи полягає в тому, що при прокручуванні ручки потенціометра змінюється його опір та пропускна здатність, ці дані зчитує плата з порту Analog0, обробляє та виводить на екран. Завдяки цьому ми можемо відстежити реакцію різноманітних радіо компонентів та дізнатися границю їх реакціїї на ці зміни. Після аналізу даних та експериментів можна встановлювати допустимі межі роботи цих радіо компонентів. Для цього було використано 3 індикатори:

•             перший – індикатор живлення, він запалюється, коли на плату та на пристрій подається напруга і не гасне до вимкнення всього пристрою. Зазвичай встановлюється окремо від основних індикаторів;
•             другий – індикатор робочої напруги радіо компонента. В даному випадку запалюється після отримання платою значення >100;
•             третій – індикатор граничного значення для пристрою, він починає миготіти, коли плата отримує значення >400. Це означає, що напруга для пристрою перейшла межу пікової і напругу потрібно понизити. Насправді, під час досліду було встановлено, що пікова напруга становить не 400, а 500 одиниць. Та значення 400 було обране для того, щоб вчасно відреагувати на приближення до піку і не допустити довготривалої роботи приладу на максимумі можливостей.