Аннотация: Проанализировав существующие программы по робототехнике и 3D- моделированию, авторы статьи предлагают новую рабочую программу курса в рамках дополнительного образования для обучающихся 5-7 классов. Отличительной особенностью программы является объединение робототехники и 3D- моделирования в рамках одного курса, создание роботов с помощью микроконтроллера Arduino, конструирование проектов из картона и фанеры.
Ключевые слова: Робототехника, 3D- моделирование, картон, фанера, Arduino, дополнительное образование.
На современном этапе в условиях введения ФГОС третьего поколения возникает необходимость в организации урочной и внеурочной деятельности, направленной на удовлетворение потребностей ребенка, способствующих реализации основных задач научно-технического прогресса [9]. Образовательная робототехника способствует эффективному овладению универсальными учебными действиями, так как объединяет разные способы деятельности при решении обучающимися конкретной задачи.
Учитывая потребности современного образования в сфере робототехники, была разработана рабочая программа дополнительного образования «РобоCAD» для обучающихся 5-7 класса. Данная рабочая программа составлена на основе Федерального государственного образовательного стандарта основного общего образования в части организации внеурочной деятельности обучающихся, а также Концепции технологического образования [1], [9]. Название программы «РобоCAD» обусловлено объединением в содержании рабочей программы основ робототехники и 3D-моделирования.
Обучение по данной программе основано на принципах взаимосвязи теоретического обучения с процессами практической, исследовательской, самостоятельной научной деятельности обучающихся и технико-технического конструирования.
Программа включает проведение лабораторно-практических, исследовательских, творческих работ и прикладного программирования. В ходе специальных заданий воспитанники приобретают общетрудовые, специальные и профессиональные умения и навыки по проектированию роботов, монтажу различных элементов, конструированию собственных роботов, а также их программированию.
На дополнительных занятиях обучающиеся работают с микросхемой Arduino UNO. В отличие от LEGO роботов, которые собираются из блоков и деталей, имеющих строго заданные размеры и в ограниченном количестве, робототехника на основе микросхемы Arduino открывает больше возможностей, так как в качестве основы для корпуса робота можно использовать различные материалы, которые есть в доступе. Это позволяет экспериментировать обучающимся при создании индивидуального проекта робота с используемыми материалами, размерами, формами деталей и конструкции, что в свою очередь развивает технологическую культуру и формирует проектно-инженерные компетенции обучающихся.
Целью программы является развитие детей в сфере инновационных технологий на основе конструирования и программирования роботов c Arduino, содействие развитию технического творчества.
Задачами курса можно считать:
- Стимулирование мотивации учащихся к получению знаний, помогать формировать творческую личность ребенка.
- Развитие интереса к технике, конструированию, программированию, высоким технологиям.
- Развитию конструкторских, инженерных и вычислительных навыков.
- Развитие мелкой моторики.
- Формирование умения достаточно самостоятельно решать технические задачи в процессе конструирования моделей.
Программа рассчитана на 1 учебный год, общее количество часов – 72. Настоящая программа предназначена для учащихся 5-7 классов образовательных учреждений, которые впервые будут знакомиться с Arduino. Данной возрастной группе обучающихся будет интересен данный курс. Многие обучающиеся с начальной школы посещают различные робототехнические кружки, на которых получили общие представления о возможностях робототехнических наборов и хотели бы продолжить развитие в сфере робототехники, попробовать создать своих роботов. Так как курс основан на использовании микросхемы Arduino и обучение начинается с нулевого уровня, то и обучающимся, которые ранее не посещали занятия по робототехнике, данный курс будет интересен и полезен.
Для того, чтобы грамотно составить программу дополнительного образования, которая включала бы в себя модули моделирования, робототехники, электроники и программирования, необходимо рассмотреть существующие рабочие программы последних лет и провести их анализ. Так как аналогов данной программе в интернет-источниках не оказалось, считаем целесообразным рассмотреть программы по каждому модулю отдельно, изучить порядок подачи материала и выделить основные блоки необходимые для создания новой программы, интегрирующей необходимые модули.
Был проведен анализ рабочих программа направления «Основы 3D- моделирования». Были отобраны рабочие программы по нескольким критериям:
- Современность – рабочие программы должны быть составлены не ранее 2017 года.
- Возраст – рассматриваемые программы составлены для обучающихся 5-7 классов.
- Направленность программ – техническая направленность.
- Форма обучения – очная.
- Уровень освоения программ – базовый.
Стоит отметить, что программы специально были выбраны из образовательных организаций разных регионов России [2], [4], [5]. Кроме того, были взяты программы не только общеобразовательных школ, но также программа дома детского творчества, программа, разработанная в городском методическом центре города Москвы и программа общеобразовательной школы, участвующей в проекте «Точка роста», разработанном Министерством просвещения в 2019 году в рамках национального проекта «Образование».
Анализ рабочих программ помог выявить основные общие характеристики, которые стоит учесть при создании нашей рабочей программы. Далее рассмотрим сравнительную характеристику.
Во всех рассматриваемых рабочих программах был выявлен блок «Знакомство с интерфейсом». Во всех программах рекомендуется сначала познакомить обучающихся с интерфейсом программ, в которых, в последствии, будут выполняться практические работы и только потом переходить к изучению основ трехмерного моделирования. Следует рассмотреть с обучающимися окно пользовательских настроек, основные инструменты ПО, операции открытия, сохранения и прикрепления файлов, упаковку данных и импорт объектов.
В блоке «Основы трехмерного проектирования» согласно рекомендациям обязательно рассмотреть построение эскиза детали, создание модели детали по заданным параметрам, основные операции построения твердого тела, создание формы методом выдавливания и вращения.
Блок «Создание и редактирование объектов» авторы используют для отработки теоретических знаний на практике, а также для начала работы над творческими проектами обучающихся. В программах представлены различные интересные практические работы, которые обусловлены программным обеспечением, используемым учителем и тем набором операций, которые заложены в программе курса. Так, например, интересными показались практические работы: «Создание скульптуры», «Редактирование булевыми операциями – создание окон в маяке», «Создание объекта по точным размерам».
Полезным для формирования инженерно-проектного мышления обучающихся считаю блок «Создание и оформление чертежа», в котором рассматриваются основные правила оформления конструкционно-технологической документации к созданным объектам. Обучающиеся должны знать данные правила для того, чтобы уметь правильно представлять свой проект на защите и конкурсах.
Согласно анализу программ следует выделить следующие темы для рассмотрения в данном блоке: получение чертежа модели, изображения в САПР, создание стандартных видов, размещение видов на поле чертежа, переключение между видами, операции редактирования видов, вращение изображения вида, выносные элементы, правила нанесение размеров.
Содержание учебно-тематического плана в большинстве программ включает в себя следующие блоки: Введение в 3D моделирование; Знакомство с интерфейсом программ; Основы трехмерного моделирования; Создание и редактирование объектов; Создание и оформление чертежа; Творческие проекты.
Также мы рассмотрели какое специализированное программное обеспечение используется в программах и выделили следующие ПО: Blender, LEGO Digital Designer, Sweet Home 3D, Sculptris, Autodesk 123D Design, Sense, Autodesk Mesh mixer, КОМПАС-3D. Наиболее используемым ПО в отобранных рабочих программах оказался КОМПАС-3D. КОМПАС-3D – это российская система трехмерного проектирования, ставшая стандартом для тысяч предприятий и десятков тысяч профессиональных пользователей. Система КОМПАС-3D действительно широко используется для проектирования объектов в образовательных организациях, так как данное программное обеспечение представлено на русском языке в отличие от многих продуктов известной компании Autodesk. На дополнительных занятиях «РобоCAD» будет использоваться система КОМПАС-3D.
Далее рассмотрим рабочие программы по направлениям робототехника и электроника. В данном модуле нас интересует использование для практических работ в качестве основного конструктора платы Arduino. В связи с этим поиск подходящих программ был затруднен. В большинстве рабочих программ по профилю робототехника используются иные конструкторы, а в направлении электроника программы больше нацелены на описание физических явлений и процессов. Поэтому при поиске программ воспользовались ключевыми словами «Робототехника» и «Arduino». Пришлось расширить возрастные рамки обучающихся с 13 до 17 лет из-за того, что большинство авторов используют данные границы.
Критерии отбора рабочих программ мы сохранили, добавив лишь пункт о том, что основной конструктор, используемый в рабочей программе, должен быть Arduino. При отборе выше указанных программ мы так же руководствовались принципом разнообразия [3], [6], [7].
Было выявлено, что содержание учебно-тематического плана всех программ включает в себя следующие блоки: Теоретические основы электротехники; Знакомство с микроконтроллером Arduino; Аппаратная часть Arduino Uno; Программирование на С++ в среде Arduino IDE; Мини-проекты с Arduino; Сборка мобильного робота; Творческие проекты.
Как и в модуле 3-D моделирование, авторы программ начинают курс со знакомства обучающихся с основами электроники и робототехники. На это направлены блоки «Теоретические основы электротехники» и «Знакомство с микроконтроллером Arduino». Важным моментом является проведение инструктажа по технике безопасности в кабинете информатики на первых занятиях курса. Далее авторы вводят понятие электрического напряжения, электрического тока, напряжения и сопротивления, понятие микроконтроллера и знакомят обучающихся с серией микроконтроллеров Arduino.
Более подробное знакомство с микроконтроллером и электротехническими элементами происходит в блоке «Аппаратная часть Arduino Uno». Обучающиеся изучают устройство макетной платой, шины питания, правила подключения элементов таких как: кнопка, резистор, транзистор, мотор и другие. Рассматривают темы последовательное и параллельное соединения, делитель напряжения, переменные сопротивления, управление нагрузками.
Блок «Программирование на С++ в среде Arduino IDE» включает в себя важные темы из программирования и информатики, например, такие как использование циклов и массивов для упрощения программы на примере управления группой светодиодов, ветвление в программе, использование библиотек для удобства подключения внешних устройств, правила употребления логических переменных для фиксирования в программе.
В блоке Мини-проекты предлагается ряд практических работ, описанных на сайте Амперка [9]. Так, например, эксперимент «Маячок с нарастающей яркостью», эксперимент «Аналоговый и цифровой выход на Arduino», эксперимент «Подключение RGB светодиода к Arduino», эксперимент «Светильник с управляемой яркостью» и другие. Некоторые авторы дополняют данные практические работы собственными заданиями, на которые отводят отдельные занятия. Данные упражнения направлены на закрепление и повторение теоретических и практических знаний. Данный способ наиболее эффективный для изучения сложных для понимания тем возрастной категории, для которой будет создана наша программа.
Проявить творческие способности обучающихся в конструировании и проектировании собственного робота авторы программ предлагают в блоках «Сборка мобильного робота» и «Творческие проекты». В большинстве программ не указаны тем творческих проектов обучающихся, которые предлагают им преподаватели.
Проведя анализ существующих программ, мы смогли выявить обязательные разделы для нашей рабочей программы и расположить их в таком порядке, чтобы обучающимся было интересно посещать занятия и, в конечном итоге, получился проект «Мой робот». Для этого мы решили чередовать модули 3D- моделирования, конструирования и робототехники. Примерное содержание учебно-тематического плана отображено на рисунке 1.
Рис.1. Примерный учебно-тематический план рабочей программы дополнительного образования «РобоCAD»
Рассмотрим подробнее каждый раздел. Первый раздел «Введение в робототехнику и электронику». Изучается история возникновения и развития робототехники, три закона робототехники. Особое внимание уделяется технике безопасности при работе в компьютерном классе.
Следующий раздел Основы 3D -моделирования и конструирования роботов. Вводится понятие 3D-модели и виртуальной реальности. Рассматривается интерфейс программы КОМПАС 3D, инструментальная панель, выполняются первые чертежи объектов.
В разделе «Эксперименты с электротехническими элементами и микроконтроллером Arduino IDE» изучаются простые программы для запуска микроконтроллера, среда разработки Arduino, элементы, отвечающие за свет и звук, возможности использования датчиков. Проводятся первые эксперименты обучающихся такие, как Эксперимент «Маячок». Эксперимент «Маячок с нарастающей яркостью». Эксперимент «Светофор». Эксперимент «Светильник с управляемой яркостью». Управление. Подключение кнопки к Arduino. Эксперимент «Пианино». Подключение сервопривода к Arduino. Эксперимент «Миксер.
Изготовление первых пробных конструкций роботов начинается в разделе «Конструирование простых роботов из картона». Создается эскиз и развертка робота из картона, размещаются электротехнические элементы, происходит подключение элементов по схеме и создание программы для работы робота.
После того, как обучающиеся создали свои первые модели, они смогут оценить свои конструкции, выявить ошибки и неточности, чтобы избежать их или исправить в разделе «Создание собственной 3D-модели робота». Уделяется особое внимание проверке правильности чертежа и переводу чертежа в формат для вырезания на лазерном ЧПУ станке, чтобы в следующем разделе «Конструирование собственного робота из картона или фанеры на лазерном станке» не возникло проблем при изготовлении деталей и сборке конструкции. На данном этапе завершается работа над проектированием робота и происходит подготовка к защите проекта «Мой робот». Курс заканчивается защитой проектов перед преподавателями и родителями.
Designing Programme of Supplementary Educational Course «RoboCAD» for 5-7 Graders
Naumova A.I.
undergraduate of 2 course of the Moscow Pedagogical State University, Moscow
Аnnotation. Having analyzed existing programmes of robotics and 3D modeling courses, the authors propose a new programme of the supplementary educational course for 5-7 graders. A striking feature of the programme is a combination of robotics and 3D modeling within one course, creation of robots with the use of Arduino microcontroller, construction of projects from cardboard and plywood.
Keywords: robotics, 3D modeling, cardboard, plywood, Arduino, supplementary education.
- Концепция преподавания предметной области «Технология» в образовательных организациях Российской Федерации, реализующих основные общеобразовательные программы. (дата обращения: 03.10.21).
- Официальный сайт «Городской методический центр». // Дополнительная общеобразовательная общеразвивающая программа «3D-моделирование». Возраст: 5-7 класс, 2019 год. (дата обращения: 03.10.21).
- Официальный сайт «Городской методический центр». // Дополнительная общеобразовательная общеразвивающая программа «Робототехника. Arduino». Возраст обучающихся: 13-17 лет, 2018 год. (дата обращения: 03.10.21).
- Официальный сайт ГБОУ Школа № 619 Калининского района Санкт-Петербурга. // Дополнительная общеобразовательная общеразвивающая программа «3D-моделирование». Возраст: 11-13 лет (5-7 класс), 2018 год. (дата обращения: 03.10.21).
- Официальный сайт МБОУ «Залесовская средняя общеобразовательная школа» Полесского района Калининградской области, Центр цифрового и гуманитарного профилей «Точка роста». // Рабочая программа внеурочной деятельности «3D-Модель» Возраст: 5-7 класс, 2019 год. (дата обращения: 03.10.21).
- Официальный сайт МБОУ «Центр образования перспектива». // Дополнительная общеобразовательная общеразвивающая программа «Лаборатория Arduino». Возраст обучающихся: 10-17 лет, 2019 год. (дата обращения: 03.10.21).
- Официальный сайт ГБОУ ДО «Дом детского творчества» Красносельского района Санкт-Петербурга. // Дополнительная общеобразовательная общеразвивающая программа «Робототехника на Arduino». Возраст обучающихся: 12-17 лет, 2021 год. (дата обращения: 03.10.21).
- Официальный сайт «Амперка». URL: (дата обращения: 03.10.21).
- Федеральный Государственный Образовательный Стандарт Основного Общего Образования: Приказ Министерства образования и науки Российской Федерации от 17.12.2010 г. №1897 (ред. от 29.12.2014) // Бюллетень нормативных актов федеральных органов исполнительной власти, № 9, 28.02.2011. (дата обращения 03.10.21).
- The concept of teaching the subject area «Technology» in educational organizations of the Russian Federation that implement the main general education programs. (date of the address: 03.10.21).
- Official site «City methodical center». // The additional general education all-developing Age program «3D-modeling»: 5-7 class, 2019. date of the address: 03.10.21).
- The official website of the City Methodological Center. // Additional general educational program «Robotics. Arduino». Age of students: 13-17 years, 2018. (date of the address: 03.10.21).
- The official website of GBOU School № 619 of the Kalinin District of St. Petersburg. // Additional general educational program «3D-modeling». Age: 11-13 years (5-7 grade), 2018. (date of the address: 03.10.21).
- The official website of MBOU «Zalesovskaya Secondary School» of the Polessky District of the Kaliningrad Region, the Center for Digital and Humanitarian Profiles «Growth Point». // Working program of extra-time activities «3D-Model». Age: 5-7 grade, 2019. (date of the address: 03.10.21).
- The official website of MBOU «Center for Education Perspective». // Additional general educational program «Arduino Laboratory». Age of students: 10-17 years, 2019. (date of the address: 03.10.21).
- The official website of GBOU DO «House of Children's Creativity» of the Krasnoselsky District of St. Petersburg. // Additional general educational program «Robotics on Arduino». Age of students: 12-17 years, 2021. (date of the address: 03.10.21).
- Amperk's official website. (date of the address: 03.10.21).
- Federal State Educational Standard of the Main General Education: The order of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation of 17.12.2010 № 1897 (an edition of 29.12.2014). // The Bulletin of regulations of federal executive authorities, № 9, 28.02.2011. (date of the address: 03.10.21).