Пояснительная записка
Актуальность.
Данная образовательная программа ориентирована на молодежь, проявляющей интерес к деятельности в сфере научно-технического творчества. Программа способствует решению важных задач воспитания личности современного ребенка – гуманной, духовно богатой, технически грамотной. Программа «Практическая мехатроника» направлена на внедрение и распространение реальной практики профориентации талантливой молодежи на инженерно-конструкторские специальности. Занятия позволят школьникам ощутить творчество в работе от «идеи» до её «реализации». Содержательные направления мехатроники являются эффективным методом для изучения важных областей науки, технологии, конструирования.
Новизна программы.
Новизна программы заключается в создании новой методики изучения школьниками передовых современных технологий на основе разработки автоматизированных мобильных устройств в новых технических и алгоритмических решениях.
В основу программы положены практические занятия для обучения основам мехатроники учащихся старших классов. Обучение основано на принципах интеграции теоретического обучения, достаточного для осуществления практической, исследовательской, самостоятельной научной деятельности и технико-технологического конструирования автоматизированных мобильных устройств на основе микроконтроллеров.
Разработан авторский учебный комплект для проведения практических работ по управлению моделями устройств на основе программируемых микроконтроллеров, что составляет содержательную основу данной программы.
Изучение взаимодействия электронных устройств, механики и программирования дает новое поле для творческой деятельности учащихся.
Педагогическая целесообразность и отличительная особенность данной программы заключается в том, что сделана попытка поэтапной интеграции знаний, получаемых учащимися в средней и старшей школы с задачами современной электроники, программирования и механики.
Обучение нацелено на раннее выявление и допрофессиональное становление одаренных (талантливых) детей и молодежи как через приобретение знаний и умений, так и через развитие творческих навыков посредством участия в творческих конкурсных состязаниях.
Популяризации науки, научной, изобретательской и конструкторской деятельности.
Цели:
Всесторонняя подготовка учащейся молодежи к инновационной деятельности, создание условий для включения их в техническое творчество, изобретательство и предпринимательство.
- обучение школьников основам мехатроники с позиций механики, электроники и программирования;
- познакомить учащихся с историей развития, назначением, общими принципами проектирования и областью применения средств мехатроники.
Задачи.
Обучающие:
Формирование знаний и навыков, необходимых при работе с электронными компонентами, устройствами, приборами и программами.
- научить учащихся правильно использовать основные термины и понятия в области мехатроники;
- научить понимать назначение средств мехатроники;
Развивающие:
- формирование творческого мышления;
- стимулирование познавательной активности учащихся через включение их в различные виды проектной деятельности;
- развитие интереса учащихся к современным областям микроэлектроники;
- создание условий для формирования умения самостоятельно решать технические задачи в процессе конструирования моделей (планирование предстоящих действий, самоконтроль, умение применять полученные знания, приемы и опыт конструирования других объектов, выбор материала и т.д.);
- развитие способности ставить перед собой задачи и добиваться их выполнения;
- организация разработок технико-технологических проектов.
Воспитательные:
- формирование инновационного подхода ко всем сферам жизнедеятельности человека;
- развитие трудолюбия и целеустремленности;
- формирование навыков современного организационно-экономического и экологического мышления, обеспечивающих социальную адаптацию к современным рыночным отношениям.
Организация образовательного процесса.
Комплексное использование метода проектов как средство модернизации образовательного процесса и способов интеллектуального развития ребенка дают большой результат в процессе обучения учащихся и новые возможности для их творческого роста.
Реализация дополнительной образовательной программы.
Образовательная программа «Практическая мехатроника» предназначена для подростков 15-17 лет и рассчитана на два года обучения.
Этапы образовательного процесса:
Чтобы достичь высокого уровня творческого и технического мышления, обучающиеся должны пройти все этапы конструирования, при этом необходимо помнить, что такие задачи ставятся, когда имеется определенный уровень знаний, опыт работы, умения и навыки.
- На первом этапе конструирования
Формы и режим занятий:
Занятия проводятся в групповой форме и в режиме индивидуальных консультаций.
Наполняемость группы до 15 человек. Обучающиеся занимаются 1 раз в неделю по
3 часа.
Программа «Практическая мехатроника» позволяет на практике изучить вопросы:
– использования специализированных программ, микроконтроллеров и электронных
компонентов, применяемых при проектировании различных встроенных систем
управления;
– применение типовых схемных решений:
- управление внешними устройствами с помощью портов ввода/вывода на примере светодиодов, реле, шаговых двигателей;
- проверка состояния внешней среды с помощью электронных датчиков;
- управление жидкокристаллическим дисплеем;
- управление с помощью кнопок;
- использование встроенного последовательного интерфейса для обмена данными между микроконтроллером и персональным компьютером.
– использование языка Си для программирования встроенных систем управления;
– самостоятельного решения технических задач для систем управления с
использованием микроконтроллеров.
Общеучебные умения, навыки и способы деятельности.
Программа предусматривает формирование у школьников умений и навыков проектирования и конструирования.
Учебно-познавательные:
- ставить цель и организовывать её достижение, уметь пояснить свою цель;
- организовывать планирование, анализ, и самооценку своей учебно-познавательной деятельности;
- задавать вопросы к наблюдаемым фактам, отыскивать причины явлений, обозначать свое понимание или непонимание по отношению к изучаемой проблеме;
- ставить познавательные задачи и выдвигать гипотезы; выбирать необходимые приборы и оборудование, владеть измерительными навыками, работать с инструкциями; описывать результаты, формулировать выводы;
- уметь письменно оформить результаты своего исследования с применением компьютерных средств и технологий (текстовые и графические редакторы, презентации). Уметь доступно и понятно рассказать о своем проекте.
Информационно-коммуникативные:
- владение современными средствами информации (компьютер, принтер и т.п.) и информационными технологиями (электронная почта, Интернет);
- поиск, анализ и отбор необходимой информации, ее преобразование, сохранение и передача;
- уметь представлять себя, свой класс, школу, страну в ситуациях научного общения, в режиме диалога;
- владеть способами взаимодействия с окружающими и удаленными людьми и событиями; выступать с устным сообщением, уметь задать вопрос, корректно вести научный диалог;
- владеть способами совместной деятельности в группе, приемами действий в ситуациях общения; умениями искать и находить компромиссы;
Ценностно-смысловые компетенции.
- умения осуществлять индивидуальную и поисковую деятельность при работе над проектом: выбор темы, актуальность, исследовательская деятельность.
Ожидаемые результаты.
В результате прохождения программы учащиеся должны:
Знать:
- роль и место мехатроники в жизни современного общества;
- технические характеристики и показатели распространенных отечественных и зарубежных микроконтроллеров;
- методы проектирования, сборки, настройки и тестирования готовых устройств;
- основные понятия о системах автоматического регулирования и управления;
- основы программирования автоматизированных систем на основе микроконтроллеров;
- иметь представление о передовом опыте разработки мехатронных модулей.
Уметь:
- разрабатывать структурные схемы программируемых автоматизированных устройств;
- разрабатывать и конструировать учебно-демонстрационные системы управления из готовых электронных компонентов и блоков с применением микроконтроллеров;
- применять электроизмерительные приборы;
- самостоятельно программировать микроконтроллеры;
- работать с программным пакетом “Eagle” для разработки электрических схем и разводке печатных плат.
- Вести индивидуальные и групповые исследовательские работы.
Владеть:
- практическими навыками решения конкретных технических задач;
- навыками научного мышления для выработки системного, целостного взгляда на решение проектных задач;
Программа «Практическая мехатроника» рассчитана на 256 часов из расчета 36 занятия по 3 часа и 20 часов выставочной деятельности в год.
Содержание разделов программы
| № п/п | Наименование раздела программы | Содержание раздела |
| 1. | Введение в предметную область «Мехатроника» (3 ч) |
Ознакомление с техникой безопасности в учебной мастерской; предпосылки развития мехатроники и области применения мехатронных систем; определения и терминология мехатроники; мехатронные модули движения; микроэлектроника и мехатроника; роботизация. |
| 2. | Микроэлектроника и микроконтроллеры (3 ч) | Развитие микроэлектроники. Однокристальные микро-ЭВМ. Применение и перспективы развития. Правила техники безопасности. Правила работы с оборудованием. |
| 3. | Схемотехника (12 ч) | Ток и напряжение, электрические цепи (3 ч) Резисторы, конденсаторы, измерение электрических величин. Светодиоды. Изучение работы светодиода в электрической цепи. Вычисление сопротивления резистора, ограничивающего ток светодиода. |
| 4. | Делитель напряжения (9 ч). | Схема делителя напряжения. Примеры. Применение делителя для считывания показателей датчика. Создание простейшей схемы с делителем напряжения. Расчет делителя напряжения. |
| 5. | Программирование микроконтроллеров (72 ч) | Среда разработки программ для микроконтроллеров.
Основы языка Си. Алгоритмы.
Создание схемы с одним, двумя, тремя и т.д. светодиодами. Программное управление последовательностью включения светодиодов и временем их горения. Создание модели рекламной вывески. Создание модели светофора и программы управления работой светофора. Переменные. Присваивание. Арифметические операции и математические функции. Условный оператор. Оператор присвоения. Операторы сравнения. Циклы. Потенциометр. Подстроечный и переменный резистор. Измерение напряжения с помощью АЦП, встроенного в микроконтроллер. Использование потенциометра для управления временем мигания светодиода. Последовательный интерфейс обмена данными. Связь микроконтроллера с компьютером. Терморезистор. Расчет измеренной температуры на основании измеренного напряжения на терморезисторе. Схема управления поддержанием заданной температуры. Фоторезистор. Изучение модели системы управления автоматическим включением /выключением освещения. Генерирование звука. Изучение работы программы для воспроизведения одноголосной мелодии. Кнопки. Подключение кнопок к микроконтроллеру. Счетчик нажатия на кнопку. Жидкокристаллический дисплей. Датчики магнитного поля. Датчики задымления. Модель пожарной сигнализации. |
| 6. | Механика мехатронных устройств (25 ч) | Источники вращательного движения. Параметры вращательного движения. Способы преобразования движения. Вращательное – вращательное. Вращательное -поступательное. Вращательное – колебательное. Направляющие. Опоры: подшипники качения и скольжения. Механические передача винт-гайка. Механическая передача рейка – зубчатое колесо. |
| 7. | Технические инновации (72 ч) | Творчество и инновации. Творчество в технике.
Инновации-что это? Инноватор-кто это? Как рассказать о своем
изобретении. Технический проект – что это? Презентация проекта.
Проекты:
|
| 8. | Участие в окружных, городских, региональных и
всероссийских мероприятиях в рамках научно-технического творчества и
инновационных инициатив молодежи.
(60 ч). |
Методическое обеспечение программы.
Образовательный процесс целесообразно строить на следующих принципах: свобода творчества, самостоятельность, сотрудничество, успех. Важно учитывать индивидуальный темп работы над проектами – это обеспечивает выход каждого обучающегося на свой уровень развития.
Основные формы проведения занятий:
- лекции;
- практические работы;
- коллективные творческие проекты.
На всех этапах деятельности, обучающиеся последовательно решают проблемы различного характера:
- выбор темы проекта, предоставляющей широкий спектр возможностей для творчества.
- сбор и изучение информации по выбранной теме.
- выяснение технической задачи, постановка цели, которая требует создания образа будущей модели или конструкции.
- определение путей решения технической задачи, разработка технологической документации (выполнение эскиза, определение форм, размеров, взаимного расположения отдельных деталей или частей, учет возможности изготовления) и другие особенности.
- проектирование различных вариантов моделей. Выполнение чертежей, планирование технологической последовательности изготовления.
- исполнение намеченного плана.
В процессе освоения программы обучающимся предлагаются примерные темы творческих проектов, которые им предстоит защищать на конкурсной основе, а также дается возможность самостоятельно разработать индивидуальный проект и выступить с презентацией.
Основным критерием результативности обучения является способность учащегося самостоятельно решать простейшие задачи при проектировании простых автоматизированных устройств на базе микроконтроллеров, самостоятельно ставить перед собой задачи, осознанно и конструктивно их решать.
Учебное оборудование.
Для реализации программы необходимо обеспечить каждого учащегося учебным комплектом.
Учебный комплект включает:
- Персональный компьютер – ноутбук (нетбук);
- Макетная плата с микроконтроллером;
- Среда программирования микроконтроллеров «CodeVision AVR»;
- Программатор.
Для общего пользования:
- учебный комплект «Мехатроника» для проведения практических работ по управлению моделями устройств на основе программируемых микроконтроллеров;
- набор измерительных приборов (несколько тестеров, аналоговый и цифровой осциллограф, генератор сигналов низкой и высокой частоты, частотомер, несколько лабораторных блоков питания, измеритель емкости и индуктивности)
- электрические и шаговые двигатели, серводвигатели, направляющие, механизмы передачи и преобразования движения, редукторы и мотор-редукторы, набор электронных компонентов.
Литература
- Тигров В.П