РАБОЧАЯ ПРОГРАММА СПЕЦКУРСА «Проектирование устройств с электронными компонентами» для учащихся 9 а (инженерного) класса

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Политехнический лицей»

«СОГЛАСОВАНО»	«УТВЕРЖДЕНО»
_________________ И.М. Лещенко	Протокол педсовета
зам. директора по УР МБОУ «Политехнический лицей»	№     от __________«        » 2015 г. __________________________________
«        »_________________2015 г.	Приказ № ____ от «_____» _______ 2015г.

Основное общее образование

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА СПЕЦКУРСА 

«Проектирование  устройств с электронными компонентами»

для учащихся  9 а (инженерного) класса 

«Принято»                                                                                                                                                   Автор:  Лосинская Светлана Леонидовна

на заседании кафедры

_____________________                                                                                                                              Категория:   высшая

Протокол №  _______от  _____________2015 г.                                                                                     Педагогический  стаж:    19 лет

Мирный, 2015

Пояснительная записка:

1.    Место курса в образовательном процессе

Курс «Проектирование устройств с электронными компонентами» служит средством  профильной  специализации учащихся в области новых информационных технологий, он будет способствовать  проявлению индивидуальных интересов  учащихся и позволит использовать знания, полученные при освоении курса,   практически во всех образовательных областях старшей школы.

2.      Специфика курса

Ежедневно встречаясь в жизни  с различными электронными устройствами, которые разнообразны по своему назначению и облегчают  жизнь человека, мы часто не задумываемся о принципах их работы. Научиться основам   разработки собственных электронных устройств возможно в рамках курса «Проектирование  устройств с электронными компонентами». Все занятия курса  построены на использовании  популярной платформы для разработки электронных  устройств «Arduino».

Выбор Arduino в качестве основы обусловлен тем, что из-за своей понятности, простоты, а также открытой архитектуре и программному коду, она даёт возможность быстро вникнуть в суть проектирования электрических схем, программирования микроконтроллеров и  разобраться с электронными компонентами и модулями.  Использование микроконтроллера «Arduino» не заставит учащихся в 9 классе изучать сложные аспекты физики и программирования, которые преподаются уже в институте.  Комбинируя Arduino с различными компонентами и загружая в неё новые программы,  можно создавать  большое  количество электронных устройств.  Этот принцип положен в  основу всего курса. Устройства на базе Arduino могут получать информацию об окружающей среде посредством различных датчиков, которые   позволят компьютеру выйти за рамки виртуального мира в физический мир и взаимодействовать с ним.

Рабочая программа спецкурса для учащихся  9 классов  «Проектирование устройств с электронными компонентами»  разработана в соответствии с локальными нормативными актами:

Федеральный уровень.

Ø Федеральный закон «Об образовании в Российской Федерации» № ФЗ-273 от 29. 12.2012г., принят Государственной Думой 21 декабря 2012 года, одобрен Советом Федерации 26 декабря 2012 года;

Ø Федеральный компонент государственных образовательных стандартов начального общего, основного общего и среднего общего образования (Утверждён приказом Минобразования России от 05.03.2004  № 1089) (с последующими изменениями), (далее – ФК ГОС);

Ø Федеральный базисный учебный план  утв. Приказом Минобрнауки  РФ от 09.03.2004 № 1312;

Ø Федеральный государственный образовательный стандарт основного общего  образования, утв. Приказом Минобрнауки РФ от 17.12.2010 № 1897;

Ø Федеральный перечень учебников, рекомендованных к использованию при реализации имеющих государственную аккредитацию образовательных программ начального общего, основного общего, среднего общего образования (Приказ Министерства образования и науки Российской Федерации № 253 от 31 марта 2014 года);

Ø Информационное письмо Департамента государственной политики в сфере общего образования Минобрнауки России о федеральном перечне учебников № 08-548 от 29 апреля 2014 года;

Ø Федеральный  перечень  учебников, рекомендованных (допущенных) к использованию в образовательном процессе в образовательных учреждениях, реализующих образовательные программы общего образования и имеющих государственную аккредитацию, на 2013-2014 учебный год. (Приказ Министерства образования и науки Российской Федерации от 19 декабря 2012 г. № 1067 г. Москва, зарегистрирован в Минюсте РФ 30 января 2013 г. Регистрационный № 26755).

Ø Приказ Министерства образования и науки Российской Федерации № 576 от 08.06.2015г. о внесении изменений в федеральный перечень учебников, рекомендованных к использованию при реализации имеющих государственную аккредитацию образовательных программ начального общего, основного общего, среднего общего образования, утвержденным приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 31 марта 2014 г. № 253

Локальные нормативные акты  МБОУ «Политехнический лицей»

Ø  Устав  МБОУ «Политехнический лицей»;

Ø  Положение о порядке выбора учебников и учебных пособий в МБОУ «Политехнический лицей», (протокол НМС  №  7 от 19.03.2015 г., приказа директора ОУ  № 122 от 27.03. 2015).

Ø  Образовательная программа МБОУ «Политехнический лицей»  «Политехническое образование как фактор формирования ключевых компетенций».

Ø  Положение о структуре, порядке разработки и утверждения рабочих программ по отдельным учебным предметам, дисциплинам, курсам  в МБОУ «Политехнический лицей» по реализации ФК ГОС.

Ø  Перечень учебников для организации образовательной деятельности в МБОУ «Политехнический лицей» МО «Мирнинский район» РС (Я) на 2015-2016 учебный год (утвержден приказом директора ОУ  № 283 от 26.08.2015)

3.      Общая характеристика  курса (УМК)

Цель  курса:  Научить детей  прикладному программированию,  познакомить с микроконтроллерами, дать  возможность создавать собственные электронные устройства, показать,  как на практике применяются законы электричества и теоретический  материал из курса информатики.

Важным условием образовательной компетентности  школьников, выбравших учебный курс «Проектирование  устройств с электронными компонентами»    является  реализация  творческих идей и собственного потенциала, что будет способствовать  дальнейшей мотивации в освоении технологий конструирования и возможностей  программирования электронных устройств. Активизация познавательного процесса позволит  учащимся более полно выражать свои творческие возможности,  реализовывать собственные идеи в изучаемой области знаний и создаст предпосылки по применению освоенных навыков  в других учебных курсах и проектах.

4.      Описание места учебного предмета, курса в учебном плане.  Учебный курс «Проектирование  устройств с электронными компонентами» является предметом  по выбору для учащихся инженерного (9а) класса.  На изучение курса отводится 35 часов.  Курс  включает материал, который рассматривается  в рамках уроков информатики и физики. Он  научит учащихся    применять полученные знания в реальном мире.   

5.      Общеучебные  умения,  навыки и способы деятельности.

Курс предусматривает формирование у учащихся общеучебных  умений и навыков, универсальных способов деятельности и ключевых компетенций. В этом направлении приоритетными для спецкурса  «Проектирование  устройств с электронными компонентами» являются:

Личностные результаты:

·         формирование ответственного отношения к учению, готовности и способности обучающихся к саморазвитию и самообразованию на основе мотивации к обучению и познанию; 

·         формирование целостного мировоззрения, соответствующего современному уровню развития науки;

·         освоение социальных норм, правил поведения, ролей и форм социальной жизни в группах и сообществах; 

·         формирование коммуникативной компетентности в общении и сотрудничестве со сверстниками в процессе образовательной деятельности;

Метапредметные результаты:

·         умение самостоятельно определять цели своего обучения, ставить и формулировать для себя новые задачи в учёбе и познавательной деятельности, развивать мотивы и интересы своей познавательной деятельности; 

·         умение самостоятельно планировать пути достижения целей, в том числе альтернативные, осознанно выбирать наиболее эффективные способы решения учебных и познавательных задач;

·         умение соотносить свои действия с планируемыми результатами, осуществлять контроль своей деятельности в процессе достижения результата, определять способы действий в рамках предложенных условий и требований, корректировать свои действия в соответствии с изменяющейся ситуацией; 

·         умение оценивать правильность выполнения учебной задачи, собственные возможности её решения;

·         владение основами самоконтроля, самооценки, принятия решений и осуществления осознанного выбора в учебной и познавательной деятельности; 

·         умение определять понятия, создавать обобщения,  устанавливать причинно-следственные связи, строить логическое рассуждение, умозаключение (индуктивное, дедуктивное и по аналогии) и делать выводы;

·         умение создавать, применять и преобразовывать знаки и символы, модели и схемы для решения учебных и познавательных задач; 

Предметные результаты по информатике:

·         развитие умений применять изученные понятия, результаты, методы для решения задач практического характера и задач из смежных дисциплин; формирование информационной и алгоритмической культуры;  

·         формирование представления об основных изучаемых понятиях: информация, алгоритм, модель – и их свойствах; 

·         развитие алгоритмического мышления, необходимого для профессиональной деятельности в современном обществе;

6.      Содержание спецкурса  «Проектирование  устройств с электронными компонентами»

1.      Что такое микроконтроллер?

1.      Как научить электронную плату думать

2.      Как сделать электронику проще: Arduino

3.      Как управлять Arduino: среда разработки

4.      Как заставить Arduino мигать лампочкой: светодиод

2.      Обзор языка программирования Arduino

1.      Процедуры setup и loop

2.      Процедуры pinMode, digitalWrite, delay

3.      Переменные в программе

3.      Электронные компоненты

1.      Что такое электричество: напряжение и ток

2.      Как укротить электричество: резистор, диод, светодиод

3.      Как быстро строить схемы: макетная доска и мультиметр

4.      Железнодорожный светофор

4.      Ветвление программы

1.      Что такое цикл: конструкции if, for, while, switch

2.      Как написать свою собственную функцию

3.      Как упростить код: SOS при помощи процедур

5.      Массивы и пьезоэлементы

1.      Что такое массив

2.      Строки: массивы символов

3.      Воспроизведение произвольных слов на азбуке Морзе

4.      Как пищать на Arduino:  пьезоэффект и звук

6.      Широтно-импульсная модуляция сигнала  и смешение цветов

1.      Понятие ШИМ и инертности восприятия

2.      Управление яркостью светодиода

3.      Смешение и восприятие цветов

4.      Радуга из трёхцветного светодиода

7.      Сенсоры

1.      Что такое сенсоры

2.      Аналоговый и цифровой сигналы

3.      Как распознать наклон: датчик наклона, digitalRead

8.      Кнопка — датчик нажатия

1.      Как работает кнопка

2.      Как при помощи кнопки зажечь светодиод

3.      Как сделать кнопочный выключатель

4.      Шумы, дребезг, стабилизация сигнала кнопки

9.      Переменные резисторы

1.      Как преобразовать сигнал: делитель напряжения

2.      Как делить напряжение «на ходу»: потенциометр

3.      Как Arduino видит свет: фоторезистор

4.      Как измерить температуру: термистор

10.  Семисегментный индикатор

1.      Как работает индикатор

2.      Как включить индикатор

3.      Как научить Arduino считать до десяти

11.  Микросхемы

1.      Зачем нужны микросхемы

2.      Как упростить работу с индикатором: драйвер CD4026

3.      Как сосчитать до 99 при помощи драйвера

4.      Как вывести произвольное число

12.  Жидкокристаллические экраны

1.      Как работает текстовый дисплей

2.      Как вывести приветствие: библиотека, класс, объект

3.      Как вывести русскую надпись

13.  Соединение с компьютером

1.      Последовательный порт, параллельный порт, UART

2.      Как передавать данные с компьютера на Arduino

3.      Как научить компьютер говорить на азбуке Морзе

14.  Двигатели

1.      Разновидности двигателей: постоянные, шаговые, серво

2.      Как управлять серводвигателем с Arduino

15.  Транзисторы

1.      Как управлять электричеством: транзистор

2.      Разновидности транзисторов

3.      Как вращать двигатель

4.      Как управлять скоростью двигателя

16.  Сборка мобильного робота

1.      Из чего состоит робот

2.      Что такое мезонинная плата

3.      Как собрать робота

4.      Как заставить робота двигаться

17.  Езда робота по линии

1.      Что такое программный интерфейс

2.      Как описать алгоритм езды по линии

3.      Как создать собственную библиотеку.

7.      Тематическое планирование спецкурса  «Проектирование  устройств с электронными компонентами»

Месяц	Неделя	Номер урока	Тема урока	Компьютерный практикум, задания на уроке, программные средства	Дата проведения
I,II четверти (12 уроков)
Октябрь	Тема 1. Знакомство  с электронным конструктором Амперка (2 часа).
	1	1	1.      Что такое микроконтроллер?   Как научить электронную плату думать.		1.10.2015
	2	2	Как управлять Arduino: среда разработки. Как заставить Arduino мигать лампочкой: светодиод.	Проект «Мигание светодиода»	8.10.2015
	Тема 2. Процедуры языка Ардуино и злектронные компоненты. (6 часов).
	3	3	Обзор языка программирования Arduino Процедуры setup и loop.		15.10.2015
	4	4	Процедуры pinMode, digitalWrite, delay Переменные в программе.	Проект «Передача слов на азбуке Морзе с помощью светодиода».	22.10.2015
	5	5	Электронные компоненты. Что такое электричество: напряжение и ток?		29.10.2015
Ноябрь	2	6	Резистор, диод, светодиод. Как быстро строить схемы: макетная доска и мультиметр.		12.11.2015
	3	7	Железнодорожный светофор.	Сборка схемы на макетной доске.	19.11.2015
	4	8	Ветвление и  циклы в программах. Конструкции if, for, while, switch.		26.11.2015
Декабрь	Тема 3. Изучение программного обеспечения для управления электронной платой (23 часа).
	1	9	Как написать собственную функцию и  упростить код: SOS при помощи процедур.	Проект «SOS»	3.12.2015
	2	10	Массив.  Строки: массивы символов.		10.12.2015
	3	11	Воспроизведение произвольных слов на азбуке Морзе. Пьезоэффект и звук.	Проект «Воспроизведение слов»	17.12.2015
	4	12	Широтно-импульсная модуляция сигнала. Управление яркостью светодиода.	Проект «Управление яркостью»	24.12.2015
III,IVчетверти (19  уроков)
Январь	2	13	Смешение и восприятие цветов. Радуга из трёхцветного светодиода.	Проект «Радуга»	14.01.2016
	3	14	Сенсоры.  Аналоговый и цифровой сигналы.		21.01.2016
	4	15	Датчик наклона, digitalRead.		28.01.2016
Февраль	1	16	Датчик нажатия - кнопка.	Проект «Зажечь светодиод при помощи кнопки».	04.02.2016
	2	17	Как сделать кнопочный выключатель?  Шумы, дребезг, стабилизация сигнала кнопки.	Сборка кнопочного выключателя.	11.02.2016
	3	18	Переменные резисторы. Как преобразовать сигнал: делитель напряжения.		18.02.2016
	4	19	Как Arduino видит свет: фоторезистор. Как измерить температуру: термистор.		25.02.2016
Март	1	20	Как включить индикатор. Работа индикатора.
	2	21	Как научить Arduino считать до десяти.
	3	22	Микросхемы.   Зачем нужны микросхемы.	Проект «Вывод произвольного числа».
Апрель	1	23	Драйвер CD4026. Как сосчитать до 99 при помощи драйвера.	Проект «Считаем до 99 при помощи драйвера».
	2	24	Как вывести произвольное число.
	3	25	Соединение с компьютером.
	4	26	Как передавать данные с компьютера на Arduino.
	5	27	Как управлять серводвигателем с Arduino.
Май	1	28	Транзисторы. Как вращать двигатель и управлять скоростью.
	2	29	Сборка мобильного робота. Мезонинная плата.	Проект «Как заставить робота двигаться».
	3	30	Алгоритм езды по линии	Проект «Езда робота по линии».
	4	31	Создание собственной библиотеки.

8.      Описание материально-технического обеспечения образовательной  деятельности.

Для занятий используется образовательный набор  «Амперка».

Комплектация набора «Амперка».

Контроллер
- 1× Плата Arduino Uno

Сенсоры
- 2× Датчик линии
- 1× Датчик наклона
- 2× Фоторезистор
- 2× Термистор
- 4× Кнопка тактовая
- 2× Потенциометр

Прототипирование и провода
- 1× Макетная доска
- 75× Соединительный провод
- 1× USB-кабель
- 1× Разъём для батарейки

Механика
- 1× Двухколёсное шасси робота
- 1× Сервопривод

Платы расширения
- 1× Драйвер моторов MotorShield1× Расширитель портов TroykaShield

Индикация и звук
- 1× Текстовый ЖК-экран
- 2× 7-сегментный индикатор
- 12× Светодиод красный
- 4× Светодиод жёлтый
- 4× Светодиод зелёный
- 2× Трёхцветный светодиод
- 2× Пьезоизлучатель звука

Базовые компоненты
- 60× Резистор 220 Ом
- 20× Резистор 1 кОм
- 20× Резистор 10 кОм
- 20× Резистор 100 кОм
- 10× Биполярный транзистор
- 4× Транзистор MOSFET
- 2× Микросхема CD4026
- 5× Выпрямительный диод

Инструменты
- 1× Мультиметрцифровой

Компоненты, входящие в состав набора — это тщательно подобранные и сбалансированные элементы мини-лаборатории электроники. Оборудование безопасно, н апряжение питания в собираемых устройствах не превышает 9 вольт. Наборы «Амперка» сертифицированы и соответствуют ГОСТ25779-90. Их достаточно, чтобы пройти все уроки по учебному пособию,  провести собственные эксперименты и выполнить дополнительные задания. Все компоненты упакованы в пластиковую коробку с секциями. Кроме того дешёвые, но деликатные компоненты:  резисторы, светодиоды, микросхемы поставляются в избыточном количестве, т.к. дети зачастую их ломают или теряют. 

Состав набора:                         

Специально для образовательного курса «Амперка» написано учебное пособие, которое содержит 17 разделов.   На изучение каждого раздела планируется использовать два школьных урока  при занятиях раз в неделю.

Курс начинается с того, что дети познакомятся с понятием микроконтроллера, с платой Arduino. Затем они узнают  как при помощи обычного компьютера, через USB-кабель загружать программу  на плату, как пишется исходный код программы,  как он компилируется.

Далее учащиеся научатся подключать к Arduino  разные компоненты, рассмотрят как общие принципы работы с внешними компонентами, так и конкретные примеры взаимодействия с каждым из них.  В  различных комбинациях на занятиях  будут использоваться  свет, звук, механика, сенсоры.

На заключительном этапе изучения курса школьники  создадут  автономного мобильного робота: полноценное  устройство, в котором используются все знания полученные ранее.

Каждый урок будет начинаться с теоретического материала, который даёт знания о новом, важном аспекте разработки устройств. Это может быть закрепление материала из области физики, может быть обучение новому понятию в программировании или что-то ещё. Но непременно каждый урок будет заканчиваться тем, что ученики своими руками соберут новое устройство на основе Arduino,  что в итоге будет способствовать   закреплению  пройденного  материала.

Не так давно любой радиолюбитель при создании своего устройства был вынужден использовать текстолит  и  паяльник. Это кропотливый, долгий  ещё и опасный для детей процесс.  В  наборах Амперка  имеются макетные доски (breadboard) и макетные провода. Они позволяют собирать любые электрические цепи за считанные минуты без всякой пайки. Компоненты просто вставляются в отверстия с защёлками и соединяются проводами.

Компания «Амперка» занимается продажей и развитием хобби-электроники с 2010 года. Является крупнейшим дистрибьютором Arduino в России. Компания представляет адаптированный для России Образовательный набор «Амперка».  Онлайн поддержка становится доступной учебным заведениям, проводящим курс от «Амперки» на сайте:  teacher.amperka.ru. В отдельном, закрытом пространстве могут общаться и обмениваться опытом педагоги. 

9.      Требования к уровню подготовки учащихся,  обучающихся по учебному курсу.

По результатам прохождения курса дети научатся:

·         Программировать на языке C++ — в уроках изучается  всё, от переменных и простых выражений, до основ ООП.

·         Работать с платформой Arduino — писать для неё программы, прошивать микроконтроллер.

·         Проектировать электрические схемы и воплощать их на практике (макетная доска позволит всё это быстро их проверять).

·         Применять знания о законах электричества на практике.

·          Объединять компоненты в цепи,  подключать цепи к Arduino.

·         Управлять электроникой с помощью программы.

В итоге, ученик получит отличную базу знаний, которая  может быть использована в будущем: для новых проектов и для поступления в технический ВУЗ.

Цифровые образовательные ресурсы.

1.      ЭОР на сайте ФЦИОР (http://fcior.edu.ru)

2.      http://global-school.ru/articles/view/165/-образование для всех 21 век.

3.      http://russianrobotics.ru/ - робототехника.

4.      http://school-collection.edu.ru/ - единая коллекция цифровых образовательных ресурсов.

5.      http://robot.edu54.ru/ - образовательная робототехника.

6.      http://startelectronics.ru/goods/--программирование ардуино.

7.      фгос-игра.рф  - Конструирование и робототехника по ФГОС.

8.      http://teacher.amperka.ru/-образовательный набор амперка на основе Ардуино.

Краткое описание документа:

Курс «Проектирование устройств с электронными компонентами» служит средством профильной специализации учащихся в области новых информационных технологий, он будет способствовать проявлению индивидуальных интересов учащихся и позволит использовать знания, полученные при освоении курса, практически во всех образовательных областях старшей школы.