спо. сро. Практикум Основы программирования на платформе Arduino
 Скачать 0.62 Mb.
|
|
36 2 РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА «ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ НА ПЛАТФОРМЕ ARDUINO» 2.1 Лабораторный практикум в дополнительном образовании Актуальность изучения робототехники в учебно-техническом центре «Омега-1» учитывается в широком распространении робототехники в современном обществе и заинтересованности учащихся в изучении этой тематики. Лабораторный практикум «Основы программирования на платформе Arduino» предназначен для дополнительного образования школьников старших классов и студентов младших курсов колледжей и техникумов, обучающихся в учебно-техническом центре ООО «Омега-1» г. Екатеринбурга. Новизна выпускной квалификационной работы состоит в том, чтобы был разработан лабораторный практикум «Основы программирования на платформе Arduino» в сравнении с курсом «Основы программирования Turbo Pascal» и адаптирован для учебно-технического центра «Омега-1» и который будет применяться в системе дополнительного образования. Лабораторный практикум — это система содержательно и методически разработанных обучающих занятий либо по научному вопросу, усвоение которого сопряжено с овладением умениями и навыками, либо по целостному учебному курсу прикладного характера, который исследует прикладную сторону профессии [23]. Практикум содействует формированию необходимых профессиональных умений [23]. В Федеральном законе «Об образовании в Российской Федерации» (№ 273-ФЗ, от 29.12.12) используется понятие дополнительного 37 образования. Дополнительное образование — как вид образования, который направлен на всестороннее удовлетворение образовательных потребностей человека в интеллектуальном, духовно-нравственном, физическом и (или) профессиональном совершенствовании и не сопровождается повышением уровня образования [6]. Современное дополнительное образование характеризуется как процесс освоения добровольного избранного человеком вида деятельности или области знаний, выходящих за рамки стандарта обязательного образования [11]. Качество образования зависит от возможностей системы образования. Дополнительное образование в сочетании с основным составляет единое образовательное пространство [5]. Программы дополнительного образования реализуются учреждениями дополнительного образования. Например, учебно- техническим центром ООО «Омега-1» г. Екатеринбурга, для которого разработан лабораторный практикум «Основы программирования на платформе Arduino». 2.2 Требования к разработке лабораторного практикума К разработке лабораторных практикумов предъявляют дидактические и технологические требования [24]: Дидактические: • требование научности, то есть достаточная глубина, коррект- ность, научность, достоверность учебного материала; • требование доступности, а именно степень сложности освоения учебного материала в зависимости от возрастных и личностных характери- стик учащихся; • требование наглядности, что упрощает восприятие учебного ма- териала; 38 • требование последовательности и систематичности в усвоении учебного материала, это означает структурированность учебного материа- ла, последовательность усвоения, связь с практикой. Технологические [24]: • открытость — возможность изменять лабораторный практикум; • лояльный интерфейс к пользователю; • надежная работа практикума; • наличие банка заданий; • удобное перемещение. Требования к проведению лабораторного практикума. Лабораторные работы решают одну из важнейших задач дидактики — связь теории с практикой. Лабораторные занятия имеют большое вос- питательное значение, способствуют развитию мышления и приобретению профессиональной уверенности у обучающихся [7]. К организации и проведению лабораторных работ практикума предъявляются следующие требования [19]: 1. Лабораторные работы должны быть целесообразны и эффектив- ны. 2. Сочетание лабораторных работ с другими методами обучения. 3. Следует учитывать специфику обучающихся, уровень их подго- товленности. 4. В лабораторных работах должно быть продумано оценивание проделанных работ. Лабораторные работы включают [20]: • вводную часть (тема, цель работы, информационно- теоретический блок, перечень оборудования); • содержание хода работы и последовательность действий; • рекомендации к оформлению; • заключительная часть (анализ результата работы, рефлексия соб- ственной деятельности [19]. 39 2.3 Способ реализации лабораторного практикума Лабораторный практикум разработан посредством программы Microsoft Office Word. Для удобного использования в конечном итоге представляется в PDF-формате. При помощи программы Adobe Acrobat Reader текстовый документ переводится в PDF-документ. Формат PDF является самым и популярным форматом для полиграфической продукции, огромное количество материалов и документов хранится и распространяется в данном формате. Файлы PDF занимают мало места и удобны в использовании [13]. Acrobat Reader от Adobe Systems — это решение, принятое открытым стандартом, подкрепляемым International Organization for Standardization (ISO) [16]. ISO — это Международная организация по стандартизации. Acrobat Reader — это программное обеспечение, которое может ис- пользоваться для просмотра, печати, комментирования документов в фор- мате PDF (рисунок 2.1). Рисунок 2.1 — Adobe Reader XI 40 При запуске программы появляется меню (см. рисунок 2.1). Кнопка «Создать PDF» служит для создания PDF-файла путем преобразования документа в PDF. После ее нажатия появляется меню, где можно указать путь к файлу, который нужно преобразовать (рисунок 2.2) Рисунок 2.2 — Меню выбора файла Основные особенности заключается в том, что Acrobat Reader лоялен к любой операционной системе и аппаратным требованиям, способен преобразовать документ в PDF-формат практически из любого документа, а это значит, что данное программное обеспечение «дружит» с другим программным обеспечением. Есть возможность внедрения музыкальных файлов, видеоматериала, интерактивных кнопок, гиперссылок, оглавления и системы закладок, перекрестных ссылок и многого другого. Отсутствует, разве что, способность использования анимации внутри документа [16]. Преимущества PDF-документа перед остальными: • первозданный вид, то есть документ остается таким же, как и до преобразования; 41 • соответствие стандартам ISO; • независимость от операционной системы и аппаратных требова- ний персонального компьютера; • возможность адаптации PDF-документа к пользователю, а имен- но обеспечить поиск, навигацию и удобное использование. Как результат формат PDF подходит для создания и хранения электронных публикаций [16]. 2.4 Структура и содержание лабораторного практикума Практикум включает в себя введение, практический блок, средства контроля, глоссарий и полезные ссылки. Введение содержит краткое описание назначения лабораторного практикума, педагогический адрес, цель и задачи. Практический блок состоит из шести лабораторных работы и контрольного задания. Каждая лабораторная работа содержит задания самостоятельной работы и контрольные вопросы для проверки знаний и умений, полученных в ходе выполнения лабораторных работ. В лабораторных работах сохранена хронология выполнения, имеются иллюстрации. Элементы лабораторных работ: • название лабораторной работы и ее порядковый номер; • формулировка темы, цели; • установка времени выполнения и необходимого оборудования; • небольшой блок теоретических сведений; • блок задания; • технологию выполнения; • блок самоконтроля; • блок контрольных вопросов. 42 Контрольное задание состоит из следующих элементов: • название контрольного задания; • формулировка темы и цели; • установка времени выполнения; • блок задания поставленной задачей. Лабораторный практикум «Основы программирования на платформы Arduino» является результатом выпускной квалификационной работы профилизации «Компьютерные технологии автоматизации и управления. Наполнение содержания лабораторного практикума Лабораторный практикум «Основы программирования на платформе Arduino» состоит из шести лабораторных работ и контрольного задания. Работы включают в себя: • блок теоретических сведений; • формулировку задания; • хронологи выполнения; • технологию выполнения; • самостоятельное задание; • контрольные вопросы. Проделанная лабораторная работа демонстрируется преподавателю, затем оценивается. В качестве контроля имеются самостоятельные задания и контрольные вопросы. По результатам прохождения лабораторно практикума «Основы программирования на платформе Arduino» необходимо выполнить контрольное задание, подразумевающее самостоятельно создать устройство из предложенного перечня компонентов. Далее следует подробный пример одной из лабораторных работ, и краткое описание последующих лабораторных работ и контрольного задания. 43 Лабораторная работа№1 Тема: «Знакомство со средой разработки Arduino IDE. Установка и начало работы». Цель: познакомиться со средой разработки Arduino IDE, научиться осуществлять настройку ПО перед началом работы. Длительность: 180 минут. Оборудование: персональный компьютер, среда разработки Arduino IDE , микроконтроллер Arduino UNO, USB-кабель. Теоретические сведения Arduino (Ардуино) — аппаратная вычислительная платформа, основ- ными компонентами которой является плата ввода-вывода и среда разра- ботки. Алгоритм — набор последовательных действий/команд, соблюдаю- щих логичный порядок, который позволяет решать какие-либо задачи. Для графического представления алгоритмов используются, так называемые блок-схемы. Блок-схемы — это графическое представление ал- горитма, состоящее из набора геометрических фигур. Каждая фигура изоб- ражает определенную операцию или действие (рисунок 2.3). Рисунок 2.3 — Графическое представление алгоритма Алгоритмы бывают нескольких типов: линейные, циклические, раз- ветвляющиеся. 44 Среда разработки Arduino IDE — в основу языка программирования в данной среде положен C++ — один из самых популярных языков про- граммирования. Структура простой программы, написанной в среде Arduino IDE, в сравнении с Turbo Pascal (Таблица 2.1). Таблица 2.1 — Сравнение простых программ Arduino IDE Turbo Pascal int a ; //обозначение переменных int b; void setup () { //настройки программы Serial.begin (9600); //скорость связи данных } void loop () { // основная программа b=5; a=b*10; Serial.println(a ); //вывод на ПК ответ delay (5000); // задержка 5 секунд } PROGRAM sum; { заголовок программы} USES CRT; { подключение библиотек} VAR a,b: integer ;{объявление перемен- ных} BEGIN {начало блоков операторов} CLRSCR ; {очистка экрана} b :=5; {оператор 1} a:=b *10; {оператор 2} WRITELN(a ); {Вывод а} END . {конец блока операторов} Переменные отличаются по типу данных (таблица 2.2). Таблица 2.2 — Типы данных в сравнении с Turbo Pascal Arduino IDE Turbo Pascal Принимаемые значения boolean BOOLEAN True/False char CHAR -128/+127 byte BYTE 0-255 int INTEGER -32768/32767 long LONGINT -2147483648/214748367 float RE- AL/SINGLE/DOUBLE/EX TENDED -3,4028235·10 38 /3,4028235·10 38 45 Программы с линейным алгоритмом (таблица 2.3). Сравниваемые части программ выделены жирным курсивом. Таблица 2.3 — Примеры линейной программы Arduino IDE в сравнении с Turbo Pascal Arduino IDE Блок-схема Turbo Pascal int a; int b; void setup () { Serial.begin(9600); } void loop() { b=5; a=b*10; Serial.println(a); delay(5000); } PROGRAM sum; USES CRT; VAR a,b: integer; BEGIN CLRSCR; b:=5; a:=b*10; WRITELN(a); END. Задание: установить среду разработки Arduino IDE, настроить обо- рудование перед началом работы. 1. Для начала зайдем на официальный сайт проекта Arduino в Ин- тернете по адресу www.arduino.cc/en/Main/Software. Для того, чтобы ска- чать инсталлятор выберем в разделе Download the Arduino IDE вариант Windows Installer ( рисунок 2.4), затем нажмите JUST DOWNLOAD (ри- сунок 2.5). 46 Рисунок 2.4 — Окно скачивания программы Arduino IDE Рисунок 2.5 — Кнопка загрузки установочного файла Arduino IDE 2. После загрузки файла arduino-1.8.2-windows.exe запустите его с административными полномочиями, примите условия лицензионного со- глашения и принимайте последующие варианты установки. Установщик будет предлагать установить драйвера порта, на что следует отвечать утвердительно. 3. После установки запустите на рабочем столе ярлык Arduino.exe. При запуске появится окно (рисунок 2.6), в котором содержится заготовка 47 программы. В окне имеется заготовка, которая состоит из функций setup и loop . Функция setup содержит команды, выполняемые одни раз при вклю- чении — это так называемые настройки программы. A loop включает в се- бя основную программу. Она выполняется бесконечное число раз, до тех пор, пока мы не отключим питание. Рисунок 2.6 — Окно программы Arduino IDE 4. Для подключения контроллера используются USB-кабели. Под- ключите контроллер Arduino к компьютеру кабелем. После того как физи- ческий контакт ПК с контроллером установлен, нужно установить связи между ним и средой разработки Arduino IDE. Для этого необходимо вы- брать номер порт (рисунок 2.7). Если портов много, рекомендуется запом- нить все имеющиеся, а затем физически отсоединить Arduino от кабеля, и снова проанализировать список портов, — тот, который исчез, и есть нуж- ный. Далее установите флажок на нужном порте. 48 Рисунок 2.7 — Выбор порта У пользователей Windows XP может возникнуть проблема — драй- вер порта не установился автоматически. Решение проблемы описано на сайте по адресу: http://arduino.ru/Guide/Windows. 5. Далее выберите тип вашего контроллера. На рисунок 2.8 можно видеть, что выбрать Arduino/Genuino Uno. Рисунок 2.8 — Выбор типов контроллера Arduino Если контроллер выбран автоматически, то убедитесь в правильно- сти выбора. 49 6. Настройка закончена. Чтобы загрузить программу необходимо нажать кнопку (см. рисунок 2.6). Оболочка проверит программу на наличие ошибок, а затем переведет ее в двоичный код данных и команд выбранного микроконтроллера и запишет в Arduino. 7. В качестве примера, заставим Arduino мигать встроенным свето- диодом на 13-м порту (рисунок 2.9). Диод — это электронный элемент, который пропускает электриче- ский ток, только в одном направлении. Светодиод — это диод, который начинает светиться при протекании по нему тока. На плате контроллера Arduino, как правило, уже установлен один светодиод — на 13-м порту (ножке). Рисунок 2.9 — Программа мигания светодиодом Аналогичным образом перепишем программу и загрузим ее в микро- контроллер. На выходе получим мигающий на плате светодиод с задерж- кой в 1 секунду (рисунок 2.10). 50 Рисунок 2.10 — Результат работы светодиода (L — светодиод) 8. Для подключения монитора порта, необходимо открыть вкладку Инструменты | Монитор порта и скорректировать скорость порта (9600 бод) — в окне Монитор порта скорость задается в правом нижнем углу вы- бором из всплывающего списка. Команда Serial.println( ) передает с контроллера на ПК значение, ука- занное в скобках. Самостоятельная работа Измените код программы так, чтобы светодиод мигал с каждым ра- зом быстрее в течении 10 секунд, путем добавления команд digitalWrite() и delay (). Контрольные вопросы 1. Что такое Arduino? 2. Что такое алгоритм? Какие алгоритмы Вы знаете? Дайте опреде- ление понятию блок-схема? 3. Какие типы данных из курса «Язык программирования Turbo Pascal » Вы помните? 4. Для чего служат так называемые «боды»? 51 Лабораторная работа №2 Тема: «Управление светодиодами средствами виртуальной среды Autodesk Circuits с применением условного оператора if». Цель: средствами виртуальной среды Autodesk Circuits научиться подключать светодиоды и программировать ее через компилятор. Длительность: 180 минут. Оборудование: персональный компьютер, браузер, виртуальная среда Autodesk Circuits (Arduino Uno, макетная плата, светодиоды 6 шт, ре- зисторы 6шт 220 Ом). После выполнения лабораторной работы обучающиеся будут уметь подключать и программировать светодиоды с применением условного оператора if. Лабораторная работа №3 Тема: «Управление светодиодами с помощью кнопок средствами виртуальной среды Autodesk Circuits» с применением оператора выбора case». Цель: средствами виртуальной среды Autodesk Circuits научиться подключать и программировать кнопки для управления светодиодами. Длительность: 180 минут. Оборудование: персональный компьютер, браузер, виртуальная среда Autodesk Circuits. После выполнения лабораторной работы обучающиеся будут уметь управлять и программировать кнопки с использованием условного опера- тора выбора case. 52 Лабораторная работа №4 Тема: «Управление RGB-светодиодом средствами виртуальной сре- ды Autodesk Circuits» с применением цикла for». Цель: средствами виртуальной среды Autodesk Circuits научиться подключать и программировать RGB-светодиод. Длительность: 180 минут. Оборудование: персональный компьютер, браузер, виртуальная среда Autodesk Circuits. После выполнения лабораторной работы обучающиеся будут уметь подключать и программировать RGB-светодиод с применением цикла for. Лабораторная работа №5 Тема: «Управление жидкокристаллическим дисплеем LCD 16x2 с применением оператора цикла while». Цель: научиться подключать и программировать LCD дисплей с применением оператора цикла while. Длительность: 180 минут. Оборудование: персональный компьютер, Arduino Uno, USB-кабель, LCD- дисплей, макетная плата, перемычки, соединительные провода. После выполнения лабораторной работы обучающиеся будут уметь подключать и программировать LCD-дисплей c использованием оператора цикла while. 53 Лабораторная работа №6 Тема: Мини-проект «Ультразвуковой дальномер» Цель: подключить схему и запрограммировать компоненты для функционирования ультразвукового дальномера. Длительность: 180 минут. Оборудование: персональный компьютер, Arduino Uno, макетная плата, диоды 3 шт., резисторы 3 шт. 220 Ом, LCD-дисплей 16х2, ультра- звуковой датчик HC-SR04. После выполнения лабораторной работы обучающиеся будут уметь подключать схему и программировать компоненты устройства «Ультра- звуковой дальномер». Контрольное задание Тема: Самостоятельный «мини-проект». Цель: самостоятельно собрать устройство и запрограммировать его. Длительность: 360 минут. Оборудование: микроконтроллер Arduino, светодиод, фотодиод, кнопка, потенциометр, пьезодинмаик, RGB-светодиод, светодиодная ша- кала, инфракрасный датчик, датчик температуры, датчик влажности, дат- чик давления, датчик наклона, датчик ультразвука, PIR-датчик (датчик движения), фоторезистор, сервомотор, дисплей LCD 16x2, клавиатура 4x4, 7 сегментный индикатор. Обучающиеся самостоятельно собирают устройство, программируют его. По результатам проделанной работы составляют блок-схему устрой- ства, комментируют код программы и презентуют свой проект, то есть за- щищают его. 54 2.5 Методические рекомендации к проведению лабораторного практикума Лабораторный практикум «Основы программирования на платформе Arduino » предназначен для дополнительного образования школьников старших классов и студентов младших курсов колледжей и техникумов, обучающихся в учебно-техническом центре ООО «Омега-1» г. Екатерин- бурга. Задачи лабораторного практикума «Основы программирования на платформе Arduino»: 1. Познакомить с виртуальной средой Autodesk Circuits и средой разработки Arduino IDE. 2. Понимать и уметь воспроизводить схемы подключения в вирту- альной среде или на макетной плате с использованием электронных ком- понентов. 3. Изучить основы программирования на платформе Arduino на представленных примерах схем и программ. 4. Научить самостоятельно, изменять и дополнять программный код в зависимости от поставленной задачи и условий. 5. Овладеть умением проектировать, собирать и программировать устройство самостоятельно. Для решения задач практикум применим в дополнительном образо- вании и разработан для школьников старших классов и студентов младших курсов колледжей и техникумов, обучающихся в учебно-техническом цен- тре ООО «Омега-1» г. Екатеринбурга. Используются такие средства обучения, как программная оболочка Arduino IDE, виртуальная среда разработки Autodesk Circuits, технологиче- ские карты. Деятельность обучающихся основывается на первом, втором и тре- тьем уровне, где первый — это попытка воспроизведения без ошибок, вто- 55 рой — применение с изменением первоначальных условий, третий — са- мостоятельная деятельность, а именно сборка и программирование устрой- ства. Лабораторный практикум «Основы программирование на платформе Arduino » проводится в условиях самостоятельной деятельности обучаю- щихся. Обучающиеся следуя содержанию лабораторных работ выполняют их, затем демонстрируют их преподавателю, выполняют самостоятельное задание и отвечают на контрольные вопросы. Как только обучающиеся выполнили все этапы лабораторной работы — преподаватель ставит баллы: 10 за одну лабораторную работу, 60 за шесть лабораторных работ, 15 за контрольное задание. Итого 75 — макси- мальное количество баллов. Минимальное количество баллов, которые можно набрать за одну выполненную лабораторную работу — 6, 10 за кон- трольное задание. Итого 46 баллов минимум. Обучающимся необходимо выполнить лабораторные работы, само- стоятельные задания, ответить на контрольные вопросы. |