Рабочая программа по Робототехнике

Пояснительная записка

Образование в сфере робототехники продиктовано развитием современных электронных, робототехнических и инженерных технологий в области автоматизации, электроники, мехатроники и искусственного интеллекта. Программа разработана совместно с Белгородским государственным технологическим университетом им. В.Г. Шухова и направлена одновременно формирование теоретической базы и практических навыков в области робототехники, электроники и компьютерных наук. Неотъемлемой частью учебного процесса являются соревнования обучающихся.

Из вышеизложенного вытекает педагогическая целесообразность дополнительной общеобразовательной (общеразвивающей) программы «Юный робототехник» – ориентация детей на техническое творчество, дальнейшее применение полученных начальных знаний, умений и навыков в научно-технических кружках и во время обучения в учреждениях среднего профессионального и высшего образования.

Дополнительная общеобразовательная (общеразвивающая) программа «Юный робототехник» (далее - программа) - технической направленности. Предусматривает развитие творческих способностей детей, формирование начальных технических знаний, навыков, умений, способствует приобретению чувства уверенности и успешности, психологического благополучия.

Актуальность программы определяется социальным заказом общества взрастить технически грамотных людей в области робототехники; привитием технических навыков со школьного возраста; передачей сложного технического материала в простой доступной форме; реализацией личностных потребностей и жизненных планов; реализацией проектной деятельности школьниками на базе современного оборудования.

Новизна программы заключается в использовании: современных педагогических технологий, приемов; различных техник и способов работы современного оборудования, позволяющего исследовать, создавать и моделировать различные объекты и системы из области робототехники и машинного обучения. Программа адаптирована для младшего возраста обучающихся, собирающихся осуществлять исследовательскую, проектную и инженерную деятельность.

Цель Программы – создание условий для развития технических способностей обучающихся через изучение основ программирования, робототехники и мехатроники.

Задачи

Обучающие:

• способствовать формированию знаний обучающихся об истории развития отечественной и мировой техники, ее создателях, о различных направлениях изучения робототехники, электроники, технологий искусственного интеллекта;

• изучить принципы работы робототехнических элементов, состояние и перспективы робототехники в настоящее время;

• уметь пользоваться технической литературой;

• формировать целостную научную картину мира;

• изучить приемы и технологии разработки простейших алгоритмов и систем управления, машинного обучения, технических устройств и объектов управления.

Развивающие:

• прививать интерес к техническим знаниям;

• развивать у обучающихся техническое мышление, изобретательность, образное и пространственное мышление;

• формировать учебную мотивацию и мотивацию к творческому поиску;

• развивать волю, терпение, самоконтроль, внимание, память, фантазию;

• развивать способности осознанно ставить перед собой конкретные задачи и добиваться их выполнения;

• стимулировать познавательную активность обучающихся посредством включения их в различные виды конкурсной деятельности;

• формировать ключевые компетенции обучающихся.

Воспитательные:

• воспитывать дисциплинированность, ответственность, самоорганизацию;

• воспитать трудолюбие, уважение к труду;

• формировать чувство коллективизма и взаимопомощи;

• способствовать раскрытию внутреннего мира обучающихся;

• формировать новаторское отношение ко всем сферам жизнедеятельности человека;

• воспитывать самостоятельность в приобретении дополнительных знаний и умений;

• воспитывать чувство патриотизма, гражданственности, гордости за достижения отечественной науки и техники.

Отличительная особенность программы: получение знаний и навыков работы в области робототехники, мехатроники, программирования; расширение представлений о состоянии и перспективах робототехники в настоящее время; применение научного подхода к решению различных задач; овладение умениями формулировать гипотезы, конструировать, проводить эксперименты, оценивать полученные результаты.

Сроки и режим реализации программы

Программа рассчитана на 144 часа. Возраст обучающихся: 8-12 лет. Занятия проводятся фронтально, по группам, индивидуально.

Условия набора: свободный.

Наполняемость групп: — 8-12 человек.

Учебные занятия проводятся 2 раза в неделю по 2 часа. Один академический час – 45 минут; между занятиями перерыв не менее 10 минут.

Занятия проводятся в кабинете, оборудованном согласно санитарно-эпидемиологическим правилам и нормативам СанПиН 2.4.4.3172-14 "Санитарно-эпидемиологические требования к устройству, содержанию и организации режима работы образовательных организаций дополнительного образования детей".

Возрастные особенности

Программа построена с учетом возрастных и индивидуальных особенностей детей.

Возраст 8-12 лет можно назвать переходным от младшего школьного к младшему подростковому. Психологически этот возраст связан с постепенным обретением чувства взрослости - главного личностного новообразования младшего подростка. Путь осознания себя сложен, стремление обрести себя как личность порождает потребность в отчуждении от всех, кто до этого привычно оказывал на ребенка влияние, и в первую очередь - от семьи, от родителей. Внешне это отчуждение зачастую выражается в негативизме - стремлении противостоять любым предложениям, суждениям, чувствам взрослых. Отсюда такое количество конфликтов с взрослыми. При этом негативизм - первичная форма механизма отчуждения, она же является началом поиска подростком собственной уникальности, познания собственного Я. Этому же способствует и ориентированность подростков на установление доверительно-дружеских отношений, усваиваются навыки рефлексии последствий своего или чьего-то поведения, социальные нормы взаимодействия людей, нравственные ценности. Познание другого, похожего на меня, дает возможность как в зеркале увидеть и понять свои собственные проблемы.

Умственная активность подростков высока, но способности будут развиваться только в деятельности, вызывающей положительные эмоции; успех (или неуспех) существенно влияет на мотивацию учения. Оценки играют важную роль в этом: высокая оценка дает возможность подтвердить свои способности. Совпадение оценки и самооценки важно для благополучия подростка. В противоположном случае неизбежен внутренний дискомфорт и даже конфликт.

Основные виды деятельности: учение, общение и труд.

Концептуальным подходом к построению программы являются принципы: сознательности и активности, доступности, последовательности, наглядности, связи техники с практикой.

Ожидаемые результаты

Личностные результаты обучения:

• формирование познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей обучающихся;

• формирование целостного мировоззрения, соответствующего современному уровню развития науки и технологий;

• самостоятельность в приобретении новых знаний и практических умений;

• готовность к выбору жизненного пути в соответствии с собственными интересами и возможностями;

• проявление технико-технологического мышления при организации своей деятельности;

• мотивация образовательной деятельности обучающихся на основе личностно ориентированного подхода;

• формирование ценностных отношений к себе, учителю, авторам открытий и изобретений, результатам обучения;

• формирование коммуникативной компетентности в процессе проектной, учебно-исследовательской, игровой деятельности.

Метапредметные результаты:

• овладение составляющими исследовательской и проектной деятельности: умение видеть проблему, ставить вопросы, выдвигать гипотезы, давать определения понятиям, классифицировать, наблюдать, проводить эксперименты, делать выводы и заключения, структурировать материал, объяснять, доказывать, защищать свои идеи;

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

• овладение основами самоконтроля, самооценки, принятия решений и осуществления осознанного выбора в познавательной деятельности;

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

• развитие монологической и диалогической речи, умения выражать свои мысли, способности выслушивать педагога, понимать его точку зрения, признавать право другого человека на иное мнение;

• формирование умений представлять и отстаивать свои взгляды и убеждения, вести дискуссию;

• комбинирование известных алгоритмов технического и технологического творчества в ситуациях, не предполагающих стандартного применения одного из них;

• поиск новых решений возникшей технической или организационной проблемы;

• самостоятельная организация и выполнение различных творческих работ по созданию технических изделий;

• виртуальное и натурное моделирование технических объектов и технологических процессов с применением робототехнических систем;

• проявление инновационного подхода к решению практических задач в процессе моделирования изделия или технологического процесса;

• выявление потребностей, проектирование и создание объектов, имеющих потребительную стоимость;

• формирование и развитие компетентности в области использования информационно-коммуникационных технологий.

Предметные результаты обучения:

• умение использовать термины технической области;

• умение конструировать и программировать различные системы, в том числе, использующие интерфейс «Мозг-компьютер»;

• умение использовать готовые прикладные компьютерные программы и сервисы в области робототехники, электроники и программирования, умение работать с описаниями программ и сервисами;

• умение разрабатывать простые программы систем управления техническими объектами с применением робототехнических систем;

• навыки выбора способа представления данных в зависимости от постановленной задачи;

• рациональное использование учебной и дополнительной технической и технологической информации для проектирования и создания технических объектов;

• владение методами решения организационных и технических задач;

• владение формами учебно-исследовательской, проектной, игровой деятельности.

Первый год обучения

должны знать:

• правила безопасного пользования инструментами и оборудованием, организовывать рабочее место;

• оборудование и инструменты, используемые в области робототехники;

• основные принципы работы с робототехническими элементами;

• основные направления развития робототехники;

• основные сферы применения робототехники, мехатроники и электроники;

• основные принципы работы электронных схем и систем управления объектами;

должны уметь:

• соблюдать технику безопасности;

• разрабатывать простейшие системы с использованием электронных компонентов и робототехнических элементов;

• разрабатывать простейшие алгоритмы и системы управления робототехническими устройствами;

• разбивать задачи на подзадачи;

• работать в команде;

• проводить мозговой штурм;

• применять логическое и аналитическое мышление при решении задач.

Универсальная учебная деятельность (УУД)

• оценка жизненных ситуаций (поступки, явления, события) с точки зрения собственных ощущений, соотносить их с общепринятыми нормами и ценностями;

• оценка (поступков) в предложенных ситуациях, которые можно характеризовать как хорошие или плохие;

• описание своих чувств и эмоций от знакомства с предметами технического творчества, изобретениями, уважительно относиться к результатам труда изобретателей и конструкторов, в том числе, в области электроники и робототехники;

• принятие другого мнения и высказывания, уважительное отношение к ним;

• опираясь на освоенные изобретательские и конструкторско-технологические знания и умения, делать выбор способов реализации предложенного или собственного замысла.

Регулятивные:

• волевая саморегуляция через исследовательскую деятельность;

• умение самостоятельно формулировать цели и задачи после предварительного обсуждения;

• умение с помощью педагога анализировать предложенное задание, отделять известное и неизвестное;

• умение совместно с педагогом выявлять и формулировать учебную проблему;

• под контролем педагога выполнять пробные поисковые действия (упражнения) для выявления оптимального решения проблемы (задачи);

• выполнение заданий по составленному под контролем педагога плану, сверять свои действия с ним;

• контроль точности выполнения команд, сформированных с помощью интерфейса «Мозг-компьютер», программных средств;

• проведение итогового контроля общего качества выполненного задания;

• проверка разработанных систем в действии, внесение необходимых конструктивных доработок и изменений в программное обеспечение (средством формирования этих действий служит технология продуктивной технической творческой деятельности);

• в диалоге с педагогом вырабатывание критериев оценки и определение степени успешности выполнения своей работы.

Познавательные:

• умение отбирать информацию по теме;

• анализ, синтез, систематизация информации при исследовательской деятельности, при проведении опытов;

• умение выявлять и формулировать проблему;

• искать и отбирать необходимые для решения поставленной педагогом задачи источники информации в текстах, иллюстрациях, схемах, чертежах, инструкционных картах, энциклопедиях, справочниках, Интернете;

• добывать новые знания в процессе наблюдений, рассуждений и обсуждений новых материалов, выполнения пробных поисковых упражнений;

• перерабатывать полученную информацию: сравнивать и классифицировать факты и явления;

• определять причинно-следственные связи изучаемых технических явлений;

• делать выводы на основе обобщения полученных знаний;

• преобразовывать информацию: представлять информацию в виде текста, таблицы, схемы (в информационных проектах).

Коммуникативные:

• умение формулировать правильные вопросы; умение строить речевые высказывания;

• умение донести свою позицию до окружающих: оформлять свои мысли в устной и письменной речи с учётом своих учебных и жизненных речевых ситуаций;

• умение высказывать свою точку зрения и пытаться её обосновать, приводя аргументы;

• умение слушать других, пытаться принимать другую точку зрения, быть готовым изменить свою точку зрения.

Учебный план

Формы подведения итогов обучения

• индивидуальная устная проверка;

• контрольные упражнения;

• тестовые задания;

• защита индивидуального проекта;

• выставки;

• межгрупповые соревнования;

• проведение промежуточного и итогового тестирования.

Содержание Программы

Первый год обучения

1.Введение в образовательную программу, техника безопасности (2 ч.)

Теория. Значение техники в жизни человека. Что такое техническое моделирование, робототехника, электроника, мехатроника. Задачи и план работы учебной группы. Демонстрация готовых изделий. Правила поведения на занятиях и во время перерыва. Инструктаж по технике безопасности.

Практика. Квест-игра: «Лаборатория робототехники».

Формы проведения занятий: рассказ, демонстрация, игра.

Формы подведения итогов: презентация, результаты квест-игры.

2.Основы робототехники, знакомство с оборудованием и его возможностями (4 ч.)

Теория. Основные подходы и принципы, лежащие в основе робототехники, мехатроники, систем управления. Возможности оборудования. Правила работы с инструментами и оборудованием.

Практика. Эксперименты на основе оборудования лаборатории.

Формы проведения занятий: рассказ, демонстрация, творческая мастерская.

Формы подведения итогов: мини выставка.

3. Разработка моделей и систем на основе робототехнических конструкторов (130 ч.)

Теория. Понятие о робототехнических системах, принципы и закономерности работы систем управления, мехатроники, конструирования. Подходы к построению робототехнических систем, использующих различные электронные вычислительные и исполнительные элементы.

Практика. Разработка собственных или применение готовых модулей для построения систем на основе робототехнических конструкторов, построение и исследование электронных схем, программного обеспечения. Выполнение задач из матрицы кейсов.

Формы проведения занятий: рассказ, беседа, демонстрация, творческая мастерская.

Формы подведения итогов: педагогические наблюдения, проведение конкурса, выставка работ.

4. Изготовление выставочных моделей (6 ч.)

Практика. Основные приемы изготовления и дизайнерского оформления моделей и прототипов систем.

Практика. Подготовка к тематическим выставкам. Изготовление макетов, моделей и прототипов робототехнических систем. Изготовление электронных микропроцессорных средств управления роботами.

Формы проведения занятий: беседа, демонстрация, творческая мастерская.

Формы подведения итогов: выставка.

5. Итоговое занятие (2 ч.)

Промежуточная аттестация. Подведение итогов, награждение воспитанников.

Формы проведения занятий: рассказ, тестирование.

Формы подведения итогов: творческий отчет.

Методы образовательной деятельности:

В период первого года обучения применяются такие методы обучения и воспитания, которые позволят установить взаимосвязь деятельности педагога и обучающегося, направленную на решение образовательно-воспитательных задач.

По уровню активности используются методы:

• объяснительно-иллюстративный;

• эвристический метод;

• метод устного изложения, позволяющий в доступной форме донести до обучающихся сложный материал;

• метод проверки, оценки знаний и навыков, позволяющий оценить переданные педагогом материалы и, по необходимости, вовремя внести необходимые корректировки по усвоению знаний на практических занятиях;

• исследовательский метод обучения, дающий обучающимся возможность проявить себя, показать свои возможности, добиться определенных результатов.

• проблемного изложения материала, когда перед обучающимся ставится некая задача, позволяющая решить определенный этап процесса обучения и перейти на новую ступень обучения;

• закрепления и самостоятельной работы по усвоению знаний и навыков;

• диалоговый и дискуссионный.

Приемы образовательной деятельности:

• игра-квест (на развитие внимания, памяти, воображения),

• соревнования и конкурсы,

• наглядный (рисунки, плакаты, чертежи, фотографии, схемы, модели, приборы, видеоматериалы, литература),

• создание творческих работ для выставки.

Занятие состоит из теоретической (лекция, беседа) и практической части, создаются все необходимые условия для творческого развития обучающихся. Каждое занятие строится в зависимости от темы и конкретных задач, которые предусмотрены программой, с учетом возрастных особенностей детей, их индивидуальной подготовленности.

Основные образовательные процессы: решение технических задач на базе современного оборудования, формирующих способы продуктивного взаимодействия с действительностью и разрешения проблемных ситуаций; познавательные квест-игры; технические соревнования и конкурсы.

Основные формы деятельности:

• познание и учение: освоение принципов функционирования сложного современного оборудования; освоение способов управления вниманием и возможностями организма;

• общение: принятие правил, ответственность как за собственные учебные достижения, так и за результаты в рамках «общего дела»;

• творчество: освоение подходов к разработке моделей управления как реальными, так и воображаемыми объектами, конструирование и программирование реалистических копий реальных и воображаемых объектов;

• игра: игра в команде, индивидуальные соревнования;

• труд: усвоение позитивных установок к труду и различным современным технологиям из области электроники, мехатроники, программирования, робототехники.

Форма организации учебных занятий:

• беседа;

• лекция;

• техническое соревнование;

• игра-квест;

• экскурсия;

• индивидуальная защита проектов;

• творческая мастерская;

• творческий отчет.

Типы учебных занятий:

• первичного ознакомления с материалом;

• усвоение новых знаний;

• комбинированный;

• практические занятия;

• закрепление, повторение;

• итоговое.

Формы контроля освоения обучающимися планируемого содержания.

Диагностика эффективности образовательного процесса осуществляется в течение всего срока реализации Программы. Это помогает своевременно выявлять пробелы в знаниях, умениях обучающихся, планировать коррекционную работу, отслеживать динамику развития детей. Для оценки эффективности образовательной Программы выбраны следующие критерии, определяющие развитие интеллектуальных и технических способностей обучающихся: развитие памяти, воображения, образного, логического и технического мышления.

Проверка достигаемых обучающимися образовательных результатов производится в следующих формах:

• текущий рефлексивный самоанализ, контроль и самооценка обучающихся выполняемых заданий (индивидуальная устная проверка, контрольные упражнения);

• результат выполнения обучающимися практических заданий на каждом занятии;

• взаимооценка обучающимися работ друг друга;

• итоговый ежегодный контроль обучающихся;

• промежуточное и итоговое тестирование обучающихся по итогам учебного года.

Итоговая оценка развития личностных качеств воспитанника производится по трём уровням:

• «высокий»: положительные изменения личностного качества воспитанника в течение учебного года признаются как максимально возможные для него;

• «средний»: изменения произошли, но воспитанник потенциально был способен к большему;

• «низкий»: изменения не замечены.

Результатом усвоения обучающимися Программы по каждому уровню Программы являются: устойчивый интерес к занятиям робототехникой, результаты достижений в массовых мероприятиях различного уровня.

Учебно-методические средства обучения:

• специализированная литература по робототехнике, подборка журналов,

• наборы технической документации к применяемому оборудованию,

• образцы моделей и систем, выполненные обучающимися и педагогом,

• плакаты, фото и видеоматериалы,

• учебно-методические пособия для педагога и обучающихся, включающие дидактический, информационный, справочный материалы на различных носителях, компьютерное и видео оборудование.

Применяемое на занятиях дидактическое и учебно-методическое обеспечение включает в себя электронные учебники, справочные материалы и системы используемых Программ, Интернет, рабочие тетради обучающихся.

Педагогические технологии

В процессе обучения по Программе используются разнообразные педагогические технологии:

• технологии развивающего обучения, направленные на общее целостное развитие личности, на основе активно-деятельного способа обучения, учитывающие закономерности развития и особенности индивидуума;

• технологии личностно-ориентированного обучения, направленные на развитие индивидуальных познавательных способностей каждого ребенка, максимальное выявление, раскрытие и использование его опыта;

• технологии дифференцированного обучения, обеспечивающие обучение каждого обучающегося на уровне его возможностей и способностей;

• технологии сотрудничества, реализующие демократизм, равенство, партнерство в отношениях педагога и обучающегося, совместно вырабатывают цели, содержание, дают оценки, находясь в состоянии сотрудничества, сотворчества.

• проектные технологии – достижение цели через детальную разработку проблемы, которая должна завершиться реальным, осязаемым практическим результатом, оформленным тем или иным образом;

• компьютерные технологии, формирующие умение работать с информацией, исследовательские умения, коммуникативные способности.

В практике выступают различные комбинации этих технологий, их элементов.

Материально-техническое обеспечение

Программа реализуется на базе Белгородского регионального детского технопарка «Кванториум».

Оборудование и техническое оснащение:

• помещение - учебный кабинет, оформленный в соответствии с профилем проводимых занятий и оборудованный в соответствии с санитар­ными нормами;

• доска магнитно-маркерная;

• проектор с экраном;

• набор инструментов;

• набор «Технология и Физика»

• наборы для изучения основ робототехники;

• конструкторы для изучения универсальных программируемых контроллеров;

• набор для изучения принципов работы с одноплатными миникомпьютерами;

• Универсальный многофункциональный колесный робототехнической комплект;

• различные робототехнические конструкторы;

• датчики света, цвета, ИК-маяк, ИК-приемник;

• расширенный робототехнический набор;

• российский комплект СТЕМ;

• набор для соревнований WRO (базовый);

• набор для FTC соревнований

• робототехнический набор ROBOTIS Premium;

• кибернетический конструктор по робототехнике;

• олимпиадный комплект "Квантобот"

• ресурсный набор водородной энергетики;

• ресурсные наборы к робототехническим комплектам;

• лабораторные блоки питания;

• ноутбуки;

• зарядные устройства для аккумуляторных батарей ;

• высокоточный электроэнцефалограф.

Список использованной литературы

1. Закон РФ «Об образовании».

2. Никулин С.К., Полтавец Г.А., Полтавец Т.Г. Содержание научно-технического творчества учащихся и методы обучения. М.: Издательство МАИ. 2004.

3. Полтавец Г.А., Никулин С.К., Ловецкий Г.И., Полтавец Т.Г. Системный подход к научно-техническому творчеству учащихся (проблемы организации и управления). УМП. М.: Издательство МАИ. 2003.

4. Фу К. Робототехника / К. Фу, Р. Гонсалес, К. Ли. М.: Мир, 1989. 624 с.

5. Электроника и схемотехника. Основы электроники: конспект лекций для высшего профессионального образования. / В.Т. Еременко, А.А. Рабочий, И.И.

6. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.:Мир, 1983. Т.1.

Список литературы для обучающихся

1. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей. – СПб.: Наука,. 2013. 319 с. ISBN 978-5-02-038-200-8

2. Перебаскин А.В. Бахметьев А.А. Маркировка электронных компонентов.

3. Рудольф СвореньЭлектроника шаг за шагом. Практическая энциклопедия юного радиолюбителя (4 издание)

4. Белиовская Л. Г. / Белиовский Н.А. «Использование LEGO-роботов в инженерных проектов школьников. Отраслевой подход»

5. Белиовская Л. Г. / Белиовский Н.А. «Роботизированные лабораторные по физике»

6. УллиСоммер «Программирование микроконтроллерных плат Arduino/Freeduino»

7. Виктор Петин «Проекты с использованием контроллера Arduino»

8. СаймонМонк «Программируем Arduino. Основы работы со скетчами»

9. Джереми Блум «Изучаем Arduino. Инструменты и методы технического волшебства»

10. Майкл Предко «123 эксперимента по робототехнике»

11. Лидия Белиовская: Узнайте, как программировать на LabVIEW

12. Джон Бейктал "Конструируем роботов на Arduino. Первые шаги"