Методическая разработка учебного занятия по теме: «Программирование микроконтроллеров на платформе Arduino»

Автор: Ященко Никита Сергеевич

Организация: ГБПОО ЛНР «ЛКИТП»

Населенный пункт: город Луганск

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Учебное занятие по теме «Программирование микроконтроллеров на платформе Arduino» ориентировано на обучающихся по специальности 09.02.01 Компьютерные системы и комплексы в рамках освоения ПМ.02 Проектирование управляющих программ компьютерных систем и комплексов – МДК 02.02 Программирование микроконтроллеров.

Занятие направлено на углубление ранее полученных знаний по теме «Микроконтроллеры»; ознакомление с основами и алгоритмом работы платформы Arduino; формирование базовых навыков программирования микроконтроллеров на платформе Arduino. Для достижения поставленной цели используются разнообразные формы и методы работы со студентами: постановка проблемных вопросов, метод ДА/НЕТ, поисковый метод, демонстрация трудовых приемов и операций, практический метод, самостоятельная работа, работа в парах, метод взаимопроверки, метод рефлексии по принципу «Светофор».

Используются также современные информационно-коммуникационные технологии.

На каждом из этапов занятия происходит четкая смена деятельности, что делает его более динамичным. Чередование фронтальной, парной и индивидуальной работы позволяет обучающимся развивать умение взаимодействовать и работать в команде, а также создает возможность для проявления личностных качеств. Основная часть занятия проходит в форме практической работы, что соответствует практико-ориентированному походу в обучении.

Соотношение деятельности «преподаватель-обучающийся» также способствует реализации практико-ориентированного подхода в обучении: применение диалоговых форм общения, осуществление обратной связи, объем и характер самостоятельной работы, создание проблемных ситуаций.

Методическая разработка занятия может быть использована педагогами при проведении практических работ, а также во внеурочной деятельности, в рамках кружковой работы.Тема: Программирование микроконтроллеров на платформе Arduino.

Специальность: 09.02.01 Компьютерные системы и комплексы.

Профессиональный модуль: ПМ.02 Проектирование управляющих программ компьютерных систем и комплексов.

Дисциплина: МДК 02.02 Программирование микроконтроллеров.

Цель занятия:

образовательная:

углубление ранее полученных знаний по теме «Микроконтроллеры»;

ознакомление с основами и алгоритмом работы платформы Arduino;

формирование базовых навыков программирования микроконтроллеров на платформе Arduino;

развивающая:

развитие умений применять полученные знания для решения практических задач;

формирование навыков самостоятельной работы обучающихся;

развитие логического мышления, внимания, памяти;

формирование навыков анализа результатов собственной деятельности;

совершенствование коммуникативных навыков и навыков работы в командах;

совершенствование навыков поиска информации с помощью средств информационно-коммуникационных технологий;

воспитательная:

формирование информационной культуры обучающихся;

пробуждение познавательного интереса к изучению и освоению информационных технологий.

Тип занятия: комбинированный

Вид занятия: практическая работа

Методы обучения: беседа, слово педагога, объяснение, постановка проблемных вопросов, метод ДА/НЕТ, поисковый метод, демонстрация трудовых приемов и операций, демонстрация презентации, практический метод, самостоятельная работа, работа в парах, метод взаимопроверки, наблюдение, метод рефлексии по принципу «Светофор».

Формы организации учебной деятельности: фронтальная, парная, индивидуальная.

Средства обучения: ПК с программным обеспечением Arduino IDE, проектор, экран, планшеты с доступом к сети Интернет, набор для моделирования на микроконтроллере (Arduino UNO), презентация, техническое задание, фишки для оценивания, магниты для маркерной доски.Формируемые общие компетенции:

ОК 01 Выбирать способы решения задач профессиональной деятельности применительно к различным контекстам;

ОК 02 Использовать современные средства поиска, анализа и интерпретации информации, и информационные технологии для выполнения задач профессиональной деятельности;

ОК 04 Эффективно взаимодействовать и работать в коллективе и команде

ОК 09 Пользоваться профессиональной документацией на государственном и иностранном языках.

Формируемые профессиональные компетенции:

ПК 2.1. Проектировать, разрабатывать и отлаживать программный код модулей управляющих программ

ПК 2.2 Владеть методами командной разработки программных продуктов

ПК 2.3 Выполнять интеграцию модулей в управляющую программу

Междисциплинарные связи: ООД.13 Физика, СГ.03 Безопасность жизнедеятельности, ОП.06 Основы алгоритмизации и программирования, МДК 01.01 Основы проектирования цифровой техникиСодержание и структура занятия

№п/п	Этап занятия	Методы и приемы	Деятельность преподавателя	Деятельность обучающихся
1	Организационный этап (1 минута)	Слово преподавателя	Приветствует обучающихся, настраивает на плодотворную работу	Слушают
2	Повторение ранее изученного материала (4 минуты)	Слово преподавателя, беседа	В ходе беседы повторяет с обучающимися ранее изученный материал. подводит к теме урока	Слушают, отвечают на вопросы
3	Формулировка темы и цели занятия. Мотивация учебной деятельности (2 минуты)	Слово преподавателя, беседа	Вместе с обучающимися формулирует тему и цель занятия, мотивирует обучающихся на знакомство с новым материалом	Слушают, формулируют тему занятия и цель занятия с помощью ключевых слов
4	Усвоение новых знаний, формирование умений и навыков (30 минут)	Постановка проблемной ситуации, беседа, работа в парах, поисковый метод, демонстрация трудовых приемов и операций, объяснение, слово преподавателя, наблюдение, взаимопроверка, практический метод, самостоятельная работа, метод ДА/НЕТ	Кратко знакомит с теоретическим материалом, организует поисковую деятельность в парах, взаимопроверку ответов, объясняет и демонстрирует порядок выполнения практического задания, контролирует выполнение заданий	Наблюдают, слушают, запоминают, работают в парах, ищут информацию с помощью умной камеры на планшетах, отвечают на вопросы, собирают прототип светофора, работают самостоятельно за персональными компьютерами на платформе Arduino
5	Подведение итогов. (5 минут)	Слово преподавателя, беседа, постановка проблемных вопросов	Оценивает и комментирует работу каждого обучающегося, выставляет баллы, задает дополнительные вопросы, выставляет оценки согласно набранным баллам	Презентуют свои работы, отвечают на вопросы, подсчитывают свои баллы
6	Рефлексия (2 минуты)	Метод «Светофор», слово преподавателя	Проводит рефлексию, подытоживает работу	Оценивают занятие
7	Информация о домашнем задании, инструктаж по его выполнению (1 минута)	Слово преподавателя, объяснение	Подводит итог занятия, знакомит обучающихсяс домашним заданием	Слушают, по необходимости задают вопросы

 

Ход занятия

1. Организационный этап (1 мин.)

Приветствие, знакомство с обучающимися, создание положительного эмоционального настроя.

 

2. Повторение ранее изученного материала (4 мин.)

Ежедневно мы все встречаемся с электронными устройствами — телефоны, стиральные машины, телевизоры, микроволновки. Что же управляет этими устройствами?

(ответы обучающихся)

Правильно, эти устройства управляются с помощью микроконтроллеров. Ребята, с темой «Микроконтроллеры» вы уже знакомы, давайте вспомним

• Что такое микроконтроллер?

Микроконтроллер — это компактный компьютер на одном чипе, включающий процессор, память и интерфейсы ввода-вывода. Он предназначен для выполнения определённых задач, например, управление бытовыми приборами и двигателями, обработка сигналов с датчиков.

• Можно ли задавать логику поведения микроконтроллера?

Да, микроконтроллер, как и компьютер можно программировать

• В чем преимущества микроконтроллеров?

(мозговой штурм, ответы обучающихся)

• Малый размер и низкая стоимость. Это делает их доступными для широкого круга применений, включая потребительскую электронику, автомобильную промышленность, медицинское оборудование и другие.
• Интеграция функций. Микроконтроллеры объединяют в себе различные функции, такие как центральный процессор, память, ввод-выводные порты и другие периферийные устройства. Это позволяет сократить количество компонентов и упростить проектирование системы.
• Гибкость и программируемость. Микроконтроллеры можно программировать для выполнения различных задач и функций. Это позволяет адаптировать их под конкретные требования системы и вносить изменения в программное обеспечение без необходимости замены аппаратных компонентов.
• Энергоэффективность. Микроконтроллеры обладают низким энергопотреблением, что делает их идеальным выбором для портативных устройств и батарейных систем.
• Высокая производительность. Микроконтроллеры обладают высокой производительностью и быстрым откликом. Они способны обрабатывать большое количество данных и выполнять сложные вычисления в реальном времени.

• Какие языки программирования используются для микроконтроллеров?

Выбор языка программирования зависит от конкретных задач и требований проекта. C, C++, Assembly (ассемблер), Python.

Можно сделать вывод:

- Микроконтроллер часто является мозговым центром платы, отвечающей за определенную задачу его, как и компьютер, можно программировать, т. е. задавать ему логику поведения.

 

3. Формулировка темы и цели занятия. Мотивация учебной деятельности обучающихся (2 мин.)

Итак, допустим, у нас есть микроконтроллер. Как, например, заставить лампочку мигать раз в секунду? Раньше этот процесс был трудоемким, но сейчас это можно сделать быстро и просто. В этом нам поможет платформа Arduino. Итак, тема нашего занятия «Программирование микроконтроллеров на платформе Arduino». Давайте вместе сформулируем цель занятия с помощью ключевых слов:

углубить знания по теме... (микроконтроллеры)

ознакомиться... (с платформой Arduino)

сформировать базовые навыки... (программирования микроконтроллеров на платформе Arduino).

Наше занятие пройдет в форме практической работы, полученные навыки вы сможете активно использовать в будущей профессиональной деятельности.

Программирование микроконтроллеров сильно связано с рынком интернета вещей, который переживает бурный рост. По статистическим данным даже начинающему программисту микроконтроллеров готовы платить от 70 000 рублей в месяц.

Вашу работу на занятиях я буду оценивать фишками, на которых изображен логотип Arduino. 1 фишка = 1 баллу. В конце занятия набранные баллы вы сможете перевести в оценки.

 

Количество баллов	Оценка за занятие
3 – 5	3 балла
6 – 8	4 балла
9 и больше	5 баллов

4. Усвоение новых знаний, формирование умений и навыков (30 мин.)

ARDUINO – это аппаратная платформа на базе микроконтроллера, предназначенная для разработки умных устройств и автоматизированных систем.

Почему Arduino:

Лёгкий старт. Даже новичок может быстро собрать свою первую схему.

Дёшево. Arduino стоит недорого, а возможностей у него — как у настоящего мини-компьютера!

Открытый код. Все программы и схемы — открытые. Можно брать готовые проекты в Интернете, переделывать под себя.

Платформа для творчества. Из Arduino делают роботов, умные дома, автоматические теплицы, гаджеты, даже игровые консоли!

Где Arduino используется в реальной жизни?

В умных домах — чтобы включать свет или поливать цветы по расписанию.

В роботах и автоматических устройствах.

В науке — для управления экспериментами.

В медицине — для создания простых устройств мониторинга здоровья.

В искусстве — например, для создания интерактивных выставок!

Сегодня мы с вами в рамках практической работы смоделируем рабочий прототип светофора, пропишем для него скетч.

Обратите внимание у каждого из вас на рабочем столе есть набор для моделирования микроконтроллеров Arduino UNO. Давайте изучим, из каких компонентов он состоит, предлагаю поработать в парах. Каждой паре необходимо определить название компонента набора, указанного в таблице, и вписать его под изображением. Если вы затрудняетесь дать ответ самостоятельно, можете воспользоваться для поиска информации умной камерой на планшетах. На выполнение задания – 3 минуты. Максимальная оценка - 3 балла, 1 балл за каждые 3 правильных ответа.

(работа в парах)

Теперь проверяем выполнение задания. Парам предлагаю поменяться ответами и проверить друг друга.

(на экране высвечиваются правильные ответы, педагог вместе с обучающимися выполняет проверку, подсчет баллов, оценивание)

Прежде чем мы перейдем к выполнению практического задания, давайте повторим основные правила техники безопасности и охраны труда. Сделаем мы это пот методике ДА/НЕТ. Каждому из вас я по очереди буду задавать вопросы, ответы на которые нужно дать, одним словом, ДА или НЕТ. За правильный ответ вы получаете 1 балл.

 

Вопросы:

1. Расстояние от монитора до глаз пользователя должно составлять 30 сантиметров (НЕТ, 50-70 см)
2. Запрещено работать за компьютером при снятых боковых стенках системного блока (ДА)
3. Работаете ли вы с микроконтроллером сухими руками (Да)
4. Можно ли употреблять пищу или напитки находясь на рабочем месте (Нет)
5. Нужно ли сообщать преподавателю о неисправностях оборудования? (Да)
6. Можно ли трогать провода и розетки без разрешения преподавателя? (Нет)
7. Можно ли работать за компьютером с грязными руками? (Нет)
8. Нужно ли отключать питание устройства перед его техническим обслуживанием? (Да)

А теперь переходим к выполнению практического задания

Наше практическое задание будет состоять из нескольких этапов:

• Подготовка необходимого оборудования
• Сборка прототипа светофора
• Написание программного кода
• Загрузка и проверка работы прототипа

За выполнение задания вы можете получить максимум 5 баллов, 2 - за сборку прототипа и 3 - за написание скетча.

Для сборки нашего прототипа нам понадобятся:

1. Светодиоды 3 цветов
2. Фоторезистор
3. Резисторы
4. Соединительные провода
5. Макетная плата
6. Arduino UNO

Согласно схеме нам необходимо собрать наш прототип.

Рисунок 1 – схема прототипа «Светофор»

 

Далее необходимо написать наш программный код, для этого мы будем использовать приложение Arduino IDE

Последним этапом работы будет загрузка и проверка работы прототипа

(обучающиеся под руководством преподавателя собирают прототип светофора, дальше самостоятельно после объяснения педагога прописывают код для прототипа и загружают его, тестируют устройство)

 

5. Подведение итогов (5 мин.)

Ребята, время на выполнение задания истекло, давайте проверим, что у каждого из вас получилось.

(обучающиеся демонстрируют выполненные работы, преподаватель проверяет, комментирует, указывает на типичные ошибки, выставляет баллы)

Проблемные вопросы:

Как вы думаете:

1. Что будет, если случайно перепутать подключение пинов к Arduino и как это отразится на работе программы?

2. Как сделать так, чтобы светофор в разное время суток работал по-разному (например, ночью — только мигающий жёлтый)?

3. Ваш светофор сломался — красный и зелёный свет горят одновременно. Что в первую очередь нужно проверить в схеме и коде?

4. Что будет если не использовать резисторы при подключении светодиодов?

А теперь подсчитайте количество заработанных фишек, обратите внимание на экран и переведите их в баллы. Это и есть ваша оценка за занятие.

6. Рефлексия (2 мин.)

Сегодня на уроке мы познакомились с микроконтроллером Ардуино. Мы написали вашу первую работающую программу для микроконтроллера.

Как вы считаете, занятие цели достигло?

Предлагаю вам небольшую рефлексию по методу «Светофор». На экране вы видите изображение светофора, где каждый цвет имеет свое значение:

ЗЕЛЕНЫЙ – было все понятно, интересно, полученные навыки смогу применять на практике

ЖЕЛТЫЙ – возникали затруднения при выполнении некоторых заданий, не все понятно

КРАСНЫЙ – материал урока был сложным, мне не удалось разобраться в теме.

У каждого из вас есть магниты трех цветов, вам нужно выбрать один магнит того цвета, который соответствует вашему отношению к уроку, и разместить магнит напротив на доске.

В завершении занятия я хочу поблагодарить вас за работу, мне было приятно с вами сотрудничать. Очень надеюсь, что полученные навыки вы будете совершенствовать в дальнейшем на уроках и во внеурочной деятельности. И может быть, кто-то из вас в будущем станет настоящим программистом или электронщиком, будет создавать новых роботов.

 

7. Информация о домашнем задании, инструктаж по его выполнению (1 мин.)

Домашнее задание: усовершенствовать светофор, добавив к нему сигналы для пешеходов. Задание необходимо выполнить на эмуляторе. С подробной инструкцией можно ознакомиться, пройдя по QR-коду.

 

Литература

1. Богомолов А. Arduino: Полный курс по программированию микроконтроллеров. — М.: ДМК Пресс, 2022.

2. Гуров В.А. Arduino и робототехника: учимся программировать. — БХВ-Петербург, 2020.

3. Моисеев В.Е. Программирование Arduino на C++. — БХВ-Петербург, 2022.

4. Романов М.В. Микроконтроллеры для начинающих: теория и практика. — М.: БХВ-Петербург, 2020

 

Полный текст статьи см. в приложении.