Изучение Arduino в рамках дистанционного образования

В статье рассматриваются возможности изучения платформы Arduino, а также одного из ее порталов (Tinkercad) обучающимися основной и старшей школы на дистанционных и очных занятиях по робототехнике в системе дополнительного образования. Широкий набор учебно-методических материалов, готовых модулей и библиотек компьютерных программ позволяет мотивировать начинающих пользователей к созданию различных робототехнических устройств в рамках данной платформы. Актуальность выбранной темы также определяется необходимостью возможности доступа к программированию и разработке робототехнических устройств не только профессионалам, но и заинтересованным обучающимся.

А.С. Воробьева,
учитель информатики,
Государственное бюджетное
общеобразовательное учреждение
«Школа № 1293»,
г. Москва

Привлечение большего числа детей к программированию становится все более важным аспектом технологической индустрии, а обучение детей навыкам программирования рассматривается как долгосрочное решение «разрыва в навыках» между количеством рабочих мест в сфере технологий и людьми, способными их заполнить.

С каждым годом в российских школах направление «Робототехника» становится все популярнее. Для разработки роботов и сборки простых проектов наиболее часто используется платформа Arduino. Но все, кто хоть раз сталкивался Arduino, подтвердят, что главная трудность в ее освоении – это не сама плата и не язык программирования, а то, что при сборке электрических схем постоянно не хватает деталей и в момент отладки схемы часто сгорает какой-либо элемент, а заменить его нечем. Приходится откладывать работу на неопределенное время, что вызывает у обучающихся ощущение незавершенности и определенное разочарование.

В рамках дистанционного обучения многие школы столкнулись с необходимостью искать альтернативы преподавания на онлайн-платформах. Все начали задаваться вопросом: можно ли заниматься разработками Arduino-проектов без самой платы Arduino? Оказывается, можно благодаря многочисленным онлайн-сервисам и программам под названием «Эмулятор (симулятор) Arduino» [1].

Самыми популярными представителями таких программ являются системы Tinkercad от Autodesk, Virtual Bread Board, Proteus, PSpice, Fritizing и российская FLProg. Также удобную сетевую версию для работы с Arduino – Arduino IDE – представляют сами разработчики платформы [2].

В последнее время стала набирать популярность программа Circuits от группы разработчиков из Autodesk, которая представляет собой онлайн-конструктор электронных схем. Этот бесплатный русифицированный сервис имеет простой и понятный даже новым пользователям интерфейс. Одним из преимуществ данного сервиса является возможность его использования прямо в веб-браузере, без установки на компьютер дополнительных плагинов. Помимо этого, Tinkercad поддерживает работу со всеми основными веб-браузерами (Chrome, Firefox, Opera и другие).

В общеобразовательных учреждениях имеется возможность применять платформу Arduino в образовательном процессе для реализации различных дополнительных профессиональных программ, для повышения мотивации учащихся и для организации исследовательской деятельности старшеклассников профильной школы.

При вводе адреса www.tinkercad.com открывается следующее окно:

После необходимой регистрации, обучающиеся попадают на главную страницу, на которой слева виден список сервисов и под ним – список проектов. Создавать схемы достаточно просто: выбираем нужные компоненты из библиотеки компонентов в правой стороне экрана и размещаем их в поле редактора, соединяем компоненты с помощью виртуальных проводников, рисуя их мышкой, редактируем параметры компонентов (например, величину сопротивления резисторов или цвет проводов). Для работы доступно множество уже готовых элементов: от резистора и батарейки до модулей Arduino.

Таким образом, данную программу можно применять для изучения Arduino, если в школе нет конструктора или в рамках дистанционного обучения. Не нужно скачивать Arduino IDE или искать популярные библиотеки и скетчи, не нужно собирать схему и подключать плату – все, что нам нужно, находится сразу на одной странице. И, самое главное, это все действительно работает!

После того, как схема собрана (обычно у обучающихся уходит на это не более 20 минут), наступает процесс программирования. Для этого нажимаем кнопку «Код» и видим блоки, как в программе Scratch. По умолчанию код – моргание встроенным светодиодом. Удаляем его перетаскиванием влево на блоки и отпускаем. Далее необходимо собрать из блоков программу. На следующем этапе запускаем процесс моделирования. Если все сделано правильно, то модель будет работать. У школьников часто бывают следующие ошибки: забыли подать «+» или «–» с Arduino; перепутали пины и т.п. Поэтому важно сразу обговорить этот момент и сохранить необходимые данные на разных источниках.

Актуальность применения данной платформы в старшей школе обусловлена тем, что обучающиеся уже имеют базовые знания в области математики, физики и информатики и могут самостоятельно вести интеллектуальную деятельность по освоению платформы и программы Arduino в рамках образовательного процесса. Однако это не исключает появления на территории школы элективных курсов и дополнительных профессиональных программ с целью использования приобретенного опыта для таких актуальных курсов, как робототехника и интернет вещей.

В рамках данной статьи мы представляем результаты апробации изучения платформы Arduino в государственном бюджетном общеобразовательном учреждении «Школа № 1293 города Москвы». В апробации приняла участие группа учащихся 7–9 классов, общее количество учеников составило 12 человек. При проведении работы использовались компьютеры, элективный курс «Программирование на платформе Arduino», проектор, образовательный портал Tinkercad.

Основу экспериментальной части составил разработанный автором статьи элективный курс, направленный на повышение уровня познавательной деятельности школьников, уровня усвоения ими материала и стимулирование изучения платформы Arduino.

У каждого обучающегося имелся файл разработанного курса в электронном виде и аккаунт на сайте Tinkercad. Занятия проходили по заданному алгоритму: вначале педагог коротко объяснял теоретический материал к каждой практической работе, после чего учащиеся приступали к выполнению работы в виртуальной среде Tinkercad.

В процессе выполнения практических работ обучающиеся активно использовали элективный курс (состоящий из 8 практических работ и итогового проекта), были увлечены работой и старались максимально выполнить самостоятельное задание, за которое можно было набрать от 2 до 5 баллов.

Ниже можно ознакомиться с результатами выполнения практических работ (вводное занятие № 1 не оценивалось) и итогового проекта.

В процессе апробации элективного курса в системе дополнительного образования также был получен устойчивый результат – повышение у учащихся уровня мотивации и интереса к изучаемому предмету. Вся группа отзывалась о данном курсе положительно, и, принимая во внимание тот факт, что это были учащиеся технологического класса, можно с уверенностью сказать, что в дальнейшем полученные знания помогут им в классе инженерного направления и во время обучения в вузах.

В завершение хотелось бы еще раз подчеркнуть ключевые возможности платформы Tinkercad Arduino Circuits:

• визуальный редактор схем;
• визуальный и текстовые редакторы кода;
• режим отладки;
• режим симуляции схем;
• возможность экспорта полученных скетчей и электрических схем в реальные проекты.

Данный пример показывает, что применение эмуляторов, подобных Autodesk Tinkercad, открывает перед дополнительным образованием широкие возможности развития конструктивной деятельности вообще и робототехники в частности. Для формирования конструктивных умений школьников необходимо развивать у них конструктивное мышление, которое подразумевает наличие умения видеть объект в комплексе и при этом представлять себе соотношение его частей. Данное умение позволяет мысленно представить себе объект как бы прозрачным, но при этом не теряющим контуров своих составных частей; это  умение видеть невидимые линии и части объекта; умение мысленно расчленять его, собирать и преобразовывать (трансформировать).

Список источников:

1. Официальная документация по Autodesk Tinkercad Circuits. – URL: https://www.tinkercad.com/learn/circuits (дата обращения: 24.03.2024).
2. Вводная статья в Tinkercad Circuits. – URL: https://arduinomaster.ru/program/simulyator-arduino-tinkercad-circuits/ (дата обращения: 24.03.2024).