Микроконтроллеры Lego ev3 и Arduino uno как технологическая основа для курса робототехники в вузе

9. Солганик, Г.Я. Лексика газеты : учеб. пособие для вузов по специальности «Журналистика» / Г.Я. Солганик. - М. : Высшая школа, 1981. - 112 с.

10. Суперанская, А.В. Общая терминология. Вопросы теории / А.В. Суперанская, Н.В. Подольская. - М. : Наука, 1989. - 243 с.

11. Солганик, Г.Я. Толковый словарь языка газеты, радио, телевидения : около 6000 слов и выражений / Г.Я. Солганик. - М. : АСТ : Астрель, 2002. - 752 с.

12. Юровский, А.Т. Телевидение - поиски и решения / А. Т. Юровский. - М. : Наука, 1983. - 370 с.

УДК 378

В.М. Гордиевских, А.А.Кораблев, г. Шадринск

Микроконтроллеры LEGO EV3 и Arduino UNO как технологическая основа для курса робототехники в ВУЗе

В статье раскрываются проблемные вопросы подготовки инженерно-технических кадров в вузе. Раскрывается технологический аспект сопровождения курса робототехники. Приводится сравнительный анализ дидактических возможностей микроконтроллеров LEGO EV3 и Arduino UNO

Робототехника, микроконтроллеры, инженерно-техническая подготовка

V.M. Gordievskikh, A.A.Korablev, Shadrinsk

Lego ev3 and arduino uno microcontrollers as technological platform for

the robotics course at the university

The article deals with the problematic issues of training technical personnel at the university. It reveals the technological aspect of maintenance of robotics course. It also gives the comparative analysis of the didactic possibilities of LEGOEV3 and Arduino UNO microcontrollers

Keywords: robotics, microcontrollers, engineering and technical training

В современных условиях широкого применения микроконтроллеров, подготовка инженеров-программистов высокого уровня приобретает особую значимость. Подготовка инженерно-технических кадров в соответствие с профессиональными стандартами и ФГОС ВО для современной России требует изменения компонентов системы образования, включая обновление содержания, введения новых дисциплин, методов преподавания и контрольно-оценочных средств, что подчеркивается и в государственной программе Российской Федерации «Развитие образования» на 2013 -2020 годы.

Кроме того, согласно национальной образовательной инициативе «Наша новая школа», утвержденной Д. Медведевым, современное образование должно обеспечивать: изучение не только достижений прошлого, но и технологий, которые пригодятся в будущем; обучение, ориентированное на когнитивный, и на деятельностный аспекты содержания образования.

В современном мире область применения роботов (устройств с микроконтроллером в основе) в различных сферах деятельности человека очень широка. Роботы уже заняли свою нишу в жизни общества. Они стали частью

современной промышленной революции, характеризующейся широким внедрением адаптивных технологий и автоматизацией производства. Ежегодно все больше предприятий автоматизируется, современное производство организуется так, что всю основную работу выполняют роботы. Промышленные роботы выпускаются десятками тысяч. Применение роботов позволяет значительно снизить участие человека в тяжелой и опасной работе, в оборонных, химических, атомных сферах, тушение пожаров без помощи оператора, выполнение спасательных операций и т.п.

Робототехника как прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем, составляющая техническую основу интенсификации производства, выступает важным связующим звеном системы подготовки будущих инженеров-программистов. Возможности робототехники позволяют связать математику, физику и информатику в единую систему и успешно формировать интерес молодежи к техническому творчеству и дальнейшему выбору инженерно-технического направления будущей деятельности. В связи с этим изучение робототехники как фундаментальной базы подготовки будущих инженеров программистов становится все актуальнее.

Изучение робототехники позволяет развивать коммуникативные навыки, так как в основном конструирование роботов происходит в группе, учиться принимать самостоятельные и нестандартные решения, развивать творческое мышление. Также робототехника может выступать не только как самостоятельный предмет, но и внедрятся в остальные дисциплины. Робототехнические конструкторы можно использовать при демонстрации учебных экспериментов по физике, математике, информатике и биологии, что позволяет нагляднее раскрывать различные аспекты картины реального мира.

В ходе обучения робототехнике студенты активно участвуют в проведение теоретических и экспериментальных исследований робототехнических систем различного назначения, изучают методы и средства их проектирования и моделирования. Разрабатывают новые методы управления и обработки информации, осуществляют поиск новых конструктивных решений и робототехнических систем широкого назначения, их подсистем и отдельных модулей.

Анализируя возможности робототехники как учебной дисциплины, отметим некоторые компетенции, развивать которые в рамках других дисциплин сложно:

1. Способность адаптироваться к решению различных научных, производственно-технологических задач.

2. Возможность эффективно применять современные информационные технологиивпроектированиипрограммно-аппаратных комплексов и систем.

3. Способность мыслить на стыке наук математики, информатики и физики.

Важным элементом курса робототехника на любом этапе или уровне является

соревновательный блок. В процессе изучения робототехники, школьники и студенты ВУЗов должны принимать участие в турнирах и соревнованиях различного уровня, посещать выставки, что дополнительно стимулирует и к углубленному изучению, и к расширению собственного опыта. Опыт проведения турниров по робототехнике в ШГПУ показывает, что такие мероприятия становятся все более популярны. В 20152016 учебном году, было организовано на базе ШГПУ свыше 10 соревнований и турниров по робототехнике. В первых турнирах принимали участие от 40 человек, к окончанию года количество участников более ста.

Изучая дидактический потенциал робототехники как соревновательной, так и проектировочной отметим важность понимания особенностей различных робототехнических конструкторов.

Самый распространенный робототехнический конструктор в России - Lego. Более 80% применяемых как в соревновательной, так и проектировочной робототехнике конструкторов являются конструкторы Lego NXT и Lego EV3. Данные конструкторы имеют следующие достоинства:

1. Большая методическая база на русском языке.

2. Низкий порог вхождения, не требующий высокой квалификации.

3. Конструктор прочный.

К недостаткам данных наборов можно отнести следующие:

1. Изначально конструктор направлен на развитие интереса к робототехнике и для серьезных задач не предназначен.

2. Конструктор закрытый, не совместим с компонентами других конструкторов, и невозможно разрабатывать собственные компоненты.

3. Программирование ведется в основном через специальную визуальную среду программирования.

Особенности конструкторов Lego, делают их незаменимыми на начальном этапе изучения курса робототехника. Однако ограничения в программировании, а также невозможность их применения для задач автоматизации, требуют на следующем уровне изучения робототехники перехода на более универсальные микроконтроллеры.

На уровне изучения микроконтроллеров как самостоятельных, универсальных, программируемых единиц, можно применять различные как готовые решения, так и самостоятельно выполненные. Учитывая сложность самостоятельного изготовления микроконтроллерных платформ, где требуются и знания в области электроники и умения изготавливать платы, паять и т.п., зачастую выбирают готовые решения. Одним из готовых решений является робототехнический конструктор Arduino.

Arduino - наиболее распространенная программно-аппаратная платформа для построения простых систем автоматики и робототехники, ориентированная на непрофессиональных пользователей, но имеющая более широкие возможности программирования и проектирования в сравнении с Lego. Разработка полностью открытая с множеством ответвлений.

Дидактические возможности данной программно-аппаратной платформы следующие:

1. Сборка электрических схем на макетной плате.

2. Сборка и программирование простейших механизмов.

3. Сборка систем автоматизации с возможностью связи между микроконтроллерами Arduino.

4. Возможность программировать как через специализированную среду Arduino IDE, так и используя язык программирования С++.

К достоинствам данной программно-аппаратной платформы Arduino можно отнести:

1. Открытость и совместимость с другими платформами.

2. Универсальность применения (от простых проектов управления светодиодом до управления различными механизмами и датчиками через интернет).

3. Сравнительно низкая цена.

Недостатки данной платформы следующие:

1. Высокая ломкость (Открытая электронная плата с небольшим уровнем защиты от ошибочных подключений).

2. Не поддерживаются параллельные процессы.

В образовательном процессе вуза данную платформу можно применять для углубленного изучения программирования микроконтроллеров в рамках подготовки будущих инженеров-программистов. Возможности данной платформы позволяют

изучать основы управления через различные порты микроконтроллера, управление светодиодами, программировать управление двигателями, обрабатывать данные с различных датчиков.

Сравнивая платформы Lego и Arduino можно выделить следующие их общие отличительные особенности:

1. Стоимость Arduino составляет в среднем 7000 рублей. Детали можно докупать по отдельности. В то время как средняя стоимость комплекта Lego mindstorms ev3 составляет 20000 рублей. Детали нельзя докупать по отдельности.

2. Комплектующие Arduino представляют собой стандартные радиодетали. Детали Lego являются уникальными.

3. Габаритные размеры компонентов конструктора Arduino значительно меньше чем у lego.

4. К Arduino можно подключить различные модули и компоненты (в том числе и спроектированные самостоятельно), в то время как у Lego используются только определенные компоненты и специализированные разъемы.

5. Микроконтроллер Arduino программируется на Си-подобном языке, а для Lego разработан свой собственный язык и графическая среда.

Из данного анализа видно, что платформа Arduino является более универсальным и гибким средством, позволяя конструировать и программировать произвольные программно-аппаратные комплексы, тогда как платформа Lego ограничена набором типовых деталей конструктора, включая датчики и исполнительные механизмы.

Таким образом, курс образовательной робототехники должен быть ориентирован на различные технологические платформы не сводясь только к изучению Lego или Arduino или им подобных. В целом робототехника как учебная дисциплина, необходима для подготовки бакалавров педагогического образования технологического и физико-математического профилей. Учителя информатики, обладающие компетенцией в области преподавания робототехники, могут заинтересовать школьников и оказать влияние на выбор профессии в будущем. Исследуя возможности программируемых микроконтроллеров, отметим, что Lego целесообразно применять в школах и на младших курсах ВУЗов в рамках дисциплин основы робототехники и им подобных, тогда как платформу Arduino - в вузе на старших курсах, когда у студентов появляются более глубокие знания языков программирования архитектуры компьютера (а как следствие понимания принципов работы процессора), радиотехники и микроэлектроники.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бусова, С.Ю. Особенности внедрения образовательной робототехники в образовательном учреждении (из опыта работы МОУ СОШ № 54 г. Волгограда) / С.Ю. Бусова // Актуальные вопросы современной педагогики : материалы IV междунар. науч. конф., Уфа, 20-23 ноября 2013 г. - Уфа : Молодой ученый, 2013. - С. 218-220.

2. Вагнер, К.А. Внедрение основ робототехники в современной школе / К.А. Вагнер // Вестник Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. - 2013. - № 74-2. - С. 17-19.

УДК 378

В.М. Гордиевских, В.В. Морковкина,