CC BY
13Методические рекомендации по организации учебного проектирования мехатронного модуля линейного перемещения в системе дополнительного образования школьников
Ечмаева Галина Анатольевна,
кандидат педагогических наук, доцент, декан естественнонаучного факультета, Тюменский государственный университет E-mail: g.a.echmaeva@utmn.ru
Гутник Филипп Евгеньевич,
студент кафедры физики, математики, информатики и методик преподавания, Тюменский государственный университет
E-mail: stud003950375@study.utmn.ru
Закшаускас Антон Данилович.
студент кафедры физики, математики, информатики и методик преподавания, Тюменский государственный университет
E-mail: stud0000215655@study.utmn.ru
Сегодня в стране большое внимание уделяется развитию дополнительного образования школьников, в том числе и в области технических наук. Мехатроника - это молодая отрасль технических знаний, основанная на системной интеграции электротехнических, механических, электронных и микропроцессорных компонент. Она все более активно внедряется в производственную сферу и быт. На основе обобщения опыта работы со школьниками в системе дополнительного образования по техническим наукам, авторами статьи разработаны методические рекомендации организации проектной деятельности подростков по созданию мехатронного модуля линейного перемещения. Такие модули являются основой многих современных роботизированных устройств и комплексов. Реализация проекта позволяет педагогам осуществлять мультидисциплинарное обучение на деятельностной основе, а школьникам - развивать компетенции в области передовых технологий.
Ключевые слова: дополнительное образование, проектная деятельность, системно-деятельностный подход, мехатроника, мехатронный модуль, модуль линейного перемещения. Arduino.
о с
CJ
см см
Происходящие сегодня коренные изменения в системе методов исследований и разработок, во внедрении их результатов, в методологии научной, практической и повседневной деятельности людей, основаны на применении различных цифровых устройств, высокоточного оборудования и наукоемких технологии. Современные школьники - это представители поколения, чья жизнедеятельность будет проходить в условиях четверной индустриальной революции (Industry 4.0). Для подрастающего поколения использование цифровых гаджетов является понятным, привычным и обыденным делом. Массовое использование современной электронной и микропроцессорной техники ставит вопрос о формировании у молодых людей определенного уровня компетенций в области технических наук, информатики, мехатро-ники, систем управления (кибернетики) и т.д. [1]. Реализация этого наиболее ярко осуществляется в системе дополнительного образования как в рамках внеурочной деятельности школ (кружки, факультативные курсы, клубы по интересам), так и специализированных центров.
Изучение нормативных документов, принятых в последнее время, прямо или косвенно затрагивающих дополнительное образование (ДО) показывает, что данная сфера является одним из приоритетов современной государственной политики [2, 3, 4 и т.д.]. В рамках реализации Федеральных приоритетных проектов «Доступное дополнительное образование для детей», «Цифровая образовательная среда», «Успех каждого ребенка», в России созданы разнообразные центы ДО: Технопарки, «Кванториумы», Центры цифрового образования - «IT-Кубы», Дома научной коллабора-ции (ДНК), Центры компетенций НТИ, Центры образования «Точка роста» и др., ключевой целью которых является обеспечение к 2025 году охват детей в возрасте 5-18 лет качественными программами ДО, в том числе технической направленности не менее 70-75%. Анализ образовательных направлений и программ, реализуемых всеми видами инновационных центров дополнительного образования детей, показал, что на современном этапе одним из приоритетных направлений является техническое творчество, представленное следующими курсами: начальное техническое моделирование; радиотехника и электроника; робототехника и интеллектуальные системы; беспилотные летательные аппараты и аэрокосмические технологии; 3D моделирование и печать; технические виды спорта; программирование. Следует от-
метить, что все эти курсы так или иначе относятся к одной предметной области - мехатронике.
Сегодня под понятие «мехатронного» подпадает огромный перечень устройств и модулей, где присутствует системная интеграция электротехнических, механических, электронных и микропроцессорных компонент. Мехатронные устройства, применяются в большом количестве производственных областей, где необходима автономность, точность, и скорость перемещения механизма. Это комплексная автоматизация процессов от производственных (роботизированные комплексы, станки ЧПУ, центры аддитивных технологий и др.) до бытовых («умный дом», «умная теплица» и т.д.).
Современный уровень развития цифровых технологий дает возможность детям и подросткам изучать мехатронику на доступном уровне сложности, реализуя свой творческий потенциал. Образовательные программы курсов ДО, как правило, предусматривают проектную деятельность по разработке робототехнических и мехатронных устройств на базе имеющихся конструкторов или оборудования, которым сегодня оснащены практически все центры детского технического творчества (Кй-наборы электронных компонент, 3D-прин-теры, станки лазерной резки, электропаяльное оборудование и т.д.). Посещение открытых массовых мероприятий в области научно-технического творчества школьников, работа в качестве эксперта конкурсных проектных работ показывает, что много детских идей основаны на использовании мехатронных модулей линейного перемещения с одной - тремя степенями подвижности. Не смотря на простоту конструкции и систему его управления, авторы проектов часто затрудняются отвечать на вопросы по механике своей разработки, а управляющий код чаще всего просто скачивают с Интернета, меняя в нем методом подбора значения одного-двух параметров. Выявленные проблемы определяют необходимость разработки соответствующих методик.
В рамках данного исследования нами разработаны методические рекомендации по организации проектной деятельности школьников, которые могут быть использованы преподавателями Хайтек-курсов (Пром/Робоквантум, Техническое моделирование и др.) по теме «Модули линейного перемещения». Актуальность включения данной темы обусловлена широтой применения таких модулей в системах автоматизации и робототехнических комплексах, станках с числовым программным управлением, в 3D-принтерах и т.д. Широта применения таких модулей предполагает и разнообразие конструкционной реализации.
Процесс моделирования, проектирования, конструирования и программирования модуля линейного перемещения охватывает очень большую область применяемых знаний: формируется опыт работы с CAD-/CAE-системами и технической документацией; развиваются навыки, связанные с проектированием электронных устройств и про-
граммированием микроконтроллеров; закрепляются физические знания (разделы «Механика» (основы кинематики и динамики), «Электродинамика» (законы постоянного тока, электромагнитная индукция). Исходя из этого, данный проект может быть ориентирован на целевую группу 14+. Широкий спектр применения модулей линейного перемещения позволяет вариативно реализовы-вать проектную деятельность школьников.
Для проектирования и создания мехатронного модуля в рамках реализации данного проекта требуются следующие электронные компоненты:
- Arduino UNO - 1 шт.,
- кабель USB (А-В) - 1 шт.,
- макетная плата для монтажа без пайки - 1 шт.,
- соединительные провода «вилка-розетка» -8 шт.,
- соединительные провода «вилка-вилка» - 8 шт.,
- резистор на 1000 Q - 2 шт.,
- кнопка тактовая DIP (концевой микропереключатель) - 2 шт.
Данный перечень электронных компонентов как правило присутствует в наборах для изучения основ электроники на базе Arduino. Кроме того, потребуются:
- шаговый двигатель 17HS3401 (или подходящий аналог) - 1 шт.,
- драйвер Motor Shield L298N (или аналогичный) - 1 шт.,
Платформа линейного модуля, боковые опоры, корпус для размещения элементов питания, управляющей платы и драйвера обучающиеся могут спроектировать в CAD-системе (например, на онлайн-платформе Autodesk TinkerCAD, Fusion 360, или др.), и изготовить самостоятельно с помощью 3D-принтера.
Для конструирования механической передачи, за счет которой происходит перемещение платформы, несущей полезную нагрузку (придумать ее для школьников не составляет особого труда) рекомендуется использовать типовые детали для станков ЧПУ: стальные направляющие, радиальные и линейные подшипники, зубчатые шкивы, ремни и т.д. Поскольку это обеспечивает унификацию модуля и качество работы механики.
Для проектирования электронной схемы и проверки ее работоспособности может быть использована онлайн-платформа Autodesk TinkerCAD. Платформа является открытой с бесплатным доступом при условии регистрации. Позволяет не только строить модели для печати на 3D-прин-тере, но и создавать, программировать и эмулировать работу огромного количества электронных сборок на базе платформы Arduino. Программирование может выполняться как на языке C++, так и с помощью визуально-блочнной событийно-ориентированной среды, которая была созданная специально для обучения программированию детей и подростков [5]. Кроме того, платформа позволяет не только в визуальном режиме создавать модели электронных устройств, но и представлять эти модели в виде принципиальных схем, что по-
сз о со "О
1=1 А
—I
о
сз т; о m О от
З
ы о со
см
CM
зволяет формировать у обучающихся навыки чтения технической документации. Таким образом, онлайн-платформа Autodesk TinkerCAD для задач конструирования, проектирования электронных схем, программирования микроконтроллеров Arduino является интегрированным комплексным решением, в том числе и для рассматриваемого проекта [5].
При разработке управляющей программы линейным модулем могут быть использованы две базовые библиотеки среды IDE Arduino - myStepper и AccelStepper, а также множество другие библи-оти, разработанные пользователями и находящиеся в открытом доступе. Они как правило, имеют более широкий функционал, и позволяют управлять двигателями различных моделей и типов [6, 7]. Вместе с тем, для решения образовательных задач, лучшим вариантом является самостоятельное написание управляющего кода. Это позволяет детально разобраться обучающимся с вариантами коммутации обмоток статора двигателя и определением его режимов работы.
Таким образом, разработка такого проекта по созданию модуля линейного перемещения позволяет в полной мере реализовать системно-деятельностный подход. Являясь достаточно простым и понятным по конструированию и управлению устройством, процесс моделирования, проектирования, конструирования и программирования такого модуля охватывает очень обширную область применяемых знаний. Широта использования модулей линейного перемещения и их конструктивные решения позволяют педагогу организовать вариативную как групповую, так и индивидуальную проектную деятельность. Обучающиеся, освоив инженерную разработку однокоординатно-го модуля, могут с легкостью транслировать полученные знания и опыт на создание новых более сложных устройств на основе синтеза модулей.
Литература
1. Ечмаева Г.А., Косолапова Н.М. Концепция организации центра инновационного творчества школьников в области информатики и кибернетики / Г.А. Ечмаева, Н.М. Косолапова // Фундаментальные исследования. 2014. № 8-2. С. 459-463.
2. План реализации Федерального проекта «Успех каждого ребенка» НПО. Распоряжение Минпросвещения России от 30 апреля 2019 г. № Р-55 (с изменениями, внесенными распоряжением Минпросвещения России от 3 июня 2019 г. № Р-66).
3. Приказ Министерства просвещения Российской Федерации «Об утверждении Порядка организации и осуществления образовательной деятельности по дополнительным общеобразовательным программам» от 09.11.2018 г.
4. Приказ Министерства просвещения Российской Федерации № 467 от 03.09.2019 г.
«Об утверждении Целевой модели развития региональных систем развития дополнительного образования детей».
5. Autodesk TinkerCAD: От идеи до проекта за считанные минуты [Электронный ресурс]; URL: https://www.tinkercad.com/ (дата обращения: 22.11.2021).
6. Белов А.В. Микроконтроллеры AVR: от азов программирования до создания практических устройств / А.В. Белов. - СПб.: Наука и техника, 2016. - 544 c.
7. Что такое Arduino: первые шаги в электронике / Амперка [Электронный ресурс] - URL: https:// amperka.ru/ (дата обращения 03.12.2021).
METHODOLOGICAL RECOMMENDATIONS ON THE ORGANIZATION OF EDUCATIONAL DESIGN OF A LINEAR MOTION MECHATRONIC MODULE IN THE SYSTEM OF ADDITIONAL EDUCATION FOR SCHOOLCHILDREN
Echmaeva G.A., Gutnik Ph.E., Zakshauskas A.D.
University of Tyumen
Nowadays in the country much attention is paid to the development of additional education for schoolchildren, including that in the field of technical sciences. Mechatronics is a young branch of technical knowledge based on system integration of electrical, mechanical, electronic and microprocessor components. It is increasingly being used in industry and in everyday life. On the basis of summarizing the experience of working with schoolchildren in the system of additional education in technical sciences, the authors of the article have developed methodological recommendations for organizing project activities of teenagers on creating a mechatronic module of linear motion. Such modules are the basis of many modern robotic devices and complexes. Implementation of the project allows teachers to carry out multidisciplinary activity-based learning and schoolchildren to develop competences in the field of advanced technologies.
Keywords: mechatronic, mechatronic module, linear movement module, Arduino, additional education, project activity, system-activity approach, linear movement module, Arduino.
References
1. Echmaeva G.A., Kosolapova N.M. The concept of organizing the center for innovative creativity of schoolchildren in the field of computer science and cybernetics / G.A. Echmaeva, N.M. Kosolapova // Fundamental research. 2014. No. 8-2. PP. 459-463.
2. Implementation plan of the Federal project "Success of every child" NGO. Order of the Ministry of Education of the Russia dated April 30, 2019 No. R-55 (as amended by the order of the Ministry of Education of Russia dated June 3, 2019 No. R-66).
3. Order of the Ministry of Education of the Russian Federation "On approval of the Procedure for organizing and carrying out educational activities for additional general educational programs" date 09.11.2018.
4. Order of the Ministry of Education of the Russian Federation No. 467 dated 03.09.2019. "On the approval of the Target model for the development of regional systems for the development of additional education for children."
5. Autodesk TinkerCAD: From idea to project in minutes [Electronic resource]; URL: https://www.tinkercad.com/ (date access 22.11.2021).
6. Belov A.V. AVR Microcontrollers: from the basics of programming to creation of practical devices / A.V. Belov. - St. Petersburg: Science and Technology, 2016. - 544 p.
7. What is Arduino: the first steps in electronics / Amperka [Electronic resource] - URL: https://amperka.ru/ (date access 03.12.2021).
