Микроконтроллеры на уроках информатики: можно, а зачем

Микроконтроллеры на уроках информатики: можно, а зачем?

Скепсис по отношению к робототехнике на уроках информатики в старших классах во многом оправдан: один час в неделю, а еще и подготовка к ОГЭ и ЕГЭ оставляют мало пространства для экспериментов. В этой статье разбирается конкретный педагогический опыт, возникшие в ходе его получения проблемы и те форматы, в которых робототехника действительно помогает, а не мешает усвоению школьной программы по информатике.

Что такое микроконтроллер?

Микроконтроллер — это маленький компьютер на одном чипе: в нем есть процессор и память, где хранится программа, а также интерфейсы для подключения внешних устройств.​ Его обычно устанавливают на плату и подключают к датчикам и исполнительным устройствам, которыми он управляет по записанной программе

Самая известная платформа на микроконтроллерах — Arduino, но мы пользовались микроконтроллерами micro:bit — у них уже есть встроенный светодиодный дисплей, пара кнопок и полезных датчиков. Также micro:bit программируется на Python, самом популярном языком программирования для сдачи ОГЭ и ЕГЭ по информатике.

История внедрения и реализация

Нашей школе был предложен эксперимент: проводить занятия по информатике в 8 и 9 классах (базовый уровень — 1 урок в неделю) в формате программирования на микроконтроллерах. Характер курса в первую очередь профориентационный: ученик сможет понять, насколько ему интересно заниматься программированием, и насколько он готов связывать с ним дальнейшее обучение, и, возможно, свою будущую профессию.

В рамках педагогического эксперимента был разработан курс практических работ, включавший в себя изучение базовой арифметики, простых структур данных, основных видов алгоритмов: линейный, ветвление, цикл. Программирование осуществлялось на языке Python с использовании микроконтроллера micro:bit и набора датчиков keyestudio.

Можно выделить следующие основные преимущества изучения программирования на микроконтроллерах:

• Результат программы можно увидеть и потрогать. Это не «сухие» числа, выводящиеся в консоль, а разноцветные светодиоды, экраны, двигатели, оживающие при правильной написанной программе.
• Одновременно идет изучение принципов работы электрической цепи. Данный раздел изучается на уроках физики, но создание цепей с микроконтроллером позволяет наглядно представить и разобраться, как это работает на практике. Все-таки информатика и физика —  смежные дисциплины.

Комплекты micro:bit и элементов keyestudio

Практические работы выполнялись в парах и состояли из следующих этапов:

• сборка схемы, состоящей из микроконтроллера, платы расширения, датчиков и управляемых элементов;
• переписывание или самостоятельное написание программного кода в зависимости от новизны поставленной задачи;
• объяснение кода учителю: и значение каждой строки, и общей идеи программы;
• самостоятельное выполнение задания по закреплению полученных навыков.

Например, одна из первых работ — вывод даты своего рождения в двоичной системе счисления на пять светодиодов (число от 1 до 31, светодиод горит — единица, не горит — ноль). В одной работе происходит усвоение сразу нескольких понятий и закрепление соответствующих навыков:

• закрепляются полученные на предыдущем занятии навыки подключения светодиодов к micro:bit при помощи макетной платы и платы расширения;
• вспоминается алгоритм перевода в двоичную систему счисления из десятичной;
• закрепляется использование достаточно сложных для начинающих арифметических операций в Python: целочисленного деления и нахождение остатка от деления;
• вводится и отрабатывается понятие переменной и ее роль в программе: все остатки, которые затем выводятся на светодиоды как цифровой сигнал, нужно где-то хранить;
• происходит связывание понятий бита, двоичного разряда и цифрового сигнала, что делает работу с двоичной системой куда более наглядной.

Реакция учеников

С самого первого дня занятий был достигнут «вау-эффект». Построение урока, работа в парах, составление схемы и осязаемый результат — все это настолько отличалось от обычного академического стиля занятия, что вызвало очень высокую заинтересованность среди учеников. На уроках разрешалось ходить, советоваться с другими парами, можно было даже подглядеть, как составлена схема или программный код!

Подобная свобода существенно облегчает работу преподавателя, так как сначала ученики советуются друг с другом и стараются найти ответы на вопросы без помощи учителя. Списывание кода в данном случае не является проблемой — каждому ученику нужно будет в дальнейшем объяснить каждую строчку программы и ответить на дополнительные вопросы. Это становится основным критерием оценивания результатов каждой практической работы. Даже если ученик списал код, но смог полностью объяснить его работу, значит, он достиг нужного уровня понимания темы.

Разумеется, именно процесс объяснения кода вызывал самые значительные затруднения и, соответственно, напряжение у ребят. Они начали понимать, что программирование — это не «писать разноцветными буквами на темном фоне и получать кучу денег», как однажды заявил один пятиклассник, а сложный процесс по продумыванию и реализации алгоритмов.

Проблемы

Самой главной проблемой, увы, является дефицит времени. За один урок в неделю в течение двух лет получилось «пробежаться по верхам». Основные алгоритмические конструкции вроде понятны, синтаксис языка вроде изучен, алгебра логики и системы счисления затронуты, и на уроках действительно было интересно. Но в конце девятого класса у нас проходит ГИА (государственная итоговая аттестация), информатика пользуется высокой популярностью: 40-50% учеников из каждого класса планирует сдавать этот предмет.

И тут получается, что пока в других школах на уроках проходят нужные темы и закрепляют их решением типовых ОГЭшных задач, у наших учеников такого опыта не появляется. Весь ресурс и все время были потрачены на развивающие и интересные, но практически бесполезные для самой процедуры сдачи экзамена микроконтроллеры. 

Получается забавный парадокс: те, кому интересно программирование на микроконтроллерах, а следовательно, развитие в сфере IT, не могут заниматься робототехникой, так как тогда им сложнее подготовиться к экзаменам.

Менее глобальные трудности, с которыми пришлось столкнуться:

• огромная разница в темпе работ различных пар, а следовательно, сложность поурочного планирования и следования этому планированию;
• невозможность выполнения учениками любого домашнего задания, связанного со сбором схемы или тестированием программы, так как комплекты оборудования находятся только в школе и не могут быть выданы домой по соображениям безопасности и сохранности;
• внутри одной группы класса наборов хватает, но их недостаточно, чтобы у каждой пары во всех подгруппах был свой комплект. Поэтому к концу урока схема должна быть разобрана, чтобы другой класс мог собрать свою. Это вызывает дополнительные затраты времени на сборку схемы на каждом следующем занятии.

Несколько лет спустя

На момент написания статьи были внесены значительные изменения в использовании робототехники на уроках информатики:

• начиная с восьмого класса, деление на подгруппы происходит в зависимости от желания учеников готовиться к ОГЭ по информатике. Группа, сдающая ОГЭ, имеет в приоритете усвоение нужных для сдачи экзамена тем и нарешивание типовых задач. Программирование на микроконтроллерах используется только как единичные модули в случаях, когда нужна наглядность и практическое применение (например, тот самый перевод из десятичной в двоичную систему счисления), и как база для реализации обязательного проекта в десятом классе;
• группа, не сдающая ОГЭ, наоборот, может позволить себе неспешно и наглядно заниматься программированием на микроконтроллерах, не погружаясь в сопутствующие темы на глубину, необходимую для экзаменационной подготовки. Эти занятия намного интереснее для не планирующих сдавать экзамен, чем решение стандартных задач по информатике;
• микроконтроллеры стали использоваться в 10 и 11 классах для проектной деятельности, а также для знакомства с использованием нейросетей. Вайб-кодинг микроконтроллеров заметно способствует совершенствованию в написании промптов — навыке, который сегодня становится базовым для работы с ИИ-сервисами.

Вывод

Программирование микроконтроллеров действительно упрощает понимание базовых алгоритмов из-за своей наглядности и повышает интерес учеников к программированию. Работа с микроконтроллером связывает такие сложные и абстрактные темы как алгоритм, событие, данные, устройства ввода-вывода с реальными объектами, что очень сильно повышает осмысленность изучения предмета, позволяет наглядно показать модель «ввод — обработка — вывод», являющуюся базовой для ИКТ-систем.

Однако, реализация подобных занятий требует очень аккуратного внедрения. Оптимальный формат — внеурочная деятельность, или хотя бы наличие двух часов информатики в неделю. Встает проблема дополнительной подготовки кадров — нужно как минимум базовое понимание принципов работы электрической цепи и ее элементов, которое есть далеко не у каждого учителя информатики.

Попытки «втиснуть» робототехнику в один час в неделю сильно бьют по подготовке к экзаменам, а текущая «экзаменоцентричная» модель образования делает робототехнику доступнее тем, кто не заинтересован в профильной информатике, хотя, по идее, должно быть наоборот.

Тем не менее, даже в нынешних условиях микроконтроллеры можно и нужно использовать, но не как замену существующего курса, а более точечно: как инструмент наглядности и проектной работы.

При условии готовности школы планомерно выделять под это ресурсы, робототехника с микроконтроллерами из разового эксперимента превращается в естественную часть современного курса информатики.