Методическая копилка: программа «Прикладная метрология»

Предлагаем вашему вниманию дополнительную общеобразовательную программу технической направленности «Прикладная метрология» для школьников от 12 до 17 лет. Методический материал разработала и прислала Поминова Анастасия Федоровна, методист детского технопарка «Кванториум» ГАУ ДПО «СОИРО», г. Саратов.

1 КОМПЛЕКС ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ

1.1 Пояснительная записка

Данная общеобразовательная программа дополнительного образования детей имеет техническую направленность и реализуется в сетевой форме в соответствии с соглашением о сотрудничестве между ДТ «Кванториум» ГАУ ДПО «СОИРО» и ФБУ «Саратовский ЦСМ им. Б.А. Дубовикова», составлена на основании методических материалов ФГАУ «Фонд новых форм развития образования», предназначенных для использования наставниками сети детских технопарков «Кванториум».

Основанием для проектирования и реализации данной общеобразовательной программы служит перечень следующих нормативных правовых актов и государственных программных документов:

• Положение о дополнительных общеобразовательных программах технопарков «Кванториум» Государственного автономного учреждения дополнительного профессионального образования «Саратовский областной институт развития образования»;
• Приказ Министерства просвещения Российской Федерации от 27.07.2022 № 629 «Об утверждении Порядка организации и осуществления образовательной деятельности по дополнительным общеобразовательным программам».

Актуальность программы

Актуальность программы обусловлена тем, что создание высокотехнологичных, наукоемких производств, оказывает значительное влияние на функционирование современного рынка труда и формирует новые требования к конкурентоспособным специалистам, особенно это касается профессионалов, которые связаны с высокотехнологичными отраслями производства.

Практическая значимость

Программа содействует формированию у обучающихся современных знаний, умений и навыков в области технических наук, технологической грамотности и инженерного мышления, дает начальные профессиональные компетенции в области метрологии.

В ходе занятий по программе «Прикладная метрология» в детском технопарке «Кванториум» учащиеся: получат навыки работы на высокотехнологическом оборудовании, познакомятся с основами инженерии, выполнят работы с электронными компонентами. Освоение инженерных технологий подразумевает получение ряда базовых компетенций, владение которыми критически необходимо для развития изобретательства, инженерии и молодежного технологического предпринимательства. Программа «Прикладная метрология» реализует профориентационные задачи, обеспечивает возможность знакомства с современной профессией метролог.

Отличительные особенности программы

Для повышения качества образовательного процесса, расширения доступа учащихся к современным образовательным технологиям и средствам обучения, предоставления возможности углубленного изучения образовательных модулей и выстраивания собственной образовательной траектории данная программа реализуется в сетевой форме совместно с ФБУ «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний им. Б.А. Дубовикова в Саратовской области» (далее - Учреждение).

Программа «Прикладная метрология» состоит из модулей, которые по содержанию делятся на предметные, непосредственно связанные с областью знаний в области метрологии каждого отдельного квантума детского технопарка «Кванториум», и общеразвивающие, направленные на формирование познавательных и коммуникативных компетенций.

Способ реализации сетевого взаимодействия, обязательства организаций-партнёров

Детский технопарк «Кванториум» (структурное подразделение ГАУ ДПО «СОИРО»):

• Организует зачисление учащихся на программу.
• Оформляет текущую документацию.
• Осуществляет общее руководство образовательной программой.
• Предоставляет помещение.
• Обеспечивает должный уровень качества учебного процесса в рамках программы и учебного плана с использованием своих кадровых и материально-технических ресурсов (в том числе современного, высокотехнологичного оборудования).
• Организует диагностику образовательного процесса, начальную, промежуточную и итоговую аттестацию учащихся.
• Обеспечивает расходными материалами учащихся.

Учреждение:

• Проводит занятия по модулю «Ознакомительное занятие «Прикладная метрология» и квиз «Квантометрология».
• Обеспечивает методическое сопровождение в ходе реализации дополнительной общеобразовательной программы «Прикладная Метрология».
• Участвует в диагностике образовательного процесса, начальной, промежуточной и итоговой аттестации учащихся.
• Принимает участие в осуществлении контроля за качеством освоения программы учащихся.

Адресат программы

Содержание программы учитывает возрастные и психологические особенности подростков 12–17 лет, которые определяют выбор форм проведения занятий с обучающимися. Подростки этого возраста отличаются внутренней уравновешенностью, стремлением к активной практической деятельности, поэтому основной формой проведения занятий выбраны практические занятия. Ребят также увлекает совместная коллективная деятельность, так как резко возрастает значение коллектива, общественного мнения, отношений со сверстниками, оценки поступков и действий подростка не только со стороны старших, но и со стороны сверстников. Подросток стремится завоевать в глазах сверстников авторитет, занять достойное место в коллективе. Поэтому в структуру содержания программы включены практические задания соревновательного характера. Такие задания позволяют каждому проявить себя и найти своё место в детском коллективе.

Также следует отметить, что подростки данной возрастной группы характеризуются такими психическими процессами, как изменение структуры личности и возникновение интереса к ней, развитие абстрактных форм мышления, становление более осознанного и целенаправленного характера деятельности, проявление стремления к самостоятельности и независимости, формирование самооценки. Эти процессы позволяют положить начало формированию начального профессионального самоопределения обучающихся.

Объем и срок освоения программы: программа рассчитана на один учебный год. Общее количество часов – 18 часов.

Форма обучения: очная. При возникновении форс-мажорных обстоятельств, на основании приказа руководителя детского технопарка «Кванториум» форма переходит в дистанционную.

Режим занятий: длительность одного занятия составляет 2 академических часа. Состав группы: 10-15 человек. Занятия с использованием дистанционных технологий проводятся на базе образовательной платформы moodle по индивидуальному графику.

1.2 Цель и задачи программы

Цель: формирование навыков по работе с высокотехнологичным оборудованием, уникальных компетенций изобретательства и инженерии и их применение в практической работе и в проектах, знакомство с метрологией и профессией метролог.

Задачи

Обучающие:

• Получить навыки калибровки шлемов виртуальной реальности;
• Изучить практику использования ручного автоматизированного тестирования, расчёта надёжности и устойчивости программ;
• Научиться определять проблемы кинематики 3d принтера Ultimaker с использованием калибровочного куба;
• Научиться измерять количество потребляемой электрической мощности у различных потребителей при помощи мультиметра;
• Познакомиться с применением метрологии в химии;
• Получить навыки работы осциллографа и узнать его применение в робототехнике.

Воспитательные:

• Сформировать основы научного мировоззрения;
• Обеспечить условия для воспитания этики групповой работы, отношений делового сотрудничества и взаимоуважения, развития основ коммуникативных отношений внутри проектных групп и в коллективе в целом;
• Содействовать мотивации к выбору будущей профессии в области метрологии.

Развивающие:

• Формировать трудовые умения и навыки;
• Развить познавательные интересы и сформировать познавательную активность, потребность в саморазвитии, самостоятельности, ответственности.

1.3 Планируемые результаты

Личностные:

• Усвоят правила индивидуального и коллективного безопасного поведения при работе со станками и высокотехнологическим оборудованием;
• Будут сформированы основы инженерного мировоззрения, соответствующего современному уровню развития науки;
• Будут готовы к осознанному выбору будущей профессии.

Метапредметные (Soft skills):

• Будут сформированы трудовые умения и навыки;
• Будут развиты познавательные интересы, потребность в саморазвитии и самостоятельности.

Предметные (Hard Skills):

Будут знать:

• Основы калибровки шлемов виртуальной реальности;
• Основы использования ручного автоматизированного тестирования, расчёта надёжности и устойчивости программ;
• Основы применения метрологии в химии;

Будут уметь:

• Определять проблемы кинематики 3d принтера Ultimaker с использованием калибровочного куба;
• Измерять количество потребляемой электрической мощности у различных потребителей при помощи мультиметра;
• Работать с осциллографом.

1.4 Содержание программы

1.4.1 Учебный план

1.4.2 Содержание учебного плана

1. Ознакомительное занятие «Метрология в различных сферах жизнедеятельности человека. Точность измерений»

1.1. Метрология в различных сферах жизнедеятельности человека. Точность измерений

Теория: Законодательные аспекты метрологии. Прикладная метрология. Метрология в науке. Интересные факты метрологии и точности измерений.

Практика: Ознакомительная экскурсия в государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний им. Б.А. Дубовикова.

2. Квантум «VR/AR»

2.1. Инструктаж по технике безопасности. Калибровка шлемов виртуальной реальности.

Теория: Инструктаж по правилам поведения в кабинетах, технике безопасности, охране труда. Методы определения положения и ориентации в пространстве, применяемые для устройств виртуальной и дополненной реальности. Позиционный трекинг гарнитуры виртуальной реальности Oculus Quest 2, HTC Vive, Samsung HMD Odyssey.

Практика: Чтение показаний, получаемых с устройств виртуальной реальности, с применением Unity Input Debugger для Input System. Сравнение показаний до и после калибровки устройств.

При первом запуске и подключении устройств VR/AR необходимо провести калибровку, определить уровень пола, положение в пространстве и доступную для перемещения зону.

Гарнитура HTC Vive использует базовые станции и настраивается с использованием SteamVR. По специальному алгоритму определяется размер зоны для перемещения, положение шлема виртуальной реальности относительно пола и базовых станций, ориентация в пространстве.

Oculus Quest 2 работает без базовых станций, трекинг происходит за счет датчиков, расположенных в/на гарнитуре. Гарнитура имеет встроенное ПО для калибровки, определения положения и ориентации в пространстве.

Samsung HMD Odyssey также работает без применения базовых станций, трекинг происходит за счет датчиков и камер, установленных на гарнитуре и контроллерах. Для настройки и калибровки применяется Windows Mixed Reality.

3. Квантум «IT»

3.1. Инструктаж по технике безопасности. Big O нотация для описания сложности алгоритмов. Практика использования ручного автоматизированного тестирования, расчёта надёжности и устойчивости программ.

Теория: Инструктаж по правилам поведения в кабинетах, технике безопасности, охране труда. Разбор Big O нотации для описания временной и пространственной сложности алгоритмов. Обзор применимости, актуальности и целесообразности ручного и автоматизированного тестирования на примерах готовых программ, расчёт надёжности и устойчивости программ.

Практика:

• Разработка реализаций алгоритмов простых математических задач с замерами и сравнениями временной сложности, анализ результатов, выбор оптимальных решений.
• Ручное тестирование формы регистрации и формы простого калькулятора на основе готовой программы, составление отчёта о найденных уязвимостях. Проработка вариантов и разработка автоматических тестов для тех же форм, проверки уязвимостей на основе разработанных тестов.

4. Квантум «Хайтек»

4.1. Инструктаж по технике безопасности. Определение проблем с кинематикой 3d принтера Ultimaker с использованием калибровочного куба.

Теория: Инструктаж по правилам поведения в кабинетах, технике безопасности, охране труда. Методы измерений, выбор средств измерений. Обзор имеющихся в квантуме измерительных инструментов: мерная лента, измерительные линейки металлические, штангенциркуль, микрометр.

Практика: Чтение показаний измерительных инструментов на примере модели калибровочного куба 3D-принтера Ultimaker.

5. Квантум «Энерджиквантум»

5.1. Инструктаж по технике безопасности. Измерение потребляемой электрической мощности у различных потребителей при помощи мультиметра.

Теория: Инструктаж по правилам поведения в кабинетах, технике безопасности, охране труда. Методы измерений, выбор средств измерений. Обзор имеющихся в квантуме измерительные приборов: мультиметры, измеритель мощности, измеритель освещённости.

Практика: Измерение выработки напряжения в зависимости от степени освещённости и угла наклона панели.

6. Квантум «Наноквантум»

6.1. Инструктаж по технике безопасности. Химическая метрология.

Теория. Инструктаж по технике безопасности. Знакомство с лабораторной посудой. Техника лабораторной работы. Метрология в химической лаборатории.

Практика. Титриметрическое определение содержания уксусной кислоты в водном растворе. Обработка полученных результатов.

7. Квантум «Промробоквантум»

7.1. Инструктаж по технике безопасности. Способы измерения расстояния на робототехническом поле с помощью различных механизмов, датчиков и устройств. Демонстрация работы осциллографа.

Теория: Техника безопасности. Знакомство учащихся с различными способами измерения расстояния на карте (линейкой, штангельциркулем, рулеткой, курвиметром, подручными средствами) и с исследуемым робототехническим полем и криволинейной траекторией для исследования (проведения измерения). Что такое осциллограф и сферы применения.

Практика: Провести измерения при помощи линейки и штангельциркуля. Сконструировать модель курвиметра из конструктора Лего ЕВ3 для проведения измерений расстояния на карте и провести измерения. Подключить УЗ-датчик для измерения расстояния к блоку ЕВ3 и провести измерения при помощи него. Все данные вносятся в таблицу. Оценка погрешности измерений.

8. Квиз «Квантометрология»

Практика: мероприятие проводится в форме игры-соревнования. Такой формат мероприятия позволяет развивать у детей логическое мышление, умение быстро реагировать на сложившуюся проблему и искать пути выхода из нее, также обеспечивает лучшее усвоение изученного материала. Подведение итогов обучения.

1.5 Формы аттестации

Контроль усвоения обучающимися программы осуществляется посредством наблюдения и отслеживания динамики развития обучающегося в виде учёта результатов по итогам выполнения заданий отдельных модулей.

Формы проверки результатов:

• Опрос;
• Решение задач;
• Педагогическое наблюдение;
• Игровая (квиз).

2 КОМПЛЕКС ОРГАНИЗАЦИОННО-ПЕДАГОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

2.1. Методическое обеспечение

Основные задачи программы «Прикладная метрология» – привлечь детей к исследовательской и изобретательской деятельности, показать им, что направление интересно и перспективно. Задачи педагогов – развить у детей навыки, которые им потребуются в дальнейшем освоении программы.

Все умения и навыки приобретаются только через опыт. В образовательном процессе используются следующие методы:

• Словесные (беседа, опрос, дискуссия и т.д.);
• Игровые;
• Метод проблемного изложения (постановка проблемы и решение ее самостоятельно или группой);
• Наглядные:
• Демонстрация плакатов, схем, таблиц, диаграмм; использование технических средств;
• Практические задания;
• Анализ и решение проблемных ситуаций, практических задач.

2.2 Условия реализации программы

2.2.1 Материально-техническое обеспечение программы

2.2.2 Информационное обеспечение программы

Аппаратные средства:

• Мультимедийные персональные компьютеры – компьютерный класс;
• Мультимедиа проектор;
• Принтер;
• Сканер;
• Локальная сеть;
• Глобальная сеть;
• Телекоммуникационный блок, устройства, обеспечивающие подключение к сети; устройства вывода звуковой информации;
• Устройства для ручного ввода текстовой информации и манипулирования экранными объектами;
• Устройства для записи (ввода) визуальной и звуковой информации.

Программные средства:

• Операционные системы семейства Windows;
• Файловый менеджер (в составе операционной системы или др.);
• Антивирусная программа;
• Графический редактор Microsoft Paint;
• Программы-архиваторы;
• Интегрированное офисное приложение, включающее текстовый редактор, текстовый процессор Microsoft Word, растровый графический редактор, программу разработки презентаций Microsoft Рower Point (полный пакет офисных приложений Microsoft Office);
• Мультимедиа проигрыватель (входит в состав операционных систем или др.).
• Браузер – обозреватель Internet Explorer (входит в состав операционных систем), Opera или др.

2.2.3 Кадровое обеспечение реализации программы

Педагоги дополнительного образования, реализующие данную программу, должны иметь высшее профессиональное образование в области, соответствующее профилю квантума; желателен опыт работы со школьниками разного возраста, высокий личностный и культурный уровень, творческий потенциал. Компетенции: организация собственной работы и поддержание необходимого уровня работоспособности, обучение и развитие наставляемых, обеспечение высокого уровня мотивации наставляемых, оценка и контроль наставляемых, управление образовательными проектами, проведение игропрактических мероприятий.

2.3 Оценочные материалы

На протяжении работы по программе «Прикладная метрология» наставник каждого квантума оценивает работу учащихся по индикаторам освоения программы 1-7, представленным в Таблице 1 (от 0 до 10 баллов в сумме).

Таблица 1

Аттестация учащихся осуществляется по 70 балльной шкале, которая переводится в один из уровней освоения образовательной программы согласно таблице:

2.4 Список литературы и электронных ресурсов

Для обучающихся

1. Компьютерный инжиниринг: учеб. пособие / А. И. Боровков [и др.].: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. – 93 с.
2. Я, робот. Айзек Азимов. Серия: Библиотека приключений. М: Эксмо, 2000.
3. Джонатан Линовес Виртуальная реальность в Unity. / Пер. с англ. Рагимов Р. Н. – М.: ДМК Пресс, 2016. – 316 с.: ил.
4. Мир материалов и технологий. Нанотехнологии Ч.Пул – мл., Ф Оуэнс, Москва: Техносфера, 2006.
5. А. да Роза. Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы. Долгопрудный – Москва, 2010.
6. Блум Джереми. Изучаем Arduino: инструменты и методы технического волшебства: Пер с англ. — СПб.: БХВ-Петербург, 2018. — 336 с.: ил.
7. Азбука электроники. Изучаем Arduino / Ю. Ревич. — Москва: Издательство АСТ: Кладезь, 2017 — 224 с. — (Электроника для всех).

Для педагогов

• В.Н. Иванченко. Занятия в системе дополнительного образования детей. Изд. Учитель, 2007.
• Дополнительное образование детей: учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений / Под ред. О.Е. Лебедева. – М.: Гуманитар. изд. центр ВЛАДОС, 2003.
• Бабич А.В., Баранов А.Г., Калабин И.В. и др. Промышленная робототехника: под редакцией Шифрина Я.А. – М.: Машиностроение, 2002.
• Энциклопедический словарь юного техника. – М., «Педагогика», 1988.
• Колошкина И., Селезнев В., Дмитроченко С. Компьютерная графика: учебник и практикум для вузов / И. Колошкина, В. Селезнев, С. Дмитроченко. – Санкт-Петербург: Юрайт, 2020.
• Хуторской, А.В. Компетентностный подход в обучении. Научно-методическое пособие. — М.: Издательство «Эйдос»; Издательство Института образования человека, 2013. — 73 с.: ил. (Серия «Новые стандарты»).
• Щерабакова, В.В. Формирование ключевых компетенций как средство развития личности / В.В. Щербакова // Высшее образование сегодня. — 2008. — №10. — С. 39–41.