Программа ЮН

Кружок "Юный нейромоделист"

Образовательная программа

ВАРИАНТ ПРОГРАММЫ «Юный нейромоделист»

НАПРАВЛЕННОСТЬ: ТЕХНИЧЕСКАЯ, БИОЛОГИЧЕСКАЯ

Уровень программы: базовый

Возраст обучающихся: 5 – 11 классы

Срок реализации: 1 год

Дополнительная образовательная общеразвивающая программа «Юный нейромоделист» (далее – Программа) технической направленности базового уровня позволяет обучающимся овладеть основами нейротехнологий, созданием и конструированием человеко-машинных интерфейсов – технических устройств, управляемых биосигналами человека. Программа предусматривает развитие творческих способностей обучающихся, их технических знаний, навыков, умений по двум направлениям: электроника и электрофизиология, помогает сориентироваться в выборе будущей профессии.

Актуальность Программы обусловлена развитием современных биологических, медицинских и инженерных технологий в области нейробиологии, нейрохирургии и нейроуправления, что требует воспитания технически грамотных людей.

Из вышеизложенного вытекает педагогическая целесообразность Программы – ориентация обучающихся на техническое творчество, профессиональное самоопределение, дальнейшее применение полученных начальных знаний, умений и навыков во время обучения в учреждениях среднего профессионального и высшего образования.

Новизна Программы заключается в знакомстве обучающихся с современными технологиями, приемами и способами работы с современным нейротехнологическим оборудованием, позволяющим исследовать и моделировать различные объекты и системы.

Отличительная особенность Программы

Данная Программа позволяет обучающимся познакомиться с основами нейротехнологий не только через теоретическое изучение, но, прежде всего, через практическую работу с приборами, улавливающими биосигналы человеческого тела и способными обрабатывать и трансформировать полученные данные в информацию для дальнейшего использования. В Программе используется набор-конструктор «Юный нейромоделист» BiTronics Lab, позволяющий считывать и визуализировать биосигналы человека посредством электромиограммы, электроэнцефалограммы, кожногальванической реакции пульса, благодаря этому у обучающихся есть возможность заниматься проектной работой в области медицины и инженерии.

Основой для разработки Программы послужила дополнительная общеобразовательная общеразвивающая программа «Нейротехнологии. Юный нейромоделист» (разработчик Никулин А.Н., педагог ГБОУ Школа № 1528 г. Москвы, 2018 г.).

Цель Программы – создание условий для развития инженерно-технических способностей обучающихся через изучение нейротехнологий, программирования, электроники.

Задачи Программы

Обучающие:

· ознакомить с историей развития отечественной и мировой техники, ее создателях, о различных направлениях изучения нейротехнологий, программирования;

· формировать целостную научную картину мира;

· обучать эффективной работе с технической литературой, интернет источниками;

· ознакомить с основными принципами работы нейрокомпьютерных интерфейсов;

· формировать представления об основах электроники;

· обучать основам программирования. Развивающие:

· развивать инженерное мышление, изобретательность, образное и пространственное восприятие;

· развивать мыслительные, творческие, коммуникативные способности обучающихся;

· развивать интерес к техническим знаниям;

· развивать интеллектуальные и практические умения, самостоятельно приобретать и применять на практике полученные знания;

· развивать умение осознанно ставить перед собой конкретную задачу и добиваться её выполнения.

Воспитательные:

· воспитывать устойчивый интерес к нейротехнологиям;

· воспитывать информационную культуру как составляющую общей культуры современного человека;

· формировать потребность в творческой деятельности, стремление к самовыражению через техническое творчество;

· формировать новаторское отношение ко всем сферам жизнедеятельности человека.

Категория обучающихся

Обучение по Программе ведется в разновозрастных группах, которые комплектуются из обучающихся 5-11 классы. Количество обучающихся в группе – 15 человек.

Сроки реализации

Программа рассчитана на один год обучения.

Общее количество часов составляет 144 часов.

Формы и режим занятий

Программа реализуется 2 раза в неделю по 2 часа. Программа включает в себя лекционные и практические занятия. Реализация Программы возможна через дистанционное обучение с использованием видеозанятий.

Планируемые результаты освоения Программы

По итогам обучающиеся

будут знать:

· технику безопасности и требования, предъявляемые к организации рабочего места;

· терминологию нейромоделирования;

· оборудование и инструменты, используемые в области нейротехнологий;

· основные сферы применения нейротехнологий;

· основные направления развития нейротехнологий;

· основы нейробиологии и нейрофармтехнологии;

· основные принципы работы нейрокомпьютерных интерфейсов;

· основные принципы работы электронных схем и систем управления объектами;

· основы электроники и программирования микроконтроллеров для решения задач из области нейротехнологий;

· основы прикладной математики и программирования человеко-машинных интерфейсов;

· основы робототехники и управления роботами с помощью нейроинтерфейсов и датчиков биосигналов;

будут уметь:

· пользоваться инструментами и оборудованием, используемыми в области нейромоделирования;

· грамотно использовать технические термины;

· составлять простые программы для решения задач из области нейротехнологий;

· читать технические рисунки, эскизы, чертежи, схемы;

· конструировать простейшие электронные схемы, использующие интерфейс «мозг-компьютер»;

· разрабатывать простейшие системы с использованием электронных компонентов и нейрокомпьютерных интерфейсов;

· программировать человеко-машинные интерфейсы;

· управлять роботами с помощью нейроинтерфейсов и датчиков биосигналов.

Примерное содержание тематического плана

Раздел 1. Основы нейротехнологий

Тема 1.1. Вводное занятие. Инструктаж по технике безопасности и охране труда

Теория. Значение техники в жизни человека. Техническое моделирование, нейроинтерфейсы, нейроуправление, технологии машинного обучения. Знакомство с планом работы на учебный год, целями и задачами. Правила поведения на занятиях и во время перерыва. Инструктаж по технике безопасности.

Тема 1.2. Современные нейронауки. Значение нейронаук в медицине и научных исследованиях

Теория. Нейронауки, их основные направления и характеристики. Примеры использования нейровизуализации с машинными интерфейсами (мозг-компьютер интерфейс). Знакомство с основными понятиями и терминами – нейротехнологии, биосигналы, нейросигналы, человеко-машинные интерфейсы.

Практика. Знакомство с набором-конструктором «Юный нейромоделист» компании BiTronics Lab. Модули набора-конструктора.

Раздел 2. Электромиография в современной нейротехнологии

Тема 2.1. Опорно-двигательный аппарат и мышечный каркас человека. Строение и функции мускулатуры

Теория. Скелет человека. Отделы позвоночника. Функции двигательного аппарата. Виды мышц. Строение мышц человека. Функции мышц человеческого организма. Напряжение мышц. Усталость мышц. Мышцы-антагонисты.

Практика. Выполнение теста, направленного на закрепление темы «Опорно-двигательный аппарат и мышечный каркас человека. Строение и функции мускулатуры».

Тема 2.2. Метод электромиографии в исследовании опорнодвигательного аппарата и работы мышц. Расшифровка электромиограммы

Теория. Электромиография. Электроактивность мышцы при нормальной работе её элементов. Изучение метода исследования биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах человека при возбуждении мышечных волокон: природа сигнала, способы считывания электромиографии, варианты применения. Изучение принципов работы датчиков электрической активности мышц. Зависимость амплитуды ЭМГ-сигнала от силы сокращения мышцы.

Практика. Работа с набором «Юный нейромоделист» BiTronics Lab, модулем ЭМГ/ЭКГ. Измерение разности потенциалов, возникающей в мышце при ее сокращении или расслаблении; расшифровка электромиограммы.

Раздел 3. Электроэнцефалография в современной нейротехнологии

Тема 3.1. Головной мозг. Отделы мозга человека. Функции коры головного мозга и глубинные мозговые структуры. Зрение

Теория. Строение головного мозга человека. Основные нервные процессы и взаимодействие отделов нервной системы друг с другом. Представление об основах физиологии нервной ткани и центральной нервной системы человека. Представление о принципах системной организации функций мозга. Общая характеристика нервной системы. Составляющие нервной системы. Основные функции нервной системы. Функциональное деление нервной системы. Центральная и периферическая нервная система (симпатическая, парасимпатическая) – состав. Значение модуля мозговой активности в области нейротехнологий. Мозговые волны. Органы чувств и их значение в жизни человека. Сенсорные системы, их строение и функции. Глаз и зрение.

Практика. Выполнение теста, направленного на закрепление темы «Головной мозг. Отделы мозга человека. Функции коры головного мозга и глубинные мозговые структуры. Зрение».

Тема 3.2. Метод электроэнцефалографии в исследовании работы головного мозга и центральной нервной системы. Расшифровка электроэнцефалограммы

Теория. Техника и методики электроэнцефалографии. Биоэлектрическая активность здорового и больного мозга человека. Электроды, используемые при регистрации ЭЭГ. Синхронизация потенциалов мозга. Изучение электроэнцефалограммы – суммарной электрической активности мозга: природа сигнала, способы считывания, варианты применения. Артефакты ЭЭГ Электроокулография (ЭОГ).

Практика. Работа с набором «Юный нейромоделист» BiTronics Lab, модулем ЭЭГ. Исследование глазных мышц и наружного слоя сетчатки благодаря изменениям биопотенциалов во время движения глаза (открытие/закрытие). Самостоятельное проведение электроэнцефалографии, с помощью сигнальных и опорного электродов. Исследование реакции мозга на действие раздражителей.

Раздел 4. Фотоплетизмография в современной нейротехнологии

Тема 4.1. Периферическая гемодинамика (пульс)

Теория. Понятие пульса человека. Виды пульса. Кровяное давление. Периоды и фазы сердечного цикла. История пульсовой диагностики.

Практика. Выполнение теста, направленного на закрепление темы «Периферическая гемодинамика (пульс)».

Тема 4.2. Метод фотоплетизмографии в исследовании периферической гемодинамики и работы сердечных циклов. Расшифровка фотоплетизмограммы

Теория. Описание методики фотоплетизмографии. Вариабельность сердечного ритма. Изучение принципов работы оптического датчика пульса. Критерии оценки фотоплетизмограмм. Изучение фотоплетизмограммы, методом исследования динамики кровенаполнения сосудов, основанном на измерении оптической плотности.

Практика. Работа с набором «Юный нейромоделист» BiTronics Lab, модулем Пульс – оптический плетизмограф. Исследование сосудистого тонуса и кровотока в сосудах мелкого калибра с помощью графической регистрации пульсовых и более медленных колебаний объема какой-либо части тела, связанных с динамикой кровенаполнения сосудов.

Раздел 5. Электрокардиография в современной нейротехнологии

Тема 5.1. Анатомическое строение сердца. Физиология сердечной деятельности

Теория. Строение сердца человека. Нервная регуляция работы сердца. Организация системы вегетативной регуляции кровообращения. Большой и малый круги кровообращения. Артериальная и венозная кровь.

Практика. Выполнение теста, направленного на закрепление темы «Анатомическое строение сердца. Физиология сердечной деятельности».

Тема 5.2. Метод электрокардиографии в исследовании работы сердца и пульсации сердечной мышцы. Расшифровка электрокардиограммы

Теория. Исследование работы сердца и пульсации сердечной мышцы. Методики регистрации и исследования электрических сигналов, образующихся при работе сердца. Понимание нормы показателей электрокардиограммы и отклонений от нормы. Изучение электрокардиограммы: природа сигнала, способы считывания.

Практика. Работа с набором «Юный нейромоделист» BiTronics Lab, модулем ЭМГ/ЭКГ. Измерение частоты сердечных сокращений (ЧСС). Изменение ЧСС под влиянием физической нагрузки.

Раздел 6. Диагностика электрической активности кожи в современной нейротехнологии

Тема 6.1. Активность вегетативной нервной системы, широко применяемая в психофизиологии. Строение и функции кожи

Теория. Строение и функции кожи. Кожа как орган чувств. Рецептивные поля кожи.

Практика. Выполнение теста, направленного на закрепление темы «Активность вегетативной нервной системы, широко применяемая в психофизиологии. Строение и функции кожи».

Тема 6.2. Метод диагностики кожно-гальванической реакции (КГР) в исследовании активности вегетативной нервной системы. Расшифровка диаграммы кожно-гальванической реакции

Теория. Кожно-гальваническая реакция. Величины сопротивления поверхности кожи. Показатели функционального состояния ЦНС. Психогальванический рефлекс. Потовые железы. Генотип и среда как факторы индивидуальной изменчивости КГР человека. КГР в состоянии покоя. КГР при ориентировочной и оборонительной реакциях. Исследования невропатолога К. Фере. Два главных метода регистрации КГР: экзосоматический и эндосоматический.

Практика. Работа с набором «Юный нейромоделист» BiTronics Lab, модулем КГР. Диагностика изменений КГР в расслабленном и стрессовом состоянии. Выполнение упражнения «Детектор лжи».

Раздел 7. Платформа Arduino

Тема 7.1. Введение в Arduino

Теория. О платформе Arduino. Железо. Загрузка прошивки. Софт. Модели Arduino. Программирование. Arduino IDE. Язык программирования С++. Библиотека Arduino.h. Хейтеры платформы. Интерфейсы: UART, I2C, SPI и др. Аналоговый сигнал. Пины GPIO. Интерфейс. ADC (АЦП аналогово-цифровой преобразователь). UART (интерфейс связи). Выводы таймеров (ШИМ пины). SPI (интерфейс связи) – SS, MOSI, MISO, SCK. I2C (интерфейс связи) – SDA, SCL. INT (аппаратные прерывания). Другие пины. Питание от USB. Питание от Vin. Питание в 5V. Автоматический выбор источника. Питание «мощных» схем. Автономное питание. Arduino как источник питания. Помехи и защита от них.

Практика. Установка в компьютере пакета JRE (Java) и среды разработки Arduino IDE. Настройка драйверов.

Тема 7.2. Работа с Arduino IDE

Теория. Arduino IDE. Интерфейс. Проверить – компиляция (сборка, проверка на ошибки) кода без его загрузки в плату. Загрузить – компиляция и загрузка прошивки в плату. Создать/открыть/сохранить. Монитор порта – кнопка, открывающая монитор последовательного пора для общения с платой. Меню вкладок – работа с вкладками. Текущее состояние – выводится краткая информация о последнем действии. Лог работы – выводятся все системные сообщения, отчёты об ошибках и размере скомпилированного кода. Конфигурация оборудования – выводится название выбранной платы, версии микроконтроллера и номер выбранного COM порта. Меню. Вкладка «Файл». Окно настроек. Вкладка «Правка». Вкладка «Скетч». Вкладка «Инструменты».

Практика. Загрузка первой прошивки.

Раздел 8. Программирование в Arduino IDE

Тема 8.1. Синтаксис и программа кода

Теория. Синтаксис. Оформление. Форматирование. Имена переменных. Структура кода. Подключение библиотек и файлов. Типы памяти микроконтроллера. Двоичная система. Другие системы исчисления. Переменные. Объявление и инициализация переменных. Преобразование типов. Преобразование_cast (Pro). Константы. Область видимости: глобальная, локальная, формальная (параметр). Структуры (Pro). Вложенные структуры. Перечисления (Pro). Пользовательские типы (Pro). Пространство имен (Pro). Спецификаторы (Pro).