ТехноСТАРТ:
КЕЙС
Кейс-лонгрид для наставников образовательных организаций в рамках проведения мероприятия «Педагогическая мастерская» Всероссийской ярмарки технологических проектов «Павильон инженерных идей»
Погрузись в мир электроники!
БЫСТРОЕ И ЛЕГКОЕ ПОГРУЖЕНИЕ В МИР ЭЛЕКТРОНИКИ
О ЧЁМ КЕЙС?
Современный мир невозможно представить без электротехнических средств. Нас окружают разнообразные устройства с лампочками, кнопками, датчиками, а также умные приборы и инструменты. Кажется, что электроника крайне сложна и недоступна для понимания обычного человека. Но что, если овладеть этой «магией» под силу каждому, и можно легко научиться создавать электротехнические устройства своими руками? Мы предлагаем Вам начальный кейс, с которым Вы с удовольствием откроете мир электроники.
КОМУ ПОЛЕЗЕН КЕЙС?
Кейс будет полезен наставникам образовательных организаций и технологических кружков для введения в схемотехнику и электронику. Он является базовым для широкого спектра инженерно-технических направлений и может использоваться в качестве вводного и мотивационного занятия на уроках и кружках технической направленности. Усложнённый вариант можно применять на уроках информатики.
ТРЕНДЫ И ИННОВАЦИИ
Подготовка инженерных кадров является ключевой в стратегии развития технологического и экономического лидерства, а также суверенитета страны.
В настоящее время наблюдается резкий дефицит кадров в данной сфере.
Предложенный кейс призван привлечь внимание детей и подростков к инженерии. Основы понимания схемотехники и электроники помогут сформировать благоприятную среду для развития в различных направлениях инженерии и создадут возможность осознанного выбора своей профессии.
В настоящее время наблюдается резкий дефицит кадров в данной сфере.
Предложенный кейс призван привлечь внимание детей и подростков к инженерии. Основы понимания схемотехники и электроники помогут сформировать благоприятную среду для развития в различных направлениях инженерии и создадут возможность осознанного выбора своей профессии.
КАК ВЫ МОЖЕТЕ ПОМОЧЬ ШКОЛЬНИКАМ ВКЛЮЧИТЬСЯ?
Навыки работы с электрическими схемами помогут Вашим учащимся в создании проектов, которые можно представить на разных мероприятиях:
СТРУКТУРА КЕЙСА
Кейс включает описание базовых элементов современной схемотехники и электроники на платформе Arduino и Iskra (российский аналог Arduino), а также описание проекта «ТехноСТАРТ». Он содержит этапы выполнения с иллюстрациями и дополнительные материалы.
ДЛЯ РАБОТЫ НАД КЕЙСОМ ПОНАДОБИТСЯ
ЛИКБЕЗ ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ
ПОЛЕЗНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Wiki Amperka
представляет собой обширную базу знаний для педагогов и наставников, включающую инструкции и рекомендации по работе с Arduino и Raspberry Pi. В этом разделе Вы найдете оригинальные проекты, схемы распиновки модулей, datasheet'ы, а также теоретические материалы по электричеству для начинающих. Вы можете использовать Wiki для поиска ответов на технические вопросы, собранные на протяжении многих лет
ХОД РАБОТЫ
1
Возьмите необходимые комплектующие и соберите схему, показанную на фото.
Обратите внимание, что светодиод является полярным: длинная ножка является анодом (+), короткая катодом (-). Подключите длинную ножку к + (в данном случае, это выходной сигнал 13 пина)
Обратите внимание, что светодиод является полярным: длинная ножка является анодом (+), короткая катодом (-). Подключите длинную ножку к + (в данном случае, это выходной сигнал 13 пина)
2
На компьютере откройте среду разработки Arduino IDE и напишите следующий скетч. Это простейшая программа мерцающего светодиода.
void setup() {
// Инициализация пина 13 как выходного
pinMode(13, OUTPUT);
}
void loop() {
// Включаем светодиод
digitalWrite(13, HIGH);
// Ждем 1 секунду
delay(1000);
// Выключаем светодиод
digitalWrite(13, LOW);
// Ждем 1 секунду
delay(1000);
}
// Инициализация пина 13 как выходного
pinMode(13, OUTPUT);
}
void loop() {
// Включаем светодиод
digitalWrite(13, HIGH);
// Ждем 1 секунду
delay(1000);
// Выключаем светодиод
digitalWrite(13, LOW);
// Ждем 1 секунду
delay(1000);
}
3
С помощью кабеля USB подключите Arduino к компьютеру. Загрузите скетч на плату с помощью кнопки
После загрузки понаблюдайте за результатом. Светодиод должен светиться с частотой 0.5 Герц (полный период включения и отключения равен 1 секунде).
После загрузки понаблюдайте за результатом. Светодиод должен светиться с частотой 0.5 Герц (полный период включения и отключения равен 1 секунде).
Может получиться вот такой код, суммарная продолжительность задержки перед включением и выключением должна быть 1 секунда:
void setup() {
pinMode(13, OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(13, HIGH);
delay(500);
digitalWrite(13, LOW);
delay(500);
}
void setup() {
pinMode(13, OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(13, HIGH);
delay(500);
digitalWrite(13, LOW);
delay(500);
}
5
Теперь мы можем с помощью светодиода передавать различные световые сигналы. Предлагаем с использованием Азбуки Морзе передать сигнал SOS (save our souls).
Пример кода для пульсирующего кода SOS представлен ниже. Обратите внимание на пин подключения светодиода:
// Определение пина для светодиода
#define LED_PIN 8
void setup() {
// Инициализация пина, к которому подключен светодиод, как выходной
pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}
void loop() {
// S (три коротких сигнала)
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(300); // Ждем 300 мс (пауза между буквами)
// O (три длинных сигнала)
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(450); // Ждем 450 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(450); // Ждем 450 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(450); // Ждем 450 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(300); // Ждем 300 мс (пауза между буквами)
// S (три коротких сигнала)
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(700); // Ждем 700 мс (пауза между словами)
}
#define LED_PIN 8
void setup() {
// Инициализация пина, к которому подключен светодиод, как выходной
pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}
void loop() {
// S (три коротких сигнала)
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(300); // Ждем 300 мс (пауза между буквами)
// O (три длинных сигнала)
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(450); // Ждем 450 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(450); // Ждем 450 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(450); // Ждем 450 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(300); // Ждем 300 мс (пауза между буквами)
// S (три коротких сигнала)
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(700); // Ждем 700 мс (пауза между словами)
}
6
Мы можем упростить наш скетч с помощью циклической конструкции “for”
// Определение пина для светодиода
#define LED_PIN 8
void setup() {
// Инициализация пина, к которому подключен светодиод, как выходной
pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}
void loop() {
// S (три коротких сигнала)
for (int i = 0; i < 3; i++) {
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
}
// Пауза между буквами (150 мс * 3 + 300 мс)
delay(300);
// O (три длинных сигнала)
for (int i = 0; i < 3; i++) {
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(450); // Ждем 450 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
}
// Пауза между буквами (150 мс * 3 + 300 мс)
delay(300);
// S (три коротких сигнала)
for (int i = 0; i < 3; i++) {
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
}
// Пауза между словами (150 мс * 3 + 300 мс * 2 + 700 мс)
delay(700);
}
#define LED_PIN 8
void setup() {
// Инициализация пина, к которому подключен светодиод, как выходной
pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}
void loop() {
// S (три коротких сигнала)
for (int i = 0; i < 3; i++) {
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
}
// Пауза между буквами (150 мс * 3 + 300 мс)
delay(300);
// O (три длинных сигнала)
for (int i = 0; i < 3; i++) {
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(450); // Ждем 450 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
}
// Пауза между буквами (150 мс * 3 + 300 мс)
delay(300);
// S (три коротких сигнала)
for (int i = 0; i < 3; i++) {
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Выключаем светодиод
delay(150); // Ждем 150 мс
}
// Пауза между словами (150 мс * 3 + 300 мс * 2 + 700 мс)
delay(700);
}
7
Мы можем упростить наш скетч и сделать код более читаемым с помощью парадигмы функционального программирования
// Определение пина для светодиода
#define LED_PIN 13
// Определение длительностей сигналов и пауз
#define DOT_DURATION 150 // Длительность точки (мс)
#define DASH_DURATION 450 // Длительность тире (мс)
#define LETTER_PAUSE 300 // Пауза между буквами (мс)
#define WORD_PAUSE 700 // Пауза между словами (мс)
void setup() {
// Инициализация пина как выходного
pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}
void loop() {
// S (три коротких сигнала)
blinkDot(); blinkDot(); blinkDot();
delay(LETTER_PAUSE);
// O (три длинных сигнала)
blinkDash(); blinkDash(); blinkDash();
delay(LETTER_PAUSE);
// S (три коротких сигнала)
blinkDot(); blinkDot(); blinkDot();
delay(WORD_PAUSE);
}
// Функция для мигания точкой
void blinkDot() {
digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
delay(DOT_DURATION);
digitalWrite(LED_PIN, LOW);
delay(DOT_DURATION);
}
// Функция для мигания тире
void blinkDash() {
digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
delay(DASH_DURATION);
digitalWrite(LED_PIN, LOW);
delay(DOT_DURATION);
}
#define LED_PIN 13
// Определение длительностей сигналов и пауз
#define DOT_DURATION 150 // Длительность точки (мс)
#define DASH_DURATION 450 // Длительность тире (мс)
#define LETTER_PAUSE 300 // Пауза между буквами (мс)
#define WORD_PAUSE 700 // Пауза между словами (мс)
void setup() {
// Инициализация пина как выходного
pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}
void loop() {
// S (три коротких сигнала)
blinkDot(); blinkDot(); blinkDot();
delay(LETTER_PAUSE);
// O (три длинных сигнала)
blinkDash(); blinkDash(); blinkDash();
delay(LETTER_PAUSE);
// S (три коротких сигнала)
blinkDot(); blinkDot(); blinkDot();
delay(WORD_PAUSE);
}
// Функция для мигания точкой
void blinkDot() {
digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
delay(DOT_DURATION);
digitalWrite(LED_PIN, LOW);
delay(DOT_DURATION);
}
// Функция для мигания тире
void blinkDash() {
digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
delay(DASH_DURATION);
digitalWrite(LED_PIN, LOW);
delay(DOT_DURATION);
}
ИТОГОВЫЙ ПРОДУКТ
Готовое устройство передачи сигнала SOS будет выглядеть так
«ПОЛЕВЫЕ ИСПЫТАНИЯ»
Выберите слово или фразу, которую будете передавать с помощью вашей установки, например «Техностарт»
Для работы с Азбукой Морзе бывает удобно использовать приложения, например, такое.
Для работы с Азбукой Морзе бывает удобно использовать приложения, например, такое.
Исправьте скетч (программу), чтобы можно было транслировать выбранную фразу. Подберите комфортную скорость передачи информации.
Пригласите команду, которая выполняла этот же кейс для соревнования. Обменяйтесь фразами, расшифруйте их.
Пригласите команду, которая выполняла этот же кейс для соревнования. Обменяйтесь фразами, расшифруйте их.
ВОПРОСЫ ДЛЯ РЕФЛЕКСИИ
Рекомендуем Вам проверить себя с помощью вопросов, направленных на дальнейшее развитие продуктового результата. Вы также можете использовать данные вопросы для проведения рефлексии со своими учащимися по итогам выполнения кейса. Для Вашего удобства вопросы систематизированы по 6 уровням академических результатов по Б.Блуму
- Чему вы научились из данного кейса?
- Какие новые навыки получили?
- Какие основные компоненты были использованы в устройстве?
- Какие модули программного обеспечения Вам пригодились?
- В чем состоит практическая польза от продуктового результата?
- Есть ли у вас варианты совершенствования собранного устройства?
- Как Вы можете объяснить принцип работы данного устройства?
- В чем заключается основное отличие данного устройства от аналогичных?
- Какой другой продукт можно сделать из тех же компонентов?
- Где еще это можно применить?
- Как Вы можете использовать полученные навыки в будущем?
- Какие реальные проблемы может решить созданное устройство?
- Что бы Вы хотели добавить или улучшить?
- Какие еще похожие проекты можно реализовать? Что для этого понадобится?
- Какие преимущества и недостатки устройства Вы можете отметить?
- Какое влияние на окружающую среду может оказать это устройство?
- Какие дополнительные знания и навыки необходимы, чтобы создавать….?
- Какие другие полезные кейсы можно реализовать на эту тему?
- Как можно объединить различные знания для создания более сложных устройств?
- Как вы можете адаптировать это устройство под свои потребности?
- Порекомендовали бы Вы это устройство вашим друзьям и знакомым?
- Чего вам не хватило в данном кейсе?
- Как вы оцениваете качество материалов, использованных в кейсе?
- Какие факторы могли бы улучшить восприятие данного устройства на рынке?
ЧТО ДАЛЬШЕ?
С помощью фоторезистора можно собрать систему считывания светового сигнала, при этом станет возможным ускорение процесса передачи информации. Но решение таких задач, несмотря на простоту компонентов и сборки схемы, будет достаточно сложным на программном уровне, и может оказаться отличной идеей для фундаментальных исследований в области информатики.
БАНК ИДЕЙ
Предлагаем Вам познакомиться с другим вариантами кейсов, которые можно выполнить с тем же или несколько измененным (дополненным) набором электронных комплектующих:
Идея для кейса № 1. «Светофор»
Цель: Изучение принципов работы с несколькими светодиодами.
Компоненты:
Компоненты:
- Резисторы 220 Ом
- Светодиоды (красный, желтый, зеленый)
- Макетная плата
- Провода Папа-Мама
Идея для кейса № 2. «Звуковая сигнализация с помощью светодиодов»
Цель: Создание системы визуального оповещения.
Компоненты:
Компоненты:
- Резисторы 220 Ом
- Светодиоды
- Макетная плата
- Провода Папа-Мама
- Зуммер (если имеется)
Идея для кейса № 3. «Ночной свет»
Цель: Создание светильника с автоматическим включением.
Компоненты:
Компоненты:
- Резисторы 220 Ом
- Светодиоды
- Макетная плата
- Провода Папа-Мама
- Датчик света (если имеется)
Идея для кейса № 4. «Мигалка для велосипеда»
Цель: Создание системы видимости.
Компоненты:
Компоненты:
- Резисторы 220 Ом
- Светодиоды
- Макетная плата
- Провода Папа-Мама
- Батарейка "Крона"
ПОЛЕЗНЫЕ ССЫЛКИ И РЕСУРСЫ
Wiki Amperka представляет собой обширную базу знаний для педагогов и наставников, включающую инструкции и рекомендации по работе с Arduino и Raspberry Pi. В этом разделе Вы найдете оригинальные проекты, схемы распиновки модулей, datasheet'ы, а также теоретические материалы по электричеству для начинающих. Вы можете использовать Wiki для поиска ответов на технические вопросы, собранные на протяжении многих лет.
Примеры кейсов с макетной платой от кружка робототехники в Санкт-Петербурге
Примеры кейсов с макетной платой от кружка робототехники в Санкт-Петербурге
TryEngineering (с переводом на русский язык)
См. например Спонсорский урок от KEYSIGHT Technologies «Тайна цвета светодиодов»
Ссылка
TeachEngineering (на английском языке)
См. например Using a Touch Sensor with Arduinos to Trigger an LED and Buzzer
Ссылка
См. например Спонсорский урок от KEYSIGHT Technologies «Тайна цвета светодиодов»
Ссылка
TeachEngineering (на английском языке)
См. например Using a Touch Sensor with Arduinos to Trigger an LED and Buzzer
Ссылка
- Рудольф Сворень. Электроника шаг за шагом
- Чарльз Платт. Электроника для начинающих
- Гордон Мак-Комб, Эрл Бойсен. Радиоэлектроника для «чайников»
- Дмитрий Мамичев. Простые роботы своими руками или несерьёзная электроника
- Игорь Мягков и др. Простая электроника
- П. Хоровиц и У. Хилл. Искусство схемотехники
- Виктор Борисов. Юный радиолюбитель
АВТОР КЕЙСА
Пушкарев Михаил Сергеевич
учитель информатики
МАОУ СОШ №19 г. Томска, ассистент кафедры медицинской и биологической кибернетики СибГМУ
8-903-950-03-53
todoo.hobbycenter@yandex.ru
todoo.hobbycenter@yandex.ru