Электроника для начинающих*, Учебный процесс в IT
источник

На прошлой неделе был пост про организацию занятий по электронике в школе. В этом посте, как и обещал, постараюсь изложить свои соображения насчет программы и методики ведения таких занятий.
На данный момент мы успели провести уже три занятия и даже съездили на чемпионат по робо-сумо (пока, конечно, в качестве зрителей). Поэтому хочу поделиться своими первыми впечатлениям.

Осторожно, высокое напряжение

Для начала неплохо бы продумать самые общие вещи. Например, какая будет материальная база для занятий? Это в значительной степени зависит от технического оснащения школы и того помещения, где ребята будут мастерить мигающие светодиоды и, чуть позже, терминаторов. Я буду говорить об обычной школе, где кроме кружка днем идут уроки. В домах творчества и различных клубах ситуация, естественно, другая.
Есть несколько вариантов:
1. В классе, выделенном для занятий, ничего, кроме розетки 220 В, нет. Самый сложный вариант. Надо искать где-то блоки питания для каждого человека. Неочевидная проблема заключается в том, что перед каждым занятием всю эту сеть низковольтного питания надо сначала подключить (удлинители, сами БП, провода на каждый стол), а после — все обратно убрать. Как-то переоборудовать класс не разрешают — материальная ответственность, никто с этим связываться не будет. Второй вариант — как можно быстрее перейти к программированию и потом заниматься исключительно им, и тогда нужен только компьютер и проектор. Понятно, что это не подходит — ребятам нужно совершенно другое .
2. Бывает, что в школьных кабинетах физики каждая парта уже оборудована розеткой или клеммником, на который подведены 36 или 42 В. Считается, что это относительно безопасное напряжение. В таком случае надо только изготовить блоки питания на 5 и/или 12 Вольт, которые будут постоянно установлены на партах. Иногда даже случается, что у преподавателя есть возможность менять напряжение на розетках школьных парт при помощи ЛАТР — вообще прекрасный вариант.
Кстати, можно найти довольно много разных паяльников на напряжение 12, 24,36 и 42В.
3. Ну и наконец бывает, что по классу разведено питание 5 В до каждой парты. Этого достаточно для проведения большинства опытов, а так же для работы маломощных приборов, и аналоговых и цифровых. Обычно такая разводка питания делается самостоятельно преподавателем физики с помощью довольно толстых проводов (для предотвращения значительно просадки напряжения).

К сожалению, в моем случае кабинет физики относится к варианту номер 1. На учительском столе есть ноутбук, МФУ, стоит телевизор, видеомагнитофон и муз. центр, а над головой висит проектор. За спиной — небольшой белый экран для проектора и, собственно, школьная доска. Никаких стопок макбуков, как вот тут, нет и не предвидится. Что ж, буду использовать то, что есть. Наличие проектора очень обрадовало — у меня накопилось много интересных роликов , которые так редко показывают на уроках физики и они будут очень кстати для понимания теории.
Исходя из всего этого, решено снабдить каждого юного радиолюбителя блоком питания на 5В. У большинства они уже наверняка есть: почти любая зарядка от телефона, планшета, плеера и т.д. У кого нет — я раздам из собственных запасов. Так же пользуемся батарейными блоками — удобно, мобильно и безопасно. Это то, что касается электропитания. Про макетки, компоненты и остальное — чуть позже. В ближайшее время буду обсуждать «переезд» в кабинет информатики, потому что без компьютеров в скором времени будет тяжело.

Срез знаний

Не менее важная задача — определить «начальные условия», то есть хотя бы примерный текущий уровень знаний будущих инженеров. Без этого, как мне кажется, будет трудно поставить цели и тем более их выполнить. Еще до нашей первой встречи я подготовил анкету и раздал ее на первом же занятии. Объяснил для чего это надо и как заполнять. Но все равно основные моменты я выяснял в беседе на занятиях: спрашивал про их уроки физики, информатики и математики, про увлечения, про наличие опыта в починке чего-либо, про увлечения, наличие радиолюбителей в семье и так далее.
Результаты такие:
— большинство просто забыло принести эту анкету на второе занятие
— двое шестиклассников и один семиклассник все же сделали это
— девятиклассники забили в полном составе
— заметно, что между 6 и 7 классом настоящая пропасть
— информатики считай, что не было. Максимум — офис. Однако один парень сказал, что было что-то Лого-подобное и еще один даже кое-что писал на Си
— уровень английского еще не успел понять, но то, что было в анкетах, никак не поможет на англоязычных ресурсах. Что ж, значит пока в даташити не полезем.
— у всех есть компьютер и Интернет
— сразу у нескольких человек папа или дедушка — инженеры и знают что к чему. Это очень хорошо для меня, думаю, с ними дело пойдет значительно веселее
— даже девятиклассники не до конца уверены как изображается батарейка на схеме. Те, кто по-младше, совсем таких вещей не видели.

Исходя из этого сделал такие выводы:
1. Начинать с самого начала. Нельзя полагаться на то, что все из них знают что такое электрический ток, например. Ну, это было понятно с самого начала.
2. Придерживаться какого-то четкого плана и сроков будет очень непросто. Судя по тому, как ребята принесли мне анкеты )
3. Когда дойдем до программирования, то так же надо начинать с нуля. Чуть дальше я более детально опишу свои соображения.
4. Английская часть сети для них пока не существует. Придется ссылаться только на русские ресурсы и документацию. Ясно, что я не смогу их мотивировать усиленно учить английский — ребята пока что не понимают, зачем это надо.
5. Как можно активнее использовать Сеть. За 4 часа в неделю всего не рассказать и на все вопросы не ответить, но есть компьютеры, телефоны или планшеты. Поэтому надо постараться приучить их искать ответы в сети, общаться между собой и задавать мне вопросы не только в классе.

Я уже завел дневник на LiveJournal, канал на YouTube для будущих роликов и аккаунт в скайпе. Когда на последнем занятии я рассказал про все это и попросил активнее пользоваться, то все почти в один голос сказали, что нужна группа во Вконтакте. Что ж, придется пойти навстречу, и я чуть позже сделаю такую группу. Как я понял из разговоров, ребята гораздо чаще бывают во Вконтакте, чем на любом другом сайте (тут мне в очередной раз хочется сделать едкое замечание, но я не могу, я ж теперь преподаватель =))
В предыдущем посте был вопрос о видеозаписи. Я пытался записать первые два занятия, но делать это обычной видеокамерой оказалось крайне неудобно: узкий угол зрения и неудобно переставлять штатив, чтобы в разные моменты времени снимать то доску, то, например, макетную плату или какие-то эксперименты. В ближайшее время постараюсь разжиться экшн-камерой и вот тогда будет легче. Есть планы выкладывать самое интересное на канал YouTube.

Есть ли у вас план, мистер Фикс?

Теперь главное: что собственно мы собираемся делать и с чего начать? У меня не было четкого ответа до того, как мы начали занятия. Я лишь примерно представлял себе возможные варианты. На сегодняшний день прошло уже 3 занятия, и я более-менее понял уровень подготовки ребят. Мой хитрый план такой:
— Самые основы: что такое электрический ток. Попытаться увязать это понятие с обычным трубопроводом, то есть использовать для наглядного и интуитивного обучение гидродинамическую модель (ГДМ).
— Источник питания (батарейка) и провода. Аналогии в ГДМ — насос, резервуар с водой и трубы.
— Устройство макетной платы.
— Простейшая схема на макетке — батарейка, провода и лампочка.
— Резистор и его влияние на лампочку и всю цепь. Аналогии в ГДМ — узкие трубы.
— Несколько резисторов в разных вариантах включения.
— Светодиоды; кнопки. Простые схемы с ними и аналогии в ГДМ (клапан и задвижка).
— Что такое микросхема. Взять простую плату и наглядно показать где тут МС, резисторы, кнопки, проводники и источник питания.
— Аналоговый и цифровой сигнал
— Микросхемы стандартной логики (не буду останавливаться на этом слишком подробно, но все равно это нужно сделать).
— Простейшие счетчики, генераторы, регистры, мультиплексоры, дешифраторы и т.д. Несколько занятий.
— Емкость и индуктивность.
— Arduino: что это и для чего. Что такое микроконтроллер со ссылками на МС стандартной логики.
— Поморгать светодиодом.
— Дальше будет все вперемешку, в зависимости от проекта у конкретного человека: кто-то будет пищать спикером, кто-то крутить сервопривод, выводить циферки на семисегментные индикаторы или обрабатывать массив кнопок.

Вот так. Сначала общие вещи, которые нужны для любой поделки, потом по мере возникновения вопросов и проблем. Понятие емкости и индуктивности я планирую объяснять далеко не в начале, скорее всего когда будут возникать «боевые» задачи. То же самое с переменным током. Где-то в отдаленной перспективе будут радиоволны, еще очень нескоро.
Общий смысл в том, чтобы как можно быстрее получить осязаемый результат. С самого начала я предложил ребятам разделить их работу на две части: у каждого свой небольшой проект + один общий проект, но посложнее. Так же обозначил для них приблизительный срок — до новогодних каникул. Считаю, что надо сразу привыкать к наличию временных рамок, иначе можно аморфно заниматься непонятно чем весь год без видимого результата.
Сейчас все больше склоняюсь к тому, чтобы объединить ребят по 2-3 человека над одним проектом и отказаться от общего проекта вообще. Если слишком долго копаться в теории и ничего не делать руками, то интерес очень быстро пропадет и народ просто разбежится.
Как верно подсказывали в комментариях, везде, где это возможно, я стараюсь объяснить теорию при помощи аналогии электрических цепей и водопровода. Это давно известный и хорошо себя зарекомендовавший метод, школьнику гораздо легче представить насос и заслонку, чем невидимые носители заряда и, например, диод.
Основной акцент будет делаться на цифровой электронике, а аналоговые вещи будут обсуждаться по необходимости. Поэтому постараюсь как можно раньше приступить к работе с Arduino: с ней гораздо проще и быстрее можно получить работающее устройство, и к тому же можно мастерить и программировать дома. Почему я выбрал именно Arduino, я думаю, понятно. Если нет — отвечу в комментариях.
Благодаря нескольким хорошим людям, которые откликнулись на первый пост, удалось насобирать 7 плат Arduino, и некоторым школьникам я их уже раздал. Да, пока они не знают с какой стороны ее взять, но некоторые успеют что-нибудь про это самостоятельно почитать.

Начало

За три занятия пока успели немного, но первое занятие было вводным и исключительно для сбора информации, раздачи анкет и разговоров про нелегкую школьную жизнь. На втором начали с рисования схемы батарейка + лампочка. Почти для всех это оказалось абсолютной китайской грамотой и пришлось говорить о том, как элементы отображаются на схемах. Затем не без труда составили аналогичную цепь, но «в терминах водопровода». А потом я попытался объяснить, что так оставлять нельзя и обязательно надо добавить резистор. Вот тут было напряженный (для меня) момент: половина начала активно зевать, другая половина просто с полным непониманием смотрела на доску. Поэтому было решено немедленно переходить к показательному выступления, и я достал макетку с резисторами и светодиодом. Сначала объяснил, что такое макетная плата и как в ней соединены контакты. Затем при помощи девятиклассников, с подробным обсуждением всего происходящего, собрали схему и подключили блок питания. Но ясно, что этот опыт не из самых зрелищных ) И тут удалось привлечь их внимание: я предложил сжечь светодиод, убрав из цепи резистор. При слове «сжечь» в глазах появляются искры, и рты расплываются в улыбке. Так что пошли и прожарили этот несчастный светодиод, и попутно каждый смог убедиться, что он прилично греется. После этого объяснения про ток, резистор и их взаимосвязь пошли гораздо веселее и продуктивнее: теперь хоть понятно о чем я говорил.
Третье занятие было похоже на второе, а началось с повторения и разных вопросов с моей стороны. Опять с трудом, но уже почти без моей помощи, смогли нарисовать несложную схему из трех элементов. Опять почти правильно нарисовали ГДМ всего этого. А дальше я рассказал, что резисторы бывают разными и что лампочка будет светить по-разному в зависимости от этого. На макетке все это незамедлительно проверили, повтыкали разные резисторы. А потом кое-как, но все же почти самостоятельно, разобрались что будет, если включить их параллельно. ГДМ тут очень помогает, и что важно — не потребовалось никаких формул. С последовательным включением почему-то возникли сложности. Ну что ж, не все сразу )
Самое главное, что было — начали обсуждать свои будущие проекты. Сначала половина хотела сделать некоего «робота», но после моих наводящих вопросов и разговоров ребята начали понемногу спускаться с небес на землю. Итак, пока вот что они придумали для себя:
— роборука с зажимом
— зарядка для аккумуляторов
— робот, ездящий по полосе
— автоматическая точилка для карандашей
— простая радиоуправляемая машинка

А четвертое занятие не состоялось. Вместо него я предложил поехать на чемпионат России по робо-сумо! Как мне казалось, это будет для них интересно и сможет мотивировать. Однако в результате поехало всего три человека из примерно десяти, притом что соревнования проходили практически в то же время, что и занятие. Может быть, не пустили родители (для поездки обязательно нужно иметь разрешение со стороны родителей, что те не против), а может просто решили не заморачиваться и остаться дома, я пока этого не знаю. К сожалению, родители тоже не проявили почти никакого интереса, поехала только мама одного шестиклассника.

Соревнования по робо-сумо

Возможно, кому-то будет интересно как мы съездили на эти соревнования. Еще за несколько дней до этого я договорился встретиться там с несколькими людьми, которые хотели познакомиться и обменяться опытом. Добрались до МИЭМ, ребята сели в зале и стали наблюдать за рингом при помощи двух проекторов (роботы-сумоисты довольно маленькие, и даже на близком расстоянии сложно рассмотреть все что там творится). Конечно, очень здорово, что есть такие мероприятия, на которые можно вот так запросто прийти и посмотреть на работу таких увлеченных людей и их роботов. Я познакомился с Владимиром, который предложил помощь в ведении кружка. Так же познакомился с Алексеем, который уже второй год проводит аналогичные занятия, но только на базе библиотеки. Так же было интересно послушать про то, как у него все начиналось и какая была программа занятий.
Когда был небольшой перерыв в конкурсной программе, я заметил, что на дальних столах что-то активно мигает всеми цветами. Пригласил ребят посмотреть — оказалось, что это были стенды, собранные на макетных платах. Вместо тысячи слов — ссылка на форум. Когда летом я лазил по сети и изучал все по теме кружков, то надолго завис на этом форуме. Это именно то, что надо для начинающих! Подробное описание самой макетной платы, способов подключения питания, изготовления и прокладки проводов, сделанных из дешевого кабеля, и самое главное — подробно разжеванные задания на использование микросхем стандартной логики. Кроме этого на форуме есть много чего полезного, и летом я все это прочитал. Вот так на соревнованиях по робо-сумо я познакомился с замечательным человеком, руководителем занятий электроникой на базе студенческого конструкторского исследовательского бюро МИФИ, Василием Васильевичем Зуйковым. Полностью увлеченный своей работой человек, с которым можно проговорить не один час. Там же он подарил нашему кружку набор для занятий по его программе: макетная плата, провода, батарейный блок, набор логики 155 серии и даже свою необычную и функциональную визитку. Фотография в заголовке поста сделана как раз у этого стенда. Между делом я старался рассказать ребятам кое-что про устройство этих схем и компоненты, используемые для их построения, но внимание слушателей все время переключалось на роботов, которые разъезжали по сцене ) Ничего, скоро они сами будут собирать нечто похожее.

Благодарность

Хочу отдельно рассказать о том, насколько бурной и позитивной была реакция на первый пост. Мне написало огромное количество народу, и я прошу прощения, если не всем успел вовремя ответить. Несколько человек из других школ попросились на занятия (к сожалению, на данный момент это невозможно).
Пообщался по скайпу с таким же начинающим преподавателем из Астаны, а так же еще одним человеком, у которого за плечами 10 лет практики в подобных делах.
Написал Руслан, который затем подошел к школе и передал целый пакет с полезными железками: паяльник, несколько ЖК-индикаторов, светодиоды, моторчики, блоки питания, платы Ардуино и даже целых 2 набора LaunchPad от TI. Написал uSasha, с которым я так же встретился и который передал ребятам полный комплект аппаратуры радиоуправления, а так же замечательную плату Meggy Jr RGB и кабель программирования. Написал Анатолий, который отправил GSM-модем и эвалюэйшен-плату FPGA.
Владимир, про которого я уже упоминал, вообще предложил свою помощь в ведении занятий! Надеюсь, что все получится.
Написал Дмитрий, который организовал кружок «Радиотехника» в с. Мильково Камчатского края. Он тоже много чего интересного рассказал про свои приключения: очень непросто организовать такую штуку, когда до областного центра 300 км, да и там нет специализированных магазинов. Было бы великолепно, если бы он поделился своим опытом со всеми.
Познакомился с Ильей и Олегом, организаторами проекта РоботКласс — тоже классное начинание! Встретился с Виталием, у которого приличный опыт преподавания программирования школьникам.
Несколько человек предложили финансовую помощь, за что им большое спасибо.
А еще меня очень порадовало, что темой интересуется не только сильная половина человечества, но также и прекрасная. Алена, тебе привет )
И наконец, только что я вернулся со встречи с Алексеем, Кириллом и Александром, которые уже несколько лет ведут занятия по робототехнике и с которыми я познакомился на робо-сумо. У ребят полно идей, они уже хорошо представляют что нужно детям и как это до них донести (это и программирование, и электроника, и конструирование). Узнал много нового. Очень надеюсь, что такие встречи по обмену опытом у нас теперь будет проходить на постоянной основе.

Вот сколько людей за эти две недели! Сложилось впечатление, что темой дополнительного образования озабочено очень приличное количество народу, по крайней мере в Москве. Это общительное, крайне дружелюбное и молодое сообщество, члены которого друг другу помогают. Ура!