ИЗУЧЕНИЕ ФОТОРЕЗИСТОРА УЧАЩИМИСЯ 7-Х КЛАССОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО НАБОРА «ЛАБОРАТОРИЯ IOT»

STUDYING A PHOTORESISTOR WITH 7TH-GRADE STUDENTS USING THE IOT LAB ELECTRONIC EDUCATIONAL KIT

Nikiforov Vladimir Vladimirovich

Master's student, State Autonomous Educational Institution of Higher Education of the City of Moscow "Moscow City University", Russia, Moscow

Интеграция современных технологий в общее образование позволяет сформировать у учащихся целостное представление о фундаментальных законах и их практическом применении. Изучение принципов работы и практического применения фоторезистора откроет для учащихся 7-х классов, только знакомящихся с физикой, возможности для проведения экспериментов и даже для создания простейших устройств в области робототехники и интернета вещей [1].

Учащимся предлагается реализовать проект, в ходе которого будет создан электронный «магический кристалл». Цель: изучить принцип работы фоторезистора, в ходе создания собственного проекта.

В данном проекте может быть использован электронный образовательный набор «Лаборатория IoT» от PinLab [3], который позволяет объединять устройства с помощью встроенного в плату Wi-Fi модуля, а также включает в свой комплект полноцветный RGB-светодиод и многие «классические» датчики, из которых обязательно при выполнении работы понадобится фоторезистор.

Проектная идея может быть сформулирована совместно с учащимися следующим образом: устройство – это магический артефакт. Чтобы «задать вопрос оракулу», нужно совершить ритуал, например, подуть на фоторезистор (имитируя задувание свечи) или прикоснуться к нему. Кристалл (RGB-светодиод) начинает переливаться разными цветами, а на TFT-дисплее или в консоли появляются надписи («Анализирую ауру...», «Связываюсь с духами...»), после чего выдается ответ: «Да», «Нет», «Спроси позже», «Верь в себя».

Чтобы осуществить связь данного проекта с технологиями интернета вещей, необходимо, чтобы одновременно с воздействием учащегося на датчик в браузере на телефоне/компьютере в веб-интерфейсе проигрывалась анимация магического шара с выводом предсказания.

Совместно с учащимися может быть выработан план проекта, включающий в себя обязательные и дополнительные этапы:

1. Создание Кристалла (сборка аппаратной части).
2. Создание Магического Скрижаля* (создание веб-интерфейса, при желании осуществить связь с интернетом вещей).
3. Наложение Заклинания на Кристалл (написание кода).
4. Первый сеанс связи (запуск и тестирование).
5. Изучение магических закономерностей (анализ и доработка).

Рассмотрим в соответствии с предложенными этапами ход работы учащихся, сопроводив их необходимыми рекомендациями, фрагментами материалов и заготовок. При этом акцент сделаем на сценарии базового исполнения, а возможность расширения проекта до технологий интернета вещей рассмотрим позднее.

Этап 1. Создание Кристалла (сборка аппаратной части).

Для успешного выполнения данного этапа учащимся необходимо ознакомиться с принципом работы фоторезистора. Предполагаем, что к моменту начала работы над проектом учащиеся уже ознакомлены с набором, техникой безопасности и базовыми манипуляциями по подключению платы, а также имеют некоторые навыки работы со средой программирования.

Необходимо объяснить учащимся, что фоторезистор представляет собой резистор, сопротивление которого меняется в зависимости от попадающего на него света: чем больше света, тем меньше сопротивление фоторезистора, и наоборот. От сопротивления зависит количество пропускаемого тока, здесь возникает возможность реализации межпредметной связи с содержанием обучения физике, или пропедевтический потенциал данного проекта. При возможности стоит обсудить с учащимися параметры фоторезисторов – световое и темновое сопротивления, когда фоторезистор максимально освещен и когда находится в полной темноте, соответственно; продемонстрировать внешний вид и графическое обозначение фоторезистора (Рис. 1).

Рисунок 1. Внешний вид и условное графическое обозначение фоторезистора

Учащимся необходимо привести примеры процессов и явлений, которые зависят от уровня освещенности, – это могут быть как примеры из биологии, например, процесс фотосинтеза; так и из обычной жизни, – автоматическое регулирование включения уличных фонарей в темное время суток.

В базовом варианте к плате будет подключен фоторезистор и RGB-светодиод, при этом RGB-светодиод будет подключен к плате с обязательным использованием токоограничительных резисторов к пинам с 13 по 15 (Рис. 2), а фоторезистор может быть подключен аналогично монтажной схеме ниже (Рис. 3).

Рисунок 2. Монтажная схема подключения RGB-светодиода

Рисунок 3. Возможный вариант подключения фоторезистора

Этап 2. Наложение Заклинания на Кристалл (написание кода).

На данном этапе необходимо предложить учащимся заготовки кода на языке MicroPython, которые могут быть использованы для программирования устройства в среде EsPy. В зависимости от уровня подготовки учащихся предлагаемые заготовки могут быть просто собраны воедино или содержать фрагменты, требующие доработок.

Представим вариант кода для реализации исходной базовой идеи при условии подключения RGB-светодиода и фоторезистора в соответствии с ранее предложенными схемами. В консоль EsPy после воздействия на фоторезистор будет выводиться сообщения о «подготовке» магического кристалла и предсказание.

from machine import Pin, PWM

import math

import time

_init()

adc = machine.ADC(0)

while True:

value = adc.read()

print(value)

if value<200:

print("Dumau...")

time.sleep(1)

LedPinB = 15

LedPinG = 14

LedPinR = 13

ledB = Pin(LedPinB, Pin.OUT)

ledG = Pin(LedPinG, Pin.OUT)

ledR = Pin(LedPinR, Pin.OUT)

pwmB = PWM(ledB)

pwmG = PWM(ledG)

pwmR = PWM(ledR)

pwmB.freq(500)

pwmG.freq(500)

pwmR.freq(500)

for j in range(3):

for i in range(100):

pwmB.duty(int(math.sin(i / 50 * math.pi) * 500 + 500))

time.sleep_ms(30)

print("Budesh schastlivym!") time.sleep(1)

Над совершенствованием кода программы могут работать учащиеся, обладающие достаточными знаниями в области программирования для оформления сияния магического кристалла в процедуру, а также вывода в консоль случайных сообщений из заранее заданного набора.

Этап 3. Первый сеанс связи (запуск и тестирование).

По готовности программы необходимо связать плату со средой программирования, выбрав подходящий порт, и запустить программу на исполнение. Вполне возможно, что в терминале учащиеся увидят сообщения об ошибках, которые могут быть, в первую очередь, связаны с неправильным подключением компонентов устройства, а также с неверной расстановкой табуляции при копировании фрагментов кода.

При первом запуске необходимо оценить удовлетворенность работой магического кристалла: не слишком ли долго происходит подготовка к выводу предсказания; меняется ли цвет RGB-светодиода; корректно ли происходит вывод в консоль. Также можно будет избавиться от строки «print(value)», которая позволяла выводить текущие показания освещенности.

Этап 4. Изучение магических закономерностей (анализ и доработка).

Учитывая, что проделанная часть работы была направлена на рассмотрение функционирования фоторезистора, содержание ее выглядит довольно скромным. Однако, сам проект может быть доработан, помимо уже упомянутого выше, с точки зрения визуальной составляющей, воплощение которая может найти в веб-интерфейсе. Кроме того, такая доработка позволит осуществить погружение в технологии интернета вещей [2].

Для этого необходимо будет использовать библиотеку micropyserver, которую предварительно необходимо загрузить в файловую систему микроконтроллера, а также задействовать знания учащихся из области HTML или так же предложить заготовки, учитывая малый объем доступной микроконтроллеру памяти. При отсутствии необходимости обращаться к технологиям интернета вещей можно предложить учащимся усовершенствовать вывод сообщений и реализовать его с помощью TFT или LCD-дисплея.

Таким образом учащиеся получат возможность в интересной форме узнать о работе одного из часто применяемых компонентов электронных наборов – фоторезисторе, а также при желании углубят свои представления о технологиях интернета вещей, доработав и усовершенствовав магические кристаллы.