الدوائر المجنونة: نظام تعلم إلكتروني مفتوح المصدر: 8 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:40

بواسطة BrownDogGadgetsBrownDogGadgets اتبع المزيد من المؤلف:

حول: كنت أقوم بتدريس العلوم في المرحلة الإعدادية ، لكنني الآن أدير موقع الويب الخاص بي للعلوم التربوية عبر الإنترنت. أقضي أيامي في تصميم مشاريع جديدة للطلاب وصانعيها. المزيد حول BrownDogGadgets »

يغمر سوق التعليم والمنزل أنظمة "التعلم" للإلكترونيات المعيارية المصممة لتعليم الأطفال والبالغين مفاهيم STEM و STEAM الرئيسية. يبدو أن منتجات مثل LittleBits أو Snapcircuits تهيمن على كل دليل هدايا الأعياد أو مدونة الوالدين للألعاب التعليمية. ومع ذلك ، فإن هذه الأنظمة تأتي دائمًا برسوم باهظة الثمن ويشعر الكثير منها بالألعاب أكثر من كونها أدوات تعليمية.

منذ حوالي ثلاث سنوات ، بدأنا في تصميم Crazy Circuits كنظام منخفض التكلفة ، وقابل لإعادة الاستخدام ، ومعياري ، وغير ملحوم ، وممتع ، ويمكن استخدامه كأداة تعليمية فعلية. أردنا شيئًا يمكن للآباء والمعلمين دمجه بسهولة مع مجموعات لديهم بالفعل أو مكونات غير مكلفة متوفرة على الرف. شيء يستمتع به كل من مجتمع Maker وكذلك الشخص البالغ العادي.

في النهاية ، كانت Crazy Circuits كل ما كنا نأمله وأكثر. يعمل النظام بشكل لا تشوبه شائبة مع أي بيئة قائمة على LEGO ، ويمكن استخدامه بسهولة مع خيط موصّل للخياطة ، ويمكن توسيعه بسهولة من الدوائر البسيطة إلى أعلى من خلال البرمجة الأساسية. أوه ، وكان من الممتع استخدامه أيضًا مما جعل حياتنا كلها أسهل.

في هذا المقال سوف نوضح لك كيف صممنا مكونات Crazy Circuits ، منهجنا ، كيف يمكنك صنع وتصميم الأجزاء الخاصة بك ، والطرق التي تعمل بها Crazy Circuits مع الأنظمة الأخرى.

الكشف الكامل: نبيع أجزاء وأطقم Crazy Circuits ، ومع ذلك يمكنك بسهولة استخدام ملفاتنا مفتوحة المصدر للحصول على لوحاتك الخاصة أو تصميم أجزائك الخاصة. يمكنك استخدام هذا النظام لجميع أنواع الأشياء ولا ترسل لنا فلسًا واحدًا.

Give Aways: نحاول شيئًا جديدًا في عام 2019. نحن نقدم قطعًا ومجموعات مجانية للأشخاص (المقيمين في الولايات المتحدة فقط) الذين يتابعوننا على التعليمات و facebook و instagram و youtube. على الأرجح سنقوم بالتخلي عن مجموعتين من المجموعات الكاملة والأجزاء النهائية ومركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور الفارغة. ما عليك سوى المتابعة أو الاشتراك وسنبدأ في التخلي عن الأشياء.

الخطوة 1: الفلسفة وراء الدوائر المجنونة

عندما كنت مدرسًا ، شعرت بالانزعاج حقًا لأنني لا أستطيع تحمل تكاليف أنظمة إلكترونية فاخرة لفصلي ، على الرغم من أن كل مؤتمر تعليمي أو خدمة كنت أحضرها استمرت في التوصية بها. لم يكن لدي ميزانية لمجموعة 100 دولار تأتي من خمسة أجزاء وفي أحسن الأحوال ستبقي ثلاثة طلاب مشغولين لمدة خمس دقائق. انتهى بي الأمر بفعل ما يفعله معظم معلمي العلوم واشتريت للتو أجزاء خام رخيصة من eBay و Amazon ، لكن هذا تطلب مني القيام بالكثير من أعمال تخطيط الدروس وتصميم الأنشطة الجديدة. وجدت أيضًا أن طلابي الصغار واجهوا صعوبة في لف رؤوسهم حول ألواح التجارب.

تمكنت أخيرًا من الحصول على بعض التمويل لشراء بعض مجموعات LittleBits لاستخدامها مع نادي العلوم بعد المدرسة. لقد كان استخدامهم ممتعًا (ولكي أكون صادقًا ، نظام مُجمع جيدًا) ، لكن عندما طلبت من طلاب المدرسة الإعدادية شرح كيفية عملهم ، تلقيت إجابتي المفضلة للعام "لا أعرف ، المغناطيس؟". كان هؤلاء أطفالًا كانوا يبنون بعض الدوائر المعقدة قبل أسابيع ، ومع ذلك ظهر LittleBits كلعبة أكثر من أي شيء آخر.

عندما بدأنا في العصف الذهني لنظام معياري ، أردنا التأكد من أن الطلاب على دراية بكيفية تفاعل الأجزاء وتمكنوا بعد ذلك من رسم أوجه التشابه مع الأجزاء المشتركة. علمنا أيضًا أننا بحاجة إلى شيء يشبه اللوح ، ولكن من الأسهل لف رؤوسهم أكثر من اللوح الفعلي. كان علينا أيضًا أن نجعلها ممتعة وجذابة.

قبلت التحدى!

الخطوة الثانية: لماذا LEGO؟

"تحميل =" كسول"

أخيرًا ، كان علينا معرفة كيفية ربط كل شيء معًا. قررنا على الفور أننا كرهنا فكرة الأسلاك ومقاطع التمساح. سلب من بساطة كل شيء. لقد أحببنا استخدام الشريط الموصل ولكن كان من المستحيل استخدام الشريط النحاسي. يمكننا إزالة الشريط لكنه لن يعود مرة أخرى. حتى أننا حاولنا استخدام خيط موصل ولكن ثبت أنه من المستحيل التحكم فيه. بعد ساعات طويلة على Skype مع مصنع شرائط في الصين ، قمنا بتصنيع بعض شريط النايلون الموصل المخصص (شريط صانع) والذي كان قويًا بما يكفي لتقشيره مرة أخرى ، ولكنه غير مكلف بما يكفي للتنافس مع شريط رقائق النحاس العادي.

بفضل حقيقة أن لدينا مجموعة كبيرة من اختبار ثنائي الفينيل متعدد الكلور مع ثقوب مختلفة الحجم موجودة في ورشة العمل الخاصة بنا ، تمكنا بسرعة من إيجاد تباعد في الحجم سمح لنا بعمل ضغط مناسب باستخدام شريط نايلون موصل. وبهذه الطريقة ، كان على الطلاب إنهاء الشريط الخاص بهم في مكان محدد: كان عليهم أن يأخذوا وقتًا في الواقع ويصمموا دائرتهم. سمح لنا هذا الجانب بتحويل Crazy Circuits إلى أداة تعليمية ، وليس مجرد لعبة.

كان لاستخدام الشريط 1/8 بوصة أيضًا فائدة جانبية غريبة تتمثل في السماح بدوائر من طبقتين. عادةً ما نضع الشريط فوق الجزء العلوي من ترصيع LEGO ، لكن الشريط 1/8 بوصة يعمل أيضًا بشكل مثالي أيضًا للانتقال بين ترصيع LEGO. يمكن للناس صنع جميع أنواع الدوائر المعقدة باستخدام شريط على LEGO. (على الرغم من كونه محرجًا بعض الشيء. إذا لم يكن هناك شيء آخر ، فقد سمح للطلاب "بالقفز" على سطر موجود بقليل من الجهد فقط.)

قد تستخدم الدائرة النموذجية الأساسية مفتاح تبديل وحامل بطارية ومصباح LED. بالنسبة لجميع أجزائنا ، استخدمنا غربلة حريرية بيضاء لتعيين أعمدة GND (سلبية) والجانب الملون للإشارة إلى الأقطاب الموجبة. يظهر لي الفيديو أعلاه صنع دائرة بسيطة. وضع الشريط ، تناسب الضغط على الأجزاء ، إضافة القوة.

الخطوة 5: الخيط الموصل

أثناء الاختبار اكتشفنا أن الخيط الموصل يعمل جيدًا مع أجزائنا. اتضح أن الثقوب النحاسية الكبيرة جعلت الخياطة الموصلة سهلة حقًا. فضل بعض المختبرين لدينا الخياطة باستخدام أجزائنا بدلاً من استخدامها مع LEGO.

إذا لم تستخدم سلسلة التوصيل قبل أن تجربها من قبل! عادة ما يكون خيط فولاذي / نايلون يعمل بشكل جيد. من السهل جدًا خياطة اليد بها ، كما أن الخياطة على الأجزاء ليست أكثر صعوبة من خياطة الزر. لقد ذهبنا إلى حد صنع قمصان تفاعلية معقدة باستخدام Arduino. الجزء الجميل في الخياطة الموصلة هو أنه إذا كنت تكره مشروعك حقًا ، فيمكنك دائمًا إزالة الأجزاء واستخدامها في شيء آخر.

يتمثل نشاطنا "go to" للأطفال في جعلهم يصنعون سوارًا سريعًا باستخدام زر LED وحامل بطارية ومجموعة من اللقطات. يتم وضع اللقطات في نهاية السوار وتستخدم لإكمال الدائرة. قمنا بتجميع ملف PDF جميل قابل للطباعة إذا أراد أي شخص استخدامه في ورش العمل أو الأنشطة المنزلية.

الخطوة 6: الأحبار والعجائن الموصلة

في البداية كنا ميتين على جعل أجزائنا تعمل بأحبار موصلة. هذا فقط يعمل بشكل جزئي.

حبر موصل عاري

هذا الحبر الموصل يشبه إلى حد كبير الطلاء المنتفخ. من السهل الطلاء على أي سطح ، وهو غير مكلف إلى حد ما ، ويمكن غسله بالماء لسهولة التنظيف. الجانب السلبي هو أن الجرافيت ليس موصلاً للغاية ويعمل حقًا كمقاوم كبير أكثر من أي شيء آخر. لم يكن لدينا أي مشاكل في توصيله بأجزاء الدوائر المجنونة نظرًا لأنه كان بإمكاننا تجفيف نقاط الحبر فوق مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ولكن واجهنا مشكلات في نقل الطاقة في الدائرة بأمان.

ما استخدمناه في النهاية هو "نقطة لمس" طلاء سعوي للوحات Teensy LC المتوافقة مع Arduino. نقوم بتشغيل الشريط من ثنائي الفينيل متعدد الكلور إلى نقاط الطلاء ثم يلمس الناس الطلاء. هذا يسمح لجميع أنواع الإستنسل الممتعة أو البيانو الجداري أو المشاريع الفنية التفاعلية.

كاتب الدائرة

يعمل هذا الحبر الموصل تمامًا مثل القلم الهلامي الفضي ، إلا أنه يترك وراءه آثارًا موصلة للغاية على الورق. الجانب الإيجابي لهذا الحبر هو أن القطع موصلة للغاية وتعمل كقلم حقيقي. الجوانب السلبية هي أن الأقلام باهظة الثمن ، وتميل إلى الجفاف ، وعليك بطريقة ما تثبيت أجزائك على الورق من أجل إنشاء اتصال قوي.

كان لدينا في الأصل بعض المغناطيسات المخصصة التي تتناسب مع فتحات LEGO الخاصة بنا. إن GitHub Repo الخاص بنا مليء بالأجزاء القديمة التي تحمل علامة "متوافق مع المغناطيس". كانت النتيجة النهائية إما مصابة أو مفقودة وأدركنا أننا صنعنا للتو نسخًا سيئة من الأجزاء الإلكترونية التي صنعها Circuit Scribe بالفعل. كانت الفائدة الوحيدة هي إنشاء مشاريع أكبر قائمة على Arduino لأن Circuit Scribe لا تنتج أي لوحات Arduino ، ولكن وضع الكثير من المغناطيسات بالقرب من بعضها انتهى بالتسبب في مشاكلها الخاصة.

لقد أدركنا أيضًا أن أي شيء كنا نفعله بهذا الحبر يمكن أن نفعله بشريط موصل أفضل بكثير.

عجين دائري اسفنجي - عجين موصل

لطالما وجدت أن هذا أداة تعليمية ممتازة لتدريس الإلكترونيات الأساسية مع الطلاب الأصغر سنًا. ميزة العجين أنها مسلية للغاية ، خاصة مع قواطع البسكويت. الجانب السلبي هو أنه يجف (مثل أي عجين) كما أنه مقاوم للغاية.

نميل إلى استخدام العجين بنفس الطريقة التي نستخدم بها طلاء Bare Conductive Paint ، كنقطة اتصال لمشاريع اللمس التكاثفية. يضيف عنصرًا ممتعًا إلى المزيج. بالإضافة إلى ذلك ، إذا قمت بعمل قطعة كبيرة من العجين ، فسوف يتفاعل جسمك مع الدائرة قبل أن تلمسها. في بعض الأحيان تصل إلى بوصة واحدة. من الممتع دائمًا مشاهدة الأشخاص وهم يحاولون اكتشاف سبب حدوث ذلك.

الخطوة 7: Arduino و Raspberry Pi و Micro: Bit و Wireless Boards

إلقاء نظرة سريعة على GitHub Repo الخاص بنا وسترى أن لدينا الكثير من PCBs الكبيرة المصممة للعمل مع عدد من وحدات التحكم الصغيرة الشائعة. كانت إحدى شكاوينا الرئيسية حول الكثير من أنظمة البناء هي / هي أنها تدفع الناس إلى استخدام نظام برمجة ملائمة أو تسمح لك فقط باستخدام نظام أساسي واحد. مع تطور الأجهزة والبرامج باستمرار ، بدا من الغريب إغلاق الأشخاص أو جعلهم يرمون أجزاءً بعيدًا بعد بضع سنوات.

الخيار الأكثر وضوحًا للبدء بـ Arduino Nano (الذي أصبح مجلس الروبوتات الخاص بنا) نظرًا لصغر حجمه ونقطة السعر. كان هذا مثاليًا لمجموعة واسعة من مشاريع البرمجة ، مثل تأثيرات الإضاءة أو تشغيل الماكينات. قررنا أيضًا إنتاج إصدار أكثر ثراءً بالميزات يستخدم Teensy LC ، بشكل أساسي لإمكانيات اللمس السعوية. يحتوي Teensy LC (Invention Board) أيضًا على بعض ميزات محاكاة لوحة المفاتيح الرائعة ، وسرعان ما صنعنا بعض أدوات التحكم في الألعاب الممتعة باستخدامه. في العام الماضي ، صنعنا وحدة تحكم LEGO NES عملاقة ونشرناها على Instructables.

البرمجة ممتعة ولكن ليس كل شخص يريد أن يمر بالمتاعب. قمنا بتجميع لوحة مصممة حول شريحة ATtiny85 مبرمجة مسبقًا والتي تطفئ الومضات وتتلاشى. يستخدم إصدار الإنتاج الخاص بنا أجزاء SMT ، ومع ذلك ستجد نسخة من خلال الثقب في الريبو الخاص بنا. إنها مفيدة للمشاريع الصغيرة مثل قميص عيد الميلاد القبيح أو بعض النجوم المتلألئة.

أحد الأشياء التي أهملنا القيام بها هو تلميع لوحات Raspberry Pi Zero و Micro: Bit. بشكل عام ، نحب Micro: Bit والمجتمع الذي نشأ حوله. أما بالنسبة للوحة Raspberry Pi Zero الخاصة بنا … فليس لدينا أي فكرة حرفياً عما يجب أن نفعله بها. على محمل الجد ، شخص ما يصنع شيئًا مثيرًا للاهتمام به وسنرسل لك بعض الأجزاء.

كانت لدينا أيضًا فكرة غريبة عن محاولة تجميع بعض المشاريع اللاسلكية. نحن معًا لوحات لـ Particle Photon Board ، واثنين من لوحات Adafruit Feather ، ولوحة NodeMCU الشائعة. لقد اعتمدناها على نفس التصميم الأساسي مثل Nano PCB الخاص بنا مع صف من رؤوس الدبوس في الجانب الخلفي.

الخطوة الثامنة: الخطط المستقبلية؟

نحن حاليًا في منتصف عملية تصنيع ثالثة للأجزاء حيث تذهب معظم مبيعاتنا إلى المدارس والمكتبات ومساحات Maker Spaces. لقد تلقينا الكثير من التعليقات القوية من المستخدمين من جميع الأعمار مما ساعدنا في تصميم أجزاء أفضل.

منهاج دراسي

كان أحد أكثر الطلبات شيوعًا هو المناهج الجاهزة للفصول الدراسية. تكوين المشاريع أمر بسيط ؛ يعد تخصيص ستة أسابيع من الموارد للطلاب والمعلمين أكثر صعوبة. بحلول نهاية شهر آذار (مارس) ، سننشر مسودات المناهج الأولى على موقعنا مجانًا ليستخدمها أي شخص. سيكون لدينا مساران ، أحدهما للدوائر الأساسية والآخر للبرمجة الأساسية. سيتمركز كلاهما حول أجزاء Crazy Circuits الخاصة بنا ، ومع ذلك يمكن تعديلها بسهولة لاستخدام أجزاء الرف.

المزيد من أجزاء خط الإنتاج

نحن نتلقى حاليًا طلبات قطع غيار جديدة. العملية بطيئة ولكننا نريد إضافة قطعتين جديدتين إلى تشكيلتنا في وقت لاحق من هذا العام. نأمل أن نكون قادرين على تصنيع بعض مقاييس الجهد ومكونات NeoPixel والبدء في إضافتها إلى مجموعاتنا. لقد كنا محظوظين بما يكفي لأن لدينا بعض المعجبين المتحمسين الذين صمموا مكوناتهم الخاصة وشاركوها معنا ، ونأمل أن يفعل المزيد من الناس في المستقبل.

الالتزام بالمصدر المفتوح

قد يبدو أننا نتغلب على حصان ميت ، لكننا نحب حقًا أن تكون مكوناتنا مفتوحة المصدر. سنستمر في الإضافة إلى موارد المشروع والمناهج وملفات التصميم. نأمل حقًا أن يبدأ كل من المستخدمين المتقدمين والضوضاء في إنشاء أجزاء خاصة بهم أو تعديلها لمشاريع جديدة.

الجائزة الثانية في مسابقة PCB