Arduino Blink-Herausforderung

Design-Herausforderung

Sie sind Teil eines Teams von Ingenieuren, die die Herausforderung haben, Arduino zu verwenden, um ein Licht für 5 Sekunden an- und für 2 Sekunden auszuschalten. Die Anweisungen und der Code auf den Schülerarbeitsblättern helfen Ihnen zu sehen, wie Sie das Arduino so programmieren, dass es für eine Sekunde blinkt ein und eine Sekunde aus.

Eigenschaften

• Das Licht muss in einem Intervall von 5 Sekunden an und 2 Sekunden aus ein- und ausgeschaltet werden.

Einschränkungen

Verwenden Sie nur die bereitgestellten Materialien.

1. Teilen Sie die Klasse in Zweierteams auf.
2. Verteilen Sie das Arbeitsblatt Arduino Blink Challenge sowie einige Blätter Papier zum Skizzieren von Designs.
3. Besprechen Sie die Themen im Abschnitt Hintergrundkonzepte. Erwägen Sie, die Schüler zu fragen, wie die Ampeln für den Verkehr zeitlich umgestellt werden.
4. Überprüfen Sie den Konstruktionsprozess, die Konstruktionsherausforderung, die Kriterien, Einschränkungen und Materialien.
5. Stellen Sie jedem Team seine Materialien zur Verfügung.
6. Erklären Sie, dass die Schüler ihr Arduino Board einrichten und so programmieren müssen, dass es „blinkt“. Das LED-Licht muss sich in einem Intervall von 5 Sekunden an und 2 Sekunden aus ein- und ausschalten.
7. Weisen Sie die Schüler an, ihre Arduino Boards einzurichten. Verwenden Sie das schrittweise Arduino-Setup-Tutorial im Abschnitt "Testmaterialien und -prozess".
8. Teams programmieren ihre Arduino Boards
9. Die Teams testen ihre Arduino-Boards, indem sie demonstrieren, dass das Licht in einem 5-Sekunden-Ein- und 2-Sekunden-Aus-Intervall ein- und ausgeschaltet wird.
10. Besprechen Sie in der Klasse die Reflexionsfragen der Schüler
11. Weitere Inhalte zum Thema finden Sie im Abschnitt „Tiefer graben“.

Erweiterungsidee

Fordern Sie die Schüler auf, das Arduino im SOS-Muster blinken zu lassen ... oder lassen Sie sie drei andere Aktivitäten auswählen (einen Ventilator betreiben, eine Ampel machen usw.).

Studentenreflexion (technisches Notizbuch)

1. Welche Herausforderungen hatten Sie, wenn überhaupt, den Arduino so zu programmieren, dass er in 1-Sekunden-Intervallen ein- und ausgeschaltet wird? Wie haben Sie alle Herausforderungen gelöst, auf die Sie gestoßen sind?
2. Konnten Sie den Code anpassen, um die Intervalle auf 5 Sekunden an und 2 Sekunden aus zu ändern?
3. Glauben Sie, dass diese Aktivität im Team lohnender war, oder hätten Sie es vorgezogen, allein daran zu arbeiten? Wieso den?
4. Was haltet ihr vom Arduino? War es für Sie und Ihr Team eine gute Möglichkeit, grundlegende Computerprogrammierung zu erlernen?
5. Wie kompliziert oder anders wäre Ihrer Meinung nach Code, um einem Mobiltelefon Anweisungen zum Abspielen eines bestimmten Klingeltons zu geben?
6. Glauben Sie, dass Bremslichter Computerprogrammierung verwenden, um ein Muster für Lichtwechsel an Kreuzungen bereitzustellen? Wie wurden Ihrer Meinung nach Ampeln vor der Computertechnologie koordiniert?

Der Unterricht kann für ältere Schüler in nur 1 Unterrichtsstunde durchgeführt werden. Um den Schülern zu helfen, sich nicht gehetzt zu fühlen, und um den Erfolg der Schüler sicherzustellen (insbesondere für jüngere Schüler), teilen Sie die Lektion in zwei Abschnitte auf, damit die Schüler mehr Zeit für Brainstorming, Testideen und die Fertigstellung ihres Designs haben. Führen Sie die Tests und Nachbesprechungen in der nächsten Unterrichtsstunde durch.

• Arduino: Eine Open-Source-Plattform für physische Computer basierend auf einer einfachen Mikrocontrollerplatine und einer Entwicklungsumgebung zum Schreiben von Software für die Platine.
• Computerprogrammierung (oft abgekürzt als Programmieren oder Codieren): Der Prozess des Entwerfens, Schreibens, Testens, Debuggens und Pflegens des Quellcodes von Computerprogrammen.
• Einschränkungen: Einschränkungen bei Material, Zeit, Teamgröße usw.
• Kriterien: Bedingungen, die das Design erfüllen muss, wie seine Gesamtgröße usw.
• Ingenieure: Erfinder und Problemlöser der Welt. In den Ingenieurwissenschaften werden XNUMX Hauptfachgebiete anerkannt (siehe Infografik).
• Engineering Design Process: Verfahrensingenieure verwenden, um Probleme zu lösen. 
• Engineering Habits of Mind (EHM): Sechs einzigartige Denkweisen von Ingenieuren.
• Iteration: Test & Redesign ist eine Iteration. Wiederholen (mehrere Iterationen).
• Prototyp: Ein Arbeitsmodell der zu testenden Lösung.

Internetverbindungen

• Arduino

Literatur-Empfehlungen

• Beginn der Programmierung (ISBN: 978-0672337000)
• Hallo Welt! Computerprogrammierung für Kinder und andere Anfänger (ISBN: 978-1617290923)
• Arduino programmieren Erste Schritte mit Skizzen (ISBN: 978-1259641633)

Aktivität schreiben

Schreiben Sie einen Aufsatz oder einen Absatz, der drei Hauptprodukte oder -systeme auflistet, die überwältigend von der Computerprogrammierung beeinflusst wurden.

Anpassung an Curriculum Frameworks

Hinweis: Die Unterrichtspläne dieser Reihe richten sich nach einem oder mehreren der folgenden Standards:  

• US Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• Wissenschaftsstandards der nächsten Generation der USA (http://www.nextgenscience.org/) 
• Standards der International Technology Education Association für technologische Kompetenz (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• US National Council of Teachers of Mathematics' Principles and Standards for School Mathematics (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• US Common Core State Standards für Mathematik (http://www.corestandards.org/Math)
• Computer Science Teachers Association K-12 Standards für Informatik (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht Klasse 5-8 (Alter 10-14)

INHALTSSTANDARD A: Wissenschaft als Anfrage

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln

• Fähigkeiten, die für wissenschaftliche Untersuchungen erforderlich sind 

INHALTSSTANDARD B: Physikalische Wissenschaft

Als Ergebnis ihrer Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für

• Eigenschaften und Veränderungen von Eigenschaften in Materie 
• Energieübertragung

INHALTSSTANDARD E: Wissenschaft und Technologie

Aufgrund der Aktivitäten in den Klassen 5 bis 8 sollten sich alle Schüler entwickeln

• Fähigkeiten des technologischen Designs 
• Verständnis für Wissenschaft und Technologie

INHALTSSTANDARD F: Wissenschaft in persönlicher und sozialer Perspektive

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln

• Risiken und Vorteile 
• Wissenschaft und Technologie in der Gesellschaft 

INHALTSSTANDARD G: Geschichte und Natur der Wissenschaft

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln

• Wissenschaft als menschliches Unterfangen 
• Wissenschaftsgeschichte 

Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht Klasse 9-12 (Alter 14-18)

INHALTSSTANDARD A: Wissenschaft als Anfrage

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln

• Fähigkeiten, die für wissenschaftliche Untersuchungen erforderlich sind 

INHALTSSTANDARD B: Physikalische Wissenschaft 

Als Ergebnis ihrer Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für

• Wechselwirkungen von Energie und Materie 

INHALTSSTANDARD E: Wissenschaft und Technologie

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln

• Fähigkeiten des technologischen Designs 
• Verständnis für Wissenschaft und Technologie 

INHALTSSTANDARD F: Wissenschaft in persönlicher und sozialer Perspektive

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln

• Wissenschaft und Technologie in lokalen, nationalen und globalen Herausforderungen 

Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht Klasse 9-12 (Alter 14-18)

INHALTSSTANDARD G: Geschichte und Natur der Wissenschaft

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln

• Wissenschaft als menschliches Unterfangen 
• Historische Perspektiven 

Wissenschaftsstandards der nächsten Generation, Klassen 3-5 (Alter 8-11)

Energie

Schüler, die Verständnis zeigen, können:

• 4-PS3-4. Wenden Sie wissenschaftliche Ideen an, um ein Gerät zu entwerfen, zu testen und zu verfeinern, das Energie von einer Form in eine andere umwandelt.

Ingenieur-Design 

Schüler, die Verständnis zeigen, können:

• 3-5-ETS1-1.Definieren Sie ein einfaches Entwurfsproblem, das einen Bedarf oder einen Wunsch widerspiegelt, das festgelegte Erfolgskriterien und Einschränkungen hinsichtlich Material, Zeit oder Kosten enthält.
• 3-5-ETS1-2. Generieren und vergleichen Sie mehrere mögliche Lösungen für ein Problem, basierend darauf, wie gut jede die Kriterien und Einschränkungen des Problems wahrscheinlich erfüllt.
• 3-5-ETS1-3.Planen und führen Sie faire Tests durch, bei denen Variablen kontrolliert und Fehlerpunkte berücksichtigt werden, um Aspekte eines Modells oder Prototyps zu identifizieren, die verbessert werden können.

Wissenschaftsstandards der nächsten Generation, Klassen 6-8 (Alter 11-14)

Ingenieur-Design 

Schüler, die Verständnis zeigen, können:

• MS-ETS1-1 Definieren Sie die Kriterien und Einschränkungen eines Entwurfsproblems mit ausreichender Präzision, um eine erfolgreiche Lösung sicherzustellen, unter Berücksichtigung relevanter wissenschaftlicher Prinzipien und potenzieller Auswirkungen auf Mensch und Natur, die mögliche Lösungen einschränken können.

CSTA K-12 Informatikstandards Klasse 6-9 (Alter 11-15)

Computerdenken: 

• 13. Den Begriff der Hierarchie und Abstraktion in der Datenverarbeitung verstehen, einschließlich Hochsprachen, Übersetzung, Befehlssatz und Logikschaltungen.

Zusammenarbeit: 

• 1. Wenden Sie Produktivitäts-/Multimedia-Tools und Peripheriegeräte für die Gruppenzusammenarbeit an und unterstützen Sie das Lernen während des gesamten Lehrplans.
• 3. Arbeiten Sie mit Kollegen, Experten und anderen zusammen, indem Sie kollaborative Praktiken wie Pair Programming, die Arbeit in Projektteams und die Teilnahme an aktiven Lernaktivitäten in der Gruppe anwenden.
• 4. Ausstellungsdispositionen, die für die Zusammenarbeit notwendig sind: nützliches Feedback geben, Feedback integrieren, verschiedene Perspektiven verstehen und akzeptieren, Sozialisation.

CSTA K-12 Informatikstandards Klasse 6-9 (Alter 11-15)

Computerpraxis & Programmierung: 

• 1. Wählen Sie geeignete Tools und Technologieressourcen aus, um eine Vielzahl von Aufgaben zu erfüllen und Probleme zu lösen.
• 2. Verwenden Sie eine Vielzahl von Multimedia-Tools und Peripheriegeräten, um die persönliche Produktivität und das Lernen während des gesamten Lehrplans zu unterstützen.
• 5. Implementieren von Problemlösungen unter Verwendung einer Programmiersprache, einschließlich: Schleifenverhalten, bedingte Anweisungen, Logik, Ausdrücke, Variablen und Funktionen.
• 8. Demonstrieren Sie Dispositionen, die für offene Problemlösungen und Programmierung zugänglich sind (zB Komfort mit Komplexität, Beharrlichkeit, Brainstorming, Anpassungsfähigkeit, Geduld, Neigung zum Basteln, Kreativität, Herausforderung annehmen).
• 9. Sammeln und analysieren Sie Daten, die von mehreren Durchläufen eines Computerprogramms ausgegeben werden.

Computer & Kommunikationsgeräte: 

• 1. Erkennen Sie, dass Computer Geräte sind, die Programme ausführen.
• 3. Demonstrieren Sie ein Verständnis der Beziehung zwischen Hardware und Software.

CSTA K-12 Informatikstandards Klasse 9-10 (Alter 14-16)

Computerdenken: 

• 2. Beschreiben Sie einen Softwareentwicklungsprozess zur Lösung von Softwareproblemen (zB Design, Codierung, Test, Verifikation).

Zusammenarbeit: 

• 1. Arbeiten Sie in einem Team, um ein Software-Artefakt zu entwerfen und zu entwickeln.
• 4. Identifizieren Sie, wie die Zusammenarbeit das Design und die Entwicklung von Softwareprodukten beeinflusst.

Computerpraxis & Programmierung: 

• 3. Verwenden Sie verschiedene Debug- und Testmethoden, um die Korrektheit des Programms sicherzustellen (z. B. Testfälle, Unit-Tests, White-Box, Black-Box, Integrationstest)
• 4. Wenden Sie Analyse-, Entwurfs- und Implementierungstechniken an, um Probleme zu lösen (z. B. verwenden Sie ein oder mehrere Software-Lebenszyklusmodelle).
• 8. Erklären Sie den Programmausführungsprozess.

Computer & Kommunikationsgeräte: 

• 4. Vergleichen Sie verschiedene Eingabe- und Ausgabeformen.

CSTA K-12 Informatikstandards Klasse 10-12 (Alter 16-18)

Zusammenarbeit: 

• 3. Bewerten Sie Programme, die von anderen geschrieben wurden, auf Lesbarkeit und Benutzerfreundlichkeit.

Standards für technologische Kompetenz - alle Altersgruppen

Die Natur der Technologie

• Standard 3: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für die Beziehungen zwischen Technologien und die Zusammenhänge zwischen Technologie und anderen Studienbereichen.

Technologie und Gesellschaft

• Standard 4: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für die kulturellen, sozialen, wirtschaftlichen und politischen Auswirkungen der Technologie.
• Standard 6: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für die Rolle der Gesellschaft bei der Entwicklung und Nutzung von Technologie.
• Standard 7: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für den Einfluss der Technologie auf die Geschichte.

Design

• Standard 8: Die Schüler entwickeln ein Verständnis für die Eigenschaften von Design.
• Standard 9: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für Ingenieurdesign.
• Standard 10: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für die Rolle von Fehlerbehebung, Forschung und Entwicklung, Erfindung und Innovation sowie Experimentieren bei der Problemlösung.

Fähigkeiten für eine technologische Welt

• Standard 11: Die Studierenden entwickeln Fähigkeiten zur Anwendung des Designprozesses.
• Standard 12: Die Studierenden entwickeln Fähigkeiten zur Nutzung und Wartung von technologischen Produkten und Systemen.
• Standard 13: Die Schüler entwickeln Fähigkeiten zur Bewertung der Auswirkungen von Produkten und Systemen.

Die gestaltete Welt

• Standard 17: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für Informations- und Kommunikationstechnologien und können diese auswählen und nutzen.

Engineering Teamwork und Planung

Sie sind Teil eines Teams von Ingenieuren, die die Herausforderung haben, Arduino zu verwenden, um ein Licht für 5 Sekunden an- und für 2 Sekunden auszuschalten. Die Anweisungen und der Code unten helfen Ihnen zu sehen, wie Sie das Arduino so programmieren, dass es für eine Sekunde an und eine blinkt zweite aus.

Forschungsphase

Lesen Sie die Materialien, die Ihnen Ihr Lehrer zur Verfügung gestellt hat. Wenn Sie vor der Aktivität Zugang zum Internet haben, erkunden Sie die Arduino-Website und machen Sie sich mit der Logik des Programmiercodes vertraut.

Aufbau der Schaltung

Um die Schaltung aufzubauen, schließen Sie einen 220-Ohm-Widerstand an Pin 13 an. Befestigen Sie dann das lange Bein einer LED (das positive Bein, die Anode genannt) am Widerstand. Befestigen Sie das kurze Bein (das negative Bein, die sogenannte Kathode) an Masse. Schließen Sie dann Ihr Arduino-Board an Ihren Computer an, starten Sie das Arduino-Programm und geben Sie den folgenden Code ein. Hinweis: Die meisten Arduino-Boards haben bereits eine LED an Pin 13 auf der Platine selbst angebracht. Wenn Sie dieses Beispiel ohne angeschlossene Hardware ausführen, sollte diese LED blinken.

Sie können Ihr Blinklicht auch mit einem Steckbrett wie im obigen Bild einrichten. In diesem Fall verwenden Sie die Anschlüsse, um das Arduino mit dem Steckbrett zu verbinden und eine vollständige Schaltung zu erstellen, indem Sie einen anderen Anschluss zu Arduino zurückführen. Sie müssten auch ein separates Licht auf dem Steckbrett einbauen. Sie können diese Lektion so oder so machen … mit oder ohne Steckbrett – es hängt nur davon ab, welche Materialien Sie Ihnen zur Verfügung gestellt haben und ob Ihr Team Erfahrungen mit dem Steckbrett sammeln möchte.

Hinweis: Einige Inhalte und Bilder auf dieser Seite stammen von Arduino.cc über ihre Arduino-Erste Schritte-Anleitung (http://arduino.cc/en/Guide/HomePage)

schematisch

Diese Abbildung oder dieses Schema zeigt, wie die Schaltung für das Licht im Arduino funktioniert.

Code

Im folgenden Programm initialisieren Sie zunächst Pin 13 als Ausgangspin mit der Leitung

PinMode (13, OUTPUT);

In der Hauptschleife schalten Sie die LED mit der Zeile ein:

digitalWrite (13, HIGH);

Dies liefert 5 Volt an Pin 13. Dadurch entsteht eine Spannungsdifferenz zwischen den Pins der LED und leuchtet sie auf. Dann schaltest du es mit der Zeile aus:

digitalWrite (13, LOW);

Das nimmt Pin 13 wieder auf 0 Volt und schaltet die LED aus. Zwischen dem Ein- und Ausschalten möchten Sie, dass eine Person genügend Zeit hat, um die Änderung zu sehen, daher weisen die Befehle delay() den Arduino an, 1000 Millisekunden oder eine Sekunde lang nichts zu tun. Wenn Sie den Befehl delay() verwenden, passiert für diese Zeit nichts anderes.

/*
Blinken
Schaltet eine LED eine Sekunde lang ein und dann wiederholt eine Sekunde lang aus.

Dieser Beispielcode ist gemeinfrei.
*/

// Bei den meisten Arduino-Boards ist an Pin 13 eine LED angeschlossen.
// gib ihm einen Namen:
int geführt = 13;

// die Setup-Routine wird einmal ausgeführt, wenn Sie Reset drücken:
ungültig Setup() {
// Initialisieren Sie den digitalen Pin als Ausgang.
PIN-Modus(LED, AUSGABE);
}

// die Schleifenroutine läuft immer und immer wieder:
ungültig Schleife() {
digitalWrite(LED, HOCH); // schalte die LED ein (HIGH ist der Spannungspegel)
verzögern(1000); // warte kurz
digitalWrite(LED, LOW); // schalten Sie die LED aus, indem Sie die Spannung LOW machen
verzögern(1000); // warte kurz
}

Betrachtung

Vervollständigen Sie die folgenden Reflexionsfragen:

1) Welche Herausforderungen hatten Sie, wenn überhaupt, den Arduino so zu programmieren, dass er in 1-Sekunden-Intervallen ein- und ausgeschaltet wird? Wie haben Sie alle Herausforderungen gelöst, auf die Sie gestoßen sind?

2) Konnten Sie den Code anpassen, um die Intervalle auf 5 Sekunden an und 2 Sekunden aus zu ändern?

3) Glauben Sie, dass diese Aktivität im Team lohnender war, oder hätten Sie es vorgezogen, allein daran zu arbeiten? Wieso den?

4) Was denkst du über das Arduino? War es für Sie und Ihr Team eine gute Möglichkeit, grundlegende Computerprogrammierung zu erlernen?

5) Wie kompliziert oder anders denkst du wäre Code, um einem Mobiltelefon Anweisungen zum Abspielen eines bestimmten Klingeltons zu geben?

6) Glauben Sie, dass Ampeln Computerprogrammierung verwenden, um ein Muster für Lichtwechsel an Kreuzungen bereitzustellen? Wie wurden Ihrer Meinung nach Ampeln vor der Computertechnologie koordiniert?

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