Как и зачем начинать обучение младшего школьника цифровой электронике?
Господа! Меня несколько ошарашили результаты опроса и высказанная мне в частном порядке реакция читателей на мой недавний пост про викенд на озере Тахо. Оказывается, почти никому из вас не интересны горные лыжи, голливудские сериалы, романтика Дикого Запада, утонченные хвойные леса, каннибализм и даже сладкая товарищ radulova. Зато фото моего сына Альберта, который собрал схемку для демонтрации SCR (silicon controlled rectifier) на макетной плате - вызвала оживленный интерес и даже вопросы в личке ЖЖ. Что-ж, движимый интересом читателй, я расскажу об этом поподробнее.
Зачем учить школьника электронике? Это простой, надежный и нескучный способ тренировки абстрактного мышления с раннего возраста, и при этом дающий полезные навыки и даже возможное основание карьеры для взрослого возраста. Ребенок довольно легко понимает концепции электрического тока, функции сопротивления и конденсатора, работу диода и транзистора как переключателя. Сначала можно поотренироваться собирать простые схемки с этими элементами на макетной плате, а потом можно смело идти в цифровую электронику - вводить понятия логического элемента (gate), синхросигнала (clock) и D-триггера (D-flip-flop), делать всякие счетчики, мигающие огоньки, светофоры и сумматоры, а потом (для старших школьников) перейти к дизайну на FPGA параллельно с программированием микроконтроллеров для всяикх роботов.
Почему именно цифровую электронику, а не аналоговую? Дело вкуса, но мне кажется (поправьте меня, если я сейчас ляпну глупость) что аналоговую электронику можно реально понять только зная дифференциальные уравнения, что для ребенка 6-12 лет проблематично. А вот цифровую электронику можно понять безо всяких дифуров, из общих соображений (если конечно не залезать в физическую имплементацию транзистора, parasitic extraction и другие подобные вещи, не имеющие отношения к данному посту).
Зачем вводить сопротивление и конденсатор перед цифровыми схемами? Во-первых, почему бы и нет (на них нагляднее тренироваться просто механически собирать цепи), а во-вторых, сопротивление появится в первой же цифровой схемке - чтобы не пережечь светодиод, а конденсатор в первой же схеме с синхросигналом на основе таймера 555.
Нужно ли при этом ребенка учить паять? Нет, не нужно, тем более, что паяльник - очень опасная штука в руках ребенка (ожоги, токсичные испарения и т.д.). Простые схемы можно собирать без паяльника, втыкая проводки на макетной плате (breadboard), а если вы серьезно решили построить руками детей настоящий компьютер из микросхем малой степени интеграции (это странная идея, но допустим), то я рекомендую освоить такую технологию, как монтаж накруткой или wire wrap. Это способ соединения элементов на плате, накручивая проводки на штырьки с помощью специального приспособления. Никакого паяльника и очень надежно - оказывается монтаж накруткой использовался NASA для сборки компьютера, которые летал на Луну Мои сыновья (7 и 9 лет) очень заинтересовались монтажом накруткой, когда я им это показал, и быстро выучились, как это делать. Вот видео на YouTube иллюстрирующее основную идею - Wire Wrap Tutorial for electronics. К этому видео стоило бы добавить картинку с перфорированной платой и wire wrap IC socket (такого гнезда с длинными ножками, в которое вставляется микросхема - справа), но вы это нагуглите без меня. Тем более, что это нужно только, как я уже сказал, только для сборки больших поделок - сначала опробовать что-то (например схемку для генерации синхросигнала) на макетной плате, а затем сделать постоянный монтаж на отдельной перфорированной плате и использовать её в разных проектах как целый отдельный блок.
Но для большинства детских проектов достаточно просто макетной платы, набора деталек, проводков и хорошей книжки.
Я рекомендую в качестве основы обучения использовать наборы Tronix 1 и Tronix 2 от компании Gibson Sales Systems http://www.gssteched.com/. Почему именно эти, а не всевозможные другие детские наборы электроники?
Другие наборы можно разделить грубо говоря на три категории:
1. Наборы, в которых вводятся простые понятия, но из которых непонятно, как перейти к сложным схемам - например все оканчивается на одном логическом элементе (гейте).
2. Наборы, в которых строятся сложные схемы со всякими датчиками и фокусами, но которые ребенку ничего не объясняют. Ребенок может собирать сложные соединения по картинке, но если он не понимает физический и логический смысл действа, то пользы от этого будет меньше, чем от обучения вязания на спицах.
3. Наборы с микроконтроллерами. Это прикольный метод научиться программированию, но концепциям цифрового дизайна это не учит - просто вокруг программы появляются необычные устройства ввода-вывода.
К достоинствам наборов Tronix относятся:
1. По своей сути каждый набор представляет собой кучу стандартных частей из радиомагазина в полиэтиленовом пакетике и книжку. Все эти детали можно купить незавизимо даже в России. Более того, так как набор строится на дискретных элементах и микросхемах малой интеграции 1970-х годов (серия 4000), ярые ностальганты по СССР могли бы теоретически использовать даже советские аналоги большинства компонент.
2. Книжка представляет собой очень простое, внятное и при этом основательное введение всех базовых понятий - Tronix 1 вводит резисторы, кондесаторы, транзисторы, а Tronix 2 - логические элементы, триггеры и счетчики. За каждым понятием следует упражнение.
3. Кроме обучающих упражнений есть приколы, которые нравятся детям - всякие сирены, звуковые органы, гирлянды огоньков и т.д.
4. Автор наборов (Гэри Гибсон) занимается этими наборами 40 лет, причем его наборами обучали школьников, студентов и взрослых. Кроме этого он чинил телевизоры, работал в IBM и Lockheed Aircraft (электроника для военных самолетов).
5. После этих компонент можно делать переход на FPGA - теперь логичесткие элементы, триггеры и мультиплексоры будут не просто математическими абстракциями (что трудно для школьников), а будут связаны с конкретными образами.
К достоинству и одновременно недостатку набора следует отнести монтаж на макетной плате, в которой большая часть проводов скрыты. Это с одной стороны тренирует память и пространственное воображение детей, но с другой - делает даже простые схемы не очень наглядными. Я могу себе представить набор, в котором компоненты (логичесике элементы, сумматоры, микросхемы памяти) были бы заключены в относительно большие коробочки с большими гнездами, чтобы дети собирали скажем простой процессор на большом столе, где все было бы явно и наглядно. Также к этому можно прикрутить магниты и сделать такое же на магнитной доске в классе.
Теперь картинки:
Раскрытая книжка из набора Tronix 1:
Детали набора Tronix 1:
Пример упражнения из набора Tronix 1 - электронным метроном:
Список экспериментов в Tronix 1:
L01 - Basic Electronic Circuits
L02 - How to Read the Resistor Color Code
L03 - How to Use a Solderless Circuit Board
L04 - How to Read Capacitor Values
L05 - How a Resistor Works
L06 - How a Potentiometer Works
L07 - How a Photocell Works
L08 - How a Capacitor Works
L09 - How a Speaker Works
L10 - How a Diode Works
L11 - How an SCR Works
L12 - How an NPN Transistor Works
L13 - How a PNP Transistor Works
L14 - A Two-Transistor Oscillator
L15 - How an 555 IC Timer Works
L16 - Dual Burglar Alarm
L17 - Automatic Night Light
L18 - DC to DC Power Supply
L19 - Electronic Metronome
L20 - Electronic Motorcycle
L21 - Railroad Lights
L22 - Variable Speed Lights
L23 - Continuity Tester
L24 - Audio Generator
L25 - Electronic Police Siren
L26 - IC Screaming Box
L27 - Variable Timer
L28 - Moisture Detector
L29 - Morse Code Oscillator
L30 - Nose-Beeper Game
L31 - English Police Siren
L32 - Insanity Alarm Game
L33 - Electronic Organ
L34 - Ohm’s Law / E=I*R
L35 - Resistors in Series
L36 - Resistors in Parallel
L37 - Measuring Voltage with a MM
L38 - Watt’s Law / P=I*E
L39 - Kirchhoff’s Voltage Law (KVL)
L40 - Kirchhoff’s Current Law
Теория про конденсаторы из одного из предыдущий версий набора для детей этого же автора (Гэри Гибсона):
Раскрытая книжка из набора Tronix 2:
Детали набора Tronix 2:
Пример схемы, собранной на макетной плате: 555 таймер, счетчик, декодер из BCD в 7-сегментный дисплей, 7-сегментный дисплей:
Список экспериментов в Tronix 2:
1 .Digital vs Analog
2. Digital Terminology
3. Solderless Circuit Board Assembly
4. LED Logic Indicator Circuit
5. 'AND' Logic Gate with discrete components
6. 'OR' Logic Gate with discrete components
7. 'NOT' and 'YES' Logic Circuits
8. 'NOR' Logic Gate
9. 'NAND' Logic Gate
10. 2 'NAND' Logic Gate Clock
11. 'NAND' Logic Gate Timer
12. 2 'NAND' Logic Gate Memory Circuit
13. 555 Timer IC and formulas
14. Binary Counter Circuit (MOD16)
15. Decade Counter Circuit (MOD10)
16.2,4,8,16 Divider Circuit
17. Digital Readout LED display
18. Digital Readout Decoder Chip
19. Digital Counter with 7-Segment Display
20. Digital UP-DOWN Counter
21. 8-Output Multiplexer Circuit
22. Digital 'Chasing Lights' Circuit
23. Visual 'Logic Probe' Circuit
24. 'Touch-Activated' Pulse Generator
25. 555 Pulse Train Generator
26. Yes/No Decision Maker Circuit
27. Yes/No/Maybe Circuit
28. Stop-Action Timing Circuit
29. Digital 'Touch-Activated' Switch
30. Digital 'Stepping Touch-Activated' Switch
31. Digital 'Light-Activated' Counter Circuit
32. 'Winning Number' Generator
33. Digital Dice Circuit
34. Introduction to Flip-Flops
35. 'D' Flip-Flop circuits
36. 'J-K' Flip-Flops
37. Schmidt Trigger
38. Shift Registers
39. OP AMP Circuits
Если вы не ребенок, но никогда к этому делу не прикасались и хотите пройти все за викенд или в формате лабы, то я рекомендую первые 15 утражнений Tronix 1, после чего следущую последовательность упражнений Tronix 2:
Экспресс-программа для взрослых:
Упражнение 4. LED Logic Indicator Circuit - только если вы решили пропустить и Tronix 1
* Знакомство с макетной платой (breadboard)
* Почему нужен резистор на LED (иначе ток сожжет LED)
Упражнение 9. 'NAND' Logic Gate
* Концепция логического элемента (gate)
* Концепция таблицы истинности (truth table)
* Микросхема 4011 - содержит 4 NAND gates
* Как любой гейт (AND, OR, NOT, XOR) можно построить из NAND
Упражнение 13. 555 Timer IC and formulas
* Нужно для введения концепции синхросигнала (clock)
* Очень кратко - про RC и детали интерфейса микросхемы понимать не обязательно
Упражнение 35. 'D' Flip-Flop circuits
* Концепция D-триггера (D-flip-flop) - хранит 1 бит информации, изменение ввода между пульсами clock-а (синхросигнала) не изменяет значение на выводе
* Связь с конценцией Moore Machine - конечный автомат произвольной сложности можно построить из D-flip-flop и NAND gate
* 4013 содержит 2 D-flip-flop
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Moore-Automat-en.svg
Упражнение 14. Binary Counter Circuit (MOD16)
* Исследовательский вопрос лабы: Как построить counter, используя только NAND gates и D-flip-flops?
17. Digital Readout LED display
18. Digital Readout Decoder Chip
19. Digital Counter with 7-Segment Display
21. 8-Output Multiplexer Circuit
Необязательно: 22. Digital 'Chasing Lights' Circuit
38. Shift Registers
После этого можно покупать плату Digilent Basys2 Xilinx или Altera DE2 и переходить в мир взрослого цифрового дизайна на FPGA (теоретически имхо это можно делать в районе 8 класса). При этом микроконтроллеры можно учить и раньше, но это несколько другая тема, к которой я еще вернусь.
Poll