1-urok

kavsebfieksbilskjvhjr

dwwefwef

Использование электричества для общения

Рубрики: 9 класс, Физика, Математика, Информатика, Технология

Материал включает в себя

Материалы

Светодиод
Прищепка 1 10
Кусочек картона (примерно 10 х 7 см)
Кусочек одножильной проволоки (калибр 22, длина 30 см)
2 Держателя батареи типа АА
Батарейки АА
Винт (должен быть железным или стальным)
Катушка с магнитной проволокой калибра 32
Скрепки
Пластиковые стаканчики
Резистор 100 Ом
Круглый магнит

Многоразовые материалы

1 микроконтроллер (Arduino )
1 USB-кабель A-to-B для Arduino
1 макетная плата

Набор инструментов

щипцы для зачистки проводов
прозрачный скотч
линейка
ножницы
пистолет для горячего клея
наждачная бумага

Об уроке

Цели:

изучить основы электричества и его свойства
изучить влияние электричества на жизнь человека
построить телеграф
построить приемник азбуки Морзе
визуализировать данные при помощи Arduino

Ожидаемые результаты

Ученики должны развить понимание:

нахождение идеи для проекта

влияние электричества на жизнь человека
изучение литературы по данной области, работа с источниками
создание прототипов проекта
улучшение прототипа, исходя их полученных данных

Междисциплинарная связь

Физика (электричество и его виды)
Физика (работа с электроникой, вычисления)
Информатика (программирование)
Технология(сборка прототипа телеграфа)

Введение

Электричество — это удивительное явление, которое пронизывает нашу повседневную жизнь и играет важную роль в современном обществе. Оно возникает из движения электрических зарядов, чаще всего электронов, в проводниках. Изначально электричество было известно лишь как странный эффект, когда трение различных материалов создавало статический заряд. Но с развитием науки и технологий стало понятно, что электричество может быть управляемым и полезным явлением.

С появлением электричества возникли революционные изобретения, такие как лампа накаливания, телефон, электрические двигатели и многие другие, которые кардинально изменили промышленность, коммуникации и быт людей. Сегодня электричество стало неотъемлемой частью нашей повседневной жизни, обеспечивая освещение, питание домашних устройств, компьютеров, мобильных телефонов, а также является ключевой составляющей в производственных процессах и транспорте.

Электричество играет важную роль в сфере общения, обеспечивая передачу информации на большие расстояния с высокой скоростью. Вот несколько способов, как используется электричество для общения:

Телефония
Интернет
Электронная почта
Мобильная связь
Радио и телевидение
Социальные сети и мессенджеры.

Именно поэтому наш проект направлен на электричество как инструмент для общения. Модель телеграфа будет разработан для передачи электрических сигналов от передатчика к приемнику. Телеграф будет подключен к микроконтроллеру и обрабатывать данные. Таким образом мы изучим электричество, сможем смоделировать телеграф и увидим данные, поступающие с телеграфа и расшифруем их.

Использованные ресурсы:

[1] Электричество в повседневной жизни, ссылка.

[2] Значение электроэнергии в современной жизни, ссылка.

Урок 1. Ознакомление с проектом “Использование электричества для общения”

Цели:

изучить основы электричества и его свойства
изучить влияние электричества на жизнь человека
построить телеграф
построить приемник азбуки Морзе
визуализировать данные при помощи Arduino

На этом этапе урока объясняется природа электричества и его свойства, типы электричества и единицы измерения.

Далее совместно идет обсуждение влияние электричества на человеческую деятельность.

Групповая работа по изучению через какие этапы проходит, прежде чем попасть к нам домой.

Деление на группы:

4 группы на каждый вид человеческой деятельности
- как получить электричество?
- как передавать?
- как преобразовывать?
- как сохранить для использования?

Каждая группа вспоминает как электричество проходит через эти этапы.

Как получить?	Как передавать?	Как преобразовывать?	Как сохранить?

Далее учащиеся исследуют исторический феномен как “Война токов” [1]. Мини-исследование по на тему “Война токов”.

Речь пойдет о борьбе между переменным и постоянным токами. После этого заполняется таблица и идет обсуждение.

	Сторонники	Плюсы	Минусы
Постоянный ток
Переменный ток

Подводятся итоги урока и проводится рефлексия.

Война токов — Тесла против Эдисона, https://electricalschool.info/spravochnik/poleznoe/1630-vojjna-tokov-tesla-protiv-jedisona.html

Урок 2.

Ученики собирают экспериментальную установку, которая позволит передавать световые сигналы, используя светодиод и переключатель.

Инструкции к сборке

А теперь необходимо собрать цель и проверить установку.

Урок 3. Создание телеграфа

На этом уроке учащиеся:

создают телеграф для общения
собирают схему подключения телеграфа
собирают динамик для телеграфа
пишут программу для отображения

Инструкция к сборке

Также необходимо написать программу для отображения данных с телеграфа

Необходимо использовать монитор порта для вывода данных

Так как здесь используется сложная библиотека для работы с азбукой Морзе, то код здесь просто предоставляется учащимся и загружается.

const String DELIMETER = «,»; //Cordoba add-in expects a comma delimited string

const byte ledPin = 8; //LED output pin

const byte keyPin = 2; //telegraph key input pin

const byte speakerPin = 3; //cup speaker output pin

* Telegraph key state (0=off, 1=on)

byte keyState = 0;

* The timing of dots and dashes and spaces are very strict in the Morse Code specification.

* The following values are the actual values:

int wpm = 10; //words per minute — inidicates Morse Code speed

int unit = 1200/wpm; //Time = 1200/wpm = unit in milliseconds

int dotTime = unit; //dot mark duration

int dashTime = unit * 3; //dash mark duration

int markSpace = unit; //duration between marks

int signalSpace = unit * 3; //duration between letters

int wordSpace = unit * 7; //duration between words

* For practical purposes a range is going to give better results than specific timings.

* The following values are used in place of the strict values above.

* Play around with the values below to get the best results.

int dotMin = dotTime/4;

int dotMax = dashTime/2;

int dashMin = dotMax;

int dashMax = dashTime+(dotTime*2);

int signalSpaceMin = signalSpace*2;

int signalSpaceMax = wordSpace*2;

int wordSpaceMin = signalSpaceMax;

* Timestamps and intervals used to determine duration of marks and spaces

unsigned long currentTime = 0; //current timestamp

unsigned long markTime = 0; //start of a positive signal (dot or dash)

unsigned long spaceTime = 0; //start of absence of signal (space)

unsigned long markInterval = 0; //time interval for a mark

unsigned long spaceInterval = 0; //time interval for a space/pause

* Program control variables to determine markTime and spaceTime processing

bool startMark = 0; //boolean to indicate a current signal

bool gotMark = 0; //indicates that we got a mark and can now process markTime

bool startSpace = 0; //boolean to indicate a current pause

bool gotSpace = 0; //indicates that we got a pause and can now process spaceTime

bool firstMark = 0; //boolean to indicate that an intitial mark has been processed so we can now add space(s)

* Incoming serial data variables

String mInputString = «»; // string variable to hold incoming data

boolean mStringComplete = false; // variable to indicate mInputString is complete (newline found)

int mSerial_Interval = 75; // Time interval between serial writes

unsigned long mSerial_PreviousTime = millis(); // Timestamp to track serial interval

* Variables sent to Excel

String morseMessage = «»; //variable to hold our signal marks and spaces

const int charLimit = 20; //morseMessage character limit

byte charCount = 0; //number of marks and spaces in morseMessage

String signalArray[charLimit]; //array of signals sent from Excel

* Variables sent from Excel

int serialMode = 0; //1=Receive from Excel 0=Send to Excel

int receiveMessage = 0; //Process incoming Morse Code message from Excel

int clearMessage = 0; //Clear morseMessage

* setup()

* Initializations for Serial, input and output pins, and reserve space for morseMessage

void setup()

{

Serial.begin(9600); //Initialize Serial communications

pinMode(ledPin, OUTPUT); //Initialize LED output pin

pinMode(speakerPin, OUTPUT); //Initialize cup speaker output pin

pinMode(keyPin, INPUT); //Initialize telegraph key input pin

morseMessage.reserve(200); //reserve 200 bytes to avoid memory fragmentation issues

}

* loop()

* This is the main loop that determines program flow.

void loop()

{

processIncomingSerial(); //process program control variables and messages from Excel

if(serialMode==0)

{ //SEND TO EXCEL (decode in Excel)==============================

encodeOutgoingMorseCode(); //encode telegraph signals into Morse Code to send to Excel

} else { //RECEIVE FROM EXCEL (encode in Excel)=========================

decodeIncomingMorseCode(); //decode Morse signals into LED flashes and speaker tones

}

//send outgoing serial when we have a mark or space to send

if(gotMark) //if we have a mark

{

processOutgoingSerial(); //send to serial

gotMark = 0; //reset for new mark

}

if(gotSpace) //if we have a space

{

processOutgoingSerial(); //send to serial

gotSpace = 0; //reset for new space

}

/* ENCODE OUTGOING MORSE CODE /*

* encodeOutgoingMorseCode()

* Encodes telegraph key presses and the pauses in between into a series of marks and spaces.

* Spaces are processed while a signal is being received, marks are processed during pauses.

* 1. If received from Excel then Clear morseMessage

* 2. Determine keyState

* HIGH

* -turn on LED and Speaker for audio-visual indication of a key press

* -start a new mark (set markTime timestamp)

* -process previous pause (processSpaceTime)

* LOW

* -turn off LED and Speaker for audio-visual indication of a pause

* -start a new space (set spaceTime timestamp)

* -process previous mark (processMarkTime)

* 3. If there was a valid mark or pause the updated morseMessage is sent to Excel.

void encodeOutgoingMorseCode()

{

if(clearMessage){

clearMorseMessage(); //clears morseMessage string variable

}

keyState = digitalRead(keyPin); //read the telegraph key state

currentTime = millis(); //set the main timestamp

//when the key is pressed (mark)

if(keyState==HIGH)

{

digitalWrite(ledPin, HIGH); //turn on LED

tone(speakerPin, 800, 100); //send tone to speaker

if(!startMark) //start of a new mark

{

markTime = currentTime; //set markTime timestamp

startMark = 1; //we are tracking a mark

}

if(charCount < charLimit) //if we have more characters left then

{

processSpaceTime(); //encode the duration of time between key presses

}

//when the key is not pressed (pause/space)

if(keyState==LOW)

{

digitalWrite(ledPin, LOW); //turn off LED

if(!startSpace) //start of new space

{

spaceTime = currentTime; //set spaceTime timestamp

startSpace = 1; //we are tracking a space

}

if(charCount < charLimit) //if we have more characters left then

{

processMarkTime(); //encode the duration of time during key presses

}

* processMarkTime()

* This method determines the time interval that the telegraph key was pressed down and then

* encodes this duration into a Morse Code mark (dot or dash).

void processMarkTime()

{

if(startMark) { //if markTime has been set

if(firstMark==0) //if there are no marks yet morseMessage is cleared

{

clearMorseMessage();

}

markInterval = currentTime — markTime; //get the markInterval and

if(markInterval > dotMin) //if greater than dotMin

{

if(markInterval < dotMax) //and less than dotMax

{

morseMessage += «.»; //it’s a dot

}

if(markInterval > dashMin) //if greater than dashMin

{

if(markInterval < dashMax) //and less than dashMax

{

morseMessage += «-«; //it’s a dash

}

startMark = 0; //stop processing markTime

gotMark = 1; //either we got a mark or was too short/long so reset

firstMark = 1; //prevents any space before initial mark

}

* processSpaceTime()

* This method determines the time interval that the telegraph key was pressed down and then

* encodes this pause into a space between signals or a space between words.

void processSpaceTime()

{

if(firstMark){ //only process spaceTime after receiving an initial mark

if(startSpace){ //if spaceTime has been set

spaceInterval = currentTime — spaceTime; //get the spaceInterval

if(spaceInterval > signalSpaceMin) //if greater than signalMin

{

if(spaceInterval < signalSpaceMax) //and less than signalMax

{

morseMessage += «,»; //we have a new signal and need a new column in the serial message

charCount++; //increment character count

}

if(spaceInterval > wordSpaceMin) //anything greater than wordSpaceMin and

{

morseMessage += «, ,»; //we have a new word and need an empty column in the serial message

charCount = charCount + 2; //increment character count

}

startSpace = 0; //stop processing spaceTime

gotSpace = 1; //we got a new signal space or nothing

}

}else{

spaceTime = currentTime; //reset spaceTime

}

void clearMorseMessage()

{

morseMessage = » , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,»; //send all empty characters to refresh cordoba data

sendDataToSerial(); //send directly to serial

morseMessage = «»; //reset to empty string

charCount = 0; //reset character count

clearMessage = 0; //reset clearMessage

firstMark = 0; //reset firstMark

}

* ==========================================================================================================

* DECODE INCOMING MORSE CODE ===============================================================================

* ==========================================================================================================

* decodeIncomingMorseCode()

* Decodes incoming Morse Code into LED and speaker output.

* If a receiveMessage command is received from Excel:

* 1. Loops through each Morse Code signal in signalArray[]

* 2. Loops through each character

* 3. Determines mark or space and outputs LED and Speaker accordingly

void decodeIncomingMorseCode()

{

if(receiveMessage) //if we have a new message trigger from Excel

{

bool previousSpace = 0; //prevents waiting for empty signals to process

for(int c=0; c<charLimit; c++) //loop through signalArray

{

String morseCode = signalArray[c]; //get character from signalArray

for(int m=0; m<morseCode.length(); m++) //loop through each mark of each character

{

String mark = morseCode.substring(m, m+1); //get mark

//Interrupt so that switching modes can happen during decoding

processIncomingSerial(); //check incoming serial

if(serialMode==0) //if the mode has changed to 0

{ //then, to break out of loop

c=charLimit; //set c to maximum

m=c; //set m to maximum

}

//decode each mark

if(mark==».») //we have a dot

{

digitalWrite(ledPin, HIGH); //turn on LED

tone(speakerPin, 800, dotTime); //send tone to speaker

delay(dotTime); //delay for duration of dotTime

digitalWrite(ledPin, LOW); //turn off LED

delay(markSpace); //delay for a pause between marks

previousSpace = 0;

}

if(mark==»-«) //we have a dash

{

digitalWrite(ledPin, HIGH); //turn on LED

tone(speakerPin, 800, dashTime); //send tone to speaker

delay(dashTime); //delay for duration of dashTime

digitalWrite(ledPin, LOW); //turn off LED

delay(markSpace); //delay for a pause between marks

previousSpace = 0;

}

if(mark==» «) //we have a space

{

if(previousSpace==0) //if the last mark was not a space

{

delay(wordSpace); //add pause of wordSpace

previousSpace = 1; //indicates last mark was a space

}

if(previousSpace==0) //if the last mark was not a spac

{

delay(signalSpace); //add pause of signalSpace duration after each character

}

receiveMessage = 0; //reset message trigger (from Excel)

}

* ——————————————————————————————————-

* INCOMING SERIAL DATA FROM EXCEL PROCESSING CODE———————————————————

* ——————————————————————————————————-

void processIncomingSerial()

{

getSerialData();

parseSerialData();

}

* getSerialData()

* Gathers bits from serial port to build mInputString

void getSerialData()

{

while (Serial.available()) {

char inChar = (char)Serial.read(); // get new byte

mInputString += inChar; // add it to input string

if (inChar == ‘\n’) { // if we get a newline…

mStringComplete = true; // we have a complete string of data to process

}

* parseSerialData()

* Parse all program control variables and data from Excel

void parseSerialData()

{

if (mStringComplete) { // process data from mInputString to set program variables.

//set variables using: var = getValue(mInputString, ‘,’, index).toInt(); // see getValue function below

serialMode = getValue(mInputString, ‘,’, 0).toInt(); //Data Out worksheet cell A5

receiveMessage = getValue(mInputString, ‘,’, 1).toInt(); //Data Out worksheet cell B5

clearMessage = getValue(mInputString, ‘,’, 2).toInt(); //Data Out worksheet cell C5

for(int i=0; i<charLimit; i++)

{

String data = getValue(mInputString, ‘,’, i+3);

if(data==»») //if we get an empty string

{

signalArray[i] = » «; //add a space to the array

}else{

signalArray[i] = data; //otherwise add the data string

}

mInputString = «»; // reset mInputString

mStringComplete = false; // reset stringComplete flag

}

* getValue()

* Gets value from mInputString using an index. Each comma delimited value in mInputString

* is counted and the value of the matching index is returned.

String getValue(String mDataString, char separator, int index)

{

// mDataString is mInputString, separator is a comma, index is where we want to look in the data ‘array’

int matchingIndex = 0;

int strIndex[] = {0, -1};

int maxIndex = mDataString.length()-1;

for(int i=0; i<=maxIndex && matchingIndex<=index; i++){ // loop until end of array or until we find a match

if(mDataString.charAt(i)==separator || i==maxIndex){ // if we hit a comma OR we are at the end of the array

matchingIndex++; // increment matchingIndex to keep track of where we have looked

strIndex[0] = strIndex[1]+1; // increment first substring index

// ternary operator in objective c — [condition] ? [true expression] : [false expression]

strIndex[1] = (i == maxIndex) ? i+1 : i; // set second substring index

}

return matchingIndex>index ? mDataString.substring(strIndex[0], strIndex[1]) : «»; // if match return substring or «»

}

* ——————————————————————————————————-

* OUTGOING SERIAL DATA TO EXCEL PROCESSING CODE———————————————————-

* ——————————————————————————————————-

* processOutgoingSerial()

* Processes outgoing data once every mSerial_Interval

void processOutgoingSerial()

{

if((millis() — mSerial_PreviousTime) > mSerial_Interval){ // Enter into this only when interval has elapsed

mSerial_PreviousTime = millis(); // Reset serial interval timestamp

sendDataToSerial();

}

* sendDataToSerial()

* Sends morseMessage to Excel

void sendDataToSerial()

{

Serial.print(morseMessage);

Serial.println(); //send line ending to complete serial message

}

Урок 4. Учащиеся работают с телеграфом

Учащиеся учатся работать с телеграфом. Учащиеся набирают слова с помощью телеграфа и пытаются написать слова и отправить целое сообщение. Например, SOS … — — — …

Оценивание результатов обучения

Структура презентации проекта

Учащиеся создают в ходе уроков в группах от 2 до 4-х человек, предложенный STEM проект «Использование электричества для общения»

Структура и защита проекта

Проект состоит из следующих структурных элементов:

Презентация (указываются авторы, проблема, идея, способ решения, , выводы, перспективы).
Прототип (созданный рабочий прототип проекта в ходе уроков).
Ответы на вопросы при защите (навыки презентации проекта и понимание его актуальности)

Критерии оценивания проекта

	Критерии оценивания	Баллы	Комментарии
1	Формулирование проблемы исследования. Значимость и актуальность проблемы
2	Соответствие поставленных проблем, целей и задач тематике проекта
3	Структурирование содержания проекта: логичность и последовательность
4	Соответствие содержания тематике проекта:- степень раскрытия проблемы;- соответствие плану.
5	Рабочий прототип
6	Командная работав ходе работы над проектом, распределение ролейв ходе защиты
7	Ораторское мастерство
8	Ответы на вопросы
9	Творческий подход
	Количество баллов

Для оценивания проектной работы выделяются следующие критерии:

балл – не реализовано;
балла – реализовано частично;
балла – реализовано полностью. Максимальное количество баллов по проекту 27 баллов.

Перевод суммы баллов за работу в традиционные оценочные нормы рекомендуется осуществлять по следующей схеме:

Оценка «5» (отлично) выставляется за сумму 22-27 баллов. Оценка «4» (хорошо) соответствует сумме 16-21 баллов.

Оценка «3» (удовлетворительно) соответствует сумме баллов 11-16 баллов

qkuwdgvbeivwk


1 \| Возьмите лист картона размером 18 x 8 см, линейку и нож.		2 \| Используя пистолет для горячего клея, приклейте палочку для размешивания к центру картонной основы.

3 \| Возьмите два отрезка проволоки по 30 см. Используйте инструмент для зачистки проводов, чтобы снять примерно 2 см пластикового покрытия на обоих концах проводов.		4 \| Удалите кусок картона размером 5 см на 3 см выше и ниже палочки для перемешивания, как показано на рисунке.

5 \| Вырежьте полоску картона размером 2 см X 7 см, разместите ее по центру, совместите с разрезами 3 см и приклейте горячим клеем, как показано на рисунке.		6 \| Повторите шаг 5, приклеив полоску размером 2 см X 7 см поверх предыдущей полоски.

7 \| Нанесите капли клея на конец палочки для размешивания и выровняйте ее над палочкой там, где ее покрывает картон, и приклейте сверху еще одну палочку для размешивания, как показано на рисунке.		8 \| Прикрепите один из проводов к основанию и нижней палочке для перемешивания, как показано на рисунке.

9 \| Вырежьте круг из картона и вставьте палочку для размешивания в центр гофра.		10 \| Проденьте другую проволоку через центр гофра круга поверх палочки для перемешивания.

11 \| Согните зачищенный провод назад так, чтобы он согнулся над круглым куском картона.		12 \| Пропустите задние концы обоих проводов через гофр верхней картонной полосы сзади.

13 \| Проверьте свой ключ, чтобы убедиться, что провода соприкасаются друг с другом металл к металлу, когда вы нажимаете на него.		Поздравляем! Продолжайте выполнять остальные инструкции, чтобы закончить сборку телеграфа.


1 \| Вставьте светодиодную лампочку длинной ножкой (+) в макетную плату, как показано на схеме. Затем вставьте два провода от прищепки в макетную плату согласно схеме.		2 \| Поместите батареи в держатель и подключите провода к макетной плате. Если проволока изнашивается, скрутите волокна вместе.

3 \| Проверьте свою сигнальную лампу, нажав на выключатель. Это завершает вашу схему и приводит в действие светодиод.		Отлично! Вы закончили светодиодную сигнальную лампу.Эти части также будут использованы в следующем упражнении!


1 \| Измерьте ширину вашего магнита.		2 \| Сверните лист бумаги так, чтобы он был немного шире магнита, и закрепите его скотчем. Это будет использоваться для намотки провода

3 \| Оставьте примерно 15 см проволоки в начале и намотайте проволоку примерно 50 раз. Чем больше накрутишь, тем громче динамик.		4 \| Когда вы закончите катушку, обрежьте провод, оставив на конце вторые 15 см провода. Сдвиньте катушку с трубки.

5 \| Приклейте катушку клейкой лентой с противоположных сторон, затем аккуратно отшлифуйте концы проводов, сняв изоляцию.		6 \| Приклейте катушку ко дну чашки в центре.

7 \| Поместите магнит в центр катушки и закрепите его скотчем.		8 \| Отсоедините зажимы типа «крокодил» от проводов электромагнита и прикрепите к проводам чашеобразного динамика.


1 \| Снимите светодиод и провода с переключателя прищепки и динамика с макетной платы. Вы будете повторно вставлять их в новые точки.		2 \| Соедините Arduino Uno и макетную плату с помощью 5 перемычек, как показано на схеме. Цвет проводов полезен для организации, но не влияет на функциональность.
3 \| Поместите светодиодную лампочку так, чтобы более длинная ножка (+) располагалась, как показано на схеме.		4 \| Вставьте выводы резистора в макетную плату, как показано на рисунке.
5 \| Подсоедините провода переключателя прищепки к макетной плате.		6 \| Подсоедините динамик с пластиковой чашкой к макетной плате, вставив штыревые концы зажимов типа «крокодил», как показано на рисунке.