學生可以使用編碼和原型解決方案快速創(chuàng)建和學習

電子是當今的熱門話題，許多孩子們也期望了解并掌握這個重要技術(shù)的基本原理。本文是一個面向孩子們的基礎(chǔ)電子課程，將并以簡單有趣的方式教他們基礎(chǔ)知識，激發(fā)他們的興趣。

如今的電子電路是可編程的

與往昔的電子電路不同，如今的電子電路增加了可編程性。例如，一個復雜的系統(tǒng)現(xiàn)在由自動裝置、指示器和傳感器組成，只需一個小型微控制器（MCU）即可創(chuàng)建，而在過去，則需要由數(shù)千個電子元器件組成的大型電路來實現(xiàn)。

因此，當下年輕人的邏輯能力非常接近自動系統(tǒng)的行為。

目前的學校為學生提供了許多學習新方法的時間，例如他們非常早就接觸到了數(shù)字，為學習編碼打下了基礎(chǔ)。此外還有SAM Labs（參見圖 1），這是一種獨一無二的編碼資源，是用于設(shè)計、構(gòu)建和調(diào)整程序的實踐課程工具包，包括尖端編碼軟件、簡單的藍牙連接硬件等。它易于使用和理解，對于那些對電子設(shè)備、工程學及技術(shù)等方面感興趣的孩子而言是一個非常實用的啟蒙工具。讓學生提前對技術(shù)產(chǎn)生興趣并促使他們提出與技術(shù)運作相關(guān)的問題。

學生可以使用SAM Studio基于模塊的拖放編碼來開發(fā)移動、點亮以及與環(huán)境交互的復雜系統(tǒng)。由于SAM模塊通過藍牙進行連接，新項目就可以移動、點亮和與環(huán)境交互。該方法使學生能夠快速輕松地創(chuàng)建和學習，從早期引入概念，并提供編碼和原型解決方案。學生可以使用編碼和原型解決方案快速輕松地創(chuàng)建和學習。甚至孩子們不會意識到自己正在學習科學原理。例如，Maker專業(yè)課程使K-8教師能夠支持他們的孩子進行基于活動的學習、探索和原型制作。

該公司提供了幾種工具包，每種工具包都有特定的用途，專門用于一定程度的知識基礎(chǔ)和難度。例如，兒童可以使用和編程交互式積木來執(zhí)行某些任務(wù)，這些與樂高積木兼容的小型可編程積木，可通過藍牙連接到用戶的設(shè)備、計算機或平板電腦。帶有微型 USB 連接器的可充電電池為每個模塊供電。這些模塊由橡膠外殼保護，并且具有極強的抗沖擊性。這些模塊是無線的，不需要觸摸或用電線連接，不使用的模塊會被關(guān)閉，以便課程持續(xù)大約一周。

兒童電子

很多孩子從六七歲開始就對電子產(chǎn)品產(chǎn)生了興趣，他們先是被閃爍的燈光、旋轉(zhuǎn)的電機和發(fā)聲設(shè)備吸引，在玩了幾分鐘他們最喜歡的玩具后，他們就進入下一個有趣的階段，即拆解，看看里面有什么。

這篇和后續(xù)的兒童電子系列文章將涵蓋非?；镜碾娮蛹夹g(shù)主題，完全安全。

只需遵循理論或使用真實的電子元器件創(chuàng)建實際連接，就可以很容易地理解電路，所有這些都是現(xiàn)成的，此外孩子們也可以向大人尋求幫助。小而簡單的實驗可以在有趣和安全的操作中點燃激情。開始執(zhí)行電子組裝將需要工具和元器件（參見圖 2）。以下是最重要的列表：

一些電子元器件——電阻器、發(fā)光二極管（LED）、燈泡、電容器、開關(guān)等。將在每次單獨實驗時有著不同的作用

單芯電纜，并配有鱷魚夾，以便于連接

5V 扁平電池

一個簡單的萬用表

電路

為了理解電子學的一些基本元素，有必要探討電路基礎(chǔ)的最小理論。事實上，電流是一種電子流，它以無限渦流的形式從發(fā)電機的一極流向另一極。電路是發(fā)電機、電導體和負載之間的物理連接。為了保證電子循環(huán)通過，一些條件是必不可少的：

發(fā)電機必須產(chǎn)生足夠數(shù)量的電子。

負載必須正常工作且不會中斷。

電線必須是良好的電流導體，通常由金屬（銅或鋁）制成。

為了更好地理解電路的概念，可以將其與液壓系統(tǒng)進行比較，如圖3所示。事實上，將電流和水流進行比較，可以使控制這兩個元素的概念和定律理解起來非常簡單——它們非常相似。

圖 3：電流和水流的相似之處

在圖中可以看到：

電壓發(fā)生器，使電路中的電子運動

耗電元件（燈、LED、電機）

限制電子通過的電阻器

電纜

這些元件中有任何一個斷開，則不再有電子通過，電路開路。

點亮一個LED燈

LED是一種通過讓特定數(shù)量的電子流過，進而產(chǎn)生光子（光）的器件。電流不是隨意設(shè)定的，所有參數(shù)必須使用基本的數(shù)學程序確定。下面的實驗是完全安全的，并解釋了一些基本的電子概念：

電壓的正確極性

限制電流

電路的連續(xù)性

因此需要以下材料：

4.5V 扁平電池

一個 180Ω 電阻器

一個紅色 LED燈

三根帶鱷魚夾的連接電纜

如上圖所示，建立了以下連接：

在電池正極和電阻（無極性）一端之間連接紅色電纜。

在電阻的另一端和 LED 的陽極（可通過發(fā)光體底部的圓形部分識別）之間連接橙色電纜。

在 LED 的陰極（可通過發(fā)光體底部的扁平部分識別）和電池的負極之間連接黑色電纜。

如果連接正確完成，LED 會立即以正常亮度亮起。如果電池或 LED 的方向接反，則不會亮起。此時若拆下電阻并將兩根松開的電線連接在一起，則會導致大量電子無限制地流向 LED，從而燒壞LED。

如何點亮兩個 LED

下一步是點亮兩個或多個 LED 的步驟。事實上，這是一個非常簡單的操作，但要正確執(zhí)行它，必須遵守幾條規(guī)則。

這個方案會與點亮一個LED的方案有所不同，在下面的案例中，讓我們來探索點亮兩個LED的正確方法。

不考慮使用兩個電池、兩個電阻和兩個LED的簡單解決方案的話，以下是可行的替代方案：

將LED 并聯(lián)

將LED串聯(lián)

這兩種方法決定了電流在電路中的傳播方式，就像水網(wǎng)一樣（參見圖4中的兩種解決方案）。讓我們試著了解這兩種方法是如何工作的。

圖4： LED并聯(lián)和LED串聯(lián)。

這兩種電路都可以點亮兩個LED，但方式不同，讓我們看看怎么做。

在左邊的電路中（并聯(lián)），電流隨機地流過兩條不同的路徑：

一部分電流流過第一條路徑，為電阻器R1和LED D1供電。

另一部分電流流過第二條路徑，為電阻器R2和LED D2供電。

在經(jīng)過LED之后，兩部分電流會再次匯聚到相同的路徑上，返回到電池并重復該過程。

在右側(cè)的電路中（串聯(lián)），從電池中流出的電子流依次通過電阻器R3、LED D3和LED D4。在這兩個例子中，LED都能正常亮起，所不同的是電路的類型。

值得注意的是，在第一個示例中，電阻器R1和R2的值為180Ω，而在第二個示例中，電阻器R3的值僅為47Ω。

這就讓我們了解到，電阻值越低，通過電路的電子流就越高。

現(xiàn)在必須了解的是電路中電子循環(huán)的重要性。具體來說：

如果電路中的所有元器件都正確連接，則它將正常工作并且存在“閉合電路”。

如果電路中至少有一個元器件斷開或有缺陷，則它無法正常工作并且存在“開路”。

按照慣例，電子從正極到負極的方向移動，任何元器件中斷都會中斷這個過程，實際上，這個過程非?？?，它們以大約 300，000 km/s的速度前進。大地（或地）的符號表示在這個電氣分支上，有一個0V的電壓。在并聯(lián)電路中，兩個分支是完全獨立的。如果我們斷開一個電阻器（例如R1）或一個二極管（例如D1），甚至通過將其倒置來反轉(zhuǎn)其極性，另一個分支將繼續(xù)工作而不會出現(xiàn)問題。然而，在串聯(lián)電路中，情況并非如此。兩個 LED 依賴于相同的電流，因此移除電阻 R3 或兩個 LED（D3 或 D4）之一即可中斷電路的運行。通常，照亮圣誕樹的燈是串聯(lián)的，一個燈泡燒壞就足以使整個電路無法使用。

練習

在成年人的幫助下，嘗試創(chuàng)建紅綠燈的原型，如圖5所示。它是一個由三個LED組成的電路，每個支路分別并聯(lián)180Ω電阻器。與之前的接線圖不同，這張圖顯示了三個開關(guān)的存在，這樣就能使每個LED獨立打開和關(guān)閉。三個LED的顏色必須是紅色、黃色和綠色。組裝非常簡單，最有趣的是，這些玩具可以在家里自己制作。