學(xué)生可以使用編碼和原型解決方案快速創(chuàng)建和學(xué)習(xí)

電子是當(dāng)今的熱門話題，許多孩子們也期望了解并掌握這個(gè)重要技術(shù)的基本原理。本文是一個(gè)面向孩子們的基礎(chǔ)電子課程，將并以簡(jiǎn)單有趣的方式教他們基礎(chǔ)知識(shí)，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(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)現(xiàn)在由自動(dòng)裝置、指示器和傳感器組成，只需一個(gè)小型微控制器（MCU）即可創(chuàng)建，而在過去，則需要由數(shù)千個(gè)電子元器件組成的大型電路來實(shí)現(xiàn)。

因此，當(dāng)下年輕人的邏輯能力非常接近自動(dòng)系統(tǒng)的行為。

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

學(xué)生可以使用SAM Studio基于模塊的拖放編碼來開發(fā)移動(dòng)、點(diǎn)亮以及與環(huán)境交互的復(fù)雜系統(tǒng)。由于SAM模塊通過藍(lán)牙進(jìn)行連接，新項(xiàng)目就可以移動(dòng)、點(diǎn)亮和與環(huán)境交互。該方法使學(xué)生能夠快速輕松地創(chuàng)建和學(xué)習(xí)，從早期引入概念，并提供編碼和原型解決方案。學(xué)生可以使用編碼和原型解決方案快速輕松地創(chuàng)建和學(xué)習(xí)。甚至孩子們不會(huì)意識(shí)到自己正在學(xué)習(xí)科學(xué)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(jìn)行基于活動(dòng)的學(xué)習(xí)、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(shí)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(lán)牙連接到用戶的設(shè)備、計(jì)算機(jī)或平板電腦。帶有微型 USB 連接器的可充電電池為每個(gè)模塊供電。這些模塊由橡膠外殼保護(hù)，并且具有極強(qiáng)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(huì)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(duì)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(jī)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(jìn)入下一個(gè)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(shí)的電子元器件創(chuàng)建實(shí)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(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)可以在有趣和安全的操作中點(diǎn)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(dú)實(shí)驗(yàn)時(shí)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(gè)簡(jiǎn)單的萬用表

電路

為了理解電子學(xué)的一些基本元素，有必要探討電路基礎(chǔ)的最小理論。事實(shí)上，電流是一種電子流，它以無限渦流的形式從發(fā)電機(jī)的一極流向另一極。電路是發(fā)電機(jī)、電導(dǎo)體和負(fù)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(jī)必須產(chǎn)生足夠數(shù)量的電子。

負(fù)載必須正常工作且不會(huì)中斷。

電線必須是良好的電流導(dǎo)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(jìn)行比較，如圖3所示。事實(shí)上，將電流和水流進(jìn)行比較，可以使控制這兩個(gè)元素的概念和定律理解起來非常簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)

耗電元件（燈、LED、電機(jī)）

限制電子通過的電阻器

電纜

這些元件中有任何一個(gè)斷開，則不再有電子通過，電路開路。

點(diǎn)亮一個(gè)LED燈

LED是一種通過讓特定數(shù)量的電子流過，進(jìn)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(xué)程序確定。下面的實(shí)驗(yàn)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(gè) 180Ω 電阻器

一個(gè)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(yáng)極（可通過發(fā)光體底部的圓形部分識(shí)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(shí)別）和電池的負(fù)極之間連接黑色電纜。

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

如何點(diǎn)亮兩個(gè) LED

下一步是點(diǎn)亮兩個(gè)或多個(gè) LED 的步驟。事實(shí)上，這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的操作，但要正確執(zhí)行它，必須遵守幾條規(guī)則。

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

不考慮使用兩個(gè)電池、兩個(gè)電阻和兩個(gè)LED的簡(jiǎn)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?cè)囍私膺@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(diǎn)亮兩個(gè)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(jī)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(huì)再次匯聚到相同的路徑上，返回到電池并重復(fù)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(gè)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(gè)示例中，電阻器R1和R2的值為180Ω，而在第二個(gè)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(gè)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(fù)極的方向移動(dòng)，任何元器件中斷都會(huì)中斷這個(gè)過程，實(shí)際上，這個(gè)過程非?？?，它們以大約 300，000 km/s的速度前進(jìn)。大地（或地）的符號(hào)表示在這個(gè)電氣分支上，有一個(gè)0V的電壓。在并聯(lián)電路中，兩個(gè)分支是完全獨(dú)立的。如果我們斷開一個(gè)電阻器（例如R1）或一個(gè)二極管（例如D1），甚至通過將其倒置來反轉(zhuǎn)其極性，另一個(gè)分支將繼續(xù)工作而不會(huì)出現(xiàn)問題。然而，在串聯(lián)電路中，情況并非如此。兩個(gè) LED 依賴于相同的電流，因此移除電阻 R3 或兩個(gè) LED（D3 或 D4）之一即可中斷電路的運(yùn)行。通常，照亮圣誕樹的燈是串聯(lián)的，一個(gè)燈泡燒壞就足以使整個(gè)電路無法使用。

練習(xí)

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(gè)由三個(gè)LED組成的電路，每個(gè)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(gè)開關(guān)的存在，這樣就能使每個(gè)LED獨(dú)立打開和關(guān)閉。三個(gè)LED的顏色必須是紅色、黃色和綠色。組裝非常簡(jiǎn)單，最有趣的是，這些玩具可以在家里自己制作。