【自造教育】micro:bit搭載KAISE週邊的引導式教學組合

作者:李俊德

各類硬體的採購主要都是為了讓教學能順利進行,因此教學設計、教學方法應優先於教具的考量,只要清楚了教學的方向與定位,自然就會明瞭該買些哪些材料。小彼特(micro:bit)主題課程的開展方式之一是以各學習任務來引導最後的學習成果,由於每一階段的任務性質不一,會用到的工具也不盡相同,在這之中電腦只是眾多可運用的工具之一。

我們希望學生能在課程中培養出工具選用的能力,而不被物所役而,因此「主板搭配凱斯電子(KAISE)出品的KSB040 鋰電池擴充板與 KSB047 伺服馬達擴充板」的三明治式組合得以讓我們在進行主題教學時最為順暢,在這過程中電腦的角色則被定位為資料查尋、程式開發的工具性質。

另外,由於每個小任務都有一定的時間性,學生更需學會妥善安排時間的自我管理。這是我們大力推廣「小彼特主題課」背後想要傳達的人文精神:「在不給蘿蔔和不使用棍子的前題下,一方面尊重學生們的自我選擇,另一面想方設法地營造各種樂於向學的氛圍。」

小彼特週邊擴充解決方案(圖片來源:李俊德)

電源(power)組

KAISE系列可供主板外接電源的擴充板(皆板載蜂鳴器)如下,方便我們教學或做作品時可脫離電腦獨立運用:

  1. KSB040鋰電池擴充板 :內建 140 maH 鋰電池(Lithium battery)與蜂鳴器,使用方式等同手機,低電源時接至附有 USB 接頭的電腦、行充或市電變壓器充電,在充電期間主板仍可使用(強烈建議讀者讓小彼特搭載此款電源,讓小彼特的電力可持久)。
  2. KSB035 CR2032 鈕扣電池擴充板 :使用 1 顆或 2 顆並聯拋棄式的 CR2032,有板載蜂鳴器。
  3. KSB036 乾電池擴充板:使用二顆四號(AAA)電池,有板載蜂鳴器。
  4. 電池盒:使用二顆四號乾電池,附蓋、附開關與 JSTX2B-PH-SM4-TB 電源接頭,相對其他款擴充板而言相對低價,但它的致命傷也就來自它的低價,應用上顯得累贅。

KSB 各電源方案比較表(圖片來源:李俊德)

註:勿以行動電源或 110 轉5 V 變壓器接入小彼特的 micro USB 接孔,詳見規格文件

其他(others)

本組兩款選配項目說明如下,它們配有板載的蜂鳴器,建議讀者有需要用到再添購即可,因為週邊的擴充硬體是個無底洞的深坑,再怎麼買也買不完的!

  1. KSB039 感測器擴充板(sensor board):集蜂鳴器、5 V-3 V 邏輯準位轉換 IC、電話線 RJ11 接頭、滑桿可變電阻、麥克風、RGB 全彩 LED、按鈕與紅外線接收器於一板,算是大補帖的概念。
  2. KSB045 搖桿(joystick):板載按鈕、蜂鳴器、震動馬達、紅外線發射器,可使用兩顆四號乾電池供電,搭配 KSB040 更是個不錯的組合方案。

感測器(sensors)

凱斯電子致力於推動國內 maker(自造者/創客)動手做的風氣,從 Arduino 到小彼特,一路走來總是先以滿足 maker 大大小小需求為要務,因此其關於「家庭號」大包裝的感測器模組(modules)總在市場熱潮後期才會逐步推出。

因此這邊先以香港課室集團(CLASSROOM)代理恩孚科技 EF(ElecFreaks)所發售的模組包來介紹,其各自內含物的詳細比較如下所示:

恩孚科技發售的三套感測器套件組內裝比較表(圖片來源:李俊德)

  1. Tinker Kit:以買一次全部滿足的概念提供一些常用模組包裝,包裝內亦提供 35 個有趣的範例供讀者實作。
  2. 物聯網包(IoT Kit):小彼特外接板載 ESP8266 WiFi 晶片的 IoT:bit,以提供在物聯網情境(scenario )下的解決方案,使小彼特得以連上網際網路使用各種雲端服務(cloud services),例如:ThingSpeak、IFTTT 等,包裝內提供 10 種遙測(telemetry)資料的採集與 5 個開發板在物聯網應用上的 5 個經典範例。
  3. 智慧家庭包(Smart Home Kit):以 sensor:bit 外接各種居家環境下可智慧監控的解方,例如:室內溫度的智慧監督與調節等,包裝內提供 11 個好玩的案例給有興趣的讀者動手做做看。

這一組能快速驗證想法,但它的缺點除了售價通常比較高外(某種程度上廠商會作若干程度的整合後才會上市),尚需要有分辨何者是基礎且必要的硬功夫,不然會產生一種我好像很厲害的幻影(其實是廠商把較複雜的底層都幫使用者做完了)。

我們推薦以拼圖式教學法(將各組內的感測器視為可堆積的積木元件,快速教完它們的基本操作後引導學生將它們以創意組合的方式做成新作品)作爲本組的教學策略。

擴充板(extension boards)

小彼特共有 19 隻 I/O 腳 + 6 隻電源腳 = 25 隻接腳。主板下缘金手指(golden fingers)的 P0、P1 及 P2 三隻腳提供了基本的 I/O 控制,其中 P0 和蜂鳴器共線路(這邊建議保留不要做其他用途)。

小彼特 I/O 腳位圖(圖片來源:李俊德)

P0 與擴充板外接蜂鳴器之電路圖(圖片來源:李俊德)

除了使用板子上的三隻基本腳位外,如果有較多 I/O 接腳需求時就必須使用能延伸 I/O 接腳的擴充板(KSB034)來連結外部電子元件或模組;此外,小彼特如果要接較大的輸出電流元件像是馬達或燈條,也需要有額外能驅動電路的擴充板(KSB043、KSB037、KSB038)來支援。以下將詳細說明這兩大類擴充板的用途。

1. I/O 腳位延伸類擴充板:

  • KSB034 I/O 擴充板: 將小彼特的 22 隻腳拉成 0º 或 90º 排針以方便外接擴充元件之用。
板載蜂鳴器 直流馬達 伺服馬達 3V/ 5V I/O 切換 外部供應電源 應用教材
KSB034 N N 雙電源共地 N N 1. 小彼特play十點半

2. 小彼特勇闖十八銅人陣

3. 小彼特搖擺玩偶

4. 小彼特鋼琴王

  • KSB043 3V/5V I/O 擴充板:小彼特考量了低功耗(low-power consumption)的硬體設計趨勢,以 3 V 作為主要的電源供應方式,但由於現今的週邊電子零件仍以類 Arduino 的 5 V 供電居多,因此 KSB043 恰好可作為小彼特和週邊之間的中介。根據筆者的教學經驗,KSB043 接 WS2812B 可程式燈條或伺服馬達這類 5 V 的大電流輸出元件是很方便且經濟實惠的上上之選!

不過千萬要留意,不可在外接 5 V 電源下同時還接輸出及輸入型的元件喔!這樣會有燒毀小彼特 I/O 腳位的危險!

板載蜂鳴器 直流馬達 伺服馬達 3V/ 5V I/O切換 外部供應電源 應用教材
KSB043 Y N 9 N Y 小彼特體感鼓仔燈

2. 馬達控制類擴充板:

針對直流馬達和伺服馬達(servo motor),下面介紹四款連接的擴充板:

  • KSB037 直流馬達擴充板:外接 5~13 V 電源用來驅動 130 玩具馬達、TT 馬達之類的直流馬達,可省去外接 H 橋(H bridge)放大驅動電路的麻煩,強烈建議使用它來接直流馬達做應用。
  • KSB038 伺服馬達擴充板:外接 5~13 V 電源用來驅動 1~16 顆伺服馬達,強烈建議使用它來接伺服馬達做應用。
  • KSB048 雙馬達擴充板:外接 5~13 V 電源用來驅動 1~4 顆直流馬達及 1~12 顆伺服馬達。
  • KSB040+KSB047 伺服馬達擴充板:在主板+KSB040 夾心餅乾組合的背後再鎖上這塊可直接接P0、P1 或 P3 三腳位的 1~3 顆伺服馬達是很輕巧、利落的三明治式獨立電源組合,我們建議初學者、開課、出營隊等可多多使用這件複合式擴充板。
板載蜂鳴器 直流馬達 伺服馬達 3V/ 5V I/O切換 外部供應電源 應用教材
KSB037 Y 2 Y Y Y 小彼特賣東西[14]
KSB038 Y 0 16 Y Y
KSB048 Y 4 12 Y 板載14500電池座
KSB040+KSB047 N 0 3 N N

註:因為小彼特 I/O 腳位最多只能輸出 90 mA 的電流,並不足以推動伺服馬達,因此除了使用有驅動電路的擴充板外,也能以雙電源共地法來連接。

套件(package)組

套件式教學在引發學習動機是很方便的工具,很適合初學者用最短的時間學會一套教具內所包含的知識,一般而言我們可以採用下列兩種教學模式來進行:

  1. 快速教完各套件→專題。
  2. 仿作→拆解→改良/創新。

本組產品可概分為以下兩類五款式:

1. 自走車系:

可達成自走車見的巡跡(line tracing)、避障(obstacle avoidance)功能。

  • KSR025:車體搭配 N20 金屬馬達,其堅固、耐用的結構與電動車相同的 18650 鋰電池在教學上十分受歡迎。
  • KSR026:本款和 KSR025 不同的是它將 N20 換成常見的黃色 TT 減速馬達,因此它在價格上更享有 CP 值高的優勢。

2. 變形金鋼系:

這系列的三個版本可變化出機械手臂(5 軸)、4 足機械蜘蛛(8 軸)和機械狗等多樣化的變形機構。

  • KSR030 A 版:車體雙軸使用 N20 馬達作為動力來源的自走車形式。
  • KSR030 B 版:基礎仿生自走獸的機構造形款。
  • KSR030 C 版:車體搭載四顆 Mecanum(麥克納姆)全向輪,使車體可全方位自由移動。

(本文經作者同意轉載自泰布布部落格原文連結;責任編輯:賴佩萱)

Ted Lee

從工程師轉任中學教師,又為了捍衛教育理念,投身成為 STEAM 教育工作者,自稱「無可救藥的人文教育理想主義者」的李俊德(Ted Lee)。
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Author: Ted Lee

從工程師轉任中學教師,又為了捍衛教育理念,投身成為 STEAM 教育工作者,自稱「無可救藥的人文教育理想主義者」的李俊德(Ted Lee)。

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