ضوء التعلم والتشفير باستخدام mBots

في عدد 1 حزيران (يونيو) 2018 من مجلة Digital Maestro Magazine ، ألقيت نظرة على أحد مكونات برنامج mBot robot. تم الكشف عن هذا المكون والنظر إليه من مجموعة متنوعة من وجهات نظر الرياضيات والعلوم.

نظرة عامة على mBot

يعد mBot من Makeblock روبوتًا مثاليًا لتعلم مفاهيم STEAM. يشير STEAM إلى العلوم والتكنولوجيا والهندسة والفنون والرياضيات. STEAM هو امتداد لـ STEM مع تضمين الفنون. أود أن أدرج البحث لتشكيل STREAM. يتضمن البحث القراءة والكتابة. ويتضمن أيضًا المفردات واللغة الأكاديمية.

يخدع mBot s وحدة تحكم دقيقة متصلة بلوحة دائرة كهربائية ومكوناتها. المتحكم الدقيق هو معالج كمبيوتر بسيط. لم يتم تصميمه للتعامل مع العديد من المهام مثل المعالج الموجود على جهاز الكمبيوتر العادي. تم تصميم المعالج للتفاعل مع المكونات الموجودة على اللوحة والمكونات المماثلة الملحقة باللوحة.

يشتمل أحد هذه المكونات المرفقة على محركات. يتم توصيل المحركات بالعجلات على mBot robot للتنقل. تشتمل المكونات الأخرى على أجهزة استشعار للإدخال. تشتمل مستشعرات الإدخال هذه على مستشعر صوتي ومستشعرات الأشعة تحت الحمراء ومقاوم ضوئي. تشتمل مكونات الإخراج على جرس للصوت ومصابيح LED.

مراجعة المستشعرات الأساسية

يستخدم جهاز الاستشعار الصوتي لتحديد المسافة. يستخدم جهاز الاستشعار الصوتي الموجات فوق الصوتية. تستخدم الموجات فوق الصوتية لتحديد المسافة إلى الأشياء. مستشعر الصوت يشبه إلى حد بعيد موقع الصدى والرادار. غالبًا ما يستخدم المستشعر لتجنب العقبات أثناء انتقال الروبوت خلال الدورة التدريبية.

يستخدم مستشعر الأشعة تحت الحمراء الضوء في طيف الأشعة تحت الحمراء. هذا الضوء غير مرئي للعين البشرية. يشيع استخدام الأشعة تحت الحمراء مع أجهزة التحكم عن بعد. تعد عصا التحكم عن بعد للتلفزيون مثالًا شائعًا. تم تضمين جهاز تحكم عن بعد مع mBot.

يوجد في مستقبل الأشعة تحت الحمراء وجهاز الإرسال على السبورة. مكون تابع للخطوط مزود بأجهزة استشعار تعمل بالأشعة تحت الحمراء متصلة باللوحة بواسطة كابل. يتم استخدامه للكشف عن خط أسود. يستخدم الخط الأسود للتنقل عبر الأرض أو من خلال مسار عقبة.

المقاوم للصور هو مكون حساس للضوء. أنا أعمل مثل المفتاح. يسمح للتيار بالتدفق عبر الدائرة عند تعرضه للضوء.

الجرس هو مكبر صوت صغير. يولد الصوت عندما يتدفق التيار عبر السماعة. يتم التحكم في هذا التيار بواسطة المعالج الدقيق لتوليد مجموعة متنوعة من الأصوات.

هناك العديد من المصابيح على mCore. المعالج الدقيق مشفر لتشغيل الأضواء أو إيقاف تشغيلها. من خلال الكود نتحكم في السطوع واللون المنبعث من هذه الأضواء.

المصابيح والمفاهيم العلمية

يوجد على لوحة mCore عدة مصابيح LED. يتم استخدام بعضها لتوفير معلومات الحالة. يوجد مصباح LED صغير بجوار مصدر الطاقة. يوجد مؤشر LED على مكون BlueTooth. يوجد أسفل اسم mCore مجموعتان من مصابيح LED. واحد على اليسار والآخر على اليمين. كل مجموعة من ثلاثة مصابيح LED. سنستخدمها لتعلم وفهم المفاهيم المتعلقة بالضوء واللون.

الضوء والعين البشرية

سيساعد فهم كيفية عمل العين البشرية على فهم المفاهيم الكامنة وراء كيفية استخدام مصابيح LED لعرض الألوان.

تحتوي العين البشرية على نوعين مختلفين من الخلايا للمساعدة في اكتشاف الضوء والاستجابة له. تسمى هذه الخلايا بالقضبان والمخاريط. تعمل القضبان في ظروف الإضاءة المنخفضة جدًا. تعمل المخاريط في ظروف الإضاءة الأكثر إشراقًا. تحتوي العين على حوالي ستة ملايين مخروط وحوالي 110 مليون قضيب.

تساعد المخاريط في تمييز الألوان. أنها تحتوي على خلايا الكشف عن اللون. تتكون هذه الخلايا من ثلاثة أنواع من المخاريط. كل مخروط حساس لأطوال موجية مختلفة من الضوء. ترتبط الأطوال الموجية للألوان هذه بالألوان الأحمر والأخضر والأزرق. تتركز المخاريط في مركز شبكية العين. تسمى هذه المنطقة المركزية البقعة.

تسمح الأنواع الثلاثة لأجهزة الكشف عن الألوان لأدمغتنا بتفسير ملايين الألوان. عندما ننظر إلى بتلات عباد الشمس ، يتم تنشيط الأقماع للأحمر والأخضر. ترسل الأقماع إشارة إلى العصب البصري في القشرة البصرية. تقع القشرة البصرية داخل الدماغ. يعالج الدماغ عدد المخاريط المنشطة وقوة الإشارة. يفسر الدماغ هذه الإشارات إلى لون. في هذه الحالة ، يكون اللون أصفر. تحدد شدة الإشارة شدة اللون. هذا اللون يُدرك من خلال الضوء المنعكس من الزهرة.

لم يكن للون أسماء دائمًا

لطالما كان اللون موجودًا ولكن لم يكن لدينا دائمًا اسم لهذه الألوان. تم اكتشاف الألوان على مر القرون. كان إسحاق نيوتن من أوائل من اكتشف الألوان واختبر الإضاءة. استخدم المنشور الثلاثي لرؤية الألوان المختلفة في ضوء الشمس العادي. اكتشف أن الضوء العادي الذي يُرى من خلال منشور له لون أحمر وبرتقالي وأصفر وأخضر وأزرق ونيلي وبنفسجي. هذا المزيج من الألوان له اختصار ROYGBIV. هذه هي نفس الألوان التي نراها في قوس قزح. تتصرف كل قطرة ماء في قوس قزح مثل المنشور لفصل الألوان في الضوء.

اللون له معنى وعاطفة

للون معنى في حياتنا. تستخدم الشركات الألوان في التسويق لأن اللون له معنى نفسي مهم لنا جميعًا. يعتمد معنى اللون أيضًا على ثقافات ومناطق العالم. في أمريكا الغربية يمكن أن يمثل اللون الأحمر الخطر أو الحب. في آسيا ، نفس اللون يمثل السعادة أو الفرح.

هذا أحد الأشياء التي أحبها في التدريس. في أحد المفاهيم ، يمكنني أن أتطرق إلى تاريخ اللون. فن الألوان. وعلم نفس اللون.

الضوء واللون المنعكسان

تعكس الأشياء الضوء واللون. فقط بعض أجزاء الطيف الضوئي تنعكس في الألوان التي نراها. تعكس أوراق الشجرة الضوء في الجزء الأخضر من الطيف. اللون البني في لحاء الشجرة هو نتيجة لنفس العملية. يحتوي الطيف على العديد من الألوان والعديد من الظلال من نفس اللون. اللون الأخضر له ظلال داكنة وظلال فاتحة. الورقة لها ظلال مختلفة من اللون الأخضر.

الضوء المنكسر والمفلتر

الضوء المنعكس هو إحدى الطرق التي ترى أعيننا الضوء من خلالها. يمكن ترشيح الضوء حتى نرى مجموعة محددة من الألوان. عندما نضع زوجًا من النظارات الشمسية الصفراء ، فإننا نستخدم مرشحًا لصالح الطيف الأصفر. العدسات صفراء والضوء الذي يمر عبر تلك العدسات أصفر.

الضوء المنكسر هو كيفية رؤيتنا للألوان المختلفة للطيف من خلال منشور. تعمل قطرات الماء مثل المنشور في الغلاف الجوي لإنتاج أقواس قزح. يمكن أن يؤدي انكسار الضوء إلى تشتيت جزيئات الضوء. هذا التبدد هو كيف نرى اللون الأزرق في سمائنا. يعمل كفلتر حيث يتشتت الضوء الأزرق أكثر من الألوان الأخرى.

إنتاج الألوان بمصابيح LED

في لوحة mCore لدينا مجموعات من مصابيح LED. تحتوي كل مجموعة على ثلاثة مصابيح LED بألوان مختلفة. هذه الألوان هي الأحمر والأخضر والأزرق. هل تبدو تلك الألوان مألوفة؟ هذه هي نفس الألوان التي يمكن اكتشافها بواسطة المخاريط الموجودة في شبكية أعيننا.

تبعث مصابيح LED الضوء عندما يمر تيار فوق سطح أشباه الموصلات. شبه الموصل محاط بغلاف بلاستيكي. غالبًا ما تكون هذه العلبة ملونة باللون الأحمر أو الأزرق أو الأخضر.

يمكننا إعداد ثلاثة مصابيح LED مختلفة. ولكل منها لون مختلف من الأحمر والأخضر والأزرق. يتم وضع هذه المصابيح بجانب بعضها البعض في دائرة. عندما يمر التيار عبر مصابيح LED ، فإنها تبدأ في إصدار الضوء ويمكننا رؤية ألوان المناطق الثلاثة.

يحدث شيء ما عندما نبتعد عن مصابيح LED. تمزج عيوننا الألوان معًا. هذا جزء من إصرار الرؤية. هذا ما يجعل التلفزيون الملون ممكنًا. تملأ أدمغتنا الفجوات بين الألوان حتى لا نرى ثلاثة ألوان محلية بل مزيج من الألوان الثلاثة.

استخدم هذا الرابط إلى جهاز محاكاة عبر الإنترنت. اسحب النقاط الثلاث الملونة وقم بتكديسها فوق بعضها البعض. عندما يتم الجمع بين كل الألوان نرى الأبيض. هذه عملية تعرف باسم اللون الإضافي. في هذه العملية نقوم بإنشاء اللون عن طريق إضافة مجموعات مختلفة من الألوان بظلال مختلفة. ظلال الألوان هي نسخ أغمق أو أفتح من نفس اللون.

يُعرف الشكل الشائع الآخر لإنشاء اللون باللون الطرحي. هذا عندما نستخدم أصباغ اللون في الطلاء لإنشاء اللون. يستخدم اللون المطروح في الطابعات ثلاثة أصباغ رئيسية. الأصباغ هي السماوي والأرجواني والأصفر. الجمع بين كل هذه الألوان ينتج الأسود. إنه ليس أسودًا جيدًا حقًا. هذا هو السبب في وجود خرطوشة منفصلة في الطابعات لإنشاء اللون الأسود الحقيقي المطلوب في المستندات. نفس اللون الأسود يستخدم لإثراء الألوان المطبوعة على الصور.

تم ترتيب المصابيح الموجودة على لوحة mCore بالقرب من بعضها البعض. يستخدم هذا التقارب لخداع عقولنا للاعتقاد بأن هناك لونًا واحدًا ينبعث من مجموعة مصابيح LED. تم العثور على هذا المزيج من المصابيح في كل شاشة اليوم. المصابيح أصغر وأقرب إلى بعضها البعض. يشار إلى كل مجموعة من ثلاثة مصابيح LED على أنها بكسل. توجد الملايين من وحدات البكسل هذه على شاشات الكمبيوتر والأجهزة المحمولة.

يحتوي كل مصباح على لوحة mCore لدينا على مجموعة من ثلاثة مصابيح LED. يمكننا القول أن لوحة mCore لديها دقة 2 بكسل.

المصابيح والترميز

يتم التحكم في الضوء والألوان التي ننتجها بهذه البكسلات بواسطة رمز يتم إرساله إلى وحدة التحكم الدقيقة. لتشفير وحدة التحكم الدقيقة ، نحتاج إلى تنزيل برنامج من Makeblock لـ mBot. البرنامج متاح لأنظمة Mac و Windows و Linux و Chrome. تنزيل البرنامج وتثبيته.

للعمل مع مصابيح LED ، نستخدم سطرًا واحدًا من التعليمات البرمجية. تم العثور على كتلة التعليمات البرمجية في قسم الروبوتات في لوحة البرامج النصية. تبدأ كتلة التعليمات البرمجية بالنص “مجموعة من المؤشرات على اللوحة …” يتبع هذا النص أربعة خيارات مع قوائم منسدلة. تسمى هذه الخيارات خيارات أو معلمات. سطر الكود نفسه يسمى وظيفة. في هذه الحالة ، الوظيفة هي إجراء. في الترميز ، تؤدي وظيفة أو إجراء مهمة محددة. في هذه الحالة ، تتمثل هذه المهمة في تشغيل أو إيقاف تشغيل مصابيح LED. كما أنها تستخدم لتغيير لون كل ضوء.

تم تعيين المعلمة الأولى في الوظيفة للتحكم في جميع مصابيح LED على لوحة mCore. ستكون هاتان المجموعتان أسفل اسم mCore. تتيح لنا القائمة المنسدلة لهذا الخيار تحديد المجموعة اليمنى أو اليسرى. يتيح لنا هذا الخيار تعيين لون مختلف لكل مجموعة من المصابيح.

لتعيين لون مختلف لكل LED ، نحتاج إلى وظيفتين. لتعيين لون مؤشر LED الأيسر ، اختر خيار LED الأيسر. لتعيين لون مؤشر LED الصحيح ، نقوم بتوصيل وظيفة أخرى “مجموعة led على اللوحة …”. تم تغيير وسيطة الوظيفة من الكل إلى مؤشر LED الأيمن.

لتبسيط الأمور ، سنعمل بوظيفة واحدة ونتحكم في كلا مصابيح LED. تحدد الوسيطات الثلاث المتبقية قيم كل لون. يتم حاليًا ضبط قيمة كل LED على صفر. القيمة القصوى هي 255. انقر فوق القائمة المنسدلة لأحد الألوان لرؤية خيارات المحدد. نحن لا نقتصر على قيم الألوان هذه. يقبل الحقل أي قيمة عددية ندخلها.

الرقم 255 وبرمجة الحاسوب

نرى القيمة 255 أو 256 كثيرًا عند الترميز. تمثل القيم من 0 إلى 255 نطاق القيم التي يتم تمثيلها في رقم ثنائي 8 بت. هذا يبدو معقدًا ، فلنلق نظرة على ما يعنيه ذلك. تستخدم أجهزة الكمبيوتر الترانزستورات لإرسال الإشارات عبر الكمبيوتر. الترانزستورات هي مفاتيح تشغيل وإيقاف سريعة جدًا.

في مصطلحات الكمبيوتر ، يتم استخدام صفر (0) للتعبير عن OFF بينما يُستخدم واحد (1) للتعبير عن ON. رقمان On و OFF هما ثنائيان. ثنائي يعني الأساس الثاني. تقرأ أجهزة الكمبيوتر المعلومات وتخزنها في وحدات بت. البتة هي إما واحد أو صفر. يمكن أن يخزن الرقم الثنائي 8 بت ثمانية آحاد أو أصفار. على سبيل المثال ، 11111111 أو 00000000.

ليس من الضروري أن يكونوا جميعًا نفس الرقم. يمكن أن تكون الأرقام الثمانية أي مجموعة من الآحاد والأصفار. على سبيل المثال ، 11001101 أو 01011001. عدد التركيبات الممكنة من الآحاد والأصفار في هذا التنسيق هو الرقم اثنان (2) أس ثمانية (8). هذا يعطينا 256 مجموعة ممكنة.

هذه فرصة جيدة لتقديم أو مراجعة مفاهيم التباديل والتوليفات مع الطلاب.

كل مجموعة من ثماني بتات تسمى بايت. هذا هو المكان الذي نبدأ فيه في تمثيل المعلومات من حيث الكيلو بايت والميغابايت والجيجابايت والتيرابايت والمزيد. فكر في البايت على أنه عدد البتات اللازمة لتمثيل أحد الأحرف في الأبجدية. تستخدم كلمة كمبيوتر ثمانية بايت من المعلومات.

سطوع LED ومجموعات الألوان

يحتوي كل لون من مجموعة LED الخاصة بنا على قيم من 0 إلى 255. وتمثل القيمة 0 صفر فولت المرسلة إلى LED. قيمة 255 تمثل 3.3 فولت. هذا هو الحد الأقصى للجهد المرسل إلى هذه المصابيح. لإرسال نصف الجهد إلى كل LED ، نقوم بإدخال قيمة 127.

تنطبق القيم الممثلة هنا على كل من الجهد واللون الذي نريد إنتاجه. ارجع إلى جهاز محاكاة RGB. ضع الدوائر فوق بعضها البعض. حرك أشرطة التمرير باللون الأحمر والأخضر والأزرق إلى اليسار. حرك المنزلق الأحمر إلى 58 بالمائة ، والأخضر إلى 37 بالمائة ، والشريط الأزرق إلى 1 بالمائة. هذه الإعدادات تولد اللون البني.

تمثل المنزلقات النسب المئوية لتعتيم الألوان. ما نحتاجه هو طريقة لتحديد اللون الذي نريده والحصول على قيم RGB لذلك اللون. هناك الكثير من الأدوات على الإنترنت لمساعدتنا. تمتلك Google أداة مجانية لتحديد لون والعثور على قيم RGB لذلك اللون.

قم بإجراء بحث في Google عن منتقي الألوان rgb أو انقر على هذا الرابط. يحتوي منتقي الألوان على مربع متدرج ومنزلق أدناه. يحتوي شريط التمرير على ألوان تتراوح من الأحمر على اليمين إلى البرتقالي على اليسار. بيننا لدينا الأزرق والأخضر والأصفر. حرك شريط التمرير إلى اليسار أو اليمين للعثور على اللون الذي تريد استخدامه على مؤشر LED. حرك الدائرة في مربع التدرج لاختيار نسخة أغمق أو أفتح من اللون.

يتم إنشاء قيم RGB للون على اللوحة الموجودة على اليسار. القيم بين قوسين ومفصولة بفاصلات. خذ هذه القيم وقم بتوصيلها بالمتغير المقابل في الكود. سوف تمثل مصابيح LED هذا اللون عند إضاءتها.

ضع في اعتبارك أن اللون الظاهر على الشاشة واللون الظاهر على الروبوت قد يختلفان قليلاً. تتميز الشاشة على جهاز الكمبيوتر بدقة أعلى بكثير وربما تمثل إصدارًا أكثر إشراقًا من اللون.

علم المصابيح

يختلف LED كثيرًا عن المصباح الكهربائي أو المصابيح الفلورية. يستخدم المصباح الكهربائي الحرارة من خيوط داخل حاوية زجاجية لتوليد الضوء. يحتوي المصباح الفلوريسنت على غازات يثيرها التيار الكهربائي. تسبب الجزيئات المثارة توهج طلاء على الزجاج. الغاز الأساسي المستخدم هو بخار الزئبق.

المصابيح الكهربائية غير فعالة. يتم إطلاق معظم التيار الكهربائي عبر المصباح كحرارة. يتم إعطاء جزء صغير فقط كضوء. تعتبر المصابيح الفلورية أكثر كفاءة لأن الكهرباء مطلوبة لإثارة بخار الزئبق. يمكن أن يكون بخار الزئبق خطرًا ويجب التخلص منه بشكل صحيح.

يستخدم المصباح LED أشباه الموصلات. أشباه الموصلات هو جزء موصل وجزء المقاوم. تزداد موصلية أشباه الموصلات مع زيادة درجة الحرارة. هذا عكس ما يحدث في المعادن مثل النحاس. يمكن تعديل أشباه الموصلات بشوائب لزيادة أو تقليل الموصلية. أحد هذه الشوائب لأشباه الموصلات هو ما يتم استخدامه لإنشاء مصابيح LED.

إحدى الشوائب تزيد من المساحة المتاحة للإلكترونات. هذه تسمى ثقوب الإلكترون. يذهب التيار من خلال LED إلى فتحات الإلكترون هذه لإنشاء توهج في LED. يشار إلى هذا باسم التألق الكهربائي.

تستخدم أشباه الموصلات في مصابيح LED تيارًا أقل للإضاءة. إنها أكثر كفاءة من المصابيح الفلورية. يستخدم معظم التيار لتوليد الضوء والقليل جدًا منه يولد أي حرارة. السيليكون مصنوع من الرمل وأكثر صداقة للبيئة. تدوم مصابيح LED لمدة عشر سنوات أو أكثر. لديهم بصمة كربونية منخفضة.