Проектная работа "Школьный звонок"

«Школьный звонок»

Разработка, конструирование и программирование автоматизированного звонка

из конструктора LEGO Mindstorms Education

Руководитель проекта:

Власова Ольга Сергеевна,

МАОУ «Лицей № 142 г. Челябинска»

Челябинск

Содержание

I Введение 3

II Основное содержание 4

2.1 История возникновения школьного звонка 4

2.2 Обоснование выбора модели автоматизированного «Школьного звонка» 5

2.3 Разработка и создание модели из деталей конструктора LEGO Mindstorms Education 6

2.4. Программирование модели «Школьный звонок» в среде программирования NXT-G 7

III Заключение 9

IV Список литературы 10

V Приложения

«Школьный звонок» разработка, конструирование и программирование автоматизированного звонка из конструктора LEGO Mindstorms education

Ковтун Егор Андреевич

г. Челябинск, МАОУ лицей №142, 6 класс

I Введение

Многие школы всего мира, в том числе и в России, для организация учебного процесса используют звонок для оповещения о начале и конце урока. Однако звонок звенит для всего образовательного учреждения, не учитывая того что, звонки для разных классов не совпадают по временным рамкам. Отсюда возникла цель разработки модели «Школьного звонка» на основе конструктора LEGO Mindstorms Education, который будет автоматически издавать сигнал в определенно заданное время, определяя начало и конец занятий для отдельного класса.

Для достижения цели, нам необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить виды школьных звонков, использующихся в учебных заведениях.

2. Разработать модель школьного звонка из деталей конструктора LEGO Mindstorms Education.

3. Составить схему сборки модели в программе виртуального моделирования MLCad 3.4.

4. Конструирование модели «Школьный звонок» из деталей конструктора LEGO Mindstorms education.

5. Составление программы для модели «Школьный звонок» в среде программирования NXT-G.

6. Тестирование и отладка модели «Школьный звонок».

Актуальность данной работы заключается в том, что модель звонка запрограммирована на подачу сигнала в определенное время для индивидуального использования в классе, помогает ученикам и учителю всегда знать о начале и конце урока.

Оригинальность и новизна работы заключается в том, что разработанная нами модель «Школьного звонка» из конструктора LEGO Mindstorms Education, способная подавать сигнал в определенное время для конкретного класса.

Практическая значимость работы заключается в том, что модель представляет собой подставку для ручек и сам «звонок», который подаётся автоматически по специально написанной нами программе. В конструкцию модели входит датчик касания, при нажатии на который выключается звук звонка. Эта модель помогает ученикам и учителю всегда знать о начале и конце урока, издавая автоматически сигнал в запрограммированное время.

II Основное содержание 2.1 История возникновения школьного звонка

В наши дни трудно представить школу без звонков? Звонок на урок, звонок с урока. Что же обозначает слово звонок и когда оно появилось? В словаре Ожегова дается следующее толкование понятия «звонок» – устройство, прибор для звуковых сигналов; звуковой сигнал, производимый специальным прибором [5].Согласно большой советской энциклопедии сигнал (от лат . signum – знак) физический процесс несущий сообщение о каком-либо событии. В нашем случае школьный звонок сообщает о начале или об окончании урока [1].

Школьный звонок — это инструмент, призванный упорядочить учебный процесс в образовательном учреждении. Звонок в школе предназначен для уведомления учащихся и сотрудников школы о том, что наступило время очередного урока или перемены. Организация учебного процесса возможна и без звонка, так как существует расписание уроков и перемен. Но при большом количестве участников образовательного  процесса  в школе  удобно пользоваться подобным сигналом.

Первый прототип школьного звонка появился в 4 веке до н.э. неподалеку от древних Афин, в Академии, созданной Платоном. На самом деле «звонок» был будильником – водяными часами особой конструкции [2]. Оно называлось Клепсидр или водяные часы, который состоял из двух соединенных между собой сосудов, в первый наливали воду, вытекая она вытесняла воду из второго. Воздух по трубке устремлялся к флейте, она начинала звучать, и ученики бежали на урок. Таким образом, Платон извещал учеников о начале занятий.

Известно также, что раньше школьников собирали в классы чаще всего с помощью больших и маленьких колоколов [3].

Первый электрический школьный звонок изготовил американский физик Джозеф Генри, на основе магнита в 1831 году.

Тот самый привычный нам электрический звонок появился в российских школах в 20 веке. Когда в начале 20-х годов начал осуществляться план ГОЭЛРО (Государственная комиссия по электрификации России), все школы оборудовали электрическими звонками.

Многие школы всего мира, в том числе и в России, в последнее время заменяют обычный школьный звонок на мелодии, которые по мнению психологов, создают приятное настроение и повышают работоспособность.

Вот какое определение музыкального звонка можно встретить «Музыкальные школьные звонки - это система звонков в школе, когда вместо надоевшего трезвона можно поставить абсолютно любую мелодию. Уже сейчас можно сказать, что электрический звонок по причине своей «старости», понемногу уходить в прошлое. Всё больше школ выбирают ему альтернативу. Всё больше появляется самых разнообразных предложений, например, таких как программно-аппаратные комплексы, которые представляют собой специализированные системы, предназначенные для автоматизированного управления расписанием [4]. Использование таких систем позволяет свести к минимуму ручную подачу звонков обслуживающим персоналом, устранить все недостатки ручного управления и повысить уровень учебной дисциплины в образовательном учреждении. Такие специальные устройства, предназначенные для автоматизированной подачи музыкальных звонков с уроков на уроки в образовательных учреждениях, имеют возможность подавать звонок по заранее запрограммированным годовому плану и расписаниям, с возможность выбора мелодий.

2.2 Обоснование выбора модели автоматизированного «Школьного звонка» Современные автоматизированные системы оповещения расписания звонков в учебных заведениях ориентированы на всех участников учебного процесса. Звонок раздается в определенно заданное время, без задержек и пропусков. Однако во многих школах, в том числе и в нашей, расписание звонков разное у учащихся старших классов и у младших. Также с введением обязательной внеурочной деятельности в школе, появилось много кружков и занятий, проводимых после уроков педагогами дополнительного образования. Начало и конец этих занятий не совпадает со звонками, которые подают на уроки. Поэтому возникла проблема: «Как информировать учащихся младших классов о начале и об окончании урока отдельно от учеников старших классов, а также тех, у кого проходят занятия в кружках, чтобы они знали, что этот звонок звенит для них».

Современные автоматизированные звонки, у которых есть возможность на любой день недели устанавливать разное расписание, не решают возникшей проблемы, поскольку сигнал раздается для всей школы и его слышат и отзываются все участники учебного процесса.

Мы провели опрос учителей начальной школы и педагогов, ведущих занятия в дополнительных кружках с целью: узнать устраивает ли их, как организована подача школьного звонка. Результаты опроса показали, что подача звонков в соответствии с расписанием основной школы устраивает только учителей 5-11 классов, а учителя начальной школы и педагоги дополнительного образования не довольны, что сигнал звонка не совпадает с их расписанием.

Поэтому возникла необходимость разработать специальный звонок индивидуального пользования педагогом внутри отдельного класса, чтобы подавался сигнал о начале урока.

2.3 Разработка и создание модели из деталей конструктора LEGO Mindstorms Education

Нами разработана модель «Школьного звонка» из конструктора LEGO Mindstorms Education, которая представляет собой подставку для ручек, присоединенную к блоку NXT. Также в модель необходимо встроить датчик касания, при нажатии на который можно будет выключить, подаваемый с помощью блока NXT, звуковой сигнал.

Первоначально нами была разработана схема сборки модели при помощи набора программ LDraw, который является свободно распространяемой утилитой:

• В программе виртуального моделирования MLCad 3.4 мы составили виртуальную модель «Школьного звонка».

• Затем мы сгенерировали схему сборки в программе LPub 4.0.0.11. (Приложение В).

• Также сделали скриншот модели в программе LDView 4.1. (Приложение А).

По созданной нами схеме сборки мы сконструировали модель «Школьный звонок», используя следующие детали для строительных частей нашей модели (Приложение Б):

№	Название	количество
	ось на 5	6
	ось на 2	1
	балка на 5	13
	балка на 15	2
	балка на 13	3
	балка на 7	9
	втулка	7
	блок NXT	1
	соединительный штифт с втулкой	8
	датчик касания	1
	угловой коммутатор 3х5	10
	соединительный штифт	38
	соединительный штифт 3 модуля	18
	угловой коммутатор 4х2	1
	соединительный штифт угловой	1
	соединительный штифт с осью	2

2.4. Программирование модели «Школьный звонок» в среде программирования NXT-G

В модели «Школьный звонок» основным элементом является блок NXT – это разумный, управляемый компьютером блок, играющий роль «мозга» нашей конструкции [6]. Программы, загружаемые в блок, управляют им для получения входных данных с датчиков. В нашей модели – это датчик касания (Touch Sensor), у которого есть кнопка «чувствующая» нажатия. В модели звонка при нажатии на датчик касания должен передаваться сигнал в блок об остановке звука. Звук будет раздаваться из громкоговорителя, которым снабжен блок NXT. Датчик касания подключается с помощью кабеля к блоку NXT к порту №1. Модели, создаваемые из конструктора LEGO Mindstorms Education, программируются при помощи среды NXT-G.

Мы составили несколько программ в среде NXT-G для разных вариантов расписания:

• 1 – вариант: Продолжительность уроков 45 минут, и каждая перемена по 5 минут (Приложение Г, рис 4).

П

1. Запуск программы: нажатие кнопки «Пуск» на блоке NXT.

2. Программа отсчитывает время 15 минут и раздается звонок на урок.

3. Звонок отключается нажатием на датчик касания.

4. Начинается отсчет времени продолжительностью 45 минут.

5. Звонок на перемену звенит через 45 минут.

6. Звонок отключается нажатием на датчик касания.

7. Начинается отсчет времени продолжительностью 5 минут.

8. Звонок на урок звенит через 5 минут.

рограмма имеет следующий алгоритм:

Алгоритм повторяется необходимое количество раз: количество уроков в расписании.

• 2 – вариант: Продолжительность уроков 45 минут, а перемены разные первая 10 минут вторая 10 минут, а третья 15 минут (Приложение Г, рис 5).

Программа имеет следующий алгоритм:

1. Запуск программы: нажатие кнопки «Пуск» на блоке NXT.

2. Программа отсчитывает время 15 минут и раздается звонок на урок.

3. Звонок отключается нажатием на датчик касания.

4. Начинается отсчет времени продолжительностью 45 минут.

5. Звонок на перемену звенит через 45 минут.

6. Звонок отключается нажатием на датчик касания.

7. Начинается отсчет времени продолжительностью 10 минут.

8. Звонок на урок звенит через 10 минут.

9. Звонок отключается нажатием на датчик касания.

10. Начинается отсчет времени продолжительностью 45 минут.

11. Звонок на перемену звенит через 45 минут.

12. Звонок отключается нажатием на датчик касания.

13. Начинается отсчет времени продолжительностью 10 минут.

14. Звонок на урок звенит через 10 минут.

15. Звонок отключается нажатием на датчик касания.

16. Начинается отсчет времени продолжительностью 45 минут.

17. Звонок на перемену звенит через 45 минут.

18. Звонок отключается нажатием на датчик касания.

19. Начинается отсчет времени продолжительностью 15 минут.

20. Звонок на урок звенит через 15 минут.

21. Звонок отключается нажатием на датчик касания.

• 3 – вариант: Продолжительность одного занятия 90 минут в кружке без перемен (Приложение Г, рис 6). Программа имеет следующий алгоритм:

1. Запуск программы: нажатие кнопки «Пуск» на блоке NXT.

2. Программа отсчитывает время 15 минут и раздается звонок на урок.

3. Звонок отключается нажатием на датчик касания.

4. Начинается отсчёт времени продолжительностью 90 минут.

5. Через 90 минут звенит звонок.

6. Звонок отключается нажатием на датчик касания.

Скриншоты программ представлены в Приложении Г.

При написании программы мы использовали следующие блоки для программирования:

– «Ожидание» сигнала датчика по заданному таймером времени в секундах;

– «Звук» для воспроизведения звукового файла до тех пор, пока датчик касания не будет нажат;

– «Ожидание» сигнала датчика касания, при его поступлении звук отключается;

– «Цикл» используется для повтора последовательностей команд, в нашем случае – это повторение звонков уроков и перемен с одинаковой продолжительностью.

III Заключение

Поставленная нами цель - создать модель «Школьного звонка» на основе конструктора LEGO Mindstorms Education, который будет автоматически издавать сигнал в определенно заданное время, определяя начало и конец занятий для отдельного класса, достигнута.

Оригинальность и новизна состоит в том, что разработанная нами модель дает возможность слышать сигнал на урок или дополнительные занятия ученикам определенного класса и учителям, которые будут всегда знать о начале и конце своего урока. Модель «Школьный звонок» применяется учителем и удобна ему тем, что он заранее оповещен о начале проводимого им занятия, а также всегда информирован о его окончании, в этом и заключается практическая значимость работы.

Работая над проектом, мы изучили историю возникновения школьного звонка и рассмотрели современные способы оповещения, используемые в школах. На основе изученного материала была разработана автоматизированная модель школьного звонка из робототехнического конструктора LEGO Mindstorms Education и запрограммированна на языке NXT-G. Модель звонка также используется учителем в качестве подставки для ручек, которая предусмотрена в нашей модели. Модель звонка не занимает много места на рабочем столе учителя и легко может быть запрограммирован на любое расписание звонков.

Звонок уже установлен в нескольких классах. Он удобен тем, что оповещает об уроке заранее. Наша модель Школьного звонка дает возможность учителям и ученикам всегда начинать и заканчивать их занятия вовремя.

IV Список литературы

1. Большая советская энциклопедия : в 30 т. / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Сов. энцикл., 1969–1978.

2. Дильс Г. Античная техника / Г. Дильс, – М.-Л.,1934., – 217 с.

3. Когда впервые были сделаны колокольчики? – http://www.potomy.ru/school/604.html

4. Мезенцев В.Н. Школьник-3. Музыкальный программируемый школьный звонок. Руководство пользователя. Версия 0.5.8, – Излучинск, Нижневартовск, Екатеринбург, 2010 г., – 124 с.

5. Ожегов С. И. Толковый словарь русского языка. 4-е изд. / С. И.Ожегов, Н. Ю. Шведова, – М., 1997 г., – 944 с.

6. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей / С.А. Филиппов, – СПб.: Наука, 2013 г., – 319 с.

Приложение А

Модель «Школьный звонок»

рис.1

рис.2

рис.3

Приложение Б

Перечень деталей сборки модели «Школьный звонок»

Приложение В

Схема сборки модели «Школьный звонок»

Приложение Г

Программа в среде NXT-G для модели «Школьный звонок»

Программа 1: Продолжительность уроков 45 минут, и каждая перемена по 5 минут. Цикл выполняется заданное количество раз.

рис.4

Программа 2: Продолжительность уроков 45 минут, перемены разные по времени: первая 10 минут вторая 10 минут, а третья 15 минут.

рис.5

рис.6

Программа 3: Продолжительность одного занятия 90 минут в кружке без перемен