Что такое логический конструктор

Обновлено: 03.05.2024

Современная электронная вычислительная машина - это сложнейший комплекс устройств, восхищающий своим технологическим совершенством и разнообразием физических принципов работы. Различные устройства машины представляют собой комбинацию большого числа элементов-кирпичиков. Элементы компьютера выполняют хранение, преобразование и передачу двоичных переменных, а также ряд вспомогательных функций: задержку сигнала во времени, формирование сигнала с определенными физическими характеристиками и т. п. Для представления и обработки информации используются различные физические явления и процессы, например электрический ток или магнитный поток. Наличие или отсутствие электрического тока, уровня напряжения различной величины или полярности, величины магнитного потока и т. д. рассматриваются как сигналы. В техническом отношении передача и преобразование дискретной информации реализуется наиболее просто, если различать только два уровня сигнала, соответствующие символам 0 и 1, или понятиям истинности ДА или НЕТ. Различные конструкции элементов могут давать лишь разные технические реализации, гарантирующие распознавание двух таких состояний.

Какой бы сложной ни была структура конкретной системы, ее можно изучать и описывать по частям, выявляя в ней сравнительно небольшое число стандартных элементов, составляющих стандартные узлы и блоки. Устройства машины представляют собой комбинации большого числа элементов-кирпичиков. Разнообразие их, однако, не столь велико. Каждая машина состоит из ограниченного количества типов элементов, которые выполняют определенные логические функции, выражающие зависимость сигналов на выходах от сигналов на входах этих элементов.

Построение и анализ логических элементов и схем основываются на применении формального метода математики к области логики. Подобно тому, как в математике для выражения отношений используется язык формул, в математической логике тот же язык формул используется для выражения логических связей, которые существуют между суждениями, понятиями, высказываниями.

Так же как и для математической задачи, решение любой логической задачи имеет свою “технологию”. Она составляется из простейших операций, похожих на сложение и умножение. Принято считать, что значение истинности высказывания равно единице, если оно истинно, и равно нулю, если оно ложно. Если условно обозначить различные высказывания буквами A, B и т. д., то в общем виде запись A = 1 означает, что высказывание А истинно, а B = 0 означает, что высказывание B ложно. То, что значение истинности может принимать два значения - 0 и 1, хорошо согласуется с двоичной системой счисления и с работой двухпозиционных элементов, используемых в ЭВМ. Например, в ЭВМ истинность высказывания может быть передана сигналом положительного электрического напряжения, что условно соответствует сигналу 1, а ложность - сигналом отрицательного напряжения или отсутствием вообще какого-либо сигнала. Это условно соответствует сигналу 0.

Высказывания могут быть простыми и сложными. Из данных высказываний с помощью логических операций можно получить новые высказывания.

2. Базовые логические элементы

Любые сложные логические функции, необходимые для работы машины, могут быть выполнены с помощью основных логических элементов. Сами элементы строятся из разнообразных электрических схем. При этом аргументами являются сигналы, поступившие на вход схемы, а функциями от этих аргументов - выходные сигналы. Если сигнал есть, то значение аргумента, который он изображает, равно единице, если нет - нулю. Поскольку логический элемент машины реализует конкретную логическую функцию, то строго определенной комбинации входных сигналов, отвечающей значениям аргумента, должно соответствовать наличие (или отсутствие) сигнала на выходе схемы. Наиболее простыми и распространенными логическими элементами являются: схема совпадения, собирательная схема и инвертор.

3. Постановка задачи.

Создать конструктор и тестер логических схем для внедрения в учебный процесс предмета ОИВТ.

а) Техническое задание.

На экране должна быть "живая" - изменяемая конструкция базовых логических элементов, соединенных в логической последовательности.

Должна быть предусмотрена возможность редактирования, записи/чтения с диска схем, контроль их работы. Должна быть предусмотрена возможность регистрации и печати протоколов работы, выставление оценки в режиме контроля.

4. Назначение пакета (версия DOS)

Пакет состоит из двух программ (“Конструктор логических схем” и “Тест по логическим схемам”) и файлов с примерами логических схем и вариантов тестирования. Пакеты призваны повысить производительность учительского труда, совершенствуя методику предмета и организацию урока, и учебной деятельности учащегося, освобождая его от рутинной работы в ходе выполнения учебных заданий.

а) Назначение программы “Конструктор логических схем”.

Программа “Конструктор логических схем” предназначена для создания логических схем, их редактирования и контроля, а также для создания и редактирования вариантов тестирования. При запуске программы на экране монитора появляется красочная заставка. После нажатия любой клавиши на экране появляется рабочее поле, поле подсказок и главное меню программы. На рабочем поле располагается текущая схема. В поле подсказок располагаются подсказки, описывающие возможные в данный момент действия (если текущим является главное меню, то в поле подсказок описывается команда, высвеченная в главном меню красным цветом). В главном меню клавишами передвижения курсора предлагается выбрать команду и после нажатия клавиши “Enter” управление передается данной команде.

Команды главного меню.

На рабочем поле появляется светлый прямоугольник. Клавишами перемещения курсора можно передвигать этот прямоугольник по двумерной матрице рабочего поля. Клавишей “Пробел” можно изменять элемент схемы, находящийся в светлом прямоугольнике. При нажатии на клавишу “Enter” управление передается главному меню и схема остается на рабочем поле. При нажатии на клавишу “Esc” управление передается главному меню, а на рабочем поле восстанавливается предыдущая схема.

ЗАПИСЬ НА ДИСК:

Появляется меню файлов с сохраненными схемами. В верхнем правом углу отображается имя текущего файла. На рабочем поле отображается схема, записанная в текущем файле. В меню имя текущего файла имеет зеленый цвет. Выбор файла в меню осуществляется клавишами передвижения курсора. После нажатия клавиши “Enter” схема, записанная в файле, останется на рабочем поле и текущим станет главное меню. Если вместо клавиши “Enter” нажать клавишу “Delete”, то файл будет удален с диска. Если нажать клавишу “Esc”, то текущим станет главное меню, а на рабочее поле вернется схема, бывшая на нем до запуска команды “ЧТЕНИЕ С ДИСКА”. Также прочитать файл с сохраненной схемой можно, нажав клавишу “Tab”. В верхнем правом углу появится курсор. После ввода с клавиатуры имени файла, он будет прочитан. Если во время ввода повторно нажать клавишу “Tab”, то текущим снова станет меню файлов.

Появляется меню выбора вариантов. Выбор варианта осуществляется клавишами передвижения курсора (всего 28 вариантов).

После нажатия клавиши “Enter” появится список из пяти файлов. Для того чтобы записать в вариант другой файл, нужно клавишами передвижения курсора сделать текущим файл, вместо которого предполагается записать другой файл.

Затем нужно нажать клавишу “Enter”. Появится меню, идентичное меню “ЧТЕНИЯ С ДИСКА”. После выбора нужного файла, вновь появится список варианта. Если сделанные изменения устраивают, нужно нажать клавишу “Esc”. На экране появится меню выбора варианта. Если нужные варианты отредактированы, нажимается клавиша “Esc” и текущим станет главное меню.

КОНТРОЛЬ:

В левой части рабочего поля появляется светлый зеленый прямоугольник, перемещая который по вертикали клавишами передвижения курсора, можно клавишей “Пробел” изменять сигналы, подаваемые на схему. В правой части рабочего поля отображаются сигналы, выходящие из схемы. При нажатии на клавиши “Enter” или “Esc” текущим станет главное меню.

Очищается рабочее поле.
ВЫХОД:
Выход из программы.

б) Назначение программы “Тест по логическим схемам”.

Программа “Тест по логическим схемам” предназначена для тестирования учащихся по знанию работы простейших логических схем, основанных на базовых логических элементах. По внешнему виду программа схожа с “Конструктором логических схем”.

Команды главного меню.

ТЕСТИРОВАНИЕ ПО ВАРИАНТАМ:

Появляется меню выбора вариантов. После выбора варианта на рабочем поле появляется первая схема. Сигналы, присутствующие на входе схемы, расставляются случайно. В правой части рабочего поля появляется светлый зеленый прямоугольник, перемещая его по вертикали клавишами передвижения курсора, можно клавишей “Пробел” изменять сигналы, которые по мнению тестируемого должны присутствовать на выходе схемы. Затем нужно нажать клавишу “Enter” и на рабочем поле появится следующая схема.

После окончания теста в поле подсказок будет выведено количество набранных баллов. Каждый правильный ответ - 1 балл. Затем, после нажатия любой клавиши, будет задан вопрос “Тестировать еще раз?”. Если нажать клавишу “Enter”, то тестирование будет повторено. Если нажать любую другую клавишу, текущим станет главное меню.

ТЕСТИРОВАНИЕ БЕЗ ВАРИАНТОВ:

Файлы со схемами выбираются случайно. Тестирование проходит аналогично тестированию по вариантам.

ВКЛЮЧИТЬ (ОТКЛЮЧИТЬ) ВЫВОД НА ПРИНТЕР:

Включает (отключает) вывод на принтер. Вначале вывод на принтер отключен.

ВЫХОД:

Выход из программы.

5. Перспективы развития (пакет под WINDOWS)

В следующих версиях пакета сделаны следующие дополнения:

- был устранен недостаток, связанный с некорректным контролем схем, сигналы в которых проходят не только слева направо, но и справа налево.

- увеличенное рабочее поле

- возможность управления мышью

- поддержка работы в локальной сети

- вывод схем на принтер

- сохранение схем в файлах в графическом виде

- более дружелюбный и удобный интерфейс

- возможность настройки программы по вкусу пользователя

Версия для WINDOWS

Все это было реализовано в версии 1.00 для OS WINDOWS

1. Построение логической схемы…осуществляется выбором из библиотеки элементов соответствующего соединения и расстановкой его на рабочем поле.

Урок разработан с помощью программы Macromedia Flash.

Ход урока

I. Постановка целей урока.

Сегодня мы продолжаем изучение темы "Построение логических схем".

Приготовьте раздаточный материал "Логические основы ЭВМ. Построение логических схем" Приложение 1

Вопрос учителя. Назовите основные логические элементы. Какой логический элемент соответствует логической операции И, ИЛИ, НЕ?

Ответ учащихся. Логический элемент компьютера - это часть электронной логической схемы, которая реализует элементарную логическую функцию. Основные логические элементы конъюнктор (соответствует логическому умножению), дизъюнктор (соответствует логическому сложению), инвертор (соответствует логическому отрицанию).

Вопрос учителя. По каким правилам логические элементы преобразуют входные сигналы. Рассмотрим элемент И. В каком случае на выходе будет ток (сигнал равный 1).

Ответ учащихся. На первом входе есть ток (1, истина), на втором есть (1, истина), на выходе ток идет (1, истина).

Вопрос учителя. На первом входе есть ток, на втором нет, однако на выходе ток идет. На входах тока нет и на выходе нет. Какую логическую операцию реализует данный элемент?

Ответ учащихся. Элемент ИЛИ - дизъюнктор.

Вопрос учителя. Рассмотрим логический элемент НЕ. В каком случае на выходе не будет тока (сигнал равный 0)?

Ответ учащихся. На входе есть ток, сигнал равен 1.

Вопрос учителя. В чем отличие логической схемы от логического элемента?

Ответ учащихся. Логические схемы состоят из логических элементов, осуществляющих логические операции.

Проанализируем схему и определим сигнал на выходе.

II. Закрепление изученного материала.

Почему необходимо уметь строить логические схемы?

Дело в том, что из вентилей составляют более сложные схемы, которые позволяют выполнять арифметические операции и хранить информацию. Причем схему, выполняющую определенные функции, можно построить из различных по сочетанию и количеству вентилей. Поэтому значение формального представления логической схемы чрезвычайно велико. Оно необходимо для того, чтобы разработчик имел возможность выбрать наиболее подходящий ему вариант построения схемы из вентилей. Процесс разработки общей логической схемы устройства (в том числе и компьютера в целом), становится иерархическим, причем на каждом следующем уровне в качестве "кирпичиков" используются логические схемы, созданные на предыдущем этапе.

Дома вам необходимо было построить логические схемы, соответствующие логическим выражениям.

Вопрос учителя. Каков алгоритм построение логических схем?

Ответ учащихся. Алгоритм построение логических схем:

Определить число логических переменных.

Определить количество базовых логических операций и их порядок.

Изобразить для каждой логической операции соответствующий ей элемент (вентиль).

Соединить вентили в порядке выполнения логических операций.

Проверка домашнего задания Приложение 1. Домашнее задание. Часть 1

Две переменные - А и В.
Две логические операции: &,
Строим схему.

Построить логическую схему для логического выражения:

Вычислить значение данного выражения для А=1, В=0.

III. Пропедевтика (законы логики)

Выполним задачу обратную данной. Составим логическое выражение по заданной логической схеме:

Данное логическое выражение можно упростить.

Операция И - логическое умножение, ИЛИ - сложение. Запишем выражение, заменяя знаки & и U на * и + соответственно.

F= (A*B+B*С) Упростим F= (B*(А+С)), затем запишем и тогда логическая схема примет вид:

Вывод: Логические схемы, содержащие минимальное количество элементов, обеспечивают большую скорость работы и увеличивают надёжность устройства.

Алгебра логики дала конструкторам мощное средство разработки, анализа и совершенствования логических схем. Проще, и быстрее изучать свойства и доказывать правильность работы схемы с помощью выражающей её формулы, чем создавать реальное техническое устройство.

Таким образом, цель нашего следующего урока - изучить законы алгебры логики.

Сегодня мы подготовили небольшую подборку электронных конструкторов, с помощью которых ребенок сможет сделать собственные первые эксперименты и совершить первые шаги в программировании.

Опыты с электроникой в последнее время стали довольно популярны: даже в розничных магазинах можно встретить большое количество однотипных, локализованных разными поставщиками, подарочные коробки, внутри которых инструкции для коротких проектов.

Один из самых простых примеров — это «Картофельные часы», "Природное электричество" и т. п.

Последний — это не совсем электронный конструктор, хотя и грань между ними довольно тонкая: набор простых компонентов — есть; схема для сборки, или активации простых элементов — есть; провода, инструкция… В общем, пытаются соответствовать.

Честно говоря, при довольно-таки богатой коробке — весьма незамысловатое наполнение. В комплекте несколько медных и цинковых пластин, провода, крышки, для которых придется самостоятельно искать бутылки, диод на подставке и очень просто сделанные цифровые часы.

Чем может привлечь? Для того, чтобы активировать что-либо, необходимо приложить какие-то усилия сверх набора: найти соленую воду, цветок в горшке или пару яблок. В этом смысле маленькому ребенку может быть любопытно и полезно узнать, что некоторые вещи, которые нас окружают немного необычны.

Надолго такой игрушки не хватит, но часы, подключенные к маминому фикусу вполне могут простоять какое-то время и даже показывать его же, если не забывать вовремя поливать. Стоимость 790 рублей.

Похожим на этот набор можно назвать "Мастерскую электричества", о которой мы не так давно писали. Набор также кому-то кажется слегка переоцененным, но у него есть ряд достоинств.

Две цветные инструкции: текстовая и визуальная, несложная платка с удобным пружинным креплением проводов, что не требует от ребенка сверхчетких действий. И, также как и в описанном выше наборе, некоторое пространство для творчества вместе с соленой водой и т. п. Всего же «Мастерская» электричества предлагает свыше 20 экспериментов.

В наборе моторчик, динамик и несколько лампочек. При, опять же, некоторой «бедности» комплектации сама коробка оформлена весьма приятно и тянет на хороший сувенир ребенку на время школьных каникул.

Микроник — пожалуй, наш самый любимый образец.

Это проект «Амперки» хорошо знакомого вам производителя наборов для программирования на базе Arduino.

Микроник же стоит особняком: ничего программировать тут не надо. Это начальный набор для первых опытов.

В наборе свыше сотни компонентов, которые последовательно должны занять свое место на маленькой плате.

Плата действительно миниатюрная, за что данный конструктор некоторые критикуют, мол, ребенку трудновато работать на таком пространстве. Тут есть и рацзерно. Но одна из задач, вероятно, и была «конструктор для маленьких» сделать маленьким.

Некоторые эксперименты, а также комплектацию «Микроника» мы уже описывали в одном из давних обзоров аж за 2015 год.

Сильно фантазировать тут не получится: все двадцать моделей, которые предусмотрены, собираются из предложенных в наборе компонентов, то есть без соленой воды, фруктов и пластиковых бутылок можно обойтись.

Простейшие эксперименты собираются довольно легко, так как отсчитать нужное количество клеточек для подключения в относительной пустоте не очень сложно.

Иные же модели потребует большего усердия и внимательности.

Из относительно недорогих проектов «Амперки» также хотелось бы упомянуть "Технокуб". Он любопытен тем, что поможет создать ребенку первое смарт-устройство самостоятельно.

Работает он на базе платформы Iskra Neo с микроконтроллером ATmega32U4, что, как уточняют авторы, аналог Arduino Leonardo.

Всего в наборе не так много компонентов, из которых предлагается собрать куб с диодной нотификацией о разных событиях.

С учетом того, что многие подобные вещи нас окружают, начиная от умных браслетов, которые оповещают о звонках, до датчиков движения, смарт-камер с многочисленными пушами, такое занятие кажется очень своевременным.

Вернемся к обычным конструкторам. Из аналогов «Микроника» следует упомянуть конструкторы "Знаток". Главное их отличие — большая наглядность, упрощенный и более надежный способ закрепления элементов.

Безусловно, некоторая атмосфера «серьезного» взрослого конструктора теряется, но для постижения простых законов физики и электроники, возможно, она и не нужна. Элементы конструктора крепятся к плате с помощью «кнопок».

Все выполнено из жестких элементов, и значит конструкция не развалится, не рассыпется: это довольно надежно и прагматично. Сама же «плата» в разы больше и «Мастерской электричества», и уже «Микроника» подавно.

Что-то не доделал? Легко убрать с доской и отложить до следующего раза.

Раз уж мы коснулись темы электронных робототехнических конструкторов, то уместно упомянуть пару примеров. Во-первых, электронные конструкторы «ЛАРТ».

Компания известна на рынке аналогичными наборами электронных экспериментов, типа «Природного электричества» и несколькими моделями программируемых простых моделей. Среди них, например: «Робот-скиф», который управляется блоком R-5 с контроллером Arduino nano.

В комплекте вы получаете:

Несущая пластина – 1 шт.
Мотор-редуктор – 4 шт.
Колесо пластиковое – 4 шт.
Батарейный отсек на 6 шт. батареек АА – 1 шт.
Блок управления R-5 – 1 шт.
Контроллер совместимый с Arduino Nano – 1 шт.
Инфракрасный датчик ЛМ1-940 – 2 шт.
Ультразувковой датчик HC-SR04 – 1 шт.
Сервомотор SG90 – 1 шт.
Пластиковый держатель УЗ датчика – 1 шт.
USB кабель – 1 шт.
Стойка латунная 10 мм – 2 шт.
Стойка латунная 20 мм – 4 шт.
Винт М3 х 25 мм – 8 шт.
Винт М3 х 6 мм – 14 шт.
Винт М2 х 6 мм — 2 шт.
Гайка М3 — 2 шт.
Гайка М2 — 2 шт.
Комплект проводов – 1 шт.
Трубка пластиковая для ИК диодов — 2 шт.
CD диск с описанием конструктора — 1 шт.

Чуть более простой и чуть более дешевый «ЛАРТ» — «Робот, следующий по линии».

Несущая пластина.
Ходовая часть: 2 электромотора с колесом 42 мм, держателем моторов и крепежных винтов с гайками М2. И шариковая опора
Батарейный отсек с 6-ю батарейками типа АА и крепежными винтами с гайками М3.
Блок управления R5 с контроллером Arduino Nano, металлическими стойками 25 мм и крепежными винтами М3 х 6мм.

Набор пластиковых деталей робота.
Крепежные элементы
Батарейный отсек для 6-ти батареек АА
Батарейный отсек для 4-х батареек АА
4 сервомотора SG90
Блок управления R-5M
Контроллер Arduino Nano
Резиновые ножки

Всего есть несколько наборов. Например, «Стартовый набор» первого уровня призван объяснить основы электроники.

Он построен по принципу обучающих уроков: всего их 30, каждый из которых последовательно включает и теоретическую часть и практические навыки.

Урок №1. Основные понятия электричества.
Напряжение, сопротивление, мощность, сила тока, закон Ома.

Урок №2. Светодиод.
Особенности применения и подключения

Урок №3. Тактовая кнопка.
Использование в электрической цепи

Урок №4. Работа с мультиметром.
Методика измерения электрических характеристик

Урок №5. Переменное сопротивление.
Реостат и потенциометр, их назначение и применение.

Урок №6. Транзисторы.
Описание и разновидности. Построение цепи на основе биполярного транзистора

Урок №7. Последовательное соединение проводников.
Характеристики и особенности. Расчет электрической цепи.

Урок №8. Терморезистор и фоторезистор.
Описание и особенности использования.

Урок №9. Делитель напряжения.
Принцип деления напряжения. Расчет параметров цепи.

Урок №10. Вольт-амперная характеристика.
Определение и функциональное предназначение.

Урок №11. RGB-светодиод.
Особенности подключения полноцветного светодиода.

Урок №12. Параллельное соединение проводников.
Характеристики и особенности. Расчет электрической цепи.

Урок №13. Конденсатор.
Разновидности, характеристики и применение.

Урок №14. Однопереходный транзистор.
Принцип работы и практическое использование в схемах.

Урок №15. Создание простого колебательного контура.
Мигающий светодиод.

Урок №16. Начало работы с микросхемами.
Микросхема счетчика импульсов в мини-проекте «Бегущий огонёк».

Урок №17. Применение микросхемы триггера Шмитта в цифровых системах.
Мини-проект «Автоматический бегущий огонёк».

Урок №18. Особенности работы с 7-сегментным цифровым индикатором.
Мини-проект «Змейка».

Урок №19. Знакомство с логическими элементами.
Микросхема с элементом «НЕ» в мини-проекте «Автоматический ночной светильник»

Урок №20. Микросхема с логическим элементом «И».
Понятие обратной связи и мини-проект «Код доступа».

Урок №21. Триггеры в электронике.
Микросхема D-триггера в мини-проекте «Пластификатор цифр».

Урок №22. Изучение 555-го таймера.
Моностабильный режим работы. Мини-проект «Таймер для домофона».

Урок №23. Работа 555-го таймера в режиме генератора непрерывных колебаний.
Мини-проект «Полицейский маяк».

Урок №24. Принципы создания звука. Звуковой динамик.
Мини-проект «Музыкальный синтезатор».

Урок №25. Расширенное управление таймером.
Мини-проект «Спецсигналы».

Урок №26. Применение драйвера 7-сегментного индикатора.
Мини-проект «Секундомер».

Урок №27. Разновидности электродвигателей.
Коллекторный двигатель и управление им с помощью реле.

Мини-проект «Привод автомобильного стеклоочистителя».
Урок №28. Управление электродвителем с применением Н-моста.
Мини-проект «Лебедка».

Урок №29. Микросхема-драйвер для управления электродвигателем.
Мини-проект «Повелитель мотора».

Урок №30. Управление сервоприводом.
Мини-проект «Сервометроном».

В основе каждого урока один или несколько экспериментов для улучшения восприятия и закрепления знаний. Все, как в школе, в общем. В процессе этой «занимательной физики» ребенку объяснят принципы создания колебательных систем, формирования цифровых сигналов, научат создавать собственные устройства из предложенных микросхем и элементов.

Учебное пособие по основам электроники
Часть 1 — 1 шт.
Часть 2 — 1 шт.

Набор светодиодов:
Красный — 5 шт.
Желтый — 5 шт.
Зеленый — 5 шт.

Набор резисторов:
120 Ом — 20 шт.
240 Ом — 20 шт.
1 кОм — 20 шт.
10 кОм — 20 шт.
100 кОм — 20 шт.

Набор тактовых кнопок с колпачками:
Тактовый кнопки — 3 шт.
Цветные колпачки — 3 шт.

Биполярный транзистор — 5 шт.

Переменный резистор (потенциометр) — 2 шт.

Фоторезистор VT93N1 — 1 шт.

Набор перемычек для макетной платы — 1 шт.

Болтовой клеммник — 3 шт

Макетная плата
82х53 — 2 шт.

Соединительные провода
«папа-папа» длиной 20 см — 40 шт

Батарейный отсек на 4 батарейки АА — 1 шт.

Мультиметр цифровой — 1 шт.

Набор электролитических конденсаторов:
1 мкФ — 5 шт.
47 мкФ — 5 шт.
4,7 мкФ — 5 шт.
100 мкФ — 5 шт.
220 мкФ — 5 шт.

Термистор 10 кОм — 1 шт.

RGB светодиод — 1 шт.

Однопереходный транзистор — 5 шт

Батарейки АА — 8 шт.

Серводвигатель — 1 шт.

Бузер — 1 шт.

Соединительные провода
«папа-мама» длиной 20 см — 20 шт

Мотор-редуктор — 1 шт.

Диод выпрямительный — 5 шт

Отвертка — 1 шт.

Набор микросхем (18 шт):
74hc4017 — 1 шт.
74hc14 — 1 шт.
74hc08 — 2 шт.
74hc04 — 2 шт.
74hc02 — 2 шт.
CD4026 — 2 шт.
L293D — 1 шт.
NE555 — 3 шт.
CD4013 — 4 шт.

7-сегментны индикатор — 2 шт.

Набор керамических конденсаторов:
0,1 мкФ — 5 шт.
0,01 мкФ — 5 шт.

Светодиод синий — 5 шт.

Реле одиночное — 1 шт

Динамик — 1 шт.

Батарейный отсек 1хАА — 1 шт

Батарейный отсек 2хАА — 1 шт.

Стабилизатор напряжения — 2 шт

Датчик наклона — 1 шт.
Модуль с тактовыми кнопками — 2 шт.
DVD диск — 1 шт.

Стоимость такого комплекта — 6999 рублей.

Также в линейке есть похожий конструктор, который отчасти решает аналогичные задачи, с более богатой комплектацией на базе контроллера Arduino.

Навскидку, выставка «Меркур и другие конструкторы» в культурном центре ЗИЛ не производит впечатления — вот конструктор металлический, вот пластмассовый, вот инженерный и т.д.

Но один стенд привлекает внимание — он демонстрирует с десяток цифровых конструкторов, среди которых:

— конструктор фантастических существ для школьников, который объясняет всю культуру Древней Греции за 5 минут,

— онлайн-конструктор роботов из подручных материалов, объясняющий, куда девать старый пионерский значок с Лениным,

Раз конструкторы все чаще попадаются нам в цифровой форме — полезно знать общую концепцию их устройства. Об этом и поговорим с экспертом.

Оказывается, автор цифровых конструкторов со стенда сидит в том же здании, где проходит выставка.

Николай Селиванов — художник, преподаватель, автор электронных обучающих систем. Руководит проектом «Мастерская художественного проектирования» (творчество для детей) и организует выставки в ДК ЗИЛ. Ведущий специалист проекта Education, Art and ICT: integration for development of one's personality в Институте ЮНЕСКО по информационным технологиям в образовании, член президиума НП АДИТ (Автоматизация деятельности музеев и информационные технологии).

Мы проговорили с Николаем два часа и выяснили — для чего бы ни создавался цифровой конструктор: для школы, для игр или для бизнеса, — он будет работать по одним и тем же законам.

1. Показываем принцип, а не учим паттерну

Николай: «Когда я вижу родителей, которые покупают детям только «Лего», я говорю им: «А кем вы хотите видеть его, когда человек закончит вуз — исполнителем в большой компании или творцом и, возможно, владельцем этой компании?»

Дело в том, что с точки зрения рассказывания историй «Лего» прекрасен — например, мы собираем с внуком батискаф, а параллельно я знакомлю его с темой подводных исследований. Но с точки зрения развития творческого мышления — этот конструктор слабоват, т.к. в нем часто учат собирать определенную вещь строго определенным образом.

Занятие при «Мастерской художественного проектирования», которой руководит Николай

Задача же конструктора: дать получить опыт создания тех или иных вещей — то есть, понять базовый принцип, а не научиться делать «конкретно так». В этом плане даже простые кубики — отличный пример правильного конструктора. С ним можно многое — да хоть модель мироздания объяснить.

Еще один хороший пример, который я встречал — брошюры и книги для «самоделкиных», которые массово издавали в 1930-х. Например, там говорится примерно следующее: «Вот вам принцип работы пропеллера; понимая его, вы можете сделать с ним хоть самолет, хоть квадрокоптер». То есть, показывается база, с которой можно добиться многого и разного. А не пошаговая инструкция на каждый случай, которая засядет в голове».

uKit: Когда мы только начали писать о конструкторах на Гиктаймсе, в комментариях появился пересказ истории про «конструктор это только для того, чтобы сделать вот так» — оказалась, проблема понимания, зачем нужен конструктор, иногда реально существует:

Хотя конструктор — что обычный, что цифровой, — решает задачу познания и прощупывания нового направления. Прохождения первых шагов через личный опыт, основанный на опыте других.

Например, Scratch – это и визуальная среда для обучения школьников программированию, и первые шаги в анимации, которые продумали за вас специалисты из MIT.

Те же простенькие онлайн-конструкторы баннеров и обложек от «Лего» — это первые шаги в графическом дизайне для маленьких, учитывающие и маркетинговую задачу, и демонстрацию того, как делать плакат/баннер/коллаж.

И так — вплоть до взрослого цифрового конструктора.

Сестра нашего бразильского коллеги собирает сайт на конструкторе где-то в Сан-Паулу

Любой сайт может быть собран по-разному, и ваша задача как разработчика конструктора — указать общий путь и дать простор для разумного творчества, выделив основные моменты. А не вбить в голову концепцию, что «любой сайт должен содержать в-о-о-от такую кнопку зеленого или красного цвета, точно говорю, у меня брат так поднялся».

А потому элементы и логика подбираются под каждый конструктор по ситуации.

2. Ситуативность и решение конкретных задач

Николай: «Каждому конструктору свое время и место. Каждый мой конструктор — это попытка решить проблему. Например, возьмем группу школьников, отведем их в зал античного искусства. На месте будем долго рассказывать им, как делались знаменитые греческие вазы. Но! Принцип, по которому они создавались, останется «закрытым» для них, поверьте — новые поколения часто не воспринимают культурный опыт прошлого.

А этот принцип есть. Любой инженер сказал бы — это принцип агрегата: когда сочетание различных элементов образует систему для решения какой-либо одной задачи.

Дети изучают конструктор фантастических существ на продвинутых уроках ИЗО

Так я придумал конструктор фантастических персонажей — он дает наглядно прочувствовать методу, по которой создавались изображения для разных типов античной керамики. Когда дети 2-8 классов, попробовав такой конструктор, приходят в музей, они понимают, как, зачем и из чего был создан объект.

А этот конструктор можно бесплатно скачать в App Store и Google Play (версию для планшета проектировал уже не Николай)

Мы хотели дать представление о том, как работали художники того времени. И конструктор основан на методической схеме написания классического пейзажа — это конкретная цветовая схема, конкретное понятие перспективы и принципов расположения объектов на планах.

uKit: Цифровые конструкторы всегда основывались на решаемой задаче. Взять, например, uCoz – первый проект нашей компании. В 2005-м он решал проблему основателей и их «тусовки» — сделать фан-сайт, форум, блог или портал, не углубляясь во FreeBSD. Это был продукт для гиков.

Когда на сломе 2000-х соцсети стали заменять фан-сайты и порталы, а малый бизнес стал выходить в интернет, появилась идея нашего uKit — «конструктора попроще».

В нем также реализована система мягких «сдержек и ограничений», подталкивающая человека к понимаю, какие данные важны на сайте. Например, на первом шаге мы просим создателя сайта заполнить поля адреса и дать телефон своего предприятия — потому что для клиента автосалона или мастерской по ремонту техники эта важная информация.

Цифровой конструктор в 2016-м году. Типовой блок стартового экрана главной страницы, например, подталкивает к мысли — посетитель с первого взгляда должен понять, что это за сайт.

Такие мягкие подсказки не ограничивают творческий порыв — любой блок можно удалить или переделать. Но в каждом цифровом конструкторе есть и границы, которые невозможно преступить.

3. Встроенные ограничения

Николай: «Важная задача для автора конструктора — найти грань между оригинальностью своей разработки и ее простотой. Потому что придумывать конструктор и пользоваться им — это разное. Создавая свои конструкторы, я пришел к такой схеме: есть сетка, четкая палитра и четкий набор элементов, из которых можно выбирать, — плюс несколько вариантов их соединения. Своего рода система ограничений.

Например, взять тот же конструктор фантастических животных, который с учебниками покупают образовательные учреждения. Я даю в нем очень ограниченную палитру.

Но в том же конструкторе классических пейзажей, вы видели, палитра богаче. Водораздел возможностей проходит иначе — мы ввели ограничения по перемещению между основными планами картины. Эти рамки сложились исторически, их определили сами художники того времени — начиная от того, где и что может располагаться (например, на классическом пейзаже архитектура всегда на среднем плане, а на переднем — событие), и заканчивая тем, на что должен быть обращен фокус внимания.

Такое ограничение дисциплинирует».

uKit: Понятно, что любой цифровой конструктор имеет рамки «что можно, а что нет» еще и банально потому, что изменения в систему может внести только разработчик. А у разработчика план расписан на полгода-год вперед: и иногда бывает важнее выпустить версию для слабовидящих, а не пилить «штуку, которая. ».

Конечно, в итоге часть пользовательских хотелок реализуется. Но бывают ограничения, которые намеренно «прибиты гвоздями». Например, у себя мы тоже ввели ограничение на палитру цветов — пользователю дается три набора, зависящих от тематики шаблона (бизнеса).

Речь, конечно, не о том, что «машина может быть любого цвета, если она черная». Это и учет психологии цветов (простой пример: сайту турфирмы подойдут бирюзовый и синий, так как они ассоциируются с морем и небом). И внимание к деталям: чтобы палитра и набор шрифтов совпадали на любой странице.

Наконец, если вы создаете сайт для пекарни, едва ли светло-розовый текст на кислотно-желтом фоне будет идеальным решением. А есть те, кто пытается так сделать…

Есть и другие полезные ограничения — например, нельзя встроить виджет комментариев никуда, кроме блога. Во-первых, зачем малому бизнесу виджеты комментариев по своему сайту, когда есть онлайн-чат, обратный звонок и форма обратной связи? Во-вторых, как Николай и многие другие, мы пришли к сетке, поддерживающей конструктор: она выполняет прикладную функцию — помогает сайту адаптироваться под разные экраны на лету.

4. У созданных в конструкторе объектов должны быть имена

Николай: «Каким бы конструированием мы ни занимались c детьми, я всегда подталкиваю ребят к тому, чтобы они давали имена своим творениям. А в цифровой среде имя — это одно из тех самых полезных ограничений. Например, как-то мы сделали конструктор роботов из домашнего хлама: вы берете, например, пионерский значок с Лениным, консервную банку, лампочки, гайки — собираете из них двухмерного робота, а затем пишете инструкцию к нему.

Одно из условий в нашем конструкторе — придумать роботу имя и дать серийный номер. Чтобы все было по-взрослому».

uKit: Для человека это естественно — давать имя своему «детищу». Ну а для любой информационной системы нужен идентификатор, по которому, в идеале, не только робот, но и человек сможет найти конкретное творение.

Когда вы делаете анимацию в Scratch — надо дать ей название. Когда вы приручили лошадь или другой «моб» в Minecraft — хочется дать название, причем за эту привилегию еще и бывает нужно заплатить — купить в игре «бирку».

Когда человек сделал сайт — в идеале, ему нужен не технический домен третьего уровня, который автоматически выдается любым конструктором, а полноценное имя для сайта. Это не только мягкая попытка заработать лишних 600-900 рублей в год, но мягкая подводка к тому, чтобы сделать творение завершенным.

5. Обычно он стоит денег

Николай: «Большая часть работ монетизируется по заказу: например, конструктор для Третьяковки спонсировала «Северсталь» (мы также делали для компании еще один, корпоративный конструктор).

Конструктор фантастических животных продает издательство как дополнение к учебнику ИЗО.

Почти все свои конструкторы я создал в 2000-х — и их носителем стал CD. Диски с конструкторами, доступными к розничной продаже, я даже одно время выставлял на сайте. Конечно, сейчас мы думаем, как перестроиться — почти все конструкторы имеют веб-версии, которые мы поднимаем под заказ, но они созданы на Flash. А все уже перешли на HTML5».

uKit: У онлайновых конструкторов есть одно преимущество — модель SaaS давно заменила для большинства не только диски, но и флешки. И вроде не собирается умирать.

В остальном, если за вами не стоят ресурсы MIT (как со Scratch), пиар-задача (как было с Lego Digital Designer — но проект закрыли) или у вас не опенсорсный проект, поддерживаемый большим сообществом, рано или поздно ваш конструктор придется монетизировать.

Банально потому, что, возвращаясь к пункту 3 нашего обзора, — есть команда, которая поддерживает проект и хочет кушать. Будь то Minecraft – вот хорошая хабрастатья об их монетизации, которая началась почти сразу же, еще до «всеобщей монетизации» три года назад. Будь то конструктор сайтов — сегодня на рынке нет бесплатных решений, если это не студенческие поделки.

6. Ни в один конструктор не играют вечно

Николай: «Не встречал людей, которые играли бы с любым конструктором все время, не переключаясь на новые. Конструктор, особенно цифровой — это демонстрация методики. Ты изучил ее, осмыслил — и пошел дальше».

uKit: В мире ИТ-проектов на этот счет есть понятие срока жизни клиента. Например, средний срок жизни сайта малого бизнеса, собранного на конструкторе, — 2 года. Либо он пощупал для себя интернет, понял, чего хочет — и пойдет осознанно щупать более сложные платформы, либо — как это ни печально, за такой срок предприятие часто просто закрывается.

7. В нем можно смешивать технологии

Николай: «Фишка цифровых конструкторов, будь то детские учебные программы, игры или специализированные решения — это возможность совместить их с новейшими технологиями. И самое перспективное тут — применение VR в цифровых конструкторах.

Мне кажется, такая интеграция откроет массу новых применений цифровым конструкторам — в обучении, бизнесе (например, туризме), сохранении культурного наследия и других сферах».

uKit: Да, тот же Minecraft показывали в сочетании с очками виртуальной реальности:

В мире конструкторов сайтов VR пока едва ли применим. А вот ИИ — в самую точку. Сегодня сразу несколько конструкторов веб-сайтов пробуют встроить нейросети в свои продукты, чтобы облегчить самый нудный этап — прототипирование сайта под задачу бизнеса.

Их давали нам, ~~чтобы не мешали старшим~~ чтобы котелок и мелкая моторика шли рука об руку. Но фишка конструкторов не только в этом.

Для начала, что называть конструктором? Например, пирамидки, паззлы, сортеры (когда детальке надо найти формочку), матрешки — это не конструкторы. Они называются «дидактическими игрушками» и учат работать по шаблону. Это, конечно, полезно и важно, но как тренировка. Поэтому иногда так хочется ~~дать по рукам~~ подтолкнуть ребенка, чтобы «закончили упражнение».

Настоящие конструкторы задумывались такими, чтобы человек работал в своем темпе и не до конца следовал шаблону.

Например

Первый массовый металлический конструктор «Меккано» (Англия) исходно вообще не содержал определенных схем.

«Меккано» — это тот самый «металлический конструктор» из детства. Просто в СССР он был известен под общим именем «Конструктор». И креативный подход в нем был — помните альбомы с самоделками, которые можно было собирать из комплектов таких вот деталей?

Давайте посмотрим, как мог повлиять на вас такой набор. Для тех, кто рос уже в эпоху Lego — тоже будет много интересного.

Говорят британские ученые и педагоги

Исследования, доказывающие практическую пользу конструкторов для человека (скажем, влияние на развитие моторики), проводились много где начиная с 1970-х. Чаще всего в них применялись блочные пластмассовые конструкторы по типу «Лего». Мы отобрали несколько интересных, а иногда просто забавных фактов из них.

1. Интерес к конструкторам влияет на способности к математике

Связаны ли развитие пространственного мышления, которое происходит с помощью конструкторов, и развитие способностей к математике и STEM вообще? То, что увлечение конструкторами в дошкольном возрасте влияет на дальнейшие успехи в математике, смогли показать сразу несколько специалистов.

А) В 1982 году группа исследователей наблюдала за четырехлетними детьми и тем, как и во что они играют. В 1998 году ученые взяли и проанализировали школьные ведомости тех детей. Оказалось, что с возраста 11-12 лет наблюдалась прямая корреляция между тем, как ребенок успевал по математике, и его детским интересом к конструкторам.

Результаты этой работы были опубликованы в 2001 году — их можно найти по запросу: «Block play performance among preschoolers as a predictor of later school achievement in mathematics».

Б) Джулия Буллард из университета Западной Монтаны пришла к аналогичным выводам. Своими исследованиями она занимается с 1989-го, фокусируясь на воспитании детей до 8 лет.

Вопросу развития математических способностей через игры и конструкторы она посвятила целую главу в своей научно-популярной книге «Creating Environments for Learning: Birth to Age Eight».

В) Если брать малый возраст, есть интересное исследование про связь между умением собирать конструктор и умением оперировать с числами у детей 3-4 лет. Если коротко, чем лучше ребенок управляется со сборкой, тем лучше знает счет.

На скрине результирующая таблица из исследования. Полностью исследование на 12 страниц доступно в онлайне, как невычитанная копия (uncorrected proof — могут быть пропущены запятые, например).

Г) Похожее исследование проводилось в более старшем возрасте. Ученые наблюдали за группой шестиклашек (это 10-11 лет) в голландской школе. И нашли связь между тем, сколько времени дети играли в конструкторы и способностью решать математические задачки.

2. Помимо моторики и математических способностей, конструктор развивает:

А) Логику и самостоятельность при решении задач, способность находить разные пути.

Б) Речь и навыки социализации — конструкторы используют даже при лечении речевых нарушений и аутизма: дети в процессе объясняют, что делают, отвечают на вопросы, начинают чаще использовать прилагательные. О том, как конструкторы работают с обычными детьми — в пункте 3 (“А что в России?”).

В) И наше любимое — интерес к технике и творчеству. Об этом мы тоже еще поговорим.

3. А что в России?

О пользе строительных игр, в которых можно что-то конструировать, писала еще Крупская, жена Ленина (Н.К. Крупская, “О дошкольном воспитании”). Её, естественно, много цитировали.

А если серьезно, чтобы получить актуальный и полезный список книг о влиянии конструкторов на развитие ребенка, сегодня достаточно зайти в любой нормальный детский садик (для интересующихся, список в первом комментарии).

Штука в том, что с 2010 года есть целая рекомендованная программа «Конструирование и ручной труд в детском саду». И по ней в садиках делают свои исследования. В феврале 2016-го, например, закончился эксперимент в одном из садиков в Ямало-Ненецком округе. У них очень структурированное исследование. Почитайте как-нибудь (ссылка в первом комментарии), а мы пока расскажем результат.

Исходно педагоги выявили в группе большой процент детей с низким уровнем социально-коммуникативного развития (41%) и «недостаточным уровнем сформированности конструктивных умений» (45%).

Так было. Показатель “социально-коммуникативные навыки” замерялся по 10 параметрам (далее для группы “низкий” будет оцениваться снижение параметра, для остальных — его рост).

Педагоги предложили детям 13 коротких занятий с простым пластмассовым конструктором — помогали собрать робота, ракету или домик, причем часть времени дошкольники работали самостоятельно. По итогам, показатели улучшились в среднем на 12%. Т.е. почти на 1 пункт лучше за каждые полчаса игры.

Всего лишь возня с конструктором, Карл!

4. Ученые говорят сами за себя

А вот пример из серии: «Совпадение?! Не думаю!» В 1880-х немцы стали выпускать «каменный», из смеси кварца и мела, конструктор. Он был как “Лего”, только реалистичней: из блоков нужно было собирать копии зданий, но в то же время — и делать что-то свое. В детстве такой конструктор был у Альберта Эйнштейна, Макса Борна и Роберта Оппенгеймера.

«Конструктор как у Эйнштейна» назывался Anker-Steinbaukasten. Оригинальное производство прекратилось в 1963 году, но торговая марка используется до сих пор.

То есть, конструкторы делают из нас «я у мамы инженера»?

А) Индийские психологи считают, что да:

Подчеркнуто красным: «Увлечен конструкторами и читает инженерные журналы — технарь!» — Спасибо, кэп! (скрин из книги General Psycology, 2003)

Б) Советский педагог Макаренко считал аналогично: «Игра в жизни ребенка имеет то же значение, какое у взрослого имеет деятельность, работа, служба. Каков ребенок игре, таким во многом он будет в работе, когда вырастет». Звучит логично, но…

В) На самом деле, мы не знаем. И ради интереса провели мини-исследование у себя. Опросили где-то треть сотрудников. Половина — разработчики и системные администраторы (20 человек), половина — управленцы, маркетинг, дизайнеры, юристы и бухгалтерия (20 человек).

Задавали четыре вопроса. Два в анкете были обязательными. Выше ответы на первый обязательный вопрос.

А вот ответы на второй обязательный вопрос:

Перейдем к разбивке “технари” и “не технари”.

В «технической» группе 16 человек в детстве часто играли с конструктором. Десять уверены, что на выбор профессии это повлияло («начал с конструкторов, потом стал собирать компьютеры, сайты и т.д.»), трое — что точно нет. Остальные не определились.

В «нетехнической» группе конструкторы в детстве любили почти так же — 15 человек. Пятеро видят связь «начал с конструкторов, стал собирать компьютеры, сайты и т.д.» — это дизайнеры и менеджеры проектов. Семеро не видят связи между выбором профессии и детскими увлечениями.

Г) Интересно, а вы чувствуете связь между тем, во что играли в детстве, и кем стали? Расскажите, пожалуйста — мини-опрос в конце поста.

Что делать, когда вы выросли

Конструкторы полезны для детей. Иногда это даже сказывается на их будущем. А что делать, если вы испытываете недостаток в конструировании после 18? Мы собрали несколько советов, проверенных собой, временем и Гиктаймсом.

Играть с детьми. Это беспалевный способ попробовать кучу конструкторов. Кстати, говорят, что конструирование — это хорошая профилактика болезни Альцгеймера.

Завести хобби. Инженер Apple Эндрю Кэрол сделал рабочую копию «Антикитерского механизма», воспользовавшись все тем же Lego.

И не скажешь же, что потратил время зря.

Сделать бизнес. Это отличный вариант конструктора с непредсказуемым результатом.
Можно даже сделать свой конструктор — и продавать его.

Если останетесь в нише малого бизнеса, мы придумали конструктор сайтов для вас.

Конструировать сайты. Вариант хорош тем, что с нынешним уровнем развития технологий подходит многим — знать тот же HTML больше не обязательно.

Завести Ардуино. Этот метод описывается на Гиктаймсе в среднем раз в сутки.

Ностальгировать. Когда мы делали опрос внутри компании, люди вспоминали, как хранили и передавали по наследству детские конструкторы, мастерили из палок и веревок и… как “любая вещь после разборки превращалась в конструктор”.

Читайте также: