Allestire un laboratorio Arduino a scuola: kit, spazi e budget

Per allestire un laboratorio Arduino a scuola dividi la lista della spesa in tre livelli: kit di gruppo (la scheda, la breadboard, i cavi e i componenti di base di ogni banco), attrezzatura condivisa (multimetri, utensili, una scatola di ricambi e, se vuoi, una stazione di saldatura) e infrastruttura (computer, collegamento USB, prese, banchi e armadio con serratura). Mettiamo che tu lo allestisca per una classe di 24 studenti: 8 gruppi da 3, un kit Arduino Uno per gruppo, 4 ESP32 e 4 Raspberry Pi Pico per tutto il laboratorio, 2 Uno di ricambio, 5 multimetri e 8 computer sono una base solida. Destina il budget prima al primo livello e amplia nel secondo anno con scatole di sensori e moduli. Il primo anno di un laboratorio è fatto di acquisti, quelli successivi di gestione; per questo scatole numerate, codice colore e un conteggio a ogni periodo contano quanto i componenti stessi.

Questo articolo parla dell'allestimento del laboratorio e della sua gestione nel tempo. La prima lista della spesa di un singolo studente è nell'articolo sul kit di base Arduino, mentre i ruoli nei gruppi, la coda di aiuto e la consegna delle scatole a inizio lezione sono in insegnare Arduino in una classe numerosa. Qui trovi, in ordine, la tabella dei kit, l'attrezzatura condivisa, la disposizione di banchi e computer, un modello di budget con la colonna dei prezzi vuota, le scatole di ampliamento del secondo anno, l'organizzazione dell'armadio, una stima dei consumabili, le regole di sicurezza, un calendario annuale e un fascicolo per donazioni e bandi. Non indichiamo prezzi, perché cambiano da paese a paese e da mese a mese; diamo invece ogni voce con la sua quantità e tu inserisci il prezzo del tuo fornitore.

Tre livelli: kit di gruppo, attrezzatura condivisa, infrastruttura

Dividere il laboratorio in livelli aiuta in tre modi. Il primo è la priorità: con un budget limitato si comprano prima i kit di gruppo, perché lì c'è tutto ciò che lo studente tocca; multimetri e utensili possono partire in pochi esemplari, e gran parte dell'infrastruttura c'è già a scuola. Il secondo è la responsabilità: il kit è la scatola di quel gruppo e il gruppo la conta a fine lezione, l'attrezzatura condivisa resta sotto il controllo dell'insegnante e viene data in prestito, l'infrastruttura fa parte dell'inventario della scuola. Il terzo è la durata: schede, breadboard e multimetri durano anni, mentre LED, resistenze e cavi jumper sono consumabili da reintegrare ogni anno. Nel modello di budget seguirai questa distinzione con due tipi, una tantum e annuale.

8 gruppi, 24 studenti: la tabella del kit di base

La tabella presuppone 24 studenti, 8 gruppi da 3 e una o due lezioni a settimana. La colonna del totale aggiunge circa il 20–25 % di scorta al fabbisogno degli 8 gruppi e arrotonda; i pezzi robusti come schede e breadboard hanno poca scorta, quelli che si perdono facilmente come LED e cavi ne hanno di più. I componenti non sono scelti a caso: la maggior parte dei sensori e delle uscite della lista corrisponde ad almeno un progetto gratuito in BlueGrays, con schema e codice, quindi il primo periodo si riempie senza comprare altro. Se hai un numero diverso di gruppi, moltiplica la colonna per gruppo per il tuo numero di gruppi e aggiungi la stessa percentuale di scorta.

Il motivo per cui la maggior parte delle schede è Arduino Uno è semplice: lavora a 5 V, quasi tutti i sensori per principianti si collegano direttamente, la presa USB-B regge l'inserimento continuo e la maggior parte del materiale didattico è scritto per lei. Dei 200+ progetti di BlueGrays, circa 110 sono per Arduino, 50 per ESP32 e 30 per Raspberry Pi Pico. Prendi l'ESP32 per un'unità sull'Internet delle cose che richiede Wi-Fi e Bluetooth, e la Pico per il passaggio alla programmazione testuale con MicroPython. Dato che queste due schede entrano in gioco di solito nella seconda metà dell'anno, il primo anno ne bastano 4 per tipo: durante quell'unità 4 gruppi lavorano con ESP32 o Pico mentre gli altri 4 continuano un progetto con la Uno, e la settimana dopo si scambiano. Il confronto è in Arduino o ESP32, le prime lezioni nella prima lezione con ESP32 e nel piano di lezioni Pico MicroPython.

Attrezzatura condivisa: ciò che sta nell'armadio, non sui banchi

La stazione di saldatura è facoltativa di proposito. I progetti montati con breadboard e cavi jumper non richiedono saldature, quindi il primo anno del laboratorio può farne a meno. Il primo bisogno di saldare nasce di solito con i moduli venduti senza pin e con la Pico; comprare Pico con i pin già saldati elimina questo bisogno nel primo anno. Quando iniziano i circuiti permanenti, le mostre o il lavoro di club, allestisci un angolo saldatura con 2 stazioni a temperatura regolabile, aerazione e sorveglianza dell'insegnante; i dettagli sono nella guida alla saldatura. Il multimetro, invece, serve dal primo giorno: è il modo più rapido per trovare un cavo jumper interrotto, una pila scarica o un reoforo infilato nella fila sbagliata. Nelle prime settimane insegna solo la prova di continuità (il bip) e la misura corretta della tensione, e lascia la misura di corrente per dopo; spieghiamo come nella guida al multimetro.

Infrastruttura: banchi, corrente, computer e armadi

• Disposizione dei banchi: 8 banchi di gruppo, ognuno con 3 sedie e 1 computer. Disponi i banchi a U lungo le pareti o a isole da 2; la cattedra va accanto al proiettore e tra i banchi lascia un passaggio di almeno 1 metro per muoverti comodamente. Attacca sull'angolo di ogni banco lo stesso numero della sua scatola.
• Corrente: Basta una ciabatta con interruttore e messa a terra per banco. Fai passare i cavi dietro i banchi o in una canalina invece che sul pavimento, e non collegare le ciabatte una all'altra. Spegnere le ciabatte a fine lezione deve far parte della routine di chiusura del laboratorio.
• Computer: 8 computer di gruppo e 1 per l'insegnante. Le versioni desktop di Arduino IDE e Thonny funzionano su Windows, macOS e Linux; i dispositivi che eseguono solo un browser non vanno bene per questa installazione. Computer vecchi ma affidabili sono sufficienti.
• Collegamento USB: Se la porta è sul retro del computer, una corta prolunga USB fissata al banco evita che la scheda resti penzoloni. Se le porte non bastano, usa un hub USB con alimentatore proprio (hub alimentato); gli hub non alimentati possono far riavviare la scheda quando sono collegati componenti che assorbono corrente, come un servo.
• Armadi: Un armadio con serratura o un sistema di scaffali, con ripiani separati per scatole di gruppo, scatole tematiche e scorte. Dentro l'armadio, una scatola metallica o uno scomparto a parte, anch'esso chiuso a chiave, per batterie e saldatori.
• Schermo: Proiettore o lavagna interattiva. Ingrandisci il carattere di Arduino IDE sul computer dell'insegnante; far leggere il codice al gruppo in fondo richiede meno tempo che ricopiarlo alla lavagna.

Installazione di computer e software

1. Installa Arduino IDE su tutti i computer e aspetta che finiscano i componenti aggiuntivi scaricati al primo avvio; i passaggi sono nell'articolo sull'installazione di Arduino IDE.
2. Installa il driver del chip USB delle schede compatibili (di solito un CH340); su Windows questo passaggio richiede i permessi di amministratore. Se la porta non compare, segui l'ordine dei controlli dell'articolo sull'errore di caricamento.
3. Installa il pacchetto delle schede ESP32 dal Gestore schede (spiegato in che cos'è l'ESP32). Il pacchetto è grande, quindi scaricalo prima delle lezioni, quando la rete della scuola è libera.
4. Installa Thonny per la Pico e carica una volta il firmware MicroPython su ogni Pico (che cos'è la Raspberry Pi Pico). Se lo fai tu a inizio periodo, in classe resta solo da scrivere codice.
5. Installa in anticipo le librerie richieste dai progetti dell'anno (per esempio quelle per DHT e LCD I2C); la libreria Servo è già inclusa in Arduino IDE.
6. Su ogni computer carica l'esempio Blink con la scheda di quel banco e, quando funziona, attacca sul computer il numero del banco.
7. Scrivi tutti i passaggi su una lista di installazione di una pagina. Quando i computer vengono ripristinati o arriva un aggiornamento importante, ripercorri la lista dall'inizio.

Risolvi i vincoli della rete e dei computer della scuola prima che inizi il periodo. Nella maggior parte delle scuole il permesso di installare software e driver spetta all'ufficio tecnico o all'animatore digitale; manda la lista di installazione almeno due settimane prima e decidete insieme quali computer usare e con quale account. Alcune scuole bloccano le memorie USB; mentre si carica il firmware MicroPython, la Pico compare sul computer come un'unità USB, quindi se c'è un blocco fai questo passaggio insieme ai tecnici. I progetti con ESP32 hanno una questione a parte: l'ESP32 classico si collega solo al Wi-Fi a 2,4 GHz e la maggior parte degli esempi si aspetta una rete semplice con password. Sulle reti aziendali in cui si accede con nome utente e password, o sulle reti ospiti che aprono una pagina di accesso nel browser, questi esempi non funzionano così come sono. Con l'approvazione dei tecnici, un semplice punto di accesso a 2,4 GHz riservato al laboratorio e acceso solo durante le lezioni risolve il problema una volta per tutte.

Modello di budget: inserisci i prezzi del tuo fornitore

La tabella qui sotto non è un preventivo ma un modello da compilare. La colonna quantità viene dalle tabelle precedenti; le colonne prezzo unitario e totale le compili tu con i preventivi dei fornitori locali. Chiedi almeno due preventivi per voce e annota quale hai scelto e perché; quando chiedi donazioni o partecipi a un bando, queste note diventano la parte più solida del tuo fascicolo. Somma separatamente le voci una tantum e quelle annuali: il primo anno serve la somma di entrambe, negli anni successivi soprattutto le voci annuali. Aggiungi alla fine un margine del 10–15 % per gli imprevisti; copre la spedizione, una scheda rotta o un prezzo che cambia a metà periodo. Restare su un solo modello di scheda e, se possibile, su un solo fornitore semplifica per anni driver e ricambi.

Secondo anno: scatole di ampliamento con sensori e moduli

Quando i kit di base sono rodati, crea scatole tematiche invece di aggiungere nuovi moduli a ogni scatola di gruppo. Una scatola tematica contiene da 2 a 8 esemplari di ogni modulo dello stesso argomento e si dà in prestito in base al progetto: i gruppi che quella settimana fanno un progetto con display prendono dalla scatola Display e rimettono tutto a posto a fine lezione. Così non devi comprare 8 esemplari di un modulo poco usato e le scatole di gruppo restano semplici come il primo giorno. Sulla scheda contenuto della scatola tematica metti un foglio prestiti in cui annoti, accanto al nome dei moduli, quale gruppo ha preso cosa. Per decidere quali moduli comprare ti aiuta la lista La Mia Officina di BlueGrays descritta più sotto: inserendo il contenuto di una sola scatola di gruppo vedi quale pezzo mancante sblocca quanti progetti.

Armadio e scatole: numero, scheda contenuto, codice colore

Tutto ciò che si sposta nel laboratorio deve avere un nome e un posto. Numera le scatole di gruppo da G1 a G8, quelle ESP32 da E1 a E4, quelle Pico da P1 a P4, le scatole tematiche con il loro nome e la scatola ricambi con R; scheda, cavo USB e breadboard di ogni scatola portano lo stesso numero. Riempi l'armadio in base al peso e alla frequenza d'uso: scatole di gruppo all'altezza degli occhi, da G1 a G8 da sinistra a destra, scatole tematiche sul ripiano sopra, scorte pesanti in basso, batterie e saldatori in uno scomparto separato chiuso a chiave. Appendi gli utensili a un pannello a parete e traccia con un pennarello il contorno di ciascuno; a fine lezione un contorno vuoto mostra l'utensile mancante senza bisogno di contare. Incolla all'interno del coperchio di ogni scatola una scheda contenuto plastificata: nome del pezzo, quantità, colore e un piccolo disegno. Sulla scheda ci sono anche la data dell'ultimo conteggio e una riga per i pezzi mancanti.

• Blu: scatole di gruppo Arduino Uno (G1–G8) e i loro cavi.
• Verde: scatole ESP32 (E1–E4); l'avviso dei 3,3 V è scritto sul coperchio.
• Viola: scatole Raspberry Pi Pico (P1–P4); sul coperchio è indicato che MicroPython è installato.
• Giallo: scatole tematiche; il foglio prestiti è dentro il coperchio.
• Rosso: ciò che si usa solo con l'insegnante: batterie, saldatori, alimentatore e scatola Alimentazione.
• Bianco: scatola ricambi e scorte di consumabili; non si apre durante la lezione, serve solo a colmare le mancanze.

La routine di conteggio funziona per livelli. Il gruppo conta la propria scatola alla fine di ogni lezione; questa routine di due minuti l'abbiamo descritta nell'articolo sulle classi numerose. L'attrezzatura condivisa e le scatole tematiche le conti tu una volta a settimana; grazie al pannello degli utensili e alle schede contenuto non ci vogliono più di cinque minuti. Non contare uno per uno i piccoli consumabili come resistenze, LED e cavi: segna una linea di "minimo" su ogni sacchetto o scomparto e, quando il livello scende sotto la linea, aggiungilo alla lista degli ordini. Schede, sensori e moduli invece si contano a pezzo, perché perdere un HC-SR04 non è come perdere un LED. A fine periodo si fa un inventario completo e si provano le schede una per una. Invece di punire i pezzi persi o rotti, registrali: quale pezzo manca da quale scatola e con quale frequenza ti dice cosa ordinare la prossima volta e quale regola non funziona.

Consumabili: quanto si consuma in un anno?

I consumabili sono i piccoli pezzi che si rompono, si perdono o si danneggiano durante le lezioni. I numeri qui sotto non sono misure ma una stima approssimativa per pianificare, con 8 gruppi e una lezione a settimana; con i registri di conteggio del primo periodo trova il tuo ritmo e aggiorna la tabella. Le cause principali sono tre: reofori piegati così spesso da spezzarsi, LED collegati senza resistenza o al contrario e piccoli pezzi che cadono sotto i banchi. Le prime due si riducono con buone abitudini di cablaggio, la terza con scatole a scomparti e un controllo del banco a fine lezione. Comprare LED e resistenze in confezioni grandi, con sacchetti separati per colore e valore, abbassa il prezzo unitario e semplifica il conteggio. Perché gli studenti rimettano le resistenze sparse nello scomparto giusto, insegna loro a leggere il valore dalle fasce colorate; lo strumento gratuito Codice colori aiuta in questo esercizio.

Sicurezza: limite dei 5 V, saldatura, batterie e primo soccorso

La regola di sicurezza di base del laboratorio è il limite di alimentazione: il primo anno tutti i circuiti sono alimentati dalla porta USB del computer, cioè a 5 V. Questa tensione è bassa dal punto di vista della scossa elettrica; i rischi veri sono componenti e cavi che si scaldano in un cortocircuito, ustioni da saldatore e batterie al litio. I progetti che comandano con un relè apparecchi collegati alla rete elettrica non si fanno in laboratorio; i progetti con relè usano solo un carico a bassa tensione. Se si salda, chiarisci fin dall'inizio che la punta del saldatore supera i 300 °C, che non si lascia mai fuori dal supporto e che i fumi di saldatura si allontanano con la finestra aperta o un aspiratore; se si usa stagno con piombo, dopo ci si lava le mani. Le batterie Li-ion e 18650 si conservano in una scatola con serratura e ignifuga, con i poli che non possono toccarsi, e cariche a metà se restano ferme a lungo; una batteria gonfia, schiacciata o calda non si usa ma si porta a un punto di raccolta pile, e non si ricarica mai senza sorveglianza (dettagli nell'articolo sul modulo di ricarica TP4056). In caso di piccole ustioni, il primo soccorso consiste nel tenere la zona sotto acqua corrente fresca per circa 20 minuti; la posizione della cassetta di primo soccorso e dell'estintore va indicata vicino alla porta, e ogni incidente si segnala secondo la procedura della tua scuola. Appendi le 8 regole qui sotto in un poster A3 accanto alla porta.

1. Mentre monti o modifichi un circuito, il cavo USB è scollegato.
2. L'unica fonte di alimentazione è l'USB del computer; pile, alimentatori e moduli di alimentazione solo con il permesso dell'insegnante.
3. Se un componente si scalda, fa odore o fuma, stacca l'USB e alza la mano.
4. Niente cibo né bevande sui banchi; gli zaini restano sullo scaffale all'ingresso.
5. Ogni pezzo torna nella sua scatola; niente scambi di pezzi tra scatole.
6. Saldatori, batterie e alimentatore si usano solo alla cattedra e con l'insegnante.
7. Quando tagli i reofori metti gli occhiali e tieni ferma l'estremità che tagli.
8. Non nascondere un pezzo rotto, perso o danneggiato; scrivilo sulla scheda contenuto e dillo all'insegnante.

Calendario annuale di gestione

BlueGrays per l'inventario del laboratorio e la pianificazione dei progetti

Puoi tenere l'inventario del laboratorio in BlueGrays con La Mia Officina; poiché Pezzi è una funzione Premium, lo fai sul tuo account da insegnante. In Pezzi aggiungi i componenti con la quantità, scrivi dettagli come "330R" o "LED rosso" nel campo Nome Personalizzato e la posizione, come "scatole G, armadio 2", nella nota; un pezzo la cui quantità sta calando compare con l'etichetta Scorta Bassa. Il vero vantaggio è nella pianificazione: poiché Pezzi è un unico inventario, se ci inserisci il contenuto di una sola scatola di gruppo invece del totale del laboratorio, l'elenco Progetti Realizzabili mostra i progetti che ogni gruppo può fare con i pezzi della sua scatola, mentre Progetti con Componenti Mancanti ti dice, con etichette come "2 Mancanti", quali progetti si aprono aggiungendo quale pezzo, così scegli di conseguenza le scatole tematiche del secondo anno. I dettagli sono nell'articolo su trovare progetti con i pezzi che hai. Mentre gli studenti seguono un progetto sul proprio schermo, l'elenco Componenti Necessari mostra le quantità, così prepari le scatole di quella lezione di conseguenza. Quando vai oltre i progetti gratuiti, puoi dare Premium agli studenti con i pacchetti educatore, come codici con pagamento unico che non richiedono carta e non si rinnovano da soli. Se vuoi portare in classe un progetto tutto tuo, lo condividi da Impara > Forum > Nuova pubblicazione nella categoria Tutorial: aggiungi le foto del circuito, il codice con Aggiungi codice e i progetti pronti correlati, poi manda il link della pubblicazione agli studenti con Condividi (i passaggi sono nell'articolo insegnare con il tuo progetto).

Elenco documenti per donazioni, sponsor e bandi

• Sintesi di una pagina: scopo del laboratorio, quanti studenti e quali discipline servirà, quante ore a settimana sarà usato.
• Elenco dei fabbisogni in tre livelli: le tabelle di kit, attrezzatura e infrastruttura di questo articolo, con le quantità.
• Modello di budget compilato: almeno due preventivi per voce, il preventivo scelto e il motivo, con totali una tantum e annuali separati.
• Informazioni sull'aula: foto attuali, uno schizzo semplice della disposizione, stato di prese e computer.
• Piano di sicurezza: poster delle regole, conservazione di batterie e attrezzatura di saldatura, primo soccorso e responsabile.
• Piano di gestione: calendario annuale, routine di conteggio e nome dell'insegnante responsabile del laboratorio.
• Sostenibilità: da dove arriverà il budget per consumabili e rinnovi negli anni successivi.
• Obiettivi misurabili: per esempio numero di progetti completati per periodo, mostra di fine anno, attività di club.
• Approvazione della dirigenza: una lettera di sostegno della dirigenza scolastica e il modo in cui il materiale entrerà nell'inventario della scuola.
• Impegno di rendicontazione: quando e con quali contenuti (foto, elenco progetti, inventario) riferirai al sostenitore.

Un laboratorio scolastico non si allestisce una volta per sempre; il primo anno si assestano kit, scatole e regole, il secondo cresce con le scatole tematiche e negli anni successivi i registri di conteggio ti dicono cosa si consuma e cosa si usa davvero. Quando hai preparato la prima scatola di gruppo, installare BlueGrays sul telefono e guardare quali progetti gratuiti si possono fare con i pezzi di quella scatola è un modo semplice per stilare l'elenco delle lezioni del primo periodo.