Лаборатория Arduino в школе: список наборов, планировка и бюджет

Чтобы оборудовать лабораторию Arduino в школе, раздели список покупок на три слоя: групповые наборы (плата, макетная плата, провода и базовые детали на каждом столе), общее оборудование (мультиметры, ручной инструмент, ящик с запасными деталями и, по желанию, паяльная станция) и инфраструктура (компьютеры, USB-подключение, розетки, столы и запираемое хранилище). Допустим, лаборатория рассчитана на класс из 24 учеников: 8 групп по 3 человека, по набору с Arduino Uno на группу, 4 платы ESP32 и 4 платы Raspberry Pi Pico на всю лабораторию, 2 запасные Uno, 5 мультиметров и 8 компьютеров — это надёжный старт. Сначала потрать бюджет на первый слой, а на второй год расширяйся ящиками с датчиками и модулями. Первый год лаборатории уходит на покупки, а каждый следующий — на её работу, поэтому пронумерованные ящики, цветовая маркировка и пересчёт каждую четверть важны не меньше самих деталей.

В этой статье речь об оборудовании лаборатории и её работе в долгосрочной перспективе. Первый список покупок для одного ученика мы разобрали в статье о стартовом наборе Arduino, а роли в группах, очередь за помощью и выдачу ящиков в начале урока — в статье об уроке Arduino в большом классе. Здесь по порядку: таблица наборов, общее оборудование, расстановка столов и компьютеров, шаблон бюджета с пустым столбцом цен, ящики для расширения на второй год, порядок в шкафу, расчёт расходников, правила безопасности, годовой календарь и пакет документов для поиска финансирования. Цены мы не указываем, потому что они меняются от страны к стране и от месяца к месяцу; вместо этого каждая позиция дана с количеством, а цену ты вписываешь от своего поставщика.

Три слоя: групповые наборы, общее оборудование, инфраструктура

Деление лаборатории на слои помогает в трёх отношениях. Первое — приоритет: при скромном бюджете сначала покупаются групповые наборы, потому что в них всё, что ученики держат в руках; мультиметров и инструментов на старте может быть немного, а большая часть инфраструктуры в школе уже есть. Второе — ответственность: групповой набор — это ящик конкретной группы, и в конце урока группа его пересчитывает; общее оборудование остаётся под контролем учителя и выдаётся на время, а инфраструктура — это имущество школы. Третье — срок службы: платы, макетные платы и мультиметры служат годами, а светодиоды, резисторы и перемычки — расходники, которые нужно пополнять каждый год. В шаблоне бюджета это деление отслеживается двумя типами: разовые и ежегодные расходы.

8 групп, 24 ученика: таблица базового набора

Таблица исходит из 24 учеников, 8 групп по 3 человека и одного-двух уроков в неделю. В столбце «Всего» к потребности 8 групп добавлен запас примерно 20–25% с округлением; для прочных деталей вроде плат и макетных плат запас небольшой, для легко теряющихся вроде светодиодов и проводов — больше. Детали подобраны не случайно: большинству датчиков и выходных устройств из списка соответствует хотя бы один бесплатный проект в BlueGrays со схемой подключения и кодом, так что первая четверть лаборатории заполняется без дополнительных покупок. Если групп другое количество, умножь столбец «На группу» на своё число групп и добавь тот же процент запаса.

Почему большую часть плат стоит отдать Arduino Uno, объяснить просто: она работает от 5 V, почти любой датчик для начинающих подключается к ней напрямую, её разъём USB-B выдерживает постоянное подключение и отключение, а большинство учебных материалов написано именно для неё. Из более чем 200 проектов в BlueGrays больше всего рассчитано на Arduino, заметная часть — на ESP32, остальные — на Raspberry Pi Pico. ESP32 покупай для темы «интернет вещей», где нужны Wi-Fi и Bluetooth, а Pico — для перехода к текстовому программированию на MicroPython. Поскольку эти две платы обычно появляются во второй половине года, в первый год хватит 4 штук каждой: в этой теме 4 группы работают с ESP32 или Pico, пока остальные 4 продолжают проект на Uno, а через неделю группы меняются. Сравнить платы можно в статье Arduino или ESP32, а первые уроки найдутся в плане первого урока по ESP32 и плане уроков по Pico и MicroPython.

Общее оборудование: что хранится в шкафу, а не на столах

Паяльная станция в этом списке необязательна намеренно. Проекты на макетной плате с перемычками не требуют пайки, так что первый год лаборатории может пройти вообще без неё. Первая потребность в пайке обычно возникает с модулями, которые продаются без штырьков, и с Pico; если покупать Pico с припаянными штырьками, на первый год эта потребность отпадает. Когда начинаются постоянные схемы, выставки или кружковая работа, оборудуется уголок пайки с 2 станциями с регулировкой температуры, вентиляцией и присмотром учителя; подробности — в руководстве по пайке. А вот мультиметр нужен с первого дня: это самый быстрый способ найти оборванную перемычку, разряженную батарейку или ножку, вставленную не в тот ряд. В первые недели учи учеников только прозвонке (проверке со звуковым сигналом) и правильному измерению напряжения, а измерение тока оставь на потом; как это делается, мы объясняем в руководстве по мультиметру.

Инфраструктура: столы, питание, компьютеры и хранение

• Расстановка столов: 8 столов для групп, за каждым 3 стула и 1 компьютер. Поставь столы буквой «П» вдоль стен или островками по 2; учительский стол — рядом с проектором, а между столами оставь проход не меньше 1 метра, чтобы свободно ходить по классу. На угол каждого стола наклей тот же номер, что и на ящике.
• Питание: на каждый стол достаточно одного удлинителя с выключателем и заземлением. Прокладывай кабели за столами или в кабель-канале, а не по полу, и не включай удлинители друг в друга цепочкой. Выключать удлинители в конце урока — часть порядка закрытия лаборатории.
• Компьютеры: 8 компьютеров для групп и 1 для учителя. Настольные версии Arduino IDE и Thonny работают на Windows, macOS и Linux; устройства, на которых запускается только браузер, для такой схемы не подходят. Старые, но надёжные компьютеры вполне справятся.
• USB-подключение: если порт у компьютера сзади, короткий USB-удлинитель, закреплённый на столе, не даёт плате болтаться в воздухе. Если портов не хватает, используй USB-хаб с собственным блоком питания (хаб с внешним питанием); хабы без питания могут перезагружать плату, когда подключены потребляющие ток детали, например сервопривод.
• Хранение: запираемый шкаф или стеллаж с отдельными полками для групповых ящиков, тематических ящиков и запасов. Внутри шкафа — отдельный запертый металлический ящик или отделение для батарей и паяльников.
• Экран: проектор или интерактивная доска. Увеличь размер шрифта Arduino IDE на учительском компьютере: дать группе с задней парты прочитать код быстрее, чем переписывать его на доску.

Настройка компьютеров и программ

1. Установи Arduino IDE на все компьютеры и дождись, пока докачаются дополнительные компоненты, которые она загружает при первом запуске; шаги описаны в статье об установке Arduino IDE.
2. Установи драйвер USB-микросхемы совместимых плат (чаще всего CH340); в Windows для этого нужны права администратора. Если порт не появляется, пройди по чек-листу из статьи об ошибке загрузки на Arduino.
3. Установи пакет плат ESP32 через «Менеджер плат» (Boards Manager), об этом рассказано в статье что такое ESP32. Пакет большой, поэтому скачивай его до уроков, пока школьная сеть свободна.
4. Установи Thonny для Pico и один раз запиши прошивку MicroPython на каждую Pico (что такое Raspberry Pi Pico). Если сделать это в начале четверти, на уроке останется только писать код.
5. Заранее установи библиотеки, которые нужны проектам года (например, библиотеки DHT и I2C LCD); библиотека Servo входит в состав Arduino IDE.
6. На каждом компьютере загрузи пример Blink в плату этого стола и, когда всё заработает, наклей на компьютер номер стола.
7. Запиши все шаги в чек-лист настройки на одну страницу. Каждый раз, когда компьютеры сбрасываются или выходит крупное обновление, чек-лист проходится заново с начала.

Реши вопросы со школьной сетью и ограничениями на компьютерах до начала четверти. В большинстве школ право устанавливать программы и драйверы есть только у IT-службы; отправь им чек-лист настройки минимум за две недели и вместе с ними определи, какие компьютеры и под какой учётной записью будут использоваться. Некоторые школы блокируют USB-накопители; во время записи прошивки MicroPython Pico видна на компьютере как USB-накопитель, поэтому при такой блокировке делай этот шаг вместе с IT-службой. С проектами на ESP32 связан отдельный вопрос: классическая ESP32 подключается только к Wi-Fi 2,4 GHz, а большинство примеров кода рассчитано на простую сеть с паролем. В корпоративных сетях со входом по логину и паролю или в гостевых сетях, которые открывают страницу авторизации в браузере, эти примеры в исходном виде работать не будут. Простая точка доступа 2,4 GHz только для лаборатории, которая включается лишь на уроках, с согласия IT-службы решает эту проблему раз и навсегда.

Шаблон бюджета: цены от своего поставщика

Таблица ниже — не смета, а шаблон для заполнения. Столбец «Количество» взят из таблиц выше; столбцы «Цена за шт.» и «Итого» ты заполняешь по коммерческим предложениям местных поставщиков. По каждой позиции получи минимум два предложения и запиши, какое выбрано и почему; когда дойдёт до заявки на пожертвования или грант, эти заметки станут самой сильной частью заявки. Разовые и ежегодные позиции суммируй отдельно: в первый год нужна сумма обеих, а в следующие годы в основном только ежегодные. В конце добавь резерв 10–15% на непредвиденные расходы; он покроет доставку, сломанную плату или цену, изменившуюся посреди четверти. Если держаться одной модели платы и, по возможности, одного поставщика, с драйверами и запчастями будет намного проще на годы вперёд.

Второй год: ящики для расширения с датчиками и модулями

Когда базовые наборы освоены, вместо того чтобы добавлять новые модули в каждый групповой ящик, заведи тематические ящики. В тематическом ящике лежит по 2–8 модулей одной темы, и он выдаётся под проект: группы, которые на этой неделе делают проект с дисплеем, берут детали из ящика «Дисплеи» и в конце урока кладут всё обратно. Так не придётся покупать 8 штук модуля, который нужен редко, а групповые ящики остаются такими же простыми, как в первый день. На карточке содержимого тематического ящика сделай журнал выдачи, где рядом с названиями модулей записывается, какая группа что взяла. Чтобы решить, какие модули покупать, пригодится список «Мастерская» в BlueGrays, о котором речь ниже: если внести содержимое одного группового ящика, видно, какая недостающая деталь откроет сколько проектов.

Система шкафа и ящиков: номера, карточки содержимого, цветовая маркировка

У всего переносного в лаборатории должны быть имя и место. Пронумеруй групповые ящики от G1 до G8, ящики ESP32 — E1–E4, ящики Pico — P1–P4, тематические ящики подпиши по названию, а запасной ящик обозначь буквой S; плата, USB-кабель и макетная плата внутри каждого ящика носят тот же номер. Заполняй шкаф по весу и частоте использования: групповые ящики на уровне глаз, слева направо от G1 до G8, тематические ящики на полке выше, тяжёлые запасы внизу, батареи и паяльники в отдельном запертом отделении. Повесь ручной инструмент на настенный щит и обведи каждый инструмент маркером; в конце урока пустой контур сразу показывает, чего не хватает, без всякого пересчёта. На внутреннюю сторону крышки каждого ящика наклей заламинированную карточку содержимого: название детали, количество, цвет и маленький рисунок. На карточке также должны быть дата последнего пересчёта и строка для недостающих деталей.

• Синий: групповые ящики Arduino Uno (G1–G8) и их кабели.
• Зелёный: ящики ESP32 (E1–E4); на крышке написано предупреждение про 3,3 V.
• Фиолетовый: ящики Raspberry Pi Pico (P1–P4); на крышке отмечено, что MicroPython установлен.
• Жёлтый: тематические ящики; журнал выдачи на внутренней стороне крышки.
• Красный: то, чем пользуются только вместе с учителем: батареи, паяльники, блок питания и ящик «Питание».
• Белый: запасной ящик и запас расходников; на уроке не открывается, служит только для восполнения недостач.

Пересчёт идёт по слоям. Групповой ящик группа пересчитывает в конце каждого урока; этот двухминутный порядок мы описали в статье о большом классе. Общее оборудование и тематические ящики ты пересчитываешь раз в неделю; благодаря щиту для инструментов и карточкам содержимого это занимает не больше пяти минут. Мелкие расходники вроде резисторов, светодиодов и проводов не считай поштучно: проведи на каждом пакете или отделении линию «минимум», и когда уровень опустится ниже линии, внеси позицию в список заказа. А вот платы, датчики и модули считаются поштучно, потому что потерять HC-SR04 — совсем не то же самое, что потерять светодиод. В конце каждой четверти проводится полная инвентаризация, а платы проверяются по одной. Вместо того чтобы наказывать за потерянные и сломанные детали, записывай их: какая деталь, из какого ящика и как часто пропадает, подскажет, что заказывать дальше и какое правило не работает.

Расходники: сколько уходит за год?

Расходники — это мелкие детали, которые на уроках ломаются, теряются или портятся. Числа ниже — не измерения, а грубая оценка для планирования из расчёта 8 групп и одного урока в неделю; по записям пересчёта за первую четверть найди свой расход и обнови таблицу. Детали заканчиваются по трём основным причинам: ножки так часто гнут, что они ломаются, светодиоды подключают без резистора или в обратной полярности, а мелкие детали падают под столы. Первые две причины уходят с хорошими привычками при сборке, третья — с ящиками с отделениями и проверкой столов в конце урока. Если покупать светодиоды и резисторы большими упаковками, в отдельных пакетах для каждого цвета и номинала, и цена за штуку ниже, и считать проще. Чтобы ученики могли разложить рассыпанные резисторы по нужным отделениям, научи их читать номинал по цветным полоскам; с этим упражнением помогает бесплатная утилита цветового кода резисторов.

Безопасность: предел 5 V, пайка, батареи и первая помощь

Главное правило безопасности лаборатории — ограничение питания: в первый год все схемы питаются от USB-порта компьютера, то есть от 5 V. С точки зрения удара током это низкое напряжение; настоящие риски — детали и провода, нагревающиеся при коротком замыкании, ожоги паяльником и литиевые аккумуляторы. Проекты, в которых реле коммутирует приборы от сетевой розетки, в лаборатории не делаются; в проектах с реле используется только низковольтная нагрузка. Если будет пайка, с самого начала обговори, что жало паяльника нагрето выше 300 °C, что паяльник никогда не оставляют без подставки и что дым от пайки удаляют через открытое окно или дымоуловителем; если используется свинцовый припой, после работы моют руки. Li-ion аккумуляторы и элементы 18650 хранятся в запираемом огнестойком ящике так, чтобы их контакты не касались друг друга, а для долгого хранения заряжены наполовину; вздувшийся, смятый или тёплый аккумулятор не используется, а сдаётся в пункт приёма батареек, и зарядка никогда не остаётся без присмотра (подробности — в статье о модуле зарядки TP4056). При небольших ожогах первая помощь — держать место ожога под прохладной проточной водой около 20 минут; где лежат аптечка и огнетушитель, должно быть написано у двери, а о каждом происшествии сообщается по порядку, принятому в твоей школе. Повесь 8 правил ниже на плакате формата A3 у двери.

1. Пока схема собирается или меняется, USB-кабель отключён.
2. Единственный источник питания — USB компьютера; батареи, адаптеры и модули питания используются только с разрешения учителя.
3. Если деталь греется, пахнет или дымит, выдерни USB и подними руку.
4. Никакой еды и напитков на столах; сумки остаются на полке у входа.
5. Каждая деталь возвращается в свой ящик; детали между ящиками не перекладываются.
6. Паяльники, батареи и блок питания используются только за учительским столом и вместе с учителем.
7. При обрезке ножек надевай очки и придерживай отрезаемый конец.
8. Не прячь сломанную, потерянную или испорченную деталь; запиши её на карточке содержимого и скажи учителю.

Годовой календарь обслуживания

BlueGrays для учёта лаборатории и планирования проектов

Учёт деталей лаборатории можно вести в BlueGrays в Мастерской; поскольку Детали — функция Premium, это делается в своём учительском аккаунте. В разделе Детали добавляются детали с количеством, в поле Своё название пишутся подробности вроде «330R» или «Красный светодиод», а в заметке — место хранения, например «ящики G, шкаф 2»; деталь, которой осталось мало, отмечается меткой Мало. Главная выгода — в планировании: поскольку Детали — это один общий учёт, если внести туда не всё содержимое лаборатории, а содержимое одного группового ящика, список Можно собрать покажет проекты, которые каждая группа соберёт из деталей своего ящика, а список Не хватает деталей с метками вроде «Не хватает: 2» подскажет, какие проекты откроются, если добавить ту или иную деталь, и по нему можно выбрать тематические ящики на второй год. Подробности — в статье о поиске проектов по имеющимся деталям. Пока ученики следят за проектом на своих экранах, список Нужные компоненты показывает количество, так что ящики к уроку можно подготовить точно под него. Когда бесплатных проектов станет мало, Premium для учеников можно выдать через пакеты для педагогов — кодами, купленными единоразовым платежом, без привязки карты и без автопродления. Если хочется принести на уроки проект, созданный специально для своей лаборатории, им можно поделиться через Учёба › Форум › Новая тема в категории Руководство: добавь фото схемы, свой код через «Добавить код» и связанные готовые проекты, а затем отправь ученикам ссылку на тему кнопкой «Поделиться» (шаги — в статье об уроках на основе собственного проекта).

Чек-лист документов для пожертвований, спонсоров и грантов

• Резюме на одну страницу: цель лаборатории, сколько учеников и какие предметы она будет обслуживать, сколько часов в неделю будет использоваться.
• Список потребностей в три слоя: таблицы наборов, оборудования и инфраструктуры из этой статьи с количеством.
• Заполненный шаблон бюджета: минимум два предложения по каждой позиции, выбранное предложение и обоснование, разовые и ежегодные итоги отдельно.
• Сведения о помещении: фотографии кабинета в нынешнем виде, простой эскиз планировки, состояние розеток и компьютеров.
• План безопасности: плакат с правилами, порядок хранения батарей и оборудования для пайки, первая помощь и ответственное лицо.
• План работы: годовой календарь, порядок пересчёта и имя учителя, отвечающего за лабораторию.
• Устойчивость: откуда возьмутся деньги на расходники и замену в следующие годы.
• Измеримые цели: например, число проектов, завершённых за четверть, выставка в конце года, работа кружка.
• Одобрение администрации: письмо поддержки от руководства школы и порядок постановки оборудования на баланс школы.
• Обязательство отчитываться: когда и с каким содержанием (фотографии, список проектов, инвентаризация) спонсор получит отчёт.

Школьная лаборатория никогда не создаётся раз и навсегда: в первый год приживаются наборы, ящики и правила, на второй год она растёт за счёт тематических ящиков, а в следующие годы записи пересчёта показывают, что заканчивается и что на самом деле используется. Когда первый групповой ящик собран, простой способ составить список уроков на первую четверть — установить BlueGrays на телефон и посмотреть, какие бесплатные проекты можно собрать из деталей этого ящика.