План уроков по Raspberry Pi Pico: 6 недель MicroPython в классе

Если нужен план уроков по Raspberry Pi Pico, вот короткий ответ: 6 недель, один урок по 40 минут в неделю, работа в парах и одно новое понятие MicroPython каждую неделю. На первой неделе ученики зажигают встроенный светодиод одной строкой в REPL Thonny; дальше идут переменные и время, функции, кнопки и условия, звук и датчик расстояния с ШИМ, а на последней неделе — пианино на пять кнопок со списком и циклом for. Проект каждой недели бесплатно доступен в BlueGrays со схемой, списком деталей и кодом, так что Premium ученикам не нужен. План рассчитан на Raspberry Pi Pico или Pico W с Thonny и на учеников средней и старшей школы, которые ещё никогда не писали код.

Сначала разберём, почему Pico и MicroPython так хорошо работают в классе, а затем подготовку к первому уроку: файл MicroPython UF2, кнопку BOOTSEL, выбор интерпретатора в Thonny и то, на что обратить внимание на школьных компьютерах. После этого — план по неделям с аналогом каждого понятия на Arduino C++, список материалов на класс из 24 учеников, поминутный пример урока, три коротких примера кода, таблица оценивания и решения проблем, которые чаще всего возникают на уроке. 8-недельную версию этого подхода с Arduino и блоками мы разобрали в статье план уроков по блочному программированию; этот план её не повторяет и предназначен для классов, которые хотят сразу начать с текстового кода или перейти на Python после блоков.

Почему Raspberry Pi Pico и MicroPython?

Pico — небольшая плата с микроконтроллером, которую Raspberry Pi сделала на собственной микросхеме RP2040. Это не компьютер: как и Arduino, она снова и снова выполняет одну программу. Для класса у неё три сильные стороны. Первая — MicroPython, облегчённая версия Python для микроконтроллеров. Он легко читается, в нём нет точек с запятой и фигурных скобок, поэтому ученики, которые уже встречали Python на информатике, тем же языком управляют светодиодом или зуммером. Вторая — нет компиляции: как только в Thonny нажата кнопка «Запустить» (Run), код выполняется на плате, и не нужно ждать компиляции и загрузки после каждой мелкой правки. На 40-минутном уроке это значит гораздо больше попыток за то же время. Третья — REPL: введи одну строку в окне Shell в Thonny, нажми Enter, и плата сразу её выполнит. Когда ученики вводят led.on() и светодиод загорается, они за первые пять минут понимают, что программировать — значит давать плате команды. Низкая цена и то, что плата вставляется прямо в макетную плату, делают работу в парах реальной. Когда проще взять Arduino? С младшими учениками, которые только научились читать, или если большая часть набора — модули на 5 V, начинать с Arduino и блоков проще и без сюрпризов. Характеристики и распиновка платы — в статье Что такое Raspberry Pi Pico?

Перед первым уроком: MicroPython и Thonny

1. Определи плату: для Pico, Pico W, Pico 2 и Pico 2 W нужны разные файлы MicroPython. Посмотри на надпись на плате и скачай с официальной страницы загрузки MicroPython последний файл .uf2 именно для этой платы. С неправильным файлом плата не запустится или не заработает Wi-Fi.
2. Подключай с зажатой BOOTSEL: удерживай белую кнопку BOOTSEL рядом с USB-разъёмом, пока вставляешь кабель в компьютер, затем отпусти. На компьютере появится диск RPI-RP2 (у Pico 2 он называется RP2350).
3. Скопируй файл UF2: перетащи файл .uf2 на этот диск. Через несколько секунд плата перезагрузится, и диск исчезнет; это не ошибка, а знак того, что MicroPython установлен. MicroPython остаётся на плате, так что переустанавливать его на каждом уроке не нужно.
4. Выбери интерпретатор в Thonny: в «Инструменты › Параметры › Интерпретатор» (Tools › Options › Interpreter) выбери «MicroPython (Raspberry Pi Pico)», а порт оставь на автоопределении. То же самое можно выбрать, нажав на правый нижний угол окна Thonny.
5. Проверь соединение: внизу, в окне Shell, должно быть приглашение >>>. Введи print("привет") и нажми Enter; если пришёл ответ, плата готова к уроку.

Не оставляй настройку школьных компьютеров на сам урок; поговори со школьным системным администратором за неделю. Thonny работает в Windows, macOS и Linux и идёт со своим Python, так что отдельно ставить Python не нужно. Для Windows есть и портативная версия, которая вообще не требует установки; это сильно упрощает жизнь в закрытых компьютерных классах, где программы может ставить только администратор. Windows 10 и 11 распознают Pico как последовательный порт (COM) без дополнительного драйвера. В некоторых школах USB-накопители заблокированы; тогда диск RPI-RP2 может не появиться на компьютерах учеников, но если MicroPython заранее установлен на платы с твоего компьютера, это не важно, потому что на уроке используется только последовательное соединение. И наконец, покажи ученикам два варианта в окне сохранения Thonny: «This computer» (этот компьютер) сохраняет файл на компьютер, «Raspberry Pi Pico» — на плату. Пары, которые не знают, что выбрали, на 6-й неделе не найдут свой код.

6-недельный план уроков по Raspberry Pi Pico

Каждый урок рассчитан на 40 минут и работу в парах. Все проекты в таблице бесплатны в BlueGrays, а у проектов первых трёх недель рядом с кодом есть ещё и блочное представление. Порядок выбран намеренно: сначала выход (светодиод), затем переменные и время, функции, потом вход и условия, звук и датчик с ШИМ и в конце списки и циклы. Каждая неделя добавляет одну новую идею к предыдущей. В последнем столбце то же понятие показано на Arduino C++: это мостик для учеников, которые позже перейдут на Arduino; подробнее о C++ — в статье Основы программирования Arduino.

Во время курса возьми за правило, чтобы в конце каждой недели ученики меняли одно значение. На 1-й неделе проект со встроенным светодиодом обращается к нему по имени «LED», поэтому одинаково работает на Pico и Pico W; внешний светодиод подключается к GP14, то есть к физическому пину 19, а соседний пин 18 — это GND. На 2-й неделе уменьшение WAIT_MS в полицейском стробоскопе с 300 до 80 показывает, что одна переменная сразу меняет ритм обоих светодиодов. На 3-й неделе светофор вызывает all_off() в цикле три раза; попроси учеников удалить функцию и написать то же самое вручную: увидев, как набегают девять строк, они сами объяснят, зачем нужны функции. 4-я неделя — проект среднего уровня: кнопка подключена с PULL_UP, поэтому при нажатии читается 0, а каждое нажатие по кругу переключает режим: обычный, только красный, мигающий жёлтый и выключено. Код длинный, поэтому сначала прочитайте его по шагам во вкладке «Разбор кода». На 5-й неделе HC-SR04 работает от 5 V, так что не забудь подключить ECHO через делитель; эксперименты со значениями GREEN_CM 100, YELLOW_CM 50, RED_CM 25 и STOP_CM 10 дают ученикам понятие порога. Как работает датчик, рассказано в статье Датчик расстояния HC-SR04, а как получить звук с помощью ШИМ — в статье Активный и пассивный зуммер; бери пассивный зуммер, потому что в проекте меняется частота. На 6-й неделе пианино играет пять нот от «до» до «соль» в диапазоне 523–784 Hz, а если удерживать клавишу «до» 1 секунду, начинается запись мелодии. Полный код для этого уровня длинный; вместо того чтобы просить учеников набрать его целиком, попроси их поменять частоты в списке NOTE_HZ и построить свой звукоряд.

Вопросы на выходе для каждой недели

• 1-я неделя: Что произойдёт, если поменять местами строки led.on() и time.sleep(0.5)? Почему строки под while True: начинаются с отступом?
• 2-я неделя: Как изменится стробоскоп, если увеличить WAIT_MS с 300 до 1000? Какие две строки заменяет одна toggle()?
• 3-я неделя: Сколько ещё строк пришлось бы написать без функции all_off()? Чем определение функции отличается от её вызова?
• 4-я неделя: Почему button.value() возвращает 0 при нажатии кнопки с PULL_UP? Если mode равно 3 и нажать кнопку, чему станет равно mode?
• 5-я неделя: Почему пин ECHO датчика HC-SR04 не подключают к Pico напрямую? Что делает с зуммером строка duty_u16(0)?
• 6-я неделя: Какие списки в коде нужно изменить, чтобы добавить пианино шестую клавишу?

Список материалов на класс из 24 учеников

Если разбить 24 ученика на пары, получится 12 групп; с одним запасным набором готовь 13 наборов. Pico недорогая, поэтому в большинстве школ можно работать парами, а не тройками, и у каждого ученика больше времени за клавиатурой; если работать тройками, сократи количество до 9 наборов. Каждой группе нужен компьютер, потому что Thonny общается с Pico по USB. Телефон или планшет нужен, чтобы держать открытыми в BlueGrays проект недели, его схему и вкладку «Разбор кода». Паять ничего не нужно: всё вставляется в макетную плату.

Пример урока: 1-я неделя, первая программа

План ниже — для 1-й недели. Первый урок самый рискованный, потому что именно здесь вылезают проблемы с настройкой. Предполагается, что MicroPython уже установлен на платы, а Thonny — на компьютеры. Тот же каркас подходит и для остальных недель: разминка, совместное чтение, прогноз, схема, запуск кода, изменение одного значения и вопрос на выходе. Если есть сдвоенный урок на 80 минут, растяни этап «измени одно значение» и дай парам представить свои ответы на вопрос на выходе.

Три коротких примера на MicroPython для урока

Больше всего путаницы между Pico и Pico W вызывает встроенный светодиод. На классической Pico светодиод подключён к GP25, поэтому в старых примерах встречается Pin(25). На Pico W светодиод подключён к микросхеме Wi-Fi и не имеет номерного пина GP, так что Pin(25) там его не зажжёт. Способ, который работает на обеих, — обращаться к светодиоду по имени: Pin("LED"). В актуальных версиях MicroPython это имя определено для Pico, Pico W и Pico 2, поэтому проект со встроенным светодиодом в BlueGrays использует именно его. Если в классе платы вперемешку, всем можно раздать один и тот же код. Если старая прошивка не знает имени «LED», нужно обновить файл UF2.

1from machine import Pin
2import time
3
4# "LED" adı Pico, Pico W ve Pico 2'de karttaki LED'i bulur / The name "LED" finds the onboard LED on Pico, Pico W and Pico 2
5led = Pin("LED", Pin.OUT)
6# Eski firmware'li klasik Pico'da: Pin(25, Pin.OUT) / Classic Pico with old firmware: Pin(25, Pin.OUT)
7# Pico W'de Pin(25) LED'i yakmaz / On the Pico W, Pin(25) does not light the LED
8
9while True:
10    led.toggle()       # Durumu tersine çevir / Flip the state
11    time.sleep(0.5)    # 0,5 saniye bekle / Wait 0.5 seconds
12

Код для внешнего светодиода построен по тому же каркасу, меняется только номер пина. Здесь время ожидания вынесено в переменную WAIT; именно эту строку ученики первой поменяют на 2-й неделе. Переменная count и строка print() при каждом включении светодиода выводят число в окно Shell в Thonny, так что ученики видят на экране, что цикл действительно крутится. 14 в коде — это номер GP, а не номер физического пина; именно это ученики путают чаще всего.

1from machine import Pin
2import time
3
4LED_PIN = 14          # LED'in bağlı olduğu GP pini (fiziksel pin 19) / GP pin the LED is wired to (physical pin 19)
5WAIT = 0.5            # Bekleme süresi, saniye / Wait time in seconds
6
7led = Pin(LED_PIN, Pin.OUT)   # Pini çıkış yap / Make the pin an output
8count = 0                     # Kaç kez yandığını say / Count how many times it lit
9
10while True:
11    led.on()                  # LED'i yak / Turn the LED on
12    count = count + 1
13    print("LED", count)       # Thonny Shell'e yaz / Print to the Thonny Shell
14    time.sleep(WAIT)
15    led.off()                 # LED'i söndür / Turn the LED off
16    time.sleep(WAIT)
17

Кнопку можно подключить двумя способами, и оба стоит показать. С PULL_UP одна ножка кнопки идёт на GP15, а противоположная — на GND; резистор внутри Pico подтягивает пин к 3,3 V, нажатие соединяет пин с GND, и читается 0. Все проекты с кнопками для Pico в BlueGrays используют этот способ, потому что лишний провод не нужен. С PULL_DOWN противоположная ножка идёт на пин 3V3(OUT) (пин 36), и при нажатии читается 1; логика кажется естественнее, но провод легко по ошибке воткнуть в VBUS (пин 40, 5 V). Какие из четырёх ножек кнопки соединены между собой, мы разобрали в статье Как подключить кнопку к Arduino. 4-ю неделю можно начать с короткого кода ниже, а затем перейти к выбору режимов.

1from machine import Pin
2import time
3
4led = Pin(14, Pin.OUT)                  # GP14 -> 220 ohm -> LED -> GND / GP14 -> 220 ohm -> LED -> GND
5button = Pin(15, Pin.IN, Pin.PULL_UP)   # Buton GP15 ile GND arasında / Button between GP15 and GND
6# PULL_DOWN: Pin(15, Pin.IN, Pin.PULL_DOWN), buton GP15 ile 3V3(OUT) arasında / button between GP15 and 3V3(OUT)
7# PULL_DOWN ile koşul == 1 olur / With PULL_DOWN the condition becomes == 1
8
9while True:
10    if button.value() == 0:             # PULL_UP: basınca 0 okunur / PULL_UP: reads 0 when pressed
11        led.on()
12    else:
13        led.off()
14    time.sleep_ms(10)                   # Döngüyü biraz yavaşlat / Slow the loop down a little
15

Как использовать BlueGrays на уроке с Pico

• Справочник по коду, раздел MicroPython: «Справочник по коду» в «Учёбе» рядом с разделом Arduino C++ предлагает раздел MicroPython из 18 карточек: import, print, выход пина, вход пина (PULL_UP, PULL_DOWN), time.sleep, while True, отступы, переменные, if / elif / else, for и range, списки, def и return, ADC, PWM, ticks_ms, Pin.irq, try / except и I2C. В каждой карточке есть «Что делает?», «Синтаксис», пример с вкладками «Блоки · Arduino · MicroPython», «Частая ошибка» и мини-тест. Советуй ученикам читать между уроками карточки по понятию недели; свой прогресс MicroPython x/18 каждый ученик видит на экране «Мой уровень».
• «Посмотреть в проектах»: эта ссылка в конце каждой карточки показывает проекты, в коде которых встречается команда, от простых к сложным. Отсюда ученики переходят от команды, прочитанной в карточке, к её поиску в коде настоящего проекта.
• Вопросы дня: в настройке «Язык кода в вопросах» есть варианты «Оба», Arduino и MicroPython. Если уроки идут на Pico, пусть ученики выберут MicroPython; общие вопросы без кода приходят при любом выборе. Каждый день — набор примерно на 3 минуты, есть тест на уровень из 15 вопросов и 6 уровней от A1 до C2: хорошая привычка для ежедневного повтора между уроками.
• «Показать блоками»: у пяти бесплатных проектов для Pico (встроенный светодиод, внешний светодиод, два попеременно мигающих светодиода, светофор и полицейский стробоскоп) рядом с кодом есть блочное представление. Если тем, кто впервые видит Python, сначала показать блоки, а потом код той же программы, складывается идея «логика та же, запись другая»; этот шаг подробно разобран в статье переход от блоков к MicroPython. Блоки нужны для чтения: в приложении их нельзя редактировать, а на плату всегда загружается код MicroPython.
• «Разбор кода» и «Если не работает»: они есть у каждого бесплатного проекта для Pico. Вкладка «Разбор кода» начинается с краткого итога «Что делает этот код?», продолжается разбором «Шаг за шагом» и заканчивается блоком «Если не получается» и заданием «Твоя очередь». С длинным кодом на 4-й и 6-й неделях это главный помощник для пар, которые пока читают медленно.
• «Собираем вместе» и «Копировать ссылку»: пошаговый режим проходит четыре шага и на шаге с кодом напоминает выбрать в Thonny интерпретатор MicroPython. «Копировать ссылку» в разделе исходного кода даёт ссылку, по которой код открывается на компьютере, так что перепечатывать код с телефона в Thonny не придётся.

Оценивание и дифференциация

• Быстрые группы, аналоговое чтение: отдельной недели про АЦП в плане нет; пары, которые закончили раньше, подключают среднюю ножку потенциометра 10 kΩ к GP26, читают значение от 0 до 65535 через ADC(26).read_u16() и задают им скорость стробоскопа со 2-й недели. Для задачи посложнее подойдёт бесплатный проект Светодиодный костёр на Raspberry Pi Pico (матрица NeoPixel 8x8 + потенциометр + зуммер): тот же потенциометр управляет матрицей NeoPixel 8x8.
• Быстрые группы, объединение: добавить кнопку с 4-й недели к парктронику с 5-й и написать «тихий режим», который включает и выключает звук, — первый настоящий шаг к собственному коду.
• Медленные группы: выдай уже собранную схему или положи на стол крупную распечатку схемы. Пусть идут шаг за шагом по вкладке «Разбор кода» и ставят цель в этот день изменить всего одно значение; это уже достойный результат.

Частые проблемы и быстрые решения

Чек-лист перед уроком

• MicroPython установлен на все платы, платы и кабели пронумерованы от 1 до 13.
• Thonny открывается на каждом компьютере, интерпретатор — «MicroPython (Raspberry Pi Pico)».
• Каждая пара «плата + кабель» проверена и показывает >>> в Shell.
• Резисторы разложены по коробкам по номиналам: 220 Ω, 1 kΩ, 2 kΩ.
• Проект недели открыт в BlueGrays на проекторе; для первых трёх недель подготовлено «Показать блоками».
• Листки с вопросом на выходе распечатаны, роли (сборщик, контролёр) распределены по парам.
• Перед 5-й неделей резисторы делителя для HC-SR04 отложены для каждой группы.
• В конце урока USB-кабели отключены, детали пересчитаны и сложены в пронумерованные коробки.

Все проекты, которые понадобятся за эти шесть недель, можно бесплатно открыть в приложении BlueGrays со схемой, списком деталей, кодом MicroPython и вкладкой «Разбор кода»; так легко вести урок с проектора, пока ученики следят за ним на своих телефонах. Если через шесть недель захочется перейти к проектам Premium для Pico с яркостью светодиода через ШИМ, сервоприводами, OLED-экраном или матричной клавиатурой, вместо индивидуальных подписок можно раздать коды педагога: это разовая покупка без автопродления.