Micro:bit – La nuova tecnologia di apprendimento dell’informatica e dell’elettronica

Micro:bit, una nuova tecnologia per l’apprendimento semplificato dell’informatica, si presenta come soluzione per colmare il divario tra gli insegnamenti tradizionali, astratti e spesso incomprensibili, e la nuova ondata di insegnamento pratico e interattivo, che costringe all'individualizzazione e all'indipendenza degli studenti. Allo stesso tempo, l’insegnamento tecnico-digitale dell’alfabetizzazione dell’informatica impostato in modo divertente, aumenta l'interesse e rafforza la volontà degli studenti per affrontare con dedizione lo studio della materia. I vantaggi di utilizzare questo dispositivo come strumento didattico non sono rivolti solo ai giovani studenti, ma anche agli insegnanti e all’intero sistema scolastico. La modernizzazione e l'introduzione di nuovi approcci alla comprensione semplificata dell’informatica stanno aprendo la strada all’insegnamento del futuro nel mondo. Questo articolo, vuol essere una panoramica teorica e pratica di base sul dispositivo Micro:bit e il suo ruolo nell’ambito dell’insegnamento dell’informatica, dell’elettronica e, in generale, delle materie scientifiche e tecnologiche.

Introduzione

L'alfabetizzazione digitale è una competenza chiave del ventunesimo secolo. Nonostante che il linguaggio affine alle tecnologie informatiche e digitali sia diventato di uso comune nelle conversazioni quotidiane, il fatto è che un gran numero di adulti non ha nemmeno una conoscenza di base per utilizzare un computer. Il sistema scolastico deve essere orientato a far conoscere e ad insegnare a maneggiare agli studenti, fin dalla tenera età, strumenti hardware e software. Pertanto, l’obiettivo è di consentire agli studenti di crescere e svilupparsi in futuro, poiché è inevitabile la necessità di avere competenze informatiche e di strumenti web di base, sia durante il percorso scolastico che nel mondo del lavoro. Il crescente interesse per le tecnologie dell'informazione e la loro promozione da parte delle istituzioni educative, sia pubbliche che private, ha portato cambiamenti più evidenti nel settore dell’ingegneria, tecnologia e dell’informatica. Il 2020 ha portato molti cambiamenti nel processo dell’insegnamento e istruzione. La pandemia Covid ha portato all'introduzione della didattica a distanza (la cosiddetta DAD). Il problema della DAD è sorto perché per tale tipologia di insegnamento gli studenti, così come gli insegnanti, avrebbero dovuto avere un livello considerevole di alfabetizzazione digitale. La maggior parte dei compiti basati su Internet, diari elettronici e lezioni tenute online, hanno reso estremamente difficoltosa la DAD, e quindi seguire tutti gli eventi all'interno di una materia per chi non era abituato a lavorare su un computer. Micro:bit è spesso descritto come una piattaforma di calcolo tascabile. Questo dispositivo è infatti un microcomputer programmabile, destinato al semplice apprendimento delle basi della programmazione e dell'elettronica. Oltre all'informatica e alle materie tecnologiche, può essere utilizzato anche nell'apprendimento dell'elettronica, matematica, fisica e materie affini poiché incentiva lo sviluppo del pensiero logico e, inoltre, incoraggia a risolvere i problemi attraverso schemi algoritmici. Micro:bit nasce da una partnership tra istituzioni educative, la BBC e società di software e hardware. Il dispositivo è progettato in modo che sia abbastanza semplice da consentire un avvio rapido e, tuttavia, abbastanza potente, per eseguire le applicazioni. Il nuovo Micro:bit V2.2X si presenta come una sottile scheda microcomputer. Micro:bit si basa sul processore ARM Cortex-M4 32 bit, il cervello del sistema. Sulla sua superficie frontale sono presenti venticinque LED disposti in una matrice di 5x5 elementi singolarmente programmabili, che consentono la comunicazione visiva tra utente e dispositivo. La Figura 1 mostra il layout frontale e posteriore dell’ultima versione (V2.2X) di Micro:bit.

Figura 1: Micro:bit V2.2X

L’hardware di Micro:bit

L’hardware di Micro:bit è costituito dai seguenti elementi:

Processore dell’applicazione nRF52
nRF52 è il processore dell’applicazione con cui vengono eseguiti i programmi utente e il codice Bluetooth caricato nella memoria flash del processore ed eseguita direttamente. Il processore nRF52 rende disponibili sul connettore bordo scheda tutti i pin GPIO accessibili dall'utente. Inoltre, nRF52 dispone di una periferica radio integrata da 2,4 GHz utilizzata per le comunicazioni Bluetooth e altre funzionalità radio personalizzate il cui segnale a radio frequenza viene trasmesso e ricevuto mediante un'antenna esterna al processore e integrata nel circuito stampato di Micro:bit.

Comunicazione Wireless Bluetooth
Grazie al software SoftDevice Nordic S113 e alla sua antenna integrata, Micro:bit è in grado di effettuare alla frequenza di 2,4 GHz comunicazioni wireless Bluetooth a bassa energia (BLE) con dispositivi Bluetooth come smartphone e tablet.

Comunicazioni radio a bassa potenza
Micro:bit integra un ricetrasmettitore a 2,4 GHz che, basato sul protocollo “Micro:bit Radio”, oltre al BLE, consente vari altri tipi di comunicazioni radio standard a bassa potenza.

Pulsanti
Micro:bit ha tre pulsanti, due posti sulla superficie frontale e uno sulla superficie posteriore della scheda. Il pulsante nella parte posteriore, quando è premuto, effettua il reset del processore ARM e del processore nRF52 per il ripristino del sistema, e quindi dell’applicazione programmata. I due pulsanti A e B posti sulla superficie frontale possono essere programmati in un’applicazione utente per qualsiasi funzione. Il software gestisce il rilevamento della modalità di pressione dei pulsanti A e B: pressione breve, pressione lunga e pressione simultanea di entrambi (A+B). I pulsanti funzionano in modo da generare il livello logico "1" quando vengono rilasciati e un livello logico "0" quando sono premuti. Entrambi i pulsanti A e B sono collegati ai pin GPIO accessibili anche dal connettore Micro:bit consentendo di utilizzarne la funzione anche esternamente.

Display
Il display è una matrice 5x5 di diodi LED. Oltre alla funzione di realizzare immagini in base alla composizione e disposizione programmata dei LED, questa matrice di LED viene utilizzata anche per rilevare l’intensità della luce ambientale.

Sensore di movimento
Micro:bit ha un sensore accelerometro e magnetometro combinato in un chip che effettua rispettivamente il rilevamento di movimento a 3 assi e il rilevamento dell'intensità del campo magnetico. Questo sensore, tramite speciali algoritmi software, consente anche il rilevamento dei gesti (come il rilevamento delle cadute) e il rilevamento dei gesti aggiuntivi (ad es. Logo-up, logo-down, shake). Un algoritmo software standard utilizza l'accelerometro integrato per trasformare i dati del sensore nella funzione di bussola indipendente dall'orientamento della scheda Micro:bit. La bussola viene calibrata automaticamente dal software in esecuzione.
Il sensore accelerometro e magnetometro è connesso al processore dell'applicazione nRF52 tramite il bus I2C.

Sensore di temperatura
Il processore per le applicazioni nRF52 integra un sensore di temperatura in grado di misurare temperature da -40 °C a +105 °C con una risoluzione di 0,25 °C.

Altoparlante
Micro:bit dispone di un altoparlante montato sul circuito stampato che emette suoni trasmessi dall'uscita audio o dal segnali audio prodotto dalla modulazione PWM disponibile sui pin della scheda.

Microfono
Un microfono di tecnologia MEM integrato nella scheda fornisce un ingresso audio a Micro:bit . L’accensione di un diodo LED integrato sulla parte anteriore della scheda indica all'utente che il microfono è attivo.

Pin di ingresso/uscita per uso generico (GPIO)
Il connettore bordo scheda di Micro:bit rende disponibili e accessibili venti GPIO del processore nRF52. Alcuni di questi GPIO sono condivisi con altre funzioni di Micro:bit, ma, se alcune funzionalità del software che utilizzano questi GPIO sono disattivate, possono essere riconfigurati dall’utente, ovvero riassegnati per un uso generico in applicazioni dell’utente.

Alimentazione
Micro:bit può essere alimentato da una 5 V fornita mediante il connettore USB collegato ad un computer o ad un power bank, o tramite una batteria da 3 V collegata al connettore JST. È anche possibile alimentare Micro:bit collegando un alimentatore esterno ai pin 3V e GND del connettore bordo scheda. Le piazzole rettangolari arrotondate 3V e GND visibili sul bordo laterale della parte posteriore della scheda (Figura 2), possono essere utilizzati per alimentare a 3 V circuiti esterni. Per questo, Micro:bit utilizza un regolatore di tensione LDO specificato per fornire corrente fino a 300 mA oltre la quale interviene la protezione mediante interruzione termica della tensione in uscita.

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