مهندسان دانشگاه نورث وسترن اولین پلتفرم برنامه‌نویسی کامپیوتری را توسعه داده‌اند که به بچه‌ها امکان می‌دهد دستگاه‌های پایدار، بدون باتری و جمع‌آوری انرژی بسازند و برنامه‌نویسی کنند.
این ابزار جدید که MakeCode بدون باتری نام دارد، مبتنی بر مایکروسافت MakeCode است، یک پلتفرم آنلاین رایگان آموزش کدنویسی که مبتدیان را با اصول کدنویسی آشنا می‌کند. پلت فرم بصری برنامه نویسی را آسان می کند. کاربران به سادگی بلوک‌هایی از کدهای از پیش ساخته شده را کشیدن و رها می‌کنند تا بازی‌هایی مانند تتریس بسازند، دستگاه‌هایی را برنامه‌ریزی کنند که می‌توانند گام‌ها را بشمارند یا صدا تولید کنند، و برنامه‌هایی ایجاد کنند که حسگرها، صفحه‌نمایش‌ها، دکمه‌ها و موتورها را به هم متصل می‌کنند.
MakeCode بدون باتری از افزونه ای استفاده می کند که به طور خودکار و نامرئی MakeCode را به نسخه ای تبدیل می کند که از برنامه نویسی دستگاه های الکترونیکی پشتیبانی می کند که انرژی را از منابع محیطی مانند ارتعاشات، حرکت، انتقال فرکانس رادیویی و خورشید جمع آوری می کند.
به عنوان بخشی از یک برنامه آزمایشی که توسط بنیاد ملی علوم پشتیبانی می‌شود، معلمان مدرسه ابتدایی Pūʻōhala در Kāneʻohe، هاوایی، شروع به پیاده‌سازی MakeCode بدون باتری در برنامه‌های درسی STEM مبتنی بر مکان و پایداری خود کردند.
تحقیقات پشت پلتفرم جدید امروز (30 مارس) در نشریه منتشر شد مجموعه مقالات انجمن ماشین های محاسباتی در فناوری های تعاملی، موبایل، پوشیدنی و همه جا حاضر. این پلتفرم نیازی به سخت افزار سفارشی ندارد و به صورت آنلاین در دسترس است.
جوزیا هستر از Northwestern، نویسنده ارشد این مطالعه، گفت: در سراسر کشور، کدنویسی در حال تبدیل شدن به بخشی استاندارد از برنامه‌های درسی است و دانش‌آموزان در حال یادگیری نحوه کدنویسی زودتر و زودتر هستند. “امید ما این است که وقتی دانش آموزان کدنویسی را یاد می گیرند، در مورد مفاهیم انرژی و پایداری نیز بیاموزند. با MakeCode بدون باتری، ما می خواهیم مربیان را قادر به آموزش نسل جدیدی از برنامه نویسانی کنیم که شیوه های محاسبات و برنامه نویسی پایدار را درک می کنند.”
کریستوفر کریمر، دکتری، افزود: «صنعت فناوری احتمالاً ظرف پنج تا 10 سال آینده دستگاه‌های بدون باتری را افزایش خواهد داد». نامزد در آزمایشگاه هستر. بنابراین نیاز به بهبود آموزش در زمینه برنامه نویسی بدون باتری وجود دارد.
هستر استادیار مهندسی برق و کامپیوتر و علوم کامپیوتر در دانشکده مهندسی مک کورمیک Northwestern است. او همچنین استاد طراحی جونیور نژاد آلن کی و جانی کوردل است. کریمر اولین نویسنده مقاله است.
اجتناب از آتش سوزی زباله دان
هستر با آگاهی از میراث بومی هاوایی خود، دستگاه های بدون باتری را با هدف پایدارتر کردن محاسبات توسعه می دهد. در پاییز 2020، هستر و همکارانش اولین Gameboy بدون باتری را معرفی کردند که انرژی را از خورشید و انرژی جنبشی خود کاربر را از فشار دادن دکمه ها برداشت می کند. سپس، در پاییز 2021، همان تیم BFree را پرده برداری کرد، یک پلتفرم کدنویسی جدید که سازندگان، علاقه‌مندان و برنامه‌نویسان مبتدی را قادر می‌سازد دستگاه‌های الکترونیکی بدون باتری خود را بسازند که با انرژی برداشت شده کار می‌کنند.
Hester در آن زمان گفت: «سازندگان در سراسر اینترنت می پرسند که چگونه عمر باتری دستگاه های خود را افزایش دهند. آنها سوال اشتباهی می پرسند. ما از آنها می خواهیم باتری را فراموش کنند و در عوض به راه های پایدارتر برای تولید انرژی فکر کنند.
اگرچه ممکن است راحت به نظر برسند، اما باتری های لیتیوم یون هزینه زیادی برای محیط زیست دارند. استخراج لیتیوم نه تنها انرژی و آب بسیار زیادی دارد، لیتیوم نیز ماده ای قابل اشتعال و سمی است که می تواند در کارخانه های بازیافت آتش بگیرد. شرکت‌های بزرگ فناوری تخمین می‌زنند که تا 50 سال آینده تریلیون‌ها دستگاه اینترنت اشیا بیشتری را ببینیم. این باعث می شود تعداد زیادی باتری استفاده شده و در نهایت دور ریخته شود. Hester می‌خواهد از نیاز به این باتری‌ها و بنابراین تبدیل شدن به یک آتش سوزی واقعی زباله جلوگیری کند.
کدنویسی را یاد بگیرید. اما آن را بدون باتری بسازید.
تا به حال، برنامه نویسی دستگاه های بدون باتری بسیار دشوار بوده است – فقط برای برنامه نویسان با تجربه عمیق و دارای تخصص تخصصی محفوظ است. مشکل اصلی این است که برداشت انرژی غیرقابل پیش‌بینی است، بنابراین برنامه‌هایی که روی دستگاه‌های بدون باتری اجرا می‌شوند ممکن است هر بار که خورشید در پشت ابر قرار می‌گیرد یا کاربر از له کردن دکمه‌ها فاصله می‌گیرد، با شکست مواجه می‌شوند.
هستر می‌گوید: «برنامه‌نویسی این دستگاه‌ها به‌ویژه سخت است، زیرا باید نحوه محافظت ایمن، سریع و صحیح در برابر قطعی برق متناوب را در نظر بگیرید و پس از بازگشت انرژی، آن حالت را بازیابی کنید.
خوشبختانه، دانش‌آموزان کلاسی که در حال یادگیری کدنویسی دستگاه‌های بدون باتری هستند، نگران هیچ‌یک از این‌ها نخواهند بود. MakeCode بدون باتری تمام کارهای سنگین را برای آنها انجام می دهد، بنابراین آنها می توانند در عوض روی طراحی دستگاه ها و کاوش در منابع انرژی تمرکز کنند. دانش‌آموزان می‌توانند به‌جای نوشتن کدهای پیچیده برای رسیدگی به قطع‌های متناوب برق، بیشتر در مورد چگونگی برداشت و استفاده از انرژی فکر کنند – مفاهیم مهم برای برنامه‌نویسان آینده.
هستر می‌گوید: «برخی از سیستم‌های بازی در زمان بی‌کاری انرژی بیشتری نسبت به یخچال مصرف می‌کنند. “این دقیقاً همان چیزی است که ما می خواهیم برنامه نویسان آینده از آن اجتناب کنند.”
برنامه افزودنی جدید برنامه MakeCode اصلی را تغییر می‌دهد تا تحمل خطا را فعال کند، و تضمین می‌کند که وضعیت برنامه تحت منابع انرژی متناوب باقی می‌ماند.
کریمر گفت: «MakeCode بدون باتری این کار را با کمی بیشتر از یک تراشه حافظه، پنل خورشیدی یا دیگر برداشت‌کنندگان انرژی انجام می‌دهد». این مراحل برای برنامه نویس غافل است و به آنها آزادی کامل می دهد تا تا حد امکان خلاق باشند.
از آنجایی که MakeCode کاملاً آنلاین است، تنها الزامات برنامه‌ریزی دستگاه‌های هوشمند پایدار، دسترسی به اینترنت و تجهیزات الکترونیکی کمتر از ۴۰ دلار است که به راحتی در AdaFruit یا سایر وب‌سایت‌های سازنده و دانش‌آموزی یافت می‌شوند. این دسترسی به طور قابل توجهی دامنه بالقوه شیوه های محاسباتی پایدار را گسترش می دهد.
اختراع مجدد کدنویسی با “روش پایداری هاوایی”
هستر این پروژه را پس از بحث و گفتگو با معلمان یک مدرسه دولتی دوزبانه (هاوایی و انگلیسی) آغاز کرد که به اکثریت دانش آموزان بومی (بومی هاوایی) خدمت می کند. اگرچه دانش‌آموزان در حال حاضر از MakeCode در کلاس‌های برنامه‌نویسی و STEM استفاده می‌کنند، به نظر می‌رسد مفهوم استفاده از باتری برای تامین انرژی دستگاه‌های حاصل با اهمیت فرهنگی پایداری در تضاد است.
در هاوایی، کدنویسی تا سال 2025 به بخشی از برنامه‌های درسی STEM دانش‌آموزان تبدیل می‌شود. با MakeCode بدون باتری، هستر و تیمش امیدوارند که دانش‌آموزان در مدرسه ابتدایی Pūʻōhala یاد بگیرند که چگونه دستگاه‌های هوشمند و پایدار را برنامه‌ریزی کنند و در عین حال سؤالات مهمی درباره پایداری در طول مسیر بپرسند. مسیر. در حال حاضر، مدرسه فناوری‌های پایدار، از جمله پرینت سه‌بعدی با استفاده از مواد پایدار – بدون استفاده از پلاستیک مجاز است.
هستر گفت: “این به خوبی با برنامه های درسی مربوط به فرهنگی بومی هاوایی گره خورده است.” “در فرهنگ من، ما دائماً می‌پرسیم که چگونه می‌توانیم کمترین تأثیر را بر محیط خود بگذاریم و در عین حال کارهای خوبی انجام دهیم. ما می‌خواهیم محیط را بهتر از آنچه که پیدا کرده‌ایم ترک کنیم و از آن مراقبت کنیم… [the land]. انگیزه شخصی من این است که راه‌هایی را برای اختراع مجدد یا تجسم مجدد برنامه‌های درسی محاسباتی که در چارچوب اخلاق بومی هاوایی و پایداری است، کشف کنم.
پروژه “MakeCode بدون باتری: برنامه نویسی دسترسی برای محاسبات متناوب” توسط بنیاد ملی علوم پشتیبانی شد.
