RU224734U1 - EDUCATIONAL GAME DEVICE - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к портативным многофункциональным обучающим устройствам и может быть использована при обучении младших школьников основам предметов, требующих развития навыков трехмерной ориентации предметов, пространственного воображения, а также изучения таких дисциплин, как геометрия, рисование и т.п. Предложенная полезная модель содержит корпус кубической формы, на гранях которого снаружи выполнены сменяемые изображения. Внутри корпуса расположен блок управления, содержащий микропроцессор и информационно связанные с ним таймер и модуль памяти, кроме того, в корпусе установлены источник питания и информационно связанные с блоком управления беспроводной приемопередатчик, акселерометр и гироскоп. На одной из граней корпуса расположены порт зарядки, USB-порт, кнопка включения и индикатор включения. Техническим результатом полезной модели является расширение ее функциональных возможностей за счет получения дополнительной информации о таких характеристиках механических действий обучающегося, как направленность поворотов, скорость и точность выполнения угловых, линейных и вращательных перемещений, а также время выполнения игровых задач. 3 ил. The utility model relates to portable multifunctional educational devices and can be used in teaching primary schoolchildren the basics of subjects that require the development of skills in three-dimensional orientation of objects, spatial imagination, as well as the study of disciplines such as geometry, drawing, etc. The proposed utility model contains a cubic-shaped body, on the outside of which interchangeable images are made. Inside the case there is a control unit containing a microprocessor and a timer and a memory module informationally connected to it; in addition, the case contains a power supply and a wireless transceiver, an accelerometer and a gyroscope informationally connected to the control unit. On one of the sides of the case there is a charging port, a USB port, a power button and a power indicator. The technical result of the utility model is to expand its functionality by obtaining additional information about such characteristics of the student’s mechanical actions as the direction of turns, the speed and accuracy of angular, linear and rotational movements, as well as the time it takes to complete game tasks. 3 ill.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к многофункциональным портативным обучающим устройствами, может быть использована в педагогике при обучении младших школьников основам начертательных дисциплин, например, геометрии, рисования и других предметов, требующих начертательных навыков и пространственного воображения, а также для организации досуга детей.The proposed utility model relates to multifunctional portable educational devices; it can be used in pedagogy when teaching primary schoolchildren the basics of descriptive disciplines, for example, geometry, drawing and other subjects requiring descriptive skills and spatial imagination, as well as for organizing children’s leisure time.

Из уровня техники известны портативные устройства управления компьютерными играми, например, джойстики, геймпады и игровые контроллеры, см., например, https://www.ixbt.com/live/periphery/flydigi.html;hi-tech.mail.ru; kp.ru). Недостатком этих устройств является отсутствие контроля обратной связи между действиями, совершаемыми пользователем и конечным результатом. В процессе игр с использованием известных устройств, фиксируется лишь конечный результат: количество баллов, пройденный уровень и т.п.Portable computer game control devices are known from the prior art, for example, joysticks, gamepads and game controllers, see, for example, https://www.ixbt.com/live/periphery/flydigi.html;hi-tech.mail.ru; kp.ru). The disadvantage of these devices is the lack of feedback control between the actions performed by the user and the final result. During games using known devices, only the final result is recorded: the number of points, the level completed, etc.

В последнее время широкое использование получили портативные устройства управления компьютерными программами, обеспечивающие сбор данных о характере взаимодействия пользователя с интерфейсом, в том числе, физиологических данных, таких, как движение глаз, сила нажатия на клавиши пульта управления и пр. Они содержат в своем составе датчики движения, такие, как гироскоп и акселерометр, а также микропроцессор, модуль сбора и обработки информации и модуль беспроводной связи с пользовательским приложением (см., например, патент RU 2 339 087, 2005 г.). Общим недостатком известных устройств является неигровая форма общения с пользователем и неприспособленность к развитию у обучающихся младших школьников навыков пространственной ориентации, используемых в геометрии, рисовании и других предметах в игровой форме.Recently, portable devices for controlling computer programs have become widely used, providing data collection about the nature of user interaction with the interface, including physiological data, such as eye movement, the force of pressing the keys of the control panel, etc. They contain sensors. movements, such as a gyroscope and an accelerometer, as well as a microprocessor, a module for collecting and processing information and a wireless communication module with a user application (see, for example, patent RU 2 339 087, 2005). A common disadvantage of the known devices is the non-game form of communication with the user and the inability to develop spatial orientation skills in younger schoolchildren used in geometry, drawing and other subjects in a playful way.

От данного недостатка свободна полезная модель «Развивающие кубики», патент RU 141609, 2013 г., принятая за ближайший аналог (прототип).The utility model “Developmental cubes”, patent RU 141609, 2013, taken as the closest analogue (prototype), is free from this drawback.

Известное устройство содержит корпус кубической формы, источник электропитания, логический элемент, модуль памяти, сменные информационные накладки с изображением на поверхности каждой из граней кубика и беспроводной приемопередатчик для связи с внешним компьютером.The known device contains a cubic-shaped housing, a power supply, a logic element, a memory module, replaceable information overlays with an image on the surface of each of the faces of the cube, and a wireless transceiver for communication with an external computer.

Недостатком известного устройства является невозможность получения информации о таких механических действиях обучающихся, как, например, скорость и направленность угловых, линейных и вращательных перемещений кубика, точность выполнения рекомендуемых установок кубика, время выполнения игровых задач и т.п.The disadvantage of the known device is the impossibility of obtaining information about such mechanical actions of students as, for example, the speed and direction of angular, linear and rotational movements of the cube, the accuracy of the recommended settings of the cube, the time it takes to complete game tasks, etc.

Вместе с тем подобные действия помогают закреплению у обучающегося пространственного воображения, конструкторских навыков, связанных с правильной ориентацией предмета в пространстве, и способствуют усваиваемости учебного материала по геометрии, рисованию, лепке и пр.At the same time, such actions help to consolidate the student’s spatial imagination, design skills associated with the correct orientation of an object in space, and contribute to the assimilation of educational material in geometry, drawing, modeling, etc.

Задачей предлагаемой полезной модели и ее техническим результатом является расширение функциональных возможностей обучающего игрового устройства за счет получения дополнительных данных о механических действиях обучающегося.The objective of the proposed utility model and its technical result is to expand the functionality of the educational gaming device by obtaining additional data about the mechanical actions of the student.

Заявленный технический результат обеспечивается тем, что в состав обучающего игрового устройства, в кубическом корпусе которого содержатся логический элемент, модуль памяти, беспроводной приемопередатчик для связи с внешним компьютером, а также источник электропитания, и хотя бы на одной из граней корпуса расположена информационная накладка с изображением, установленная с возможностью ее замены, дополнительно введены гироскоп, акселерометр, таймер, микропроцессор и блок управления, содержащий модуль памяти, таймер и микропроцессор с функцией логического элемента. При этом на одной из граней корпуса расположены порт зарядки источника электропитания, USB-порт для вывода накопленной информации на внешнее считывающее устройство, кнопка включения и индикатор включения, а на пяти других гранях - информационные накладки с различными рельефными изображениями, установленные с возможностью их замены.The claimed technical result is ensured by the fact that the educational gaming device, the cubic case of which contains a logical element, a memory module, a wireless transceiver for communication with an external computer, as well as a power supply, and on at least one of the sides of the case there is an information overlay with an image , installed with the possibility of its replacement, a gyroscope, an accelerometer, a timer, a microprocessor and a control unit containing a memory module, a timer and a microprocessor with a logical element function are additionally introduced. At the same time, on one of the sides of the case there is a charging port for the power supply, a USB port for outputting accumulated information to an external reading device, a power button and a power indicator, and on the other five faces there are information overlays with various relief images, installed with the possibility of replacing them.

Известные и дополнительно введенные элементы предложенного устройства имеют следующие информационные и электрические связи.Known and additionally introduced elements of the proposed device have the following information and electrical connections.

Блок управления заявленного устройства информационно соединен с беспроводным приемопередатчиком, гироскопом и акселерометром, а таймер и модуль памяти этого блока информационно соединены с микропроцессором. Порт зарядки и кнопка включения электрически соединены с источником электропитания, который электрически подсоединен к блоку управления, электрически соединенному c USB-портом, индикатором включения, гироскопом, акселерометром и беспроводным приемопередатчиком.The control unit of the claimed device is informationally connected to a wireless transceiver, gyroscope and accelerometer, and the timer and memory module of this unit are informationally connected to the microprocessor. The charging port and power button are electrically connected to a power source, which is electrically connected to a control unit, electrically connected to a USB port, a power indicator, a gyroscope, an accelerometer, and a wireless transceiver.

Сущность и работа предлагаемого устройства поясняются фигурами №1, №2 и №3.The essence and operation of the proposed device are illustrated in figures No. 1, No. 2 and No. 3.

На фиг.1 представлена структурно-функциональная схема обучающего игрового устройства, на фиг.2 представлен внешний вид обучающего игрового устройства с информационными накладками на его гранях, на фиг.3 представлен вариант разборной конструкции корпуса.Figure 1 shows the structural and functional diagram of the educational gaming device, Figure 2 shows the appearance of the educational gaming device with information overlays on its edges, Figure 3 shows a variant of the collapsible housing design.

На фигурах приняты следующие обозначения.The following notations are used in the figures.

1 - корпус,1 - body,

2 - беспроводной приемопередатчик,2 - wireless transceiver,

3 - блок управления,3 - control unit,

4 - источник электропитания,4 - power supply,

5 - гироскоп,5 - gyroscope,

6 - акселерометр,6 - accelerometer,

7 - микропроцессор,7 - microprocessor,

8 - таймер,8 - timer,

9 - модуль памяти,9 - memory module,

10 - порт зарядки,10 - charging port,

11 - USB-порт,11 - USB port,

12 - кнопка включения,12 - power button,

13 - индикатор включения,13 - power indicator,

14 - информационные накладки,14 - information overlays,

15 - части корпуса.15 - body parts.

В корпусе обучающего игрового устройства 1, имеющем форму кубика, расположены следующие электронные и электромеханические элементы: беспроводной приемопередатчик 2, блок управления 3, источник электропитания 4, гироскоп 5 и акселерометр 6. В состав блока управления 3 входят микропроцессор 7, таймер 8 и модуль памяти 9. на наружной поверхности одной из граней корпуса 1 расположены порт зарядки 10, USB-порт 11, кнопка включения 12 и индикатор 13, а на каждой из пяти других граней установлена с возможностью ее замены информационная накладка 14 с рельефным изображением, например, геометрической фигуры. При этом разборный корпус состоит из двух сопрягаемых частей 15.The body of the educational gaming device 1, which is shaped like a cube, contains the following electronic and electromechanical elements: a wireless transceiver 2, a control unit 3, a power supply 4, a gyroscope 5 and an accelerometer 6. The control unit 3 includes a microprocessor 7, a timer 8 and a memory module 9. On the outer surface of one of the faces of the housing 1 there is a charging port 10, a USB port 11, a power button 12 and an indicator 13, and on each of the five other faces there is an information overlay 14 with a relief image, for example, of a geometric figure, which can be replaced. . In this case, the collapsible body consists of two mating parts 15.

Беспроводной приемопередатчик 2 соединен двусторонней информационной линией связи с блоком управления 3 и через него запитывается источником электропитания 4, электрически подсоединенным к блоку управления 3. Гироскоп 5 и акселерометр 6 соединены, каждый, информационной линией связи с блоком управления 3 и запитываются от этого блока каждый по своей линии электросвязи. Микропроцессор 7 блока управления 3 связан двусторонней информационной линией связи с таймером 8 и такой же линией связи с модулем памяти 9. Порт зарядки 10 и кнопка включения 11 электрически соединены с источником электропитания 4, а блок управления 3 электрически соединен с USB-портом 12 и индикатором включения 13.The wireless transceiver 2 is connected by a two-way information communication line with the control unit 3 and through it is powered by a power source 4 electrically connected to the control unit 3. The gyroscope 5 and the accelerometer 6 are each connected by an information communication line with the control unit 3 and are each powered from this unit your telecommunication line. The microprocessor 7 of the control unit 3 is connected by a two-way information communication line with the timer 8 and the same communication line with the memory module 9. The charging port 10 and the power button 11 are electrically connected to the power supply 4, and the control unit 3 is electrically connected to the USB port 12 and the indicator inclusions 13.

На наружных поверхностях каждой из пяти свободных граней корпуса 1 установлены сменные информационные накладки 14. Корпус 1 выполнен из двух сопрягаемых частей 15.Replaceable information pads 14 are installed on the outer surfaces of each of the five free faces of the housing 1. The housing 1 is made of two mating parts 15.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device works as follows.

После нажатия обучающимся или педагогом кнопки включения 12 источник электропитания 4 подает напряжение на блок управления 3 и, через этот блок, - на акселерометр 6, гироскоп 5 и беспроводной приемопередатчик 2, приводя их в рабочий режим. При этом с выхода беспроводного приемопередатчика 2 на внешний компьютер поступает соответствующий сигнал и на экране его монитора возникает рекомендация обучающемуся, например, в виде изображения на одной из информационных накладок 14. Одновременно таймер 8 начинает отсчет времени исполнения игровой задачи, в течении которого обучающийся должен установить грань корпуса 1 с рекомендованным изображением на накладке 14, например, в верхнее, строго горизонтальное положение, правильность установки которого фиксируется гироскопом 5. Микропроцессор 7 получает и передает в модуль памяти 9 данные о времени выполнения операции, о направленности и скорости линейных, угловых и вращательных перемещениях кубика, точности выбора его правильного положения и т.п. В дальнейшем обучающийся выполняет ряд других, более сложных заданий, позволяющих получить и накопить в модуле памяти 9 блока управления 3 массив существенных данных о механических действиях обучающегося, что значительно расширяет функциональные возможности предлагаемого устройства по сравнению с прототипом.After the student or teacher presses the power button 12, the power source 4 supplies voltage to the control unit 3 and, through this unit, to the accelerometer 6, gyroscope 5 and wireless transceiver 2, bringing them into operating mode. In this case, a corresponding signal is received from the output of the wireless transceiver 2 to the external computer and a recommendation to the student appears on the screen of its monitor, for example, in the form of an image on one of the information overlays 14. At the same time, the timer 8 begins counting the execution time of the game task, during which the student must set the edge of the body 1 with the recommended image on the cover 14, for example, in the upper, strictly horizontal position, the correct installation of which is recorded by the gyroscope 5. The microprocessor 7 receives and transmits to the memory module 9 data on the time of the operation, the direction and speed of linear, angular and rotational movements of the cube, the accuracy of choosing its correct position, etc. Subsequently, the student performs a number of other, more complex tasks that allow him to obtain and accumulate in the memory module 9 of the control unit 3 an array of significant data about the mechanical actions of the student, which significantly expands the functionality of the proposed device compared to the prototype.

Рассмотрим пример работы обучающего игрового устройства.Let's look at an example of how an educational gaming device works.

Вначале обучающийся или педагог включает предлагаемое устройство, нажатием кнопки включения 12 и визуально убеждается в его готовности к работе с помощью индикатора включения 13. Затем обучающийся, следуя рекомендации, считанной им с экрана компьютера или полученной от педагога, устанавливает кубик в рекомендованное исходное положение, а именно, приводит первую грань кубика с указанным изображением на информационной накладке 14, например, «треугольник», в верхнее горизонтальное положение, а грань с другим изображением на ее информационной накладке 14, например, «окружность», находящейся под углом 90° к первой, во фронтальное вертикальное положение (лицом к обучающемуся). Далее, обучающийся последовательно выполняет повороты кубика в горизонтальной плоскости по часовой стрелке таким образом, чтобы во фронтальном положении оказывалась каждый раз грань с заданным изображением на информационной накладке 14. При этом обучающийся должен следить, чтобы верхняя грань кубика все время оставалась в горизонтальном положении с допустимым отклонением не более ±5°. Кроме того, в процессе установки нужной грани кубика обучающийся должен руководствоваться только своими тактильными ощущениями без визуального контакта с изображением.First, the student or teacher turns on the proposed device by pressing the power button 12 and visually confirms that it is ready for use using the power indicator 13. Then the student, following the recommendation read from the computer screen or received from the teacher, sets the cube in the recommended starting position, and namely, brings the first face of the cube with the specified image on the information overlay 14, for example, a “triangle”, to the upper horizontal position, and the face with another image on its information overlay 14, for example, a “circle”, located at an angle of 90° to the first, in a frontal vertical position (facing the student). Next, the student sequentially rotates the cube in the horizontal plane clockwise so that each time the face with the specified image on the information plate 14 is in the frontal position. In this case, the student must ensure that the top edge of the cube remains in a horizontal position at all times with the permissible deviation no more than ±5°. In addition, in the process of installing the desired face of the cube, the student must be guided only by his tactile sensations without visual contact with the image.

Точность установки кубика в заданное положение фиксируется гироскопом 5, скорость поворотов кубика - акселерометром 6, а время выполнения игрового задания - таймером 8. Данные о скорости, точности и сложности механических перемещений кубика в процессе выполнения игрового задания поступают в микропроцессор 7, где они обрабатываются, группируются в информационный массив с присвоением даты и времени начала выполнения задания и передаются в модуль памяти 9. После выполнения обучающимся рекомендованного задания педагог через USB-порт 11 предлагаемого устройства скачивает массив полученной информации, хранящейся в модуле памяти 9, во внешнее устройство долговременной памяти и выключает обучающее игровое устройство.The accuracy of placing the cube in a given position is recorded by the gyroscope 5, the speed of rotation of the cube by the accelerometer 6, and the time for completing the game task by timer 8. Data on the speed, accuracy and complexity of the mechanical movements of the cube during the game task are sent to the microprocessor 7, where they are processed. are grouped into an information array with the assignment of the date and time of the start of the task and are transferred to the memory module 9. After the student completes the recommended task, the teacher, through the USB port 11 of the proposed device, downloads the array of received information stored in the memory module 9 into an external long-term memory device and turns it off educational gaming device.

Опытный образец предлагаемого обучающего игрового устройства был изготовлен и испытан в центре ЦТТ Университета ИТМО.A prototype of the proposed educational gaming device was manufactured and tested at the ITMO University CTT center.

В качестве электромеханических элементов устройства - трехосевого гироскопа 5 и трехосевого акселерометра 6 были использованы, соответственно, чипы: ST Microelectronics L3G4200D и AnalogDevices ADXL345. В качестве микропроцессора 7 использован 32-битный процессор TensilicaXtensaLX6. В беспроводном приемопередатчике 2 предлагаемого устройства использован стандарт Wi-Fi беспроводного радиоподключения.The following chips were used as the electromechanical elements of the device - a three-axis gyroscope 5 and a three-axis accelerometer 6: ST Microelectronics L3G4200D and AnalogDevices ADXL345. The microprocessor 7 is a 32-bit TensilicaXtensaLX6 processor. The wireless transceiver 2 of the proposed device uses the Wi-Fi wireless radio connection standard.

Испытания опытного образца подтвердили возможность получения с его помощью обширного массива данных о линейных, угловых и вращательных перемещениях кубика, а также о скорости и точности этих перемещений в процессе выполнения разнообразных игровых заданий.Tests of the prototype confirmed the possibility of obtaining with its help an extensive array of data on the linear, angular and rotational movements of the cube, as well as the speed and accuracy of these movements in the process of performing various game tasks.

Таким образом, поставленная при создании предлагаемой полезной модели задача успешно решена и заявленный технический результат достигнут.Thus, the problem posed during the creation of the proposed utility model was successfully solved and the stated technical result was achieved.

Claims (1)

Обучающее игровое устройство, содержащее корпус кубической формы, внутри которого расположены логический элемент, модуль памяти, беспроводной приемопередатчик для связи с внешним компьютером и источник электропитания, причем на гранях наружной поверхности корпуса установлены с возможностью их замены информационные накладки, на каждой из которых нанесено определенное изображение, отличающееся тем, что внутри корпуса дополнительно размещены гироскоп, акселерометр, таймер и блок управления, в состав которого входят таймер, модуль памяти и микропроцессор с функцией логического элемента, на одной из граней наружной поверхности корпуса расположены порт зарядки, USB-порт, индикатор включения и кнопка включения, а на пяти свободных гранях установлены с возможностью замены информационные накладки с различающимися рельефными изображениями на каждой из них, при этом блок управления соединен двунаправленной информационной линией связи с беспроводным приемопередатчиком, таймер и модуль памяти соединены, каждый, двунаправленной информационной связью с микропроцессором, гироскоп и акселерометр соединены, каждый, информационной связью с блоком управления, кнопка включения и порт зарядки электрически соединены с источником электропитания, а сам источник электрически соединен с блоком управления, который электрически подключен к акселерометру, гироскопу, USB-порту, индикатору включения и беспроводному приемопередатчику.An educational gaming device containing a cubic-shaped case, inside of which there are a logical element, a memory module, a wireless transceiver for communication with an external computer and a power supply, and on the edges of the outer surface of the case, information overlays are installed with the possibility of replacing them, each of which has a specific image printed on it. , characterized in that a gyroscope, an accelerometer, a timer and a control unit are additionally located inside the case, which includes a timer, a memory module and a microprocessor with a logical element function; on one of the faces of the outer surface of the case there is a charging port, a USB port, and a power indicator and a power button, and on the five free edges there are replaceable information overlays with different relief images on each of them, while the control unit is connected by a bidirectional information communication line with a wireless transceiver, the timer and the memory module are each connected by a bidirectional information connection with the microprocessor , the gyroscope and accelerometer are each connected by an information connection to the control unit, the power button and the charging port are electrically connected to the power supply, and the source itself is electrically connected to the control unit, which is electrically connected to the accelerometer, gyroscope, USB port, power indicator and wireless transceiver.