لعبة السلك والحلقة سكراتش

مقدّمة عامّة

تستقطب المشاريع التفاعلية القائمة على المزج بين البرمجيات البسيطة والأجهزة منخفضة التكلفة اهتمام الهواة والمربّين على حدّ سواء، نظرًا لكونها مدخلًا عمليًّا لتعلّم الهندسة والإلكترونيات والبرمجة مع تحفيز الإبداع. من أبرز هذه المشاريع «لعبة السلك والحلقة» — وهي تجربة كلاسيكيّة يختبر فيها اللاعب مهارة تثبيت يده أثناء تمرير حلقة معدنيّة على مسار سلكي متعرّج من دون ملامسته. يبيّن هذا المقال، خطوةً بخطوة، كيفيّة تصميم نسخة تعليميّة متقدّمة من اللعبة باستخدام حاسوب راسبيري باي مع برنامج سكراتش، بدءًا من المبادئ العلميّة ووصولًا إلى البرمجة، مع التركيز على الممارسات الفضلى في السلامة وتكامل المكوّنات.

1. الخلفية العلمية والمهارية للمشروع

1.1 مبدأ عمل لعبة السلك والحلقة

يعتمد التحدّي على إغلاق دائرة كهربائيّة عند تماس الحلقة بالسلك، فيصدر تنبيه ضوئي أو صوتي يشير إلى الخطأ. عند توصيل الحلقة بالأرضي (GND) والسلك بجهد موجب عبر مقاومة، يكون كل منهما طرفًا في دارة مفتوحة؛ وعند ملامستهما يكتمل المسار فيمرّ تيار صغير يُرصد بواسطة متحسّس أو مُدخل رقمي.

1.2 الدروس المستفادة

• قوانين أوم وتحديد قيمة المقاومة الملائمة لحماية منافذ الإدخال في راسبيري باي.

• فهم المنافذ الرقميّة (GPIO) وكيفية التقاط تغيّرات الجهد ببرمجيات مرئيّة.

• استيعاب مبادئ البرمجة الحدثيّة في سكراتش (When Flag Clicked، Broadcast).

• تنمية مهارة الحلّ الإبداعي للمشكلات من خلال تصميم مسار متعرّج يحافظ على صعوبة معتدلة.

• الالتزام بمعايير السلامة الكهربائيّة واختيار تيارات منخفضة جدًا (≤ 3.3 فولت).

2. المتطلّبات المادّية والبرمجيّة

3. تصميم المسار السلكي والحلقة

3.1 اختيار الخامة المناسبة

يفضَّل استخدام سلك نحاسي بقطر 2–3 ملم لسهولة تشكيله مع بقاء الصلابة. يغلف الجزء الذي يمسكه اللاعب بأنبوب انكماش حراري لتجنّب تلامس الجلد مع الموصل.

3.2 إعداد الحلقة

تُصنع الحلقة من سلك أكثر مرونة بقطر 2 ملم ويُثبَّت مقبض بلاستيكي في أحد طرفيها. يجب أن يكون قطر الحلقة أكبر بنسبة 15 % من أضيق انحناء في المسار لضمان إمكانية المرور مع تحدٍّ معقول.

3.3 تثبيت المسار

• تُثنى المنحنيات بزوايا ناعمة لتقليل نقاط الاحتكاك غير المقصودة.

• يُثبَّت السلك على قواعد مطبوعة ثلاثيًّا أو مشابك خشبية فوق اللوح القاعدي.

• يُترك طرفا السلك ممتدّين إلى خارج اللوحة لتوصيلهما بالدائرة.

4. بناء الدارة الإلكترونيّة الآمنة

4.1 المخطّط الكهربائي

1. شبك أحد أطراف المسار إلى منفذ GPIO 17 عبر مقاومة 1 kΩ.

2. توصيل الطرف الآخر بالأرضي.

3. توصيل الحلقة بالأرضي عبر سلك طري يمرّ داخل المقبض.

4. ربط LED إلى GPIO 18 بمقاومة 220 Ω وسلك إلى GND؛ يُستخدم للإشارة المرئيّة عند الخطأ.

4.2 حماية المنافذ

يمتاز راسبيري باي بجهد 3.3 فولت وتحمل تيار محدود؛ لذا تُدرَج مقاومة السلك الرئيسية لحصر التيار في بضع ميلي أمبير، ومنع ضرر المنفذ عند التماس.

4.3 اختبار الدارة

قبل الوصول لمرحلة البرمجة، يُقاس الجهد بين GPIO 17 و GND عند تماس الحلقة للتأكد أنّ القراءة المنطقية «منخفضة» (Low) كما هو متوقَّع.

5. تهيئة برنامج سكراتش للعمل مع GPIO

5.1 تنصيب الامتداد الرسمي

يتضمّن سكراتش 3 ملحق «Raspberry Pi GPIO». يُفعّل من قائمة Extensions في الزاوية السفلية اليسرى. بعد التفعيل تظهر كتل جديدة للتحكم في المنافذ.

5.2 إعداد المتغيّرات والأحداث

• متغيّر Score لاحتساب الوقت أو عدد اللمسات.

• حدث عند الضغط على العلم الأخضر: تهيئة القيَم، إضاءة LED ثانية واحدة كإشارة جاهزية، بدء المؤقّت.

• كتلة عند تغيير منفذ 17 إلى Low: بثّ رسالة «خطأ»، زيادة عدّاد الأخطاء، تشغيل LED لمدّة نصف ثانية ثم إطفاؤه.

• حدث عند استلام «انتهى»: إظهار النتيجة، إمكانية إعادة اللعب.

5.3 خوارزمية التتبع الزمني

يستخدم سكراتش المؤقّت الداخلي (timer) منذ بدء المشروع. عند وصول الحلقة إلى نهاية المسار (يُحدَّد بتماس معدني إضافي مع منفذ GPIO 27) تُرسل رسالة «انتهى» ويُسجَّل الوقت المستغرق.

6. تحسين التجربة البصرية والصوتية

6.1 المؤثرات الصوتية

يُستفاد من مكتبة الأصوات في سكراتش بإضافة صفارة إنذار عند الخطأ وصوت تشجيعي عند إنهاء المسار بنجاح. توضع الأصوات في رسالة بثّ مناسبة لتجنّب تكرارها المزعج.

6.2 واجهة المستخدم الرسومية

• عدّاد رقمي كبير للزمن الفعلي.

• عدّاد أخطاء في أعلى الزاوية اليمنى.

• مؤشر تقدّم بصري لتشجيع اللاعب على إكمال المسار.

• خلفية ملونة تتغيّر من أخضر إلى أحمر عند حدوث خطأ، بالاستعانة بتأثير «ghost» تدريجي (إخفاء جزئي) بدلاً من تحوّل مفاجئ.

7. إدارة الصعوبة وتحليل البيانات

7.1 تعديلات ميكانيكية

تغيير قطر الحلقة أو إضافة منحنى حادّة يزيد من التحدي. يمكن أيضًا تعديل ارتفاع المسار لجعل جزء منه عموديًّا، فيختبر السيطرة على محورين.

7.2 جمع البيانات

يحفظ سكراتش قيم المؤقت وعدّاد الأخطاء في قوائم (Lists) ليتيح تحليل الأداء عبر جلسات متعددة. تُصدّر القوائم إلى ملف CSV لاحقًا لدراسة منحنى التعلّم.

7.3 دمج الذكاء الاصطناعي البسيط

رغم محدودية سكراتش، يمكن استخدام خوارزمية متوسط متحرّك لحساب «خط أساس» لزمن اللاعب وتقديم ملاحظات مخصّصة. يُطبَّق ذلك بكتل الريّاضيات البسيطة.

8. اعتبارات السلامة والتعليم

8.1 السلامة الكهربائية

• استخدام جهد 3.3 فولت حصريًّا.

• تثبيت جميع الوصلات على Breadboard أولًا ثم تلحيم النهائيّة بعد الاختبار.

• تغليف جميع الأجزاء المعراة بشريط عازل أو أنبوب انكماش.

8.2 السلامة الميكانيكية

• إزالة أي زوايا حادّة في مقبض الحلقة.

• تثبيت المسار بإحكام لتجنّب الانفلات عن الطاولة.

• توعية المستخدمين بضرورة إبعاد السوائل عن الجهاز.

8.3 تطبيقات تربوية

يوفر المشروع سياقًا تطبيقيًّا لمقررات الفيزياء (الكهرباء السكونية والتيار) ومبادئ التصميم الهندسي. كما يُعدّ مثالًا على منهج STEAM لأنّه يمزج العلوم والتقنية والهندسة والفن.

9. توسيع المشروع وترقيته

9.1 دمج شاشة LCD صغيرة

يمكن إضافة شاشة I2C 16×2 لعرض الزمن والخطأ مباشرة دون الحاجة للواجهة الرسومية؛ يُبرمج ذلك في بايثون مع مكتبة smbus، ويُستدعى من سكراتش عبر الأوامر الطرفية Shell.

9.2 استخدام مستشعر مسافة

يُركّب مستشعر Ultrasonic HC‑SR04 قرب نهاية المسار لاستشعار اقتراب الحلقة، فيتيح إضاءة شريط LED WS2812 مسبقًا للتشويق.

9.3 توصيل الإنترنت (IoT)

يمكن رفع النتائج إلى خادم خارجي عبر بروتوكول MQTT، ما يسمح بتحديات عبر الإنترنت بين طلاب صفوف مختلفة.

10. الخاتمة التقنيّة

يجمع تصميم لعبة السلك والحلقة بحاسوب راسبيري باي وبرنامج سكراتش بين البساطة والعمق، إذ يقدّم منصة مثاليّة لتعليم مبادئ الإلكترونيات والبرمجة الحدثيّة، مع قابلية غير محدودة للتطوير نحو تطبيقات إنترنت الأشياء وتحليل البيانات التعليمية. إن التنفيذ الدقيق للمكونات المادية والبرمجية، مع الالتزام بالسّلامة وجودة التوثيق، يمنح المتعلّمين خبرةً شاملة وممتعة تُنمّي الفضول العلمي والمهارات الهندسية معًا.

المراجع

1. Raspberry Pi Foundation. GPIO Documentation (آخر تحديث 2024).

2. Lifelong Kindergarten Group, MIT Media Lab. Scratch 3.0 Learning Resources (2019).