ArduBlock：物理世界與虛擬世界的橋梁

編者按：在科技發(fā)展日新月異的今天，信息技術(shù)教學(xué)已經(jīng)遠(yuǎn)離了開、關(guān)機(jī)還需要反復(fù)講解的時(shí)代，三歲孩童熟練地?cái)[弄著iPad已非奇事。自策劃了“Scratch來了”這一專題之后，編輯深刻感受到研究程序語言的老師的可愛，他們的執(zhí)著、他們的探索，使得程序教學(xué)不再那么枯燥，煥發(fā)出勃勃生機(jī)。因此，雜志特別策劃了這一專欄，將陸續(xù)刊發(fā)一些程序教學(xué)領(lǐng)域有代表性的教學(xué)實(shí)踐。也期待更多老師投身到程序教學(xué)中去，通過自身的踐行，推動(dòng)程序教學(xué)的復(fù)興。

我們知道Arduino這一軟硬結(jié)合的產(chǎn)品可以創(chuàng)意出很多作品。然而，類似JAVA、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境，依然會(huì)讓許多人糾結(jié)于代碼中，甚至望而卻步，以至于頭腦中有了創(chuàng)意卻無法得以落實(shí)，而ArduBlock就是致力于降低Arduino愛好者的學(xué)習(xí)難度，把高級(jí)的計(jì)算機(jī)語言和專業(yè)的語法，簡化為一個(gè)個(gè)模塊，堆砌在一起，最后和Arduino開發(fā)板互動(dòng)，做出激動(dòng)人心的效果。由于ArduBlock是積木的編程方式，很大程度上降低了學(xué)習(xí)者的門檻，不需要專業(yè)的知識(shí)，不需要工科的背景，只要你喜歡，就可以玩，尤其是適合親子互動(dòng)教學(xué)及基礎(chǔ)教育階段的課堂教學(xué)。那么，就讓我們一起走進(jìn)ArduBlock吧。

● 什么是ArduBlock

Ardublock是在上海新車間由李大維和何琪辰于2011年起針對(duì)少兒學(xué)習(xí)物理運(yùn)算而開發(fā)的圖形化程序開發(fā)環(huán)境，屬于Arduino官方編程環(huán)境的第三方軟件，目前必須依附于Arduino軟件運(yùn)行，當(dāng)時(shí)新車間有許多小朋友對(duì)Arduino機(jī)器人有興趣，但是文本的類C語言的入門門檻很高，所以工作室試圖透過圖形化的拖拉開發(fā)方式大大降低這個(gè)門檻。這樣的方式會(huì)使編程的可視化和交互性加強(qiáng)，編程門檻降低，即使沒有編程經(jīng)驗(yàn)的人也可以嘗試給Arduino控制器編寫程序。

Ardublock一直是一個(gè)開源的項(xiàng)目，在網(wǎng)上通過社群的力量共同開發(fā)，目前有17個(gè)語言版本。ArduBlock相關(guān)資源可以訪問官方網(wǎng)站http：//blog.ardublock.com/zh/。圖1為2011年發(fā)布的1.0正式版，圖2是截至發(fā)稿時(shí)，最新的內(nèi)部測試版。

開發(fā)團(tuán)隊(duì)2013年重寫了全部代碼，新版本內(nèi)部模塊的分類更加合理，執(zhí)行效率更高，增加了一些子程序功能。

● ArduBlock的特色

1.JAVA插件

ArduBlock是使用JAVA語言開發(fā)的插件，配合Arduino的IDE使用，軟件包ardublock-all.jar下載后，需要將它拷貝到“Sketchbook location”所在目錄的相關(guān)文件夾里。那么如何確定“Sketchbook location”所在目錄呢？在Arduino的IDE下，打開菜單“File”→“Preferences”（如圖3）。

筆者電腦中的位置是D：＼Backup＼我的文檔＼Arduino，找到該目錄后，我們需要先一級(jí)一級(jí)地在這個(gè)目錄下建“子目錄”，最終目錄結(jié)構(gòu)是這樣的：D：＼Backup＼我的文檔＼Arduino＼tools＼ArduBlockTool＼tool＼，然后將ardublock-all.jar拷貝進(jìn)去。ArduBlock軟件安裝完畢后，在Arduino IDE的菜單“Tools”下找到ArduBlock，就可以啟動(dòng)ArduBlock了。需要特別提醒的是，圖3中我們選擇語言為系統(tǒng)默認(rèn)時(shí)，你的ArduBlock將為中文。

2.積木搭建

我們來看這樣一個(gè)程序，它能實(shí)現(xiàn)開關(guān)燈的功能（如圖4），具體描述就是按一次按鈕，LED燈亮，再按一次按鈕，LED燈滅。在以往的編程中，我們寫代碼一般采用“與2取余法”或者“取反法”來實(shí)現(xiàn)切換。

觀察圖4程序編寫，如搭積木那么簡單，還可以對(duì)程序進(jìn)行批注，程序中的各個(gè)模塊都是從左側(cè)的模塊庫里“拖進(jìn)”編程界面的，然后用這些模塊積木進(jìn)行拼接，拼接對(duì)了，會(huì)發(fā)出一聲“咔”的清脆響聲。如果要?jiǎng)h去模塊，只需要將模塊“拖出”編程界面即可。

程序中“主程序”循環(huán)結(jié)構(gòu)模塊和“如果/否則”條件判斷模塊都是從“控制”分類中提取的，“非”、“設(shè)置數(shù)字變量”來自于“變量/常量”分類，而“設(shè)定數(shù)字針腳值”來自“引腳”分類，這樣的分類條理非常清晰，方便用戶查找到所需功能模塊。

3.高度集成

ArduBlock中集成了游戲搖桿、超聲波傳感器、舵機(jī)、SD卡寫入、盾板通訊、I2C讀寫等常見卻可以控制復(fù)雜設(shè)備編程的模塊，讓創(chuàng)客們能專注于創(chuàng)意思維而不為編程所累。

● ArduBlock典型范例

我們?cè)谡J(rèn)識(shí)Arduino時(shí)已經(jīng)知道編寫相關(guān)程序需要Arduino控制板及一定的硬件支持，然后將編制好的程序?qū)懭肟刂瓢逯?，從而?shí)現(xiàn)感知物理世界，控制物理世界，讓虛擬世界與物理世界聯(lián)通。然而，類C語言的編寫環(huán)境讓以方塊字為工具的我們需要花大量的時(shí)間記憶各種命令及關(guān)鍵詞，在達(dá)到熟練運(yùn)用的路途上歷經(jīng)艱辛。

下面我們以智能過道燈為例講解如何用ArduBlock進(jìn)行程序編寫。

1.功能

樓梯間都裝有智能燈，當(dāng)有人走到樓梯口并發(fā)出聲音時(shí)，過道燈自動(dòng)亮起。這里需要兩個(gè)條件同時(shí)滿足（環(huán)境亮度不足，有人走過而發(fā)出聲音）。

2.器材

要實(shí)現(xiàn)此功能，我們除了需要Arduino控制板外，還需要感知光線和聲音變化的器材，我們選擇光敏傳感器和聲音傳感器，當(dāng)然還需要一盞LED作為過道燈。

3.連線

為了降低操作難度，可以使用成品的3p杜邦線、控制板加盾板的結(jié)構(gòu)，外加成品的傳感器電子積木，這樣就省去了繁雜的面包板加電阻及一堆連接線。

4.編程

制作完的過道燈，當(dāng)環(huán)境亮度低，光敏傳感器的值大于800，且環(huán)境聲音大，聲音傳感器的值大于700時(shí)，過道燈亮起；當(dāng)?shù)陀谏鲜鰯?shù)值時(shí)過道燈熄滅。通過傳感器使過道燈具有一定的智能控制。當(dāng)然在此基礎(chǔ)上，還可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探究，因?yàn)闈u進(jìn)的學(xué)習(xí)可以激發(fā)學(xué)生進(jìn)行深入探究。

5.調(diào)試

我們先來看所有設(shè)備連接之后的效果，從圖5中可以看出，接線非常簡單，即使是小學(xué)生也不存在設(shè)備連接上的困難。設(shè)備連接完畢后，我們需要分三步完成我們的任務(wù)：

（1）記錄三個(gè)信息：聲音傳感器接在模擬針腳0，光敏傳感器接在模擬針腳5，LED燈接在數(shù)字針腳1。

（2）獲取常態(tài)下光敏傳感器及聲音傳感器的值，當(dāng)?shù)陀诖藬?shù)值時(shí)LED應(yīng)該不亮起。通過串口監(jiān)視器可以獲取此數(shù)值，如圖6所示。

（3）編寫程序，有了第二步獲得的數(shù)值，具體編程就簡單多了，唯一需要注意的是過道燈的亮起是有一個(gè)延時(shí)的，完整程序代碼見圖7。

● ArduBlock課程設(shè)置建議

筆者在江蘇省南通市港閘區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于小學(xué)高年級(jí)的學(xué)生，因?yàn)橐呀?jīng)有過Scratch的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，所以對(duì)于ArduBlock的軟件界面及使用并不感到陌生，由于ArduBlock完全與硬件結(jié)合，所以學(xué)生不會(huì)遇到代碼語言教學(xué)所遇到的如打字速度的問題；而其積木式的搭建方式也不會(huì)出現(xiàn)語法拼寫錯(cuò)誤的問題。因此使用ArduBlock開展Arduino學(xué)習(xí)時(shí)，需要更多地關(guān)注硬件的連接與控制及作品的創(chuàng)意。

在部分學(xué)校六年級(jí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，一學(xué)期安排共計(jì)13課時(shí)，內(nèi)容涉及：認(rèn)識(shí)ArduBlock（1課時(shí)）、點(diǎn)亮LED燈（1課時(shí)）、自制溫度計(jì)（1課時(shí)）、夏日清涼帽（2課時(shí)）、床頭小夜燈（2課時(shí)）、智能樓道燈（2課時(shí)）、廚房小衛(wèi)士（2課時(shí)）、學(xué)生創(chuàng)意設(shè)計(jì)（2課時(shí)）。

結(jié)合我區(qū)開展ArduBlock教學(xué)時(shí)的一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對(duì)各地開展ArduBlock課程有如下幾點(diǎn)建議：①這部分內(nèi)容的教學(xué)對(duì)象可以考慮小學(xué)高年級(jí)及以上學(xué)生，以主題任務(wù)的方式開展教學(xué)。②硬件器材要以模塊化的電子積木為主，盡可能不使用面包板、電阻等基礎(chǔ)電子零部件。③學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備包括軟硬兩方面，硬件需要學(xué)生了解一定的電路知識(shí)，認(rèn)識(shí)常見的傳感器模塊。軟件需要學(xué)生掌握Scratch軟件的使用，具有初步的編程思想。④教學(xué)過程中涉及編程環(huán)節(jié)時(shí)，可以嘗試讓學(xué)生比較與Scratch的異同點(diǎn)，從而尋找編程語言的內(nèi)在關(guān)系。⑤以學(xué)生身邊的案例入手，尋找貼近生活的實(shí)例，如交通信號(hào)燈、床頭小夜燈、廚房小衛(wèi)士等。

總之，ArduBlock是一門比較適合學(xué)校開展的基于Arduino的物聯(lián)網(wǎng)趣味編程的教學(xué)語言，關(guān)于ArduBlock的教學(xué)嘗試和課程研究，有助于學(xué)生直觀地感受到物理世界來自虛擬世界的控制過程與方法，進(jìn)而提高學(xué)生的創(chuàng)作力。