中學信息技術興趣小組開展Arduino創(chuàng)意機器人教學的嘗試

王 輝

（烏魯木齊市第四十一中學，新疆 烏魯木齊）

機器人是一門涉及多個領域的交叉學科。對中學生開展機器人教育，可以培養(yǎng)學生對機械、電子的興趣，鍛煉學生的動手能力，在學習和實踐過程中，還可以激勵學生歸納整理科學、技術和數(shù)學領域的知識，教育價值高。

和全國多數(shù)中學一樣，筆者所在的學校也非常重視機器人教育，但是受場地、資金和師資等客觀因素的限制，無法在平時的教學活動中開展。我校決定每周開展一次信息技術興趣小組活動，在信息技術興趣小組中利用低成本的開源硬件Arduino開展機器人教育。通過使用Arduino，學生可以從中知道一些機器人機械、傳感和控制部分的設計與搭建等基本知識和技能。

一、開源硬件教學機器人的特點

傳統(tǒng)的教學機器人功能有一定的局限性，使得其價值沒有得到充分發(fā)揮，內(nèi)核技術的開放問題，是教學機器人迫切需要解決的。經(jīng)過研發(fā)者們不斷的嘗試和努力，創(chuàng)造出了一系列基于開源硬件Arduino技術的教學機器人，在中學教育開展過程中，這種教學機器人意義重大，其優(yōu)點有：

1.機器人硬件價格便宜

可供任何人免費復制、生產(chǎn)，并可重新設計。

2.可擴展性好

“電子積木”是Arduino的別稱，可以連接各類亮度、溫度、聲音和振動等各類傳感器。根據(jù)實際需要，Arduino還能通過控制各類開關、繼電器、LED陣列、蜂鳴器等部件對外界實行相應的干預，以完成相應任務。Arduino這些功能，基本上符合教育機器人制作要求，擴展性好。

3.編程平臺實現(xiàn)了圖形化

在不斷的研發(fā)和設計下，Arduino平臺上已開發(fā)出圖形化的多種編程工具,如ArduBlock、Mixly等。這是電子行業(yè)的一大進步，亦是教學機器人的福音，因為它使編程的門檻大大降低。

4.網(wǎng)絡參考資源豐富

Arduino的愛好者遍及世界，且有很多學習網(wǎng)站、論壇和社區(qū)，這得益于Arduino的開源思想。眾多的設計資料，有利于學習者開創(chuàng)新思路、增長新知識。

二、Arduino創(chuàng)意機器人課程設計

筆者根據(jù)我校實際情況，結合自身能力，查閱相關資料，再與同事仔細商討后，制定了十二課校本課程《Arduino創(chuàng)意機器人》。本課程為小組教學，選取了初中20名信息技術課外興趣小組的學生，4人1組，分5組。每課內(nèi)容簡介如下：

第1課：走進Arduino的世界。第2課：閃爍LED。第3課：按鈕控制的LED。第4課：聰明的按鈕。第5課：呼吸燈。第6課：光控LED。第7課：聲控風扇。第8課：換擋風扇。第9課：自動變速風扇。第10課：遙控風扇。第11課：搖頭風扇。第12課：走直線小車。

三、教學案例

選取第9課《自動變速風扇》為例

【教學目標】

1.了解超聲波傳感器測距原理。

2.掌握超聲波傳感器使用方法。

【教學重難點】

1.使用超聲波傳感器制作自動變速風扇。

2.使用超聲波傳感器進行測距。

【教學流程】

教學新課

（1）超聲波傳感器

①測距原理

測距的方法有多種，目前，三種常用的高精度測距方法為：激光測距、紅外測距和超聲波測距。這三種方法測距原理一樣，以激光測距為例，發(fā)射一束激光至需要測距的物體（發(fā)射瞬間開始計時），記下接收到激光反射回來所用的時間。距離的值，即是用光速乘以時間除以2。

②HC-SR04超聲波傳感器

HC-SR04超聲波傳感器測距是聲納原理，發(fā)射一連串經(jīng)調(diào)制的超聲波，得出與其回波的時間差，通過這個時間差來計算距離值。

請同學們將超聲波傳感器連接到Arduino板上。

③讀取超聲波傳感器測到的距離值

基礎任務一：讀取測得的距離值。

（2）自動變速風扇

本次課程制作的自動變速風扇與傳統(tǒng)的電風扇有很大不同，傳統(tǒng)電風扇的速度是靠選檔來調(diào)節(jié)的。自動變速風扇的速度則是靠感知人與風扇的距離來改變的，人離風扇距離越遠，風扇轉(zhuǎn)動越快，人離風扇近時，風扇轉(zhuǎn)動得慢甚至不轉(zhuǎn)動，距離超過某個值時（該值可以設置），風扇也會停止轉(zhuǎn)動。要使風扇具備這一功能，需要【映射】模塊。

①【映射】模塊

②自動變速風扇

基礎任務二：利用【映射】模塊制作自動變速風扇。

【課堂總結】

這次課程的開展，讓學生對超聲波傳感器的測距原理有了一定了解，并且知道了使用方法。此外，通過自動變速風扇的制作，利于培養(yǎng)學生的思考、交流能力，激發(fā)學生的學習興趣。

【教學反思】

對于初中的學生，本節(jié)課的難點在于理解超聲波測距傳感器的原理和映射函數(shù)。特別是沒有學過物理的初一學生。

四、課程實施過程中的體會

1.循序漸進開展教學，選擇教學內(nèi)容時要考慮學生的知識水平，要根據(jù)學生已有的知識選用合適的案例。此外，教學內(nèi)容還應與時代和生活有聯(lián)系，比如第九課中自動變速風扇的制作，選擇“風扇”這樣一個課程就在于風扇是日常用品，人人都見過，學生會感到親切，更愿意主動參與進來，利于課程的開展。

2.在機器人教學開展的過程中，難免會出現(xiàn)意外狀況，教師要充分預設可能出現(xiàn)的情況，以便快速解決。

3.為了更好地開展教學，在平時的教學中，教師要積累和總結經(jīng)驗，并且要不斷學習，養(yǎng)成終身學習的習慣，努力提高自己。