中學(xué)信息技術(shù)興趣小組開(kāi)展Arduino創(chuàng)意機(jī)器人教學(xué)的嘗試

王輝

摘 要：在中學(xué)開(kāi)展機(jī)器人教育，不僅可以激發(fā)學(xué)生對(duì)電子、機(jī)械方面的興趣，使學(xué)生的動(dòng)手能力得到鍛煉，還可以增長(zhǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)、技術(shù)和數(shù)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)。烏魯木齊市第四十一中學(xué)對(duì)機(jī)器人教育的開(kāi)展很重視，結(jié)合實(shí)際情況，決定每周開(kāi)展一次信息技術(shù)興趣小組活動(dòng)。詳細(xì)記錄了第9課《自動(dòng)變速風(fēng)扇》教學(xué)案例，包括制定的教學(xué)流程，課堂總結(jié)，教學(xué)反思。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)興趣小組；機(jī)器人教學(xué)；Arduino

機(jī)器人是一門(mén)涉及多個(gè)領(lǐng)域的交叉學(xué)科。對(duì)中學(xué)生開(kāi)展機(jī)器人教育，可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)械、電子的興趣，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，在學(xué)習(xí)和實(shí)踐過(guò)程中，還可以激勵(lì)學(xué)生歸納整理科學(xué)、技術(shù)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)，教育價(jià)值高。

和全國(guó)多數(shù)中學(xué)一樣，筆者所在的學(xué)校也非常重視機(jī)器人教育，但是受場(chǎng)地、資金和師資等客觀(guān)因素的限制，無(wú)法在平時(shí)的教學(xué)活動(dòng)中開(kāi)展。我校決定每周開(kāi)展一次信息技術(shù)興趣小組活動(dòng)，在信息技術(shù)興趣小組中利用低成本的開(kāi)源硬件Arduino開(kāi)展機(jī)器人教育。通過(guò)使用Arduino，學(xué)生可以從中知道一些機(jī)器人機(jī)械、傳感和控制部分的設(shè)計(jì)與搭建等基本知識(shí)和技能。

一、開(kāi)源硬件教學(xué)機(jī)器人的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的教學(xué)機(jī)器人功能有一定的局限性，使得其價(jià)值沒(méi)有得到充分發(fā)揮，內(nèi)核技術(shù)的開(kāi)放問(wèn)題，是教學(xué)機(jī)器人迫切需要解決的。經(jīng)過(guò)研發(fā)者們不斷的嘗試和努力，創(chuàng)造出了一系列基于開(kāi)源硬件Arduino技術(shù)的教學(xué)機(jī)器人，在中學(xué)教育開(kāi)展過(guò)程中，這種教學(xué)機(jī)器人意義重大，其優(yōu)點(diǎn)有：

1.機(jī)器人硬件價(jià)格便宜

可供任何人免費(fèi)復(fù)制、生產(chǎn)，并可重新設(shè)計(jì)。

2.可擴(kuò)展性好

“電子積木”是Arduino的別稱(chēng)，可以連接各類(lèi)亮度、溫度、聲音和振動(dòng)等各類(lèi)傳感器。根據(jù)實(shí)際需要，Arduino還能通過(guò)控制各類(lèi)開(kāi)關(guān)、繼電器、LED陣列、蜂鳴器等部件對(duì)外界實(shí)行相應(yīng)的干預(yù)，以完成相應(yīng)任務(wù)。Arduino這些功能，基本上符合教育機(jī)器人制作要求，擴(kuò)展性好。

3.編程平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了圖形化

在不斷的研發(fā)和設(shè)計(jì)下，Arduino平臺(tái)上已開(kāi)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(jìn)步，亦是教學(xué)機(jī)器人的福音，因?yàn)樗咕幊痰拈T(mén)檻大大降低。

4.網(wǎng)絡(luò)參考資源豐富

Arduino的愛(ài)好者遍及世界，且有很多學(xué)習(xí)網(wǎng)站、論壇和社區(qū)，這得益于Arduino的開(kāi)源思想。眾多的設(shè)計(jì)資料，有利于學(xué)習(xí)者開(kāi)創(chuàng)新思路、增長(zhǎng)新知識(shí)。

二、Arduino創(chuàng)意機(jī)器人課程設(shè)計(jì)

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

第1課：走進(jìn)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(fēng)扇。第8課：換擋風(fēng)扇。第9課：自動(dòng)變速風(fēng)扇。第10課：遙控風(fēng)扇。第11課：搖頭風(fēng)扇。第12課：走直線(xiàn)小車(chē)。

三、教學(xué)案例

選取第9課《自動(dòng)變速風(fēng)扇》為例

【教學(xué)目標(biāo)】

1.了解超聲波傳感器測(cè)距原理。

2.掌握超聲波傳感器使用方法。

【教學(xué)重難點(diǎn)】

1.使用超聲波傳感器制作自動(dòng)變速風(fēng)扇。

2.使用超聲波傳感器進(jìn)行測(cè)距。

【教學(xué)流程】

教學(xué)新課

（1）超聲波傳感器

①測(cè)距原理

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

②HC-SR04超聲波傳感器

HC-SR04超聲波傳感器測(cè)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(shí)間差，通過(guò)這個(gè)時(shí)間差來(lái)計(jì)算距離值。

請(qǐng)同學(xué)們將超聲波傳感器連接到Arduino板上。

③讀取超聲波傳感器測(cè)到的距離值

基礎(chǔ)任務(wù)一：讀取測(cè)得的距離值。

（2）自動(dòng)變速風(fēng)扇

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

①【映射】模塊

②自動(dòng)變速風(fēng)扇

基礎(chǔ)任務(wù)二：利用【映射】模塊制作自動(dòng)變速風(fēng)扇。

【課堂總結(jié)】

這次課程的開(kāi)展，讓學(xué)生對(duì)超聲波傳感器的測(cè)距原理有了一定了解，并且知道了使用方法。此外，通過(guò)自動(dòng)變速風(fēng)扇的制作，利于培養(yǎng)學(xué)生的思考、交流能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

【教學(xué)反思】

對(duì)于初中的學(xué)生，本節(jié)課的難點(diǎn)在于理解超聲波測(cè)距傳感器的原理和映射函數(shù)。特別是沒(méi)有學(xué)過(guò)物理的初一學(xué)生。

四、課程實(shí)施過(guò)程中的體會(huì)

1.循序漸進(jìn)開(kāi)展教學(xué)，選擇教學(xué)內(nèi)容時(shí)要考慮學(xué)生的知識(shí)水平，要根據(jù)學(xué)生已有的知識(shí)選用合適的案例。此外，教學(xué)內(nèi)容還應(yīng)與時(shí)代和生活有聯(lián)系，比如第九課中自動(dòng)變速風(fēng)扇的制作，選擇“風(fēng)扇”這樣一個(gè)課程就在于風(fēng)扇是日常用品，人人都見(jiàn)過(guò)，學(xué)生會(huì)感到親切，更愿意主動(dòng)參與進(jìn)來(lái)，利于課程的開(kāi)展。

2.在機(jī)器人教學(xué)開(kāi)展的過(guò)程中，難免會(huì)出現(xiàn)意外狀況，教師要充分預(yù)設(shè)可能出現(xiàn)的情況，以便快速解決。

3.為了更好地開(kāi)展教學(xué)，在平時(shí)的教學(xué)中，教師要積累和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，并且要不斷學(xué)習(xí)，養(yǎng)成終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣，努力提高自己。

參考文獻(xiàn)：

王娟，胡來(lái)林.中小學(xué)Arduino機(jī)器人特性及其實(shí)例開(kāi)發(fā)[J].中國(guó)教育信息化，2013（12）.

編輯 李琴芳