基于虛谷號的圖形化編程教學探索

孫麗君 張婷婷

圖形化編程作為中小學生學習編程的入門語言，可以輕松把孩子們吸引到編程世界中來。作為一款為教育量身定制的開源硬件，虛谷號在這方面已做好準備，預裝了Scratch、S4A、Ardublock等圖形化編程軟件。這里我們選擇使用基于虛谷號的S4A和Ardublock圖形化編程軟件，來設計兩個教學案例，并結合支持Arduino生態(tài)系統(tǒng)中的多類硬件，來探索如何在中小學開展基于虛谷號的圖形化編程教學。

● 用S4A設計防盜系統(tǒng)

S4A（Scratch for Arduino）是一款在Scratch基礎上開發(fā)而成的軟件，它易學易用，能夠與Arduino開源硬件相結合，是中小學生學習軟硬件結合的互動程序設計的最佳工具之一。但S4A有一點美中不足，即它不能脫離PC機運行，而虛谷號彌補了它的不足，虛谷號預裝了Linux系統(tǒng)，是一款獨立的卡片電腦，這樣，基于虛谷號的S4A就可以完成各種項目作品，并且由于其體積小，完全可以設計到作品內(nèi)。下面，我們以模擬智能家居中的防盜系統(tǒng)為例完成這個設計。

1.環(huán)境配置

虛谷號已經(jīng)預裝了S4A，首先需要上傳固件，之后便可用S4A編程控制硬件。我們首先打開Arduino IDE，找到文件S4AFirmware16.ino并打開。需要注意的是Linux系統(tǒng)沒有C盤、D盤、E盤那么多的盤符，只有一個根目錄（/），所有的文件（資源）都存儲在根目錄下的樹形目錄結構中，且Linux中所有內(nèi)容都是以文件的形式保存和管理的，要對文件進行操作必須獲得相應權限。在虛谷號中，以scope用戶權限操作的文件，一般存放的位置在scope（?？破眨┠夸浵拢蚨鳶4A需要的固件S4AFirmware16.ino放在了/home/scope/wBoard/example/Arduino/S4AFirmware16/下面，然后上傳固件即可。這樣便可在虛谷號上使用S4A開展圖形化編程并控制開源硬件，來完成各個有趣的項目（如圖1）。

2.主題設計

課例設計的情境是：主人在室內(nèi)休息時，有人非法闖入，防盜系統(tǒng)啟動，進行鳴笛報警，且紅燈閃爍，以便嚇走盜賊或者提醒主人注意來人的動向。這里使用人體紅外熱釋能傳感器來感應報警。

3.器材準備

本課例所需器材有人體紅外熱釋能傳感器、面包板、蜂鳴器、紅色LED燈、虛谷號、杜邦線若干。

4.硬件搭建

通過USB接口連接鼠標、鍵盤、顯示器，并連接電源，正常顯示Linux界面后，再利用人體紅外熱釋能傳感器做一個報警裝置，當人體靠近時，發(fā)出警示。傳感器端腳VCC接5V，OUT接A5，GND接GND完成。蜂鳴器與紅色LED燈短腳接GND，蜂鳴器長腳接D9，小燈長腳接D13（如圖2）。

5.參考程序

本案例利用控制、動作、數(shù)字和邏輯運算三個模塊，來搭建程序。圖3中當綠旗被點擊時，同時啟動兩段代碼。第一段代碼通過檢測A5端口數(shù)值，來進行判斷是否有人靠近。如果數(shù)值等于零，則不啟動防盜系統(tǒng)，否則，啟動系統(tǒng)，使用循環(huán)語句控制蜂鳴器數(shù)值大小變化，做出警笛的效果。第二段代碼同樣通過A5端口控制實現(xiàn)紅燈閃爍效果。

在普通PC機上也可以運行該實例，但不能脫機運行，而虛谷號能夠很好地解決這一問題，我們可以引導學生再搭配上紅外傳感器、舵機、火焰?zhèn)鞲衅鞯葋碓O計出一系列多功能的智能家居配套系統(tǒng)。

最后進行文件的保存，這里保存路徑默認是scope下的Documents中，我們可以將文件保存到這個位置。那么，如何找到自己保存的文件呢？首先打開文件管理器，在主文件夾scope下，打開Documents，即可找到保存的文件。

● 用Ardublock模仿倒車雷達

虛谷號預裝了Arduino1.86版，其中內(nèi)置了圖形化編程工具Ardublock，它是以圖形化積木搭建的方式實現(xiàn)編程的，并且可以支持上載程序到Arduino板，實現(xiàn)脫機運行。Ardublock中所有編程都可以通過搭積木的方式堆砌在一起，它把高級的計算機語言和專業(yè)的語法都簡化為了一個個模塊，并且使用不同的顏色進行分類。虛谷號中支持Linux的Ardublock版本還可以選擇中文界面，并且它支持多種類型的開源硬件，適用于中小學軟硬件結合的圖形化編程教學。下面我們以模仿倒車雷達報警為例，利用Ardublock完成這個設計。

1.啟動Ardublock

虛谷號已經(jīng)預裝了Arduino IDE，打開里面的工具菜單，選擇Ardublock，即可啟動（如下頁圖4）。

2.主題設計

本案例的設計是模仿倒車雷達，比較貼近實際生活。讓學生認識超聲波測距傳感器、蜂鳴器等開源硬件的應用。通過選擇、循環(huán)結構的使用，來模仿倒車要碰壁時的連環(huán)報警。

3.器材準備

需要用到的器材有虛谷號、超聲波測距傳感器、蜂鳴器、杜邦線若干。

4.硬件搭建

首先，連接虛谷號，正常顯示Linux界面后，將超聲波測距傳感器的四個引腳VCC接輸入電壓5V，Trig觸發(fā)引腳接D3，Echo回饋引腳接D4，GND接地。傳感器帶有兩個超聲波探頭，分別用作發(fā)射和接收超聲波，其測量范圍在3～450cm。最后，將蜂鳴器長腳連接D11，短腳接地（如圖5）。

5.參考程序

圖6是虛谷號中Ardublock程序圖。本案例運用了控制模塊的選擇結構、循環(huán)結構，還使用了硬件、檢測、引腳模塊等，來實現(xiàn)程序。開始時，判斷超聲波所測距離是否小于10cm，如果條件成立，則重復執(zhí)行循環(huán)語句模塊，通過設置蜂鳴器數(shù)字端口D11的高低電平，來發(fā)出連續(xù)報警聲，否則D11為低電平。文件保存默認位置在scope下。

該課例實現(xiàn)了倒車雷達的基本功能，這里可引導學生結合生活經(jīng)驗，完成倒車雷達的整個體系的程序搭建，實現(xiàn)判斷距離越小，蜂鳴器報警頻率越高。虛谷號中的Ardublock可視化和交互性較強，編程門檻較低，并可以實時處理事件，使編程修改、測試等步驟都得以簡化。

綜上所述，基于虛谷號的這種圖形化編程教學，結合了Arduino的硬件資源和長期積累的案例資源，并且降低了學生學習的門檻。同時，能引導學生認識Linux系統(tǒng)，可以更好地結合一些開源平臺上的案例，使創(chuàng)意想法更豐富，適合中小學生體驗創(chuàng)客的樂趣，便于更好地開展關于開源軟硬件的創(chuàng)客普惠教育。