充分利用現(xiàn)有軟件資源實現(xiàn)硬件效果

王昌龍 周思言

編程是人工智能的核心，是當前社會運行的基石之一。如今，以編程學習為基礎(chǔ)而延展開的思維學習覆蓋了全年齡段的學生。簡單來講，編程包括軟件編程和硬件編程。軟件編程可以理解為純粹使用編程實現(xiàn)某一個只需要在電腦當中實現(xiàn)的功能;硬件編程除了純粹的編程以外，還涉及一些電路或者其他硬件知識，例如一些常見的傳感器、藍牙傳輸或Wi-Fi 傳輸?shù)饶K。而把這些硬件綜合在一起后，就是我們常說的機器人編程。

機器人編程結(jié)合了硬件內(nèi)容及基礎(chǔ)的編程知識，可以讓學生更好地看到編程在實際中的用處。通過組裝、搭建、編寫程序運行機器人，能夠激發(fā)學生的學習興趣和熱情，培養(yǎng)綜合能力。然而在教學實踐中，我們可能會遇到一些無法立刻解決的硬件問題，比如傳感器失靈或主控數(shù)量不足的情況，這難免會降低教學效果，無法讓學生很好地體驗課程的核心內(nèi)容。那么這時，我們就需要考慮如何充分利用現(xiàn)有軟件資源實現(xiàn)硬件效果。

想要用軟件實現(xiàn)硬件效果，就不得不提到一個詞——模擬。那么，如何在軟件中模擬出現(xiàn)實中硬件的工作方式呢？這就需要先理解相關(guān)硬件的工作原理、輸入信號、輸出信號等，結(jié)合這些原理先在軟件中對硬件進行制作，隨后再進行整體模擬。讓我們通過下面這個教學案例進行具體說明。

課程名稱：在Scratch 中實現(xiàn)機器人巡線功能

教學目標：①了解光電傳感器的工作原理;②完成機器人尋跡功能;③培養(yǎng)學生的觀察、分析能力。

教學重點：使用光電傳感器控制機器人不偏航。

教學難點：①在環(huán)境光不穩(wěn)定的情況下演示機器人巡線;②模擬多路光電傳感器的信息發(fā)送。

教學準備：①學生準備——熟悉Scratch 已有的顏色觸碰判斷模塊、畫筆模塊、運動模塊、循環(huán)結(jié)構(gòu)及分支結(jié)構(gòu);②教師準備——已經(jīng)提前預裝好的尋跡機器人、鋪裝好的巡線場地、教學多媒體設(shè)備。

教學過程

第一步：向?qū)W生展示巡線機器人，讓學生輪流觀察機器人結(jié)構(gòu)，對機器人的功能進行猜想

樣例：同學們，老師這里有一個新的機器人，有同學之前見過這種機器人嗎？請同學們輪流觀察一下這個機器人，注意仔細觀察機器人的結(jié)構(gòu)，機器人上有什么。觀察完成之后可以跟小組成員相互分享，猜猜看這個機器人能夠做什么。

核心關(guān)鍵：讓學生觀察巡線機器人;引導小組討論建立分享信息的基本意識;通過學生回答環(huán)節(jié)了解學生的關(guān)注點，以便于引導學生進行下一步學習。

第二步：展示巡線機器人的具體功能

樣例：①剛剛大家對這個機器人的功能有著不少猜測。那么，這個機器人究竟能做什么呢？原來，它可以進行巡線。巡線是讓機器人按照已經(jīng)規(guī)劃好的一條線路進行移動。老師這里有一條已經(jīng)提前畫好了的道路（需要給學生展示），道路中間有一條比較粗的黑線，黑線有直線部分、直角部分、圓弧部分及連續(xù)曲折部分等。我們的機器人可以通過光電傳感器進行探測，使機器人完全按照黑線進行前進，讓我們一起來看一下它巡線的樣子。②當然我們也可以臨時改變黑線的排序，機器人也能很好地完成任務(wù)（可以讓幾個學生隨機改變黑線的樣子，再次讓機器人進行巡線）。

核心關(guān)鍵：讓學生了解機器人的工作方式，知道巡線機器人是按照黑線前進的，而不是提前設(shè)置好的規(guī)定路徑。

注意點：①在機器人行進過程中，盡量不要讓學生過于靠近道路，以免影響機器人探測到的光線變化。②指導學生在重新組裝黑線道路時，不要出現(xiàn)拐角過大的情況，避免機器人出現(xiàn)問題。第三步：講解光電傳感器的工作方式及輸出信號，并使用Scratch 進行模擬

樣例：①光電傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種器件，其工作原理基于光電效應(yīng)。光電效應(yīng)是指光照射在某些物質(zhì)上時，物質(zhì)的電子吸收光子的能量而發(fā)生了相應(yīng)的電效應(yīng)現(xiàn)象。光照射到白色的道路上與照射到黑色的線上所吸收的能量不同，所以反射出的能量也有強弱之分，這會使接收器收到不同信號，通過傳感器上芯片內(nèi)部計算，將電信號傳導到機器人的主控上。②請同學們想一想，并結(jié)合我們之前學過的圖形化編程內(nèi)容，在電腦上根據(jù)老師的要求制作出一個“光電傳感器”。

制作要求：①繪制1 個無邊框的任意顏色的長方形角色1，當角色1 觸碰到黑色時廣播消息1。②繪制1 個黑色的任意形狀角色2，角色2 會跟隨鼠標進行移動。③從庫中選取1 個具備多個造型的角色3，當接收到消息1 時改變造型。④運行程序后，使用角色2 反復觸碰角色1，由此查看角色1 是否正常工作。

注意點：①角色1 需要重復執(zhí)行判斷及發(fā)出消息。②廣播消息時，需要角色1 的程序具備一定的防抖功能。

第四步：引導學生結(jié)合剛剛觀察的巡線機器人的運動方式，解釋巡線機器人的工作方式

樣例：①我們知道了光電傳感器的工作方式，結(jié)合剛剛大家觀察到的機器人的外形及運動方式，我們猜測一下機器人的工作原理是什么。②機器人通過前方的2 個或多個光電傳感器進行感應(yīng)，這里我們以左右各1 個傳感器為例。如果機器人面前的黑線是筆直的，那么機器人一直向前走則2 個傳感器都不會觸碰黑線。而當機器人走歪了或是黑線出現(xiàn)拐彎時，則其中一側(cè)的傳感器會感應(yīng)到黑線，感應(yīng)黑線后傳感器會對機器人主控發(fā)出信號，這時主控就會讓機器人偏移，進行前進方向的調(diào)整。

注意點：行進過程中可能會遇到黑線交叉的情況，這時需要對機器人的程序進行調(diào)整，根據(jù)要求進行直行或左右轉(zhuǎn)向。

第五步：結(jié)合光電傳感器與巡線機器人的工作原理，在Scratch 中繪制并制作巡線機器人

樣例：了解了上述相關(guān)知識，我們根據(jù)教師的要求在軟件中嘗試對巡線機器人進行模擬吧！

制作要求：①繪制1 個類似剛剛觀察到的機器人樣式的角色1，角色1 的前方需要有2 個顏色不同的無邊框彩色長方體作為光電傳感器。②使用畫筆模塊，調(diào)整筆刷顏色為黑色，在程序運行后，可以使用鼠標在舞臺上繪制線條。③制作開始按鈕，點擊開始按鈕后，角色1 會向前移動，當左側(cè)的彩色長方體觸碰到黑色后，通過廣播消息的方式讓角色1 向左側(cè)轉(zhuǎn)一定角度;當右側(cè)的彩色長方體觸碰到黑色后，通過廣播消息的方式讓角色1 向右側(cè)轉(zhuǎn)一定角度。

注意點：①由于是簡易模擬巡線機器人的運動模式，在繪制黑線時盡可能避免出現(xiàn)黑線交叉或出現(xiàn)急劇拐彎的情況。②繪制機器人上的傳感器時，不要將傳感器靠得過近，放置在黑線拐點處的2 個傳感器若同時觸碰黑線，會造成機器人卡住。③黑色線條繪制過程中，需要學生根據(jù)自己的機器人角色傳感器位置設(shè)定畫筆粗細，不可以太細，也不可以剛剛好卡住傳感器。④需要學生反復測試角色1 左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)的角度，確保行進的順暢性。

利用硬件初步掌握編程邏輯，培養(yǎng)一定的編程思維，對學生的成長大為有利。通過上述的教學案例我們看到，充分利用現(xiàn)有軟件資源實現(xiàn)硬件效果，可以在一些特殊情況下，幫助學生更好地理解并掌握硬件編程當中的硬件工作原理及具體執(zhí)行方式，提高教學效率與效果。