Arduino单片机在信息技术教育中的应用研究

摘要：分析了Arduino单片机功能与特性。在中小学信息技术教育中引进Arduino单片机教学，不但能够了解单片机硬件、学会编程，而且能让学生把自己的金点子转化为现实产品。Arduino图形化的编程界面，跳过了繁琐的代码，非常适合小学和初中低年级学生进行创新开发，有利于培养学生的创新能力。

关键词：Arduino单片机；信息技术；创新能力

DOIDOI：10.11907/rjdk.151090

中图分类号：G434

文献标识码：A 文章编号：16727800（2015）006022402

基金项目基金项目：

作者简介作者简介：鲍若凡（1981-），男，上海人，上海市尚德实验学校信息中心中学一级教师，研究方向为现代教育技术。

0 引言

单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术，把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上，构成一个小而完善的微型计算机系统，在工业生产、科学研究、智能家庭、机器人、车模、航模中有广泛的应用。

在中小学信息技术教育中加入单片机教学内容，既可了解单片机的硬件原理，又可接触单片机编程，更重要的是可以利用单片机的强大功能，把金点子转化成实际产品。

1 Arduino单片机概述

Arduino是一个基于开放源代码的软硬件平台，构建于开放源代码Simple I/O介面版，具有类似Java、C语言的开发环境。

Arduino能通过各种传感器感知环境，读取数字、模拟量，通过控制灯光、马达和其它装置作出反馈。可以通过Arduino的编程语言来编写程序。基于Arduino的项目，可以只包含Arduino，也可以包含Arduino和其它在PC上运行的软件。

2 Arduino单片机在教学中的优势

2.1 Arduino单片机支持图形化编程

用于中小学教育的单片机种类很多，但是绝大部分单片机编程都要先学习编写代码，这对学生来说是一个很大的障碍。很多学生有很好的想法，但是碍于没学过单片机编程，无法把自己的想法变成实物，错失了深入研究下去的机会。

Arduino支持图形化编程界面，见图1，学生不需要学习复杂的代码，用图形化界面就可以编写出有很强功能的程序。比如，用MIND+程序图形化编程，降低了学习编程的难度，很容易入门。在学习完图形化实例程序之后，再学习用代码编程就会相对容易。

2.2 Arduino单片机开放源代码、提供原始设计图

Arduino开放源代码和设计图，程序开发接口可以免费下载，甚至可按照自己的需求修改电路板，为学习单片机硬件原理提供了很好的条件。

2.3 Arduino单片机价格便宜

Arduino单片机价格便宜，使用价格低廉的微处理控制器ATMEGA8或ATmegal28。Arduino单片机也非常容易购买，很多网店都有不同规格的Arduino单片机出售。

2.4 Arduino单片机烧录程序方便

Arduino单片机烧录程序非常方便，只需要通过USB接口就可以烧录，支持ISP在线烧录，可以将新的“bootloader”固件烧入，有了 bootloader之后，可以通过串口更新固件。

2.5 可以创造独特的Arduino模块

学生可依据官方提供的Eagle格式PCB和SCH电路图，简化Arduino模块，制作自己的Arduino模块。Arduino可与各种传感器、各式各样的电子元件连接，比如：可见光传感器、红外线传感器、超音波传感器、热敏电阻、光敏电阻、步进电机、舵机等，形成具有特殊功能的模块。制作这些模块，锻炼了学生的创新能力[1]。

2.6 可以用Arduino构建有线、无线输入设备

利用Arduino，突破了以往只能使用鼠标、键盘、手柄等输入的局限，可以自己构建输入设备。比如在一根香蕉插上电极来控制LED、制作水果钢琴、制作一款家用电器万能遥控器等。

3 信息技术教育中引入Arduino单片机意义

3.1 丰富信息技术教育内容

目前，学校的信息技术教育内容过于陈旧。信息技术兴趣小组实践内容大多为多媒体制作，不能充分挖掘学生的创新、创造能力。而依靠 Arduino单片机的强大功能，学生可以创造出各种各样具有实用价值的新产品，丰富了信息技术教育内容，使信息技术教育跟上时代步伐。

3.2 提高实践动手能力

用Arduino开发产品不只培养编程能力，还能培养连接电路的能力、设计制作产品的能力，Arduino单片机课程为学生提供了实践的机会 [2]。

3.3 提高创新能力

现代社会需要加强创新人才的培养，将实践与创新相结合，注重理论和实践的同时，将信息技术教育课程与STEM（科学、技术、工程、数学）创新联系起来。

通过Arduino项目，积极组织学生参加课题研究，承担具体任务，在实践中锻炼学生发现问题、研究问题、解决问题的能力，培养创新能力。Arduino单片机为学生的金点子提供了试验平台，激发了学习热情。

创造多元化的科技教育与实践方法，建立相应的项目学习（PBL）课程，鼓励学生参与到实际的项目中去，从项目中学习知识和技能，培养学生的设计能力。

4 Arduino教学案例

以利用Arduino单片机制作“物联网药盒”为例。

众所周知，我国正面临人口老龄化问题，很多老人和子女分开居住，有一些独居老人记忆力不是很好，如果他们生了病，按时服药就成了很大的问题。

学生C发现这个问题后，就想开发一款可以提醒老人服药的智能药盒。首先C作了需求分析，按设计思路制作了组织结构图，见图2；然后C统计了需要的硬件，发现要实现智能提醒必须用到单片机，在网上查阅了有关资料后，C决定使用Arduino单片机。

由于智能药盒需要随身携带，所以C选用了在Arduino单片机家族中体形较小的Arduino nano单片机，见图3。

在制作药盒（图4）的同时，C也关注网上的一些信息，发现能够用声音提醒患者服药的药盒在美国已经量产。

C认为：随着技术的进步，药盒除了能发出响声等提示之外，还应该能给患者家属发送手机短信，让家属了解老人的服药情况。于是，C在原有的智能药盒上进行了创新，给药盒增加了一个蓝牙模块，用蓝牙模块给老人的手机发送吃药提示，如果老人还是没有服药，药盒就控制手机程序给老人的亲属发短信[3]。

通过不断努力，C的智能药盒终于达到了设计要求。在这个过程中，C不但学会了Arduino单片机编程，而且学会了三维建模、手机编程等多项技术，体会到了创新的乐趣。

参考文献：

[1]谢四莲.浅谈电子竞赛与创新能力的培养[J].科技视界，2012（17）：9192.

[2]常淑娟，和煦.实验教学改革与学生电子竞赛的思考[J].西安邮电学院学报，2011（16）：6567.

[3]郑昊，钟志峰，郭昊，等.基于Arduino/Android的蓝牙通信系统设计[J].物联网技术，2012（5）：5051.

责任编辑（责任编辑：杜能钢）