中学信息技术兴趣小组开展Arduino创意机器人教学的尝试

王辉

摘 要：在中学开展机器人教育，不仅可以激发学生对电子、机械方面的兴趣，使学生的动手能力得到锻炼，还可以增长学生对科学、技术和数学等多个领域的知识。乌鲁木齐市第四十一中学对机器人教育的开展很重视，结合实际情况，决定每周开展一次信息技术兴趣小组活动。详细记录了第9课《自动变速风扇》教学案例，包括制定的教学流程，课堂总结，教学反思。

关键词：信息技术兴趣小组；机器人教学；Arduino

机器人是一门涉及多个领域的交叉学科。对中学生开展机器人教育，可以培养学生对机械、电子的兴趣，锻炼学生的动手能力，在学习和实践过程中，还可以激励学生归纳整理科学、技术和数学领域的知识，教育价值高。

和全国多数中学一样，笔者所在的学校也非常重视机器人教育，但是受场地、资金和师资等客观因素的限制，无法在平时的教学活动中开展。我校决定每周开展一次信息技术兴趣小组活动，在信息技术兴趣小组中利用低成本的开源硬件Arduino开展机器人教育。通过使用Arduino，学生可以从中知道一些机器人机械、传感和控制部分的设计与搭建等基本知识和技能。

一、开源硬件教学机器人的特点

传统的教学机器人功能有一定的局限性，使得其价值没有得到充分发挥，内核技术的开放问题，是教学机器人迫切需要解决的。经过研发者们不断的尝试和努力，创造出了一系列基于开源硬件Arduino技术的教学机器人，在中学教育开展过程中，这种教学机器人意义重大，其优点有：

1.机器人硬件价格便宜

可供任何人免费復制、生产，并可重新设计。

2.可扩展性好

“电子积木”是Arduino的别称，可以连接各类亮度、温度、声音和振动等各类传感器。根据实际需要，Arduino还能通过控制各类开关、继电器、LED阵列、蜂鸣器等部件对外界实行相应的干预，以完成相应任务。Arduino这些功能，基本上符合教育机器人制作要求，扩展性好。

3.编程平台实现了图形化

在不断的研发和设计下，Arduino平台上已开发出图形化的多种编程工具，如ArduBlock、Mixly等。这是电子行业的一大进步，亦是教学机器人的福音，因为它使编程的门槛大大降低。

4.网络参考资源丰富

Arduino的爱好者遍及世界，且有很多学习网站、论坛和社区，这得益于Arduino的开源思想。众多的设计资料，有利于学习者开创新思路、增长新知识。

二、Arduino创意机器人课程设计

笔者根据我校实际情况，结合自身能力，查阅相关资料，再与同事仔细商讨后，制定了十二课校本课程《Arduino创意机器人》。本课程为小组教学，选取了初中20名信息技术课外兴趣小组的学生，4人1组，分5组。每课内容简介如下：

第1课：走进Arduino的世界。第2课：闪烁LED。第3课：按钮控制的LED。第4课：聪明的按钮。第5课：呼吸灯。第6课：光控LED。第7课：声控风扇。第8课：换挡风扇。第9课：自动变速风扇。第10课：遥控风扇。第11课：摇头风扇。第12课：走直线小车。

三、教学案例

选取第9课《自动变速风扇》为例

【教学目标】

1.了解超声波传感器测距原理。

2.掌握超声波传感器使用方法。

【教学重难点】

1.使用超声波传感器制作自动变速风扇。

2.使用超声波传感器进行测距。

【教学流程】

教学新课

（1）超声波传感器

①测距原理

测距的方法有多种，目前，三种常用的高精度测距方法为：激光测距、红外测距和超声波测距。这三种方法测距原理一样，以激光测距为例，发射一束激光至需要测距的物体（发射瞬间开始计时），记下接收到激光反射回来所用的时间。距离的值，即是用光速乘以时间除以2。

②HC-SR04超声波传感器

HC-SR04超声波传感器测距是声纳原理，发射一连串经调制的超声波，得出与其回波的时间差，通过这个时间差来计算距离值。

请同学们将超声波传感器连接到Arduino板上。

③读取超声波传感器测到的距离值

基础任务一：读取测得的距离值。

（2）自动变速风扇

本次课程制作的自动变速风扇与传统的电风扇有很大不同，传统电风扇的速度是靠选档来调节的。自动变速风扇的速度则是靠感知人与风扇的距离来改变的，人离风扇距离越远，风扇转动越快，人离风扇近时，风扇转动得慢甚至不转动，距离超过某个值时（该值可以设置），风扇也会停止转动。要使风扇具备这一功能，需要【映射】模块。

①【映射】模块

②自动变速风扇

基础任务二：利用【映射】模块制作自动变速风扇。

【课堂总结】

这次课程的开展，让学生对超声波传感器的测距原理有了一定了解，并且知道了使用方法。此外，通过自动变速风扇的制作，利于培养学生的思考、交流能力，激发学生的学习兴趣。

【教学反思】

对于初中的学生，本节课的难点在于理解超声波测距传感器的原理和映射函数。特别是没有学过物理的初一学生。

四、课程实施过程中的体会

1.循序渐进开展教学，选择教学内容时要考虑学生的知识水平，要根据学生已有的知识选用合适的案例。此外，教学内容还应与时代和生活有联系，比如第九课中自动变速风扇的制作，选择“风扇”这样一个课程就在于风扇是日常用品，人人都见过，学生会感到亲切，更愿意主动参与进来，利于课程的开展。

2.在机器人教学开展的过程中，难免会出现意外状况，教师要充分预设可能出现的情况，以便快速解决。

3.为了更好地开展教学，在平时的教学中，教师要积累和总结经验，并且要不断学习，养成终身学习的习惯，努力提高自己。

参考文献：

王娟，胡来林.中小学Arduino机器人特性及其实例开发[J].中国教育信息化，2013（12）.

编辑 李琴芳