高中信息技术Arduino呼吸灯实验教学探讨

摘  要：近年来，中国的智能电子控制系统行业发展越来越迅猛，各种智能控制产品更是深入到生活中的每一个细节。由此可见，当今社会对于能够掌握智能控制技术的人才也是求贤若渴。通用技术在高中阶段的普及也表明了国家对于从小培养学生的创造性思维的巨大决心。本课程先是明确了课程的意义以及电子控制系统的理论基础，然后通过小组式学习Arduino呼吸灯实验的方式，让学生能够把理论与实践相结合，从而更好地学习并领会电子控制技术，并且也锻炼了学生的小组合作探究能力及个人的动手能力，大大开发了学生的创造性思维。

关键词：电子控制技术;Arduino控制教学方法;智能控制技术

中图分类号：G633.67      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）08-0039-03

Abstract：In recent years，China’s intelligent electronic control system industry has developed more and more rapidly，and various intelligent control products have penetrated into every detail of life. Thus，today’s society is also thirsty for talents who can master intelligent control technology. The popularization of general technology in senior high school also demonstrates the great determination of the state to cultivate students’creative thinking from an early age. This course first clarifies the significance of the course and the theoretical basis of the electronic control system. Then，through group learning of Arduino breathing lamp experiment，students can combine theory with practice，so as to better learn and understand the electronic control technology，and also exercise the team’s ability to explore cooperation and personal hands-on ability，greatly developing their creative thinking.

Keywords：electronic control technology;Arduino control teaching method;intelligent control technology

0  引  言

依據2017年《普通高中通用技术课程标准》[1]要求，通过本节课电子控制技术的信号处理的学习，能就一技术领域对人、社会、环境等影响作出一定理性的分析，形成技术等安全和责任意识，把握技术等基本性质——即技术意识;学生通过前面学习的电子控制技术方框图能运用分析的方法针对该技术领域的问题进行要素分析及整体规划，并对结构、工作流程、系统、控制等基本思想和方法加以运用和提升——即工程思维;学生识别控制框图和电子元件连接图在实际控制电路中的表达——即图像表达;学生通过方框图实现的过程对已有的设备或物品进行改造与优化，能独立完成电路进行材料选择、测试与规划以及工具选择的使用——即物化能力。电子技术的课程不仅仅是具体的课程，也是比较抽象的课程，仅仅通过学习理论知识是很难让学生深入地了解电子控制技术的原理，而实践的方式则可以。

Arduino不仅仅是全球最流行的开源硬件，也是一个优秀的硬件开发平台，更是硬件开发的趋势。Arduino简单的开发方式使得学生更关注创意与实现，更快地完成自己的项目开发，大大节约了学习的成本，缩短了开发的周期。本课程的针对主体是已经掌握了电子控制系统的组成及初步学习了数字信号和模拟信号理论基础的学生。因此，小组合作式完成Arduino呼吸灯实验，通过理论与实践相结合的教学方式能够激发学生的创新精神，培养学生的实践能力，提高学生的技术素养。

1  课程导入

本节课程的实验先从智能浇灌控制器的应用效果导入，智能浇灌控制器是一款基于Arduino控制器根据不同土壤湿度自动浇灌的智能系统[2]，在生活中应用特别的广泛，如家里养花浇灌，小区绿植浇灌等。通过智能浇灌控制器的实验实现来导入Arduino控制器的概念，也就是从生活中的需求应用来导入课程，会让学生发觉课程的趣味性，并且产生对Arduino控制器原理的思考，从而在新授课中达成目标并关注课堂互动层次与深度。Arduino控制器的原理是本课程的重点。Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包涵硬件和软件两部分。硬件部分是可以用来做电路连接的Arduino电路板;另外一个则是Arduino IDE，就是计算机中的程序开发环境。你只要在IDE中编写程序代码，将程序上传到Arduino电路板后，程序便会告诉Arduino电路板要做些什么了。

除了导入对Arduino控制器的了解外，还应该需要回顾一些模拟信号和数字信号的知识。智能浇灌控制器是通过湿度传感器来对土壤湿度进行检测，如果超过一个值，就不进行浇水操作，如果低于设定值，则系统进行浇水操作。而这个湿度情况便是所说的连续变化的模拟信号，故因对模拟信号和数字信号的概念做一定的回顾，以便后面更好地理解呼吸灯的原理。

2  实验用具的介绍与原理

本实验除了前面介绍的Arduino控制器原理外，还需要学习面包板的原理及使用方法、Arduino控制器中各接口的原理及使用方法、LED灯的正负极使用方法。但这部分不是本节课重点，只需简单介绍清楚即可。通过用实物向学生介绍各种元件的物理属性及使用方法，帮助学生培养动手实践能力。

3  课程实验

本课程实验采取循序渐进的方式来完成最终的呼吸灯实验。总共分为5个实验来进行。

3.1  初探阶段：控制Arduino主板的LED灯亮起来

小组合作动手实验，通过数据线连接控制器，使用简单的程序块，即把13输出管脚设为高电平，当按下开关，便可使连接13管脚的LED灯亮起来。实验完成后，指导教师适当提出相关问题，引导学生主动思考，给学生更多的发言权，鼓励学生大胆发表意见，以培养学生对实验结果的分析能力。让学生从实验明白什么是数字信号，即数字信号是以0、1表示的电平不连续变化的信号。也让学生知道在Arduino主板上一般规定数字第13引脚为控制主板LED灯状态的控制端口。这个简单实现控制硬件的过程，可帮助学生理解程序编程模块的“数字输出”“管脚”“状态”的运用，提高学生对程序设计的信心和控制硬件带来的快感！

3.2  进阶阶段：控制Arduino主板的LED一闪一闪地亮

小组合作动手实验，通过初探实验的简单程序块结合延时模块实现Arduino主板的LED一闪一闪地亮的实验，让学生思考LED灯闪与灭的过程，并帮助学生用计算机思维与程序结合理解LED灯闪动的过程，让学生了解模块化编程Mixly的乐趣，提高学生的动手实践能力及编程信心。这个实验的目的主要是为深入阶段通过PWM控制端口控制LED闪灭做铺垫，先理解简单的实现闪灭过程。

3.3  深入阶段：Arduino控制器与LED灯串联控制LED一闪一闪地亮

上个实验是通过延时模块实现闪灭效果，接下来是通过串联方法来实现LED灯的闪灭。实验之前，先用Frizing模拟器模拟串联电路的接法实现LED灯一闪一闪的效果。Frizing模拟器能生动地展示通过Arduino控制器的第6引脚、面包板、杜邦线、电阻、LED灯、Arduino控制器的GND引脚组成的串联电路，帮助学生更好地理解串联电路的接法，然后更好地进行动手实验，完成实验。在Arduino主板上一般规定第3、5、6、9、10、11引脚具有PWM功能。这个实验重点在于对PWM的理解，即脉冲宽度调制，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。简单来说，PWM调节可以改变一定周期内的导通和关断时间。在这个实验中，该引脚输出的PWM信号可以使LED灯在一定时间内亮，然后一段时间灭的循环过程，从而实现闪动的效果。这个实验的目的在于让学生了解PWM信号的简单功能，为最终实验应用到的PWM信号做下铺垫，以便更好理解呼吸灯的原理。

3.4  最终实验：Arduino控制器与代码控制模块实现一个会呼吸的灯

实验的开始先让学生观察实验效果视频发现LED呼吸灯的信号变化过程，“慢慢变暗再慢慢亮起来”，了解什么是呼吸灯，引入并且帮助学生更好地理解模拟信号和数字信号的区别。结合前面三个实验让学生能够对如何实现呼吸效果产生思考，培养学生的创造性思维。进而介绍呼吸灯使用到的三大重要程序模块，让学生能够将程序代码（循环控制）的功能反映到呼吸灯的实现过程中来，从而了解Arduino控制器的应用原理。三大重要程序模块是控制第6引脚的PWM信号[3]，通过改变高低电平在PWM信号每个周期中所占的比例（占空比），进而得到不同的电压输出。当一个周期内高电平出现时间长一些时，输出电压就会高一些，LED灯更亮一些。当高电平出现的时间短一些时，输出电压就会低一些，LED灯亮度则会暗一些，即“慢慢变暗再慢慢亮起来”，呈现呼吸灯效果。该实验把PWM功能讲解清楚了，学生也就更加容易明白Arduino控制下呼吸灯的原理。

3.5  拓展实验：Arduino控制器与代码控制模块实现两个会呼吸的灯

该实验是能力拓展的实验，旨在让学生在实现一个呼吸灯的实验上能够自主思考如何实现多个会呼吸的灯，是一个拓展性思维的锻炼。实验的重点在于是否完全掌握了呼吸灯的实现原理以及串联、并联的知识。串联电路的特点是在串联电路中通过各个用电器的电流相等，元件串联后的总电压是所有元件的端电压之和。而并联电路的特点是所有并联元件的端电压是同一个电压。只要明白了并联电路的特点，就不难想出在一个LED的基础上去并联另外一个LED灯，且简单的修改下代码即可实现两个会呼吸的灯。能力较好且完成速度较快的小组给予能力拓展实验：如何实现多个会呼吸灯的灯。从教学方式上来说，再次提高了学生的实验兴奋度，调动学生的实验主动性，让学生积极地参与实验，同时提升了学生的知识技能。

通过以上5个实验可发现，学生需对数字信号、模拟信号、Arduino控制器控制原理及其引脚功能、PWM的原理、串联并联电路特点等理论知识有一定的掌握，才能更好地明白实验效果的实现。但仅仅只是对理论知识的讲授是不足以让学生心领神会的，必须结合实验，才能让学生学习并掌握到这些电子控制技术的原理。在实验授课中，不能急于求成，要一步步地实验，从简单到困难再到发散性实验，让学生慢慢地进入到实验情绪中来，从而掌握实验原理，达到教学的目的。整个课程运用了案例分析法、观察法、演示法、讲解法、小组讨论法、项目教学法，让课堂变得生动而有趣，这也是现在比较倡导的多个教学方法结合进行授课的方式。传统的单一教学方法或填鸭式的教学方法已经成为过去，通用技术课程的普及，不仅仅是让学生感知到当今世界的科学技术，丰富其学习生活，更是让教师能够改变传统的教学方法，使用叠加性的教学方式[4]来提高教学效果，达到教学目的。

4  结  论

学生在本节课中体验通过软件程序块控制硬件的乐趣，并在无编程基础的情况下对程序设计充满信心和期待。学生通过指引自主完成实验并得到目的效果使整个课堂在欢快的气氛中度过。Arduino呼吸灯实验只是通用技术课程的一个小实验，注重引导学生在电子技术基本技能形成的同時领悟电子技术设计的思想方法，提高学生对电子技术学习的探究、试验、创造和共通能力，使学生成为电子技术学习的主体，更好地面对当今技术社会的挑战。合理的教学内容的安排和先进的教学方法是实现教学目标的关键。相信通过本节课的学习，学生对智能家居的制作已经充满信心与期待，对现代智能控制技术也表现出了很大的兴趣。

参考文献：

[1] 《基础教育课程》编辑部.为未来社会培养具有技术素养的人——访普通高中通用技术课程标准修订组负责人顾建军 [J].基础教育课程，2018（Z1）：65-69.

[2] 陈楷晖，尹令，吴正豪，等.基于Arduino的个性化智能盆栽系统 [J].广东农业科学，2018，45（9）：134-141.

[3] 张志彬，张健伟，段贵娇，等.基于arduino的办公室光亮度调控系统 [J].电子世界，2019（2）：14-15.

[4] 周映文.高中通用技术课程改革中合作学习的运用 [J].中学课程辅导（教师通讯），2019（2）：112.

作者简介：关梦勋（1989.10-），女，汉族，广东广州人，中学二级教师，本科，研究方向：计算机科学与技术。