基于Arduino之机器人创客项目

杨宇欢

摘  要：随着科技的发展，以智能控制为基础的机器人教育也逐渐地受到重视和推广。近年来，许多教育学者都在不断地探索机器人教学的内容、思路和方法。本课题以Arduino硬件基础，结合无线蓝牙模块控制亮灯的实例进行教学实践探索，通过运用现代教学法让学生独立制作无线蓝牙控制系统，可以培养和提高学生的创造能力，为机器人教育教学提供了一种新思路。

关键词：Arduino创客;Arduino无线蓝牙控制

目前绝大多数的机器人教学是以竞赛、兴趣小组的形式开展，真正进行课堂普及教学的例子较少。本课题以无线蓝牙模块控制灯光为例，引导学生在学习机器人知识和技术的同时，体验机器人技术的生活应用。

一、选题背景

本课题我们运用Arduino作为硬件基础来展开。Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子平台。Arduino能连接各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来完成各种“动作”。比其他单片机更容易上手，更易实现各种创意制作。

在中小学机器人教育教学中，对传感器的运用既是重点又是热点。本课题设计“无线蓝牙控制亮灯”的事例来讲解Arduino机器人中对无线蓝牙模块的控制。在机器人及创客项目教学中，学生们已经了解到一些智能家居中的智能设备的知识。传统的“开关灯”动作需要人手动去完成，而开关本身就是一个简单的电器装置，缺乏智能控制功能。本课题设计可以提高学生的学习兴趣，拓展视野。通过动手焊接，组装，编写程序，同时可以激发更多的创意想法，设计出更加有趣、有生活意义的作品。

二、方案设计

（一）教材与学生情况分析

本课题是来源于自编校本教材《传感器的应用》创客项目之DIY制作课。教材中已经涉及有超声波传感器、灰度传感器、声音模块传感器，以及这些传感器的基本使用方法及Arduino机器人的基本控制方法，这为本课题的教学奠定了一定的基础。

（二）教学目标

1.掌握Arduino主板连接无线蓝牙模块的方法。2. 熟悉ARDUBLOCK图形化编程平台，学习掌握图形编程命令。3.制作无线蓝牙控制开关系统，体验创客的乐趣。

（三）方案的设计与选择

本课题重点是让学生学会Arduino与无线蓝牙模块的连接。为检验和巩固他们对创客项目关于传感器的运用能力，课程设计了一个控制LED发光二极管的检测程序作为基础。综合考虑教学目标和课堂时间、难度等因素，本课题内容选择2节课完成;第一节课主要内容为：Arduino与无线传感器模块硬件的知识学习和硬件的连接;第二节课主要内容为：程序的编写与测试。

准备硬件有：Arduino R3主板、HC-05无线蓝牙模块、舵机、7.4V锂电池组等。

1.认识Arduino R3开发板

本节课使用的开发板是UNO已经发布的第三版，该开发板兼容绝大多数的3.3V至5V直流电压的传感器。

2.认识HC-05无线蓝牙传感模块

本课题用到的无线蓝牙传感模块符合V2.0+EDR蓝牙规范。通过它来接收由智能手机发射的蓝牙无线信号来实现指令传达。模块另有一特点，就是可以用PIN码进行校验，增强了安全性。

3.硬件组建

硬件组建前，准备好材料。利用杜邦线连接好VCC、GND、TXD、RXD这四个引脚。如（图2）。

四、程序编写

硬件组建完成后，我们就可以使用图形化编程软件ArduBlock编写程序了。ArduBlock是Arduino官方编程环境的第三方软件，依附于ArduinoIDE软件运行，使用图形化积木组建的方式编程，可视化和交互性强，编程门槛低，学生容易上手。

五、应用拓展

学习具有“聚类”特点，新知识的获取还是原有知识的同化，都习惯以 “类”为依据进行加工、存储和提取，即：相似的目标、相似的功能、相似的技术思想聚类。根据聚类思想，可以拓展出很多应用。如：以Arduino主板控制进行聚类，设计直流电机转动;以相似的目标（控制LED发光二极管）进行聚类，可以采用继电器等组合来实现;以相似的技术思想（无线蓝牙模块用声音模块替代）进行聚类，可以设计出声控窗帘、声控日光灯、声控扫地机器人等。此外，还可以通过学科整合实现更多效果。因此，教学中希望学生以无线蓝牙控制为出发点，尽可能多地创造有聚类性质的电子作品。

六、教学实践中四个环节

（一）复习旧知

引入新课本环節主要是通过引领学生学习《传感器的应用》所学过的各种传感器以及对LED的控制，以便于教学的展开，也为后面学生的拓展应用做铺垫。

（二）突破重点

解决困惑本环节重点问题，也就是Arduino控制舵机的方法。首先向学生表明，Arduino中对舵机的控制不能直接将LED连接到数字口上，因为针脚直接输出的电流很小，无法带动电机转动，所以需要依赖于继电器电路作驱动。

讲解JL2009继电器及接线法并提示学生按操作接线。线路连接后，便可以进行程序编写。通过编写程序，先尝试控制LED发光二极管，让其亮起来。

（三）合作学习

成就自我，超越自我，是学习和掌握知识的最终目标。完成最终作品，也就是实现智能手机发送无线信号给无线蓝牙并指挥舵机工作，继续通过小组合作学习的形式完成。由于学生首次开始接触无线蓝牙传感器模块，课前事先将蓝牙模块及使用说明发给学生，以各自组名作为无线网卡连接名。这样，课堂中的测试学生就不需要人手一台手机了，当作品完成后，由教师通过智能手机来一一检测。

（四）拓展提升

为鼓励学生产生一些创意想法，教师提供几种方案作参考，如改为声控传感模块，将舵机控制开关亮灯改为直接使用继电器控制亮灯等。同学们在完成课程目标后能够结合其他学科的知识，善于观察周围的事物，善于在生活中发现问题，感受科技带来的好处，发挥想象力和创造力，设计与开发出更有创意、具生活意义的作品。

七、教学反思

从课堂反馈来看，大部分学生基本都已掌握这个知识点。从任务完成情况来看，全班30人（共5组）全部完成了基础任务。对于拓展任务，有3组学生完成了声控舵机，另有1组学生实现光控继电器，此外还有许多学生都提出了创意想法，如智能手机控制风扇、手机控制窗帘、手机控制电视机、手机控制电热水器、手机控制电饭锅煮饭等。通过学习，学生不仅掌握了Arduino机器人的基本知识，提高动手能力、增强团队合作能力，同时对Arduino在实际生活中的应用也有了更多的思考，并大大地激发了学生无限的想象力。

【本文系东莞市教育科研"十三五"规划2019年度课题“初中人工智能创客教育校本课的建设与实施试行方案”成果（课题编号：2019GH119）】

参考文献：

[1]吴汉清.Arduino图形化编程进阶实战：ArduBlock编程制作项目11例.北京：人民邮电出版社.2017.10  P10-P22