《紅綠燈自動控制系統的實現》教學案例

張向紅 朱桂榮

開源硬件項目設計是新課標中選擇性必修模塊6中的內容，Arduino開源硬件設計是高中信息技術的校本課程。“用Arduino實現紅綠燈系統”需要三節課完成，第一節內容為：認識Arduino的接口，認識Arduino的編程軟件界面，學會把程序編譯并上傳到Arduino上，利用Arduino的5V輸出口、接地口、電阻、發光二極管、面包板完成一個使發光二極管亮的硬件連接。第二節內容為：完成紅綠燈系統的硬件連接并用軟件實現紅綠燈系統的自動控制。第三節內容為：完善、優化紅綠燈系統和學生展示紅綠燈系統。本節課為第二節課。

本次課的授課對象是高一年級的學生，通過第一節課的學習，學生已經對Arduino的接口有一定的認識，已經可以利用Arduino的5V輸出口和接地口完成一個使燈亮的硬件連接；對Arduino的編程軟件界面有了一定的認識，且知道編譯程序并把程序上傳到Arduino上；知道現實生活中十字路口的紅綠燈是如何工作的。

● 導入新課，呈現任務

1.情境導入

師：過十字路口時我們都需要遵循紅綠燈，通過上節課的學習我們已經知道紅綠燈系統是怎么工作的了，這節課我們就來搭建一個紅綠燈系統。

2.呈現任務

師：紅綠燈系統就是對紅燈、綠燈、黃燈進行自動控制，我們首先完成對一個燈進行自動控制，以綠燈為例，這里我們使用綠色發光二極管代替（由此引出第一個任務：用程序控制綠燈的亮和滅）。

設計意圖：十字路口的紅綠燈系統是學生比較熟悉的，每個學生都知道紅綠燈是如何工作的，通過解決生活中常見的實際問題，激發學生的學習興趣，培養學生的問題解決意識。

● 完成任務，探究新知

任務一：用程序控制綠燈的亮和滅

師：第一節課我們已經學過利用Arduino的5V輸出口和接地口搭建一個使綠燈亮、使發光二極管亮的硬件連接，在這個電路中為什么綠燈是一直亮的？

生：因為Arduino的5V輸出口一直輸出5V電壓，所以綠燈一直亮著。

師：在這個硬件連接中，我們會不會用程序控制綠燈？

生：不會。

師：要用程序控制綠燈就需要把綠燈的正極接到Arduino的數字輸出口上（2到13口都可以），我們以2口為例，按照如圖1所示的電路圖完成硬件連接。

學生按照電路圖完成硬件連接，并思考要使綠燈亮應該給Arduino的數字輸出口2輸出幾伏電壓？

師：硬件連接完后，要使綠燈亮，需要給Arduino的數字輸出口2輸出幾伏電壓？

生：5V。

師：在編程軟件中，___________________指令即是把數字輸出0的輸出電壓設為5V。因此我們用該指令（把數字輸出管腳設置為2）就可以控制綠燈亮（示范用該指令控制小燈亮）。要使綠燈滅，只需把該指令中的高設置為低即可（把數字輸出0的輸出電壓設為0）。

學生完成該指令控制綠燈的亮和滅。

師：我們學會了用指令控制綠燈的亮和滅，那么怎么實現綠燈的閃爍效果？

學生嘗試實現綠燈的閃爍效果。

師：通過觀察，同學們用的指令是______________，但是上傳到Arduino上綠燈都是亮的狀態，為什么？這是因為在Arduino上程序順著第一條往下執行，到最后一條執行完畢后立馬又回到第一條開始執行，如此重復。所以綠燈亮了以后滅了立馬又亮了，肉眼無法看出閃爍效果，要實現閃爍效果就需要在指令后面加一條延時指令 ，大家試試加入延時指令后能不能實現閃爍效果。

學生完成指令并上傳指令，觀察綠燈效果（學生完成的指令如圖2所示）。

師：觀察程序及綠燈閃爍效果，看綠燈多長時間完成一次閃爍？

生：2秒。

師：那么我們怎么更改閃爍頻率，使綠燈1秒完成一次閃爍？

生：只需要把延時指令中的1000改為500即可。

學生更改指令使綠燈1秒完成一次閃爍。

任務二：程序控制綠燈亮20秒，然后閃爍10次

師：我們已經完成了第一個任務，接著我們需要完成第二個任務：用程序控制綠燈亮20秒，然后閃爍10次。

學生嘗試完成任務二。

師：通過觀察，大部分同學完成的指令都如圖3所示，我們分析下這組指令，首先綠燈亮20秒，然后閃爍1次，然后又重復綠燈亮20秒，閃爍1次，而我們需要的是閃爍10次，因此需要把閃爍指令執行10次，怎么辦？

生：把閃爍指令復制9遍最終得到10次閃爍指令。

師：（給出包含有10條閃爍指令的指令）我們發現這個指令好長，能不能優化一下這個指令？這里我們可以使用 ，該指令是這樣工作的：i從1開始執行該指令中的內容，執行完后加步長值“1”為2，又執行一次該指令中的內容，執行完畢后又加步長值“1”為3，又執行一次該指令中的內容，直到i的值為10執行完該指令中的內容后結束，因此i為1執行一次，i為2執行一次，i為3執行一次，一直到i為10執行一次后結束，總共執行了10次。因此我們只需要把閃爍指令放到該指令中即可實現執行10次的效果。最終得到如圖4所示的指令。

學生完成該指令并上傳到Arduino上，觀察綠燈效果。

師：（觀察學生完成狀況，適時提出問題）要是綠燈閃爍5次該怎么修改指令？

學生思考并嘗試修改指令，然后回答問題。有些學生回答的是把指令中的1改為5；有些學生回答的是把指令中的10改為5；有些學生回答的是把步長改為2；等等。

師：大家的這些改法都可以實現綠燈閃爍5次的效果。

設計意圖：通過控制綠燈的亮和滅，再到綠燈的閃爍，完成后再實現程序控制綠燈亮20秒，然后閃爍10次，任務層層遞進，符合學生的認知規律，培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力。

● 學以致用，鞏固知識

任務三：程序控制綠燈亮20秒，然后閃爍10次，然后黃燈亮3秒

師：通過前面的學習，這個任務大家已經可以自己完成，老師在這個任務中增加了黃燈，因此得先完成黃燈的硬件連接（把如圖5所示的硬件連接電路圖發給學生，讓學生先完成硬件連接，然后完成程序并上傳，最后實現“綠燈亮20秒，然后閃爍10次，然后黃燈亮3秒”的效果，其間對學生存在的問題進行講解）。

學生完成硬件連接，完成程序，上傳到Arduino查看效果，學生基本都能完成這個任務。

師：我們都已經完成這個任務了，緊接著完成第四個任務。

任務四：程序控制綠燈亮20秒，然后閃爍10次，然后黃燈亮3秒，然后紅燈亮25秒，然后閃爍5次

師：通過前三個任務的學習，大家對常見的指令已有所了解，接下來兩人一個小組合作完成任務四。

學生完成任務四，完成的硬件連接及程序如圖6所示。

設計意圖：通過任務三和任務四，讓學生動手實踐，鞏固所學知識，培養學生的問題解決能力。通過獨立操作和小組互助完成硬件連接和程序編寫，培養學生在問題解決過程中的獨立思考能力和團隊協作能力。

● 總結知識，課后延伸

師：我們分析一下最后的程序，首先綠燈亮20秒，然后閃爍10次，然后黃燈亮3秒，然后紅燈亮25秒，然后閃爍5次，結束后又回到開始綠燈亮20秒，如此重復執行，這就是紅綠燈系統的工作模式，通過觀察程序及硬件效果我們知道程序是順著第一條順序往下執行的，當執行到最后結束后又返回第一條重復執行，在程序中當需要對某部分指令執行多次時就需要用到循環指令 ，除了循環指令外，今天我們還學習了、這兩條指令，這就是我們這節課學習的內容。本節課的紅綠燈系統大家都已經完成，那么這個紅綠燈系統有沒有需要完善改進的地方？如顯示倒計時、堵車時手動控制等，這些問題我們下一節課來解決。

（本案例由云南省教科院吳凝提供指導）