基于Arduino之機(jī)器人創(chuàng)客項目

楊宇歡

摘? 要：隨著科技的發(fā)展，以智能控制為基礎(chǔ)的機(jī)器人教育也逐漸地受到重視和推廣。近年來，許多教育學(xué)者都在不斷地探索機(jī)器人教學(xué)的內(nèi)容、思路和方法。本課題以Arduino硬件基礎(chǔ)，結(jié)合無線藍(lán)牙模塊控制亮燈的實例進(jìn)行教學(xué)實踐探索，通過運(yùn)用現(xiàn)代教學(xué)法讓學(xué)生獨(dú)立制作無線藍(lán)牙控制系統(tǒng)，可以培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)造能力，為機(jī)器人教育教學(xué)提供了一種新思路。

關(guān)鍵詞：Arduino創(chuàng)客;Arduino無線藍(lán)牙控制

目前絕大多數(shù)的機(jī)器人教學(xué)是以競賽、興趣小組的形式開展，真正進(jìn)行課堂普及教學(xué)的例子較少。本課題以無線藍(lán)牙模塊控制燈光為例，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)器人知識和技術(shù)的同時，體驗機(jī)器人技術(shù)的生活應(yīng)用。

一、選題背景

本課題我們運(yùn)用Arduino作為硬件基礎(chǔ)來展開。Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子平臺。Arduino能連接各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達(dá)和其他的裝置來完成各種“動作”。比其他單片機(jī)更容易上手，更易實現(xiàn)各種創(chuàng)意制作。

在中小學(xué)機(jī)器人教育教學(xué)中，對傳感器的運(yùn)用既是重點(diǎn)又是熱點(diǎn)。本課題設(shè)計“無線藍(lán)牙控制亮燈”的事例來講解Arduino機(jī)器人中對無線藍(lán)牙模塊的控制。在機(jī)器人及創(chuàng)客項目教學(xué)中，學(xué)生們已經(jīng)了解到一些智能家居中的智能設(shè)備的知識。傳統(tǒng)的“開關(guān)燈”動作需要人手動去完成，而開關(guān)本身就是一個簡單的電器裝置，缺乏智能控制功能。本課題設(shè)計可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展視野。通過動手焊接，組裝，編寫程序，同時可以激發(fā)更多的創(chuàng)意想法，設(shè)計出更加有趣、有生活意義的作品。

二、方案設(shè)計

（一）教材與學(xué)生情況分析

本課題是來源于自編校本教材《傳感器的應(yīng)用》創(chuàng)客項目之DIY制作課。教材中已經(jīng)涉及有超聲波傳感器、灰度傳感器、聲音模塊傳感器，以及這些傳感器的基本使用方法及Arduino機(jī)器人的基本控制方法，這為本課題的教學(xué)奠定了一定的基礎(chǔ)。

（二）教學(xué)目標(biāo)

1.掌握Arduino主板連接無線藍(lán)牙模塊的方法。2. 熟悉ARDUBLOCK圖形化編程平臺，學(xué)習(xí)掌握圖形編程命令。3.制作無線藍(lán)牙控制開關(guān)系統(tǒng)，體驗創(chuàng)客的樂趣。

（三）方案的設(shè)計與選擇

本課題重點(diǎn)是讓學(xué)生學(xué)會Arduino與無線藍(lán)牙模塊的連接。為檢驗和鞏固他們對創(chuàng)客項目關(guān)于傳感器的運(yùn)用能力，課程設(shè)計了一個控制LED發(fā)光二極管的檢測程序作為基礎(chǔ)。綜合考慮教學(xué)目標(biāo)和課堂時間、難度等因素，本課題內(nèi)容選擇2節(jié)課完成;第一節(jié)課主要內(nèi)容為：Arduino與無線傳感器模塊硬件的知識學(xué)習(xí)和硬件的連接;第二節(jié)課主要內(nèi)容為：程序的編寫與測試。

準(zhǔn)備硬件有：Arduino R3主板、HC-05無線藍(lán)牙模塊、舵機(jī)、7.4V鋰電池組等。

1.認(rèn)識Arduino R3開發(fā)板

本節(jié)課使用的開發(fā)板是UNO已經(jīng)發(fā)布的第三版，該開發(fā)板兼容絕大多數(shù)的3.3V至5V直流電壓的傳感器。

2.認(rèn)識HC-05無線藍(lán)牙傳感模塊

本課題用到的無線藍(lán)牙傳感模塊符合V2.0+EDR藍(lán)牙規(guī)范。通過它來接收由智能手機(jī)發(fā)射的藍(lán)牙無線信號來實現(xiàn)指令傳達(dá)。模塊另有一特點(diǎn)，就是可以用PIN碼進(jìn)行校驗，增強(qiáng)了安全性。

3.硬件組建

硬件組建前，準(zhǔn)備好材料。利用杜邦線連接好VCC、GND、TXD、RXD這四個引腳。如（圖2）。

四、程序編寫

硬件組建完成后，我們就可以使用圖形化編程軟件ArduBlock編寫程序了。ArduBlock是Arduino官方編程環(huán)境的第三方軟件，依附于ArduinoIDE軟件運(yùn)行，使用圖形化積木組建的方式編程，可視化和交互性強(qiáng)，編程門檻低，學(xué)生容易上手。

五、應(yīng)用拓展

學(xué)習(xí)具有“聚類”特點(diǎn)，新知識的獲取還是原有知識的同化，都習(xí)慣以 “類”為依據(jù)進(jìn)行加工、存儲和提取，即：相似的目標(biāo)、相似的功能、相似的技術(shù)思想聚類。根據(jù)聚類思想，可以拓展出很多應(yīng)用。如：以Arduino主板控制進(jìn)行聚類，設(shè)計直流電機(jī)轉(zhuǎn)動;以相似的目標(biāo)（控制LED發(fā)光二極管）進(jìn)行聚類，可以采用繼電器等組合來實現(xiàn);以相似的技術(shù)思想（無線藍(lán)牙模塊用聲音模塊替代）進(jìn)行聚類，可以設(shè)計出聲控窗簾、聲控日光燈、聲控掃地機(jī)器人等。此外，還可以通過學(xué)科整合實現(xiàn)更多效果。因此，教學(xué)中希望學(xué)生以無線藍(lán)牙控制為出發(fā)點(diǎn)，盡可能多地創(chuàng)造有聚類性質(zhì)的電子作品。

六、教學(xué)實踐中四個環(huán)節(jié)

（一）復(fù)習(xí)舊知

引入新課本環(huán)節(jié)主要是通過引領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)《傳感器的應(yīng)用》所學(xué)過的各種傳感器以及對LED的控制，以便于教學(xué)的展開，也為后面學(xué)生的拓展應(yīng)用做鋪墊。

（二）突破重點(diǎn)

解決困惑本環(huán)節(jié)重點(diǎn)問題，也就是Arduino控制舵機(jī)的方法。首先向?qū)W生表明，Arduino中對舵機(jī)的控制不能直接將LED連接到數(shù)字口上，因為針腳直接輸出的電流很小，無法帶動電機(jī)轉(zhuǎn)動，所以需要依賴于繼電器電路作驅(qū)動。

講解JL2009繼電器及接線法并提示學(xué)生按操作接線。線路連接后，便可以進(jìn)行程序編寫。通過編寫程序，先嘗試控制LED發(fā)光二極管，讓其亮起來。

（三）合作學(xué)習(xí)

成就自我，超越自我，是學(xué)習(xí)和掌握知識的最終目標(biāo)。完成最終作品，也就是實現(xiàn)智能手機(jī)發(fā)送無線信號給無線藍(lán)牙并指揮舵機(jī)工作，繼續(xù)通過小組合作學(xué)習(xí)的形式完成。由于學(xué)生首次開始接觸無線藍(lán)牙傳感器模塊，課前事先將藍(lán)牙模塊及使用說明發(fā)給學(xué)生，以各自組名作為無線網(wǎng)卡連接名。這樣，課堂中的測試學(xué)生就不需要人手一臺手機(jī)了，當(dāng)作品完成后，由教師通過智能手機(jī)來一一檢測。

（四）拓展提升

為鼓勵學(xué)生產(chǎn)生一些創(chuàng)意想法，教師提供幾種方案作參考，如改為聲控傳感模塊，將舵機(jī)控制開關(guān)亮燈改為直接使用繼電器控制亮燈等。同學(xué)們在完成課程目標(biāo)后能夠結(jié)合其他學(xué)科的知識，善于觀察周圍的事物，善于在生活中發(fā)現(xiàn)問題，感受科技帶來的好處，發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，設(shè)計與開發(fā)出更有創(chuàng)意、具生活意義的作品。

七、教學(xué)反思

從課堂反饋來看，大部分學(xué)生基本都已掌握這個知識點(diǎn)。從任務(wù)完成情況來看，全班30人（共5組）全部完成了基礎(chǔ)任務(wù)。對于拓展任務(wù)，有3組學(xué)生完成了聲控舵機(jī)，另有1組學(xué)生實現(xiàn)光控繼電器，此外還有許多學(xué)生都提出了創(chuàng)意想法，如智能手機(jī)控制風(fēng)扇、手機(jī)控制窗簾、手機(jī)控制電視機(jī)、手機(jī)控制電熱水器、手機(jī)控制電飯鍋煮飯等。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅掌握了Arduino機(jī)器人的基本知識，提高動手能力、增強(qiáng)團(tuán)隊合作能力，同時對Arduino在實際生活中的應(yīng)用也有了更多的思考，并大大地激發(fā)了學(xué)生無限的想象力。

【本文系東莞市教育科研"十三五"規(guī)劃2019年度課題“初中人工智能創(chuàng)客教育校本課的建設(shè)與實施試行方案”成果（課題編號：2019GH119）】

參考文獻(xiàn)：

[1]吳漢清.Arduino圖形化編程進(jìn)階實戰(zhàn)：ArduBlock編程制作項目11例.北京：人民郵電出版社.2017.10? P10-P22