Arduino選修課閃爍燈教學案例

自2012年7月浙江省高中課程改革以來，我校信息技術教研組陸續研究、開發并開設了圖像處理、動畫制作、趣味編程等7門選修課程。其中，Arduino創意電子設計課程因為融機械、傳感與控制為一體，學生在手腦并用解決實際問題的過程中充分提高了邏輯思維、判斷與動手創新能力，成為我校眾多選修課程中最為火爆的一門。

“閃爍燈”是Arduino創意電子設計課程第二章第一節的內容。學生經過了第一章的學習，了解了Arduino控制板的接口，掌握了Arduino驅動程序的安裝，也熟悉了可視化編程環境ArduBlock，心中產生了親手制作一個作品的強烈欲望。通過這一節課的學習，學生開始真正去體驗Arduino強大的吸引力，從搭建硬件、編寫程序到完成調試，直至產生個性化的閃爍燈作品。

教學目標

1.通過制作閃爍燈，學會LED與Arduino控制板數字口的連接，了解編程的一般過程，掌握ArduBlock的基本模塊與語法。

2.體驗由自然語言描述到程序編寫的一般過程。

3.在使用可視化編程環境中，激發學生對編程的興趣。

教學重難點

重點：硬件的搭建，數字口的輸出。

難點：個性化的ArduBlock編程。

教學準備

Arduino三合一控制板、黃色紅色藍色LED各一塊、USB線、面包線三條，在學生機房環境中并安裝可視化編程環境ArduBlock，學生四人一組。

教學過程

1. 由生活實例引發教學情境

師：在我們的生活中，會有各式各樣不同形狀、不同功能的燈出現，甚至也有個性鮮明的燈（如圖1）。

師：請同學們討論一下這三種燈的不同作用以及它們是如何進行控制的？

師：前一章的學習中，我們已經體驗了Arduino電子作品的魅力，但是我們并沒有自己動手去完成制作，現在我們就要來一起制作一個屬于自己的LED閃爍燈。

2. 練習室階段：一個LED閃爍燈

教師介紹硬件環境的搭建：LED（Light Emitting Diode，發光二極管）是一種能夠將電能轉化為可見光的固態半導體器件，顏色有白、綠、藍等；高低電平可以驅動LED的亮滅。LED發光模塊有三根針腳，接線的時候黑線接GND，紅線接VCC，綠線接數字口。數字口0和 1不能接，它們用于Arduino與計算機通信。

學生四人一組開始硬件環境的搭建。

教師引導學生具體分析一個LED閃爍燈的實現，并用語言描述。數字口的輸出只有兩種情況，0（LOW）或1（HIGH），我們既可以讀取數字口的值，也可以給它輸入一個值（0或者1）。以LED為例，我們給數字口一個1（高電壓），LED被點亮；給數字口一個0（低電壓），LED被熄滅，同時還可以給予時間上的控制。

教師演示ArduBlock編程，如圖2所示。

圖2 一個LED閃爍燈的編程

學生四人一組完成調試，強調LED發光模塊針腳的區別與Arduino控制板對應的數字接口。

設計意圖：在教師的帶領下，學生嘗試設計一個簡單的LED閃爍燈的全過程。硬件環境搭建、自然語言描述、ArduBlock編程和完成調試這四個步驟，為下一步設計更加復雜的作品打下扎實的基礎。

3. 提高階段：模擬交通燈設計

教師引導學生分析模擬交通燈的現象：紅燈亮A秒之后滅掉，綠燈亮B秒之后滅掉，黃燈亮C秒之后滅掉，依此類推。

學生四人一組進行硬件環境的搭建。教師提示：將三個不同顏色的LED分別接在Arduino控制板的數字口上時，注意針腳的數字值是什么。

教師引導學生用自然語言描述模擬交通燈的實現。如紅燈亮A秒之后滅掉的現象，我們給數字口一個1（高電壓），LED被點亮，給予時間上的控制為A秒，再給數字口一個0（低電壓），LED被熄滅，其他顏色燈也如此。

學生開始ArduBlock編程，如圖3。

圖3 模擬交通燈的編程

設計意圖：在模擬交通燈的設計過程中，學生主要運用可視化編程環境ArduBlock中的基本模塊與語法來嘗試實現生活中的一個現象，為下一步實現自己的創意作品打下基礎。

4. 創意階段：跳動的音符燈

教師引導：在“中國好聲音”節目中，你見過隨著音樂而跳動的燈嗎？如圖4。

師：在設計跳動的音符燈時，主要考慮什么問題？

生：LED燈的點亮時間、持續時間與熄滅時間。

師：如何同時點亮兩個或多個LED燈？

學生針對自己的個性化音符燈進行具體分析，教師組織學生四人一組討論可視化編程環境ArduBlock中的基本模塊，如延遲與時間的設置。

學生四人一組在編程環境ArduBlock進行編程，以實現自己的個性化音符燈。

設計意圖：跳動的音符燈的設計，是讓學生在掌握ArduBlock中的基本模塊與語法的基礎上，通過自己思考、動手實踐，來設計出個性化的Arduino創意電子作品，進一步增強學好Arduino創意電子選修課程的信心。

5. 作品評價

學生以小組為單位，向大家展示音符燈的設計，并在ArduBlock中說明設計思路。

教師引導學生如何去評價Arduino創意電子作品的設計：一是作品的硬件搭建是否正確與接口連接的整潔。二是編程設計是否正確并調試效果明顯。三是作品的設計是否融入自己的想法。

（作者單位：浙江象山中學）

專家點評：

Arduino創意電子設計是一門涉及信息技術、電子電工、傳感技術等多領域的交叉學科，其教育實施正是促使學生整合科學、技術、數學領域的知識，以工程標準化的思想進行綜合實踐的過程，具有較強的教育價值。該選修課程的開發與實踐也對教師在多領域交叉學科上的知識、如何進行交叉學科的教學等方面提出了挑戰，張秀常老師敢于嘗試的勇氣與努力是值得肯定的。

從閃爍燈教學案例的設計過程上看，由練習階段、提高任務到創意作品的三步教學，不但照顧到了不同學習起點、不同認知水平的高一新生，而且在學習可視化編程環境ArduBlock的梯度上，也做到了環環相扣、層層遞進。隨堂聽課時我發現，學生學習積極性高漲，學習的效果也非常不錯。

（點評人：浙江象山縣教育局教研室 陳賢杰）