基于Arduino之機器人創客項目

楊宇歡

摘? 要：隨著科技的發展，以智能控制為基礎的機器人教育也逐漸地受到重視和推廣。近年來，許多教育學者都在不斷地探索機器人教學的內容、思路和方法。本課題以Arduino硬件基礎，結合無線藍牙模塊控制亮燈的實例進行教學實踐探索，通過運用現代教學法讓學生獨立制作無線藍牙控制系統，可以培養和提高學生的創造能力，為機器人教育教學提供了一種新思路。

關鍵詞：Arduino創客;Arduino無線藍牙控制

目前絕大多數的機器人教學是以競賽、興趣小組的形式開展，真正進行課堂普及教學的例子較少。本課題以無線藍牙模塊控制燈光為例，引導學生在學習機器人知識和技術的同時，體驗機器人技術的生活應用。

一、選題背景

本課題我們運用Arduino作為硬件基礎來展開。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境，通過控制燈光、馬達和其他的裝置來完成各種“動作”。比其他單片機更容易上手，更易實現各種創意制作。

在中小學機器人教育教學中，對傳感器的運用既是重點又是熱點。本課題設計“無線藍牙控制亮燈”的事例來講解Arduino機器人中對無線藍牙模塊的控制。在機器人及創客項目教學中，學生們已經了解到一些智能家居中的智能設備的知識。傳統的“開關燈”動作需要人手動去完成，而開關本身就是一個簡單的電器裝置，缺乏智能控制功能。本課題設計可以提高學生的學習興趣，拓展視野。通過動手焊接，組裝，編寫程序，同時可以激發更多的創意想法，設計出更加有趣、有生活意義的作品。

二、方案設計

（一）教材與學生情況分析

本課題是來源于自編校本教材《傳感器的應用》創客項目之DIY制作課。教材中已經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機器人的基本控制方法，這為本課題的教學奠定了一定的基礎。

（二）教學目標

1.掌握Arduino主板連接無線藍牙模塊的方法。2. 熟悉ARDUBLOCK圖形化編程平臺，學習掌握圖形編程命令。3.制作無線藍牙控制開關系統，體驗創客的樂趣。

（三）方案的設計與選擇

本課題重點是讓學生學會Arduino與無線藍牙模塊的連接。為檢驗和鞏固他們對創客項目關于傳感器的運用能力，課程設計了一個控制LED發光二極管的檢測程序作為基礎。綜合考慮教學目標和課堂時間、難度等因素，本課題內容選擇2節課完成;第一節課主要內容為：Arduino與無線傳感器模塊硬件的知識學習和硬件的連接;第二節課主要內容為：程序的編寫與測試。

準備硬件有：Arduino R3主板、HC-05無線藍牙模塊、舵機、7.4V鋰電池組等。

1.認識Arduino R3開發板

本節課使用的開發板是UNO已經發布的第三版，該開發板兼容絕大多數的3.3V至5V直流電壓的傳感器。

2.認識HC-05無線藍牙傳感模塊

本課題用到的無線藍牙傳感模塊符合V2.0+EDR藍牙規范。通過它來接收由智能手機發射的藍牙無線信號來實現指令傳達。模塊另有一特點，就是可以用PIN碼進行校驗，增強了安全性。

3.硬件組建

硬件組建前，準備好材料。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官方編程環境的第三方軟件，依附于ArduinoIDE軟件運行，使用圖形化積木組建的方式編程，可視化和交互性強，編程門檻低，學生容易上手。

五、應用拓展

學習具有“聚類”特點，新知識的獲取還是原有知識的同化，都習慣以 “類”為依據進行加工、存儲和提取，即：相似的目標、相似的功能、相似的技術思想聚類。根據聚類思想，可以拓展出很多應用。如：以Arduino主板控制進行聚類，設計直流電機轉動;以相似的目標（控制LED發光二極管）進行聚類，可以采用繼電器等組合來實現;以相似的技術思想（無線藍牙模塊用聲音模塊替代）進行聚類，可以設計出聲控窗簾、聲控日光燈、聲控掃地機器人等。此外，還可以通過學科整合實現更多效果。因此，教學中希望學生以無線藍牙控制為出發點，盡可能多地創造有聚類性質的電子作品。

六、教學實踐中四個環節

（一）復習舊知

引入新課本環節主要是通過引領學生學習《傳感器的應用》所學過的各種傳感器以及對LED的控制，以便于教學的展開，也為后面學生的拓展應用做鋪墊。

（二）突破重點

解決困惑本環節重點問題，也就是Arduino控制舵機的方法。首先向學生表明，Arduino中對舵機的控制不能直接將LED連接到數字口上，因為針腳直接輸出的電流很小，無法帶動電機轉動，所以需要依賴于繼電器電路作驅動。

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

（三）合作學習

成就自我，超越自我，是學習和掌握知識的最終目標。完成最終作品，也就是實現智能手機發送無線信號給無線藍牙并指揮舵機工作，繼續通過小組合作學習的形式完成。由于學生首次開始接觸無線藍牙傳感器模塊，課前事先將藍牙模塊及使用說明發給學生，以各自組名作為無線網卡連接名。這樣，課堂中的測試學生就不需要人手一臺手機了，當作品完成后，由教師通過智能手機來一一檢測。

（四）拓展提升

為鼓勵學生產生一些創意想法，教師提供幾種方案作參考，如改為聲控傳感模塊，將舵機控制開關亮燈改為直接使用繼電器控制亮燈等。同學們在完成課程目標后能夠結合其他學科的知識，善于觀察周圍的事物，善于在生活中發現問題，感受科技帶來的好處，發揮想象力和創造力，設計與開發出更有創意、具生活意義的作品。

七、教學反思

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

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

參考文獻：

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