資源簡介

中小學教育資源及組卷應用平臺
信息技術《抽獎盒子——控制舵機》教學設計
課題 《抽獎盒子——控制舵機》 單元 四單元 學科 信息技術 年級 八年級
教材分析 《抽獎盒子——控制舵機》這一主題活動來自學生對“舵機”的認識和學習，了解轉盤的制作是通過對“舵機”的控制來實現的。掌握了使用開源軟件制作“大轉盤”，這對于提高學生知識技能有很大幫助，同時也提高了學生的動手實踐能力。
學習目標 1.信息意識：建立將“舵機”轉向制作“大轉盤”的方法應用到學習中的意識；2.計算思維：培養使用數學方法解決“轉盤”轉角度數變化的思維方式；3.數字化學習與創新：認識數字化學習環境的優勢和局限，適應數字化學習環境，養成相應的學習習慣；4.信息社會責任：在信息社會學習中，尊重他人，提高自己的道德文化素養。
重點 掌握使用開源軟件制作“大轉盤”抽獎游戲
難點 學習和掌握“舵機”的含義與制作
教學過程
教學環節 教師活動 學生活動 設計意圖
導入新課 導入：師：同學們有在超市里玩過大轉盤游戲嗎？轉盤的中獎區是怎么分布的？一起說說。 學生思考并回答問題 有問題引出今天的學習內容
講授新課 學習任務在班會活動或學校聯歡會中，為烘托氛圍，經常有抽獎環書。作為一個小創客，請你利用手中的器材為活動設計制作一個抽獎盒子。基本要求：假設共有三個類別的獎品，按一下按鈕，指針能夠隨機轉到某種類別的獎品位置。任務分析日常生活中我們經常使用的抓鬮、抽簽等方法就是簡單隨機問題處理方法。用戶在注冊一些網上的應用時也會遇到隨機生成驗證碼的情況，這與本節的任務是類似的，都是隨機問題。要模擬隨機，先要能產隨機數，讓隨機數與獎品對應；其次是控制指針指向該隨機數所代表的獎品位置。因此，本節要解決的關鍵問題有兩個：一是如何產生隨機數，二是如何控制指針移動。研究開源硬件Arduino控制板會發現，它提供了一個隨機數產生器，可隨機生成一個數值，生成的隨機數取值范圍是在隨機數產生器中通過最小值和最大值來設定的。拓展延伸隨機驗證碼1.隨機字符串生成器：可以使用隨機字符串生成器來生成包含數字和字母的隨機字符串。這些字符串可以作為短信驗證碼使用。常見的字符串生成器包括Python中的random模塊和Java中的Secure Random類。2.哈希函數：可以將當前時間戳和一個隨機的字符串進行哈希運算，生成一個隨機數。這個隨機數可以作為短信驗證碼使用。這種方法可以防止黑客通過猜測算法來生成驗證碼。在開源硬件Arduino套件中，要實現運行時使指針在規定的范圍內隨機轉動，指向隨機的獎品類別，我們需思考：是通過控制馬達的正轉、反轉和停止使指針旋轉，還是使用舵機控制其旋轉角度來實現。需要進一步分析的是，對于馬達我們只能控制旋轉的方向，而舵機可以控制旋轉的角度，所以我們采用編寫程序通過控制舵機帶動指針轉動的方式。那么隨機數與舵機轉動角度之間又有怎樣的關系呢 通過查看舵機的說明我們知道，舵機初始化時指向0°角，有效范圍是-90°角到90°角，在這里我們設置隨機數產生器的最小值是-6，最大值是6。如果產生的隨機數是“6”，則舵機轉動角度為90°；如果產生的隨機數是“-6”則舵機轉動-90°。所以，轉動角度的計算表示為“隨機數*15”。通過如上分析可知，我們需要準備如下器材來完成本節任務：Arduino UNO控制板、按鈕、舵機、杜邦線若干、USB數據線等。拓展延伸舵機：舵機是指在自動駕駛儀中操縱飛機舵面（操縱面）轉動的一種執行部件。分有：①電動舵機，由電動機、傳動部件和離合器組成。接受自動駕駛儀的指令信號而工作；②液壓舵機，由液壓作動器和旁通活門組成。當人工駕駛飛機時，旁通活門打開，由于作動器活塞兩邊的液壓互相連通而不妨礙人工操縱。操作指南一、利用仿真環境編寫控制程序1.利用仿真環境模擬設備連接（1）啟動Linkboy軟件，進入“專家模式”。（2）單擊“模塊”標簽，在顯示的列表中選擇“Arduino主板類”選項后，選擇“型號UNO”控制器并拖拽到編程區。（3）在“模塊”標簽列表中選擇“馬達類”選項后，選擇“帶限位角度”的舵機，如圖所示，拖拽到編程區。（4）在“模塊”標簽列表中選擇“按鍵輸類”選項后，選擇“黃按鈕”，如圖所示，拖拽到編程區。（5）在“模塊”標簽列表中選擇“數據處理和變換類”選項后，選擇“隨機數產生器”，如圖所示，拖拽到編程區。此時暫不設置隨機數產生器的最小值和最大值。2.元器件仿真連接將鼠標指針分別移動到“舵機”和“黃按鈕”模塊引腳，按程序提示把模塊引腳連接到可接入的控制器端口，如圖所示。3.編寫控制程序（1）單擊“隨機數產成器”仿真圖，在提示窗口中，分別通過鍵盤輸入最小值“-6”和最大值“6”，如圖所示。因為要使舵機上的指針有明顯的角度變化，所以最小值和最大值間隔不宜過多。（2）編寫“黃按鈕”控制程序。①單擊“黃按鈕”，在提示窗口中選擇“按鈕按下時”選項，如圖所示。②單擊“條件量”位置，編寫條件程序，如圖所示。③在編程區的虛線區域中雙擊鼠標左鍵，生成一行空白程序指令，將其拖放在“黃按鈕按鈕按下時”的模塊內，如圖所示。(3）編寫“舵機”控制程序。①在指令的“表達式編輯器”窗口中，選擇“舵機”中的“角度”選項后，再選擇“舵機角度=數值量”表達式，如圖所示。②單擊閃爍的“數值量”，輸入程序代碼。在“表達式編輯器”窗口中選擇“運算”選項中的“數值量*數值量”表達式，如圖所示。③單擊第一個“數值量”位置，在“表達式編輯器”窗口中選擇“隨機數產生器”中的“新數據”事件處理指令，如圖所示。④單擊第二個“數值量”位置，在“表達式編輯器”窗口中選擇“舵機”中的“角度”參數，如圖所示。程序說明：我們設計如圖所示的三個不同級別的獎項區域，為了避免指針指到獎項的分界線上，可適當調整獎項邊界位置當產生的隨機數值是-6、-5、-4時，舵機指針指向綠色區域；當產生的隨機數值是-3、-2、-1、0、1時，舵機指針指向紅色區域；當產生的隨機數值是2、3、4、5、6時，舵機指針指向藍色區域。4.仿真運行（1）單擊標題欄中的仿真運行圖標 ，通過計算機仿真運行編寫好的程序代碼,如圖所示。（2）測試當單擊“黃按鈕”時，舵機指針隨機轉到不同位置。經過仿真運行測試，判斷是否能達到任務設計要求，如有問題，可修改設置直至效果達到要求。二、完成硬件的物理連接在不連接USB接口的情況下，按照仿真環境所示，將各個元器件通過杜邦線連接起來，如圖所示。三.下載控制程序并測試抽獎盒子效果1.下載控制程序正確完成實物連接后，通過USB接口連接控制板和計算機，在標題欄中單擊“下載程序到控制板中”的功能圖標 。在“Arduino串口下載器”窗口中，選擇計算機識別出的串口號，選擇“開始下載”命令，將代碼下載到Arduino控制板中。2.實際運行，測試設備（1）制作一個指針形狀的紙片固定在舵機上（更易觀察測試效果），如圖所示。（2）不斷調試和修改，直到滿足需求。最后我們一起觀看視頻再次認識一下“舵機”。任務小結通過Linkboy軟件完成抽獎盒子的項目設計后，我們更加清晰了解了Linkboy程序設計的思想——基于事件的控制方案。程序功能搭建以各類硬件模塊為主體，功能模塊可以觸發不同的事件，如按鈕類可以觸發按下和松開的事件，各類傳感器可直接讀取測量的數值，輸出類模塊可以直接采用指令去控制，整個的程序搭建過程就是向各個事件框里添加指令序列的過程。同時，軟件平臺提供硬件模塊連線機制，通過鼠標連接好導線，軟件自動生成底層代碼。在功能實現后，我們按照仿真線路連接實物，下載程序后即可運行。知識鏈接1.舵機又叫伺服馬達，是一種特殊的馬達。其特點是，可以通過程序準確地控制輸出軸轉動的位置，并將其維持在指定位置上。這一功能得益于舵機內置的控制電路和角度傳感器的作用，所以舵機經常被用在控制機械臂、機械手等精度要求較高的執行器上。2.電機直流電機是最常見的電機類型。直流電機通常只有兩根引線，一個正極和一個負極。如果將這兩根引線直接連接到電源，電機將旋轉；如果切換引線，電機將以相反的方向旋轉。我們一起觀看視頻，學習一下使用“舵機”制作控制機械臂的方法。作業布置請同學們根據本節課的學習內容，回去自己動手制作一個“大轉盤”，可以增加一些自己的創新想法，下節課，在課上和大家一起分享一下，你的制作想法。 學生初步了解今天的學習內容學生了解隨機驗證碼的生成方法學生掌握制作“大轉盤”所需的材料學生了解舵機的含義和種類學生掌握使用開源軟件制作“大轉盤”的方法和步驟制作完成之后要進行測試和仿真運行學生掌握“任務小結”的學習內容學生更深入了解“舵機”的含義以及電流機 任務分析有助于學習更好地理解本節課的學習內容拓展延伸學生知識技能，讓學生對本節課的學習有一個初步的了解準備材料，制作“大轉盤”拓展延伸學生知識，增加學生知識技能增加學生知識技能提高學生動手實踐能力增加學生知識技能增加學生知識技能
課堂練習 同學們思考一下海洋什么方法可以制作“大轉盤”，并且效果跟使用“舵機”制作的一樣。 學生完成課堂練習 鞏固所學知識
課堂小結 學生總結本節課的學習內容 總結概括本節課的學習內容
板書 使用“舵機”轉動制作“大轉盤”“舵機”的含義及使用
21世紀教育網 www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁 （共 2 頁）
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《抽獎盒子——控制舵機》
河北大學版 初中版第二冊
內容總覽
教學目標
01
學習任務
02
任務分析
03
操作指南
04
任務小結
05
知識鏈接
06
目錄
08
07
課堂練習
課堂總結
09
板書設計
10
課后作業
教學目標
1.信息意識：建立將“舵機”轉向制作“大轉盤”的方法應用到學習中的意識；
2.計算思維：培養使用數學方法解決“轉盤”轉角度數變化的思維方式；
3.數字化學習與創新：認識數字化學習環境的優勢和局限，適應數字化學習環境，養成相應的學習習慣；
4.信息社會責任：在信息社會學習中，尊重他人，提高自己的道德文化素養。
新知導入
同學們有在超市里玩過大轉盤游戲嗎？轉盤的中獎區是怎么分布的？一起說說。
新知講解
學習任務
在班會活動或學校聯歡會中，為烘托氛圍，經常有抽獎環書。作為一個小創客，請你利用手中的器材為活動設計制作一個抽獎盒子。基本要求：假設共有三個類別的獎品，按一下按鈕，指針能夠隨機轉到某種類別的獎品位置。
新知講解
任務分析
日常生活中我們經常使用的抓鬮、抽簽等方法就是簡單隨機問題處理方法。用戶在注冊一些網上的應用時也會遇到隨機生成驗證碼的情況，這與本節的任務是類似的，都是隨機問題。要模擬隨機，先要能產隨機數，讓隨機數與獎品對應；其次是控制指針指向該隨機數所代表的獎品位置。
因此，本節要解決的關鍵問題有兩個：一是如何產生隨機數，二是如何控制指針移動。
研究開源硬件Arduino控制板會發現，它提供了個隨機數產生器，可隨機生成一個數值，生成的隨機數取值范圍是在隨機數產生器中通過最小值和最大值來設定的。
新知講解
拓展延伸
隨機驗證碼
1.隨機字符串生成器：可以使用隨機字符串生成器來生成包含數字和字母的隨機字符串。這些字符串可以作為短信驗證碼使用。常見的字符串生成器包括Python中的random模塊和Java中的Secure Random類。
2.哈希函數：可以將當前時間戳和一個隨機的字符串進行哈希運算，生成一個隨機數。這個隨機數可以作為短信驗證碼使用。這種方法可以防止黑客通過猜測算法來生成驗證碼。
新知講解
在開源硬件Arduino套件中，要實現運行時使指針在規定的范圍內隨機轉動，指向隨機的獎品類別，我們需思考：是通過控制馬達的正轉、反轉和停止使指針旋轉，還是使用舵機控制其旋轉角度來實現。需要進一步分析的是，對于馬達我們只能控制旋轉的方向，而舵機可以控制旋轉的角度，所以我們采用編寫程序通過控制舵機帶動指針轉動的方式。
新知講解
那么隨機數與舵機轉動角度之間又有怎樣的關系呢 通過查看舵機的說明我們知道，舵機初始化時指向0°角，有效范圍是-90°角到90°角，在這里我們設置隨機數產生器的最小值是-6，最大值是6。如果產生的隨機數是“6“，則舵機轉動角度為90°；如果產生的隨機數是“-6”則舵機轉動-90°。所以，轉動角度的計算表示為“隨機數*15”。
新知講解
通過如上分析可知，我們需要準備如下器材來完成本節任務：Arduino UNO控制板、按鈕、舵機、杜邦線若干、USB數據線等。
新知講解
舵機：舵機是指在自動駕駛儀中操縱飛機舵面（操縱面）轉動的一種執行部件。分有：①電動舵機，由電動機、傳動部件和離合器組成。接受自動駕駛儀的指令信號而工作；②液壓舵機，由液壓作動器和旁通活門組成。當人工駕駛飛機時，旁通活門打開，由于作動器活塞兩邊的液壓互相連通而不妨礙人工操縱。
拓展延伸
新知講解
操作指南
一、利用仿真環境編寫控制程序
1.利用仿真環境模擬設備連接
（1）啟動Linkboy軟件，進入“專家模式”。
（2）單擊“模塊”標簽，在顯示的列表中選擇“Arduino主板類”選項后，選擇“型號UNO”控制器并拖拽到編程區。（3）在“模塊”標簽列表中選擇“馬達類”選項后，選擇“帶限位角度”的舵機，如圖所示，拖拽到編程區。
新知講解
（4）在“模塊”標簽列表中選擇“按鍵輸類”選項后，選擇“黃按鈕”，如圖所示，拖拽到編程區。
新知講解
（5）在“模塊”標簽列表中選擇“數據處理和變換類”選項后，選擇“隨機數產生器”，如圖所示，拖拽到編程區。此時暫不設置隨機數產生器的最小值和最大值。
新知講解
2.元器件仿真連接
將鼠標指針分別移動到“舵機”和“黃按鈕”模塊引腳，按程序提示把模塊引腳連接到可接入的控制器端口，如圖所示。
新知講解
3.編寫控制程序
（1）單擊“隨機數產成器”仿真圖，在提示窗口中，分別通過鍵盤輸入最小值“-6”和最大值“6“，如圖所示。因為要使舵機上的指針有明顯的角度變化，所以最小值和最大值間隔不宜過多。
新知講解
（2）編寫“黃按鈕”控制程序。
①單擊“黃按鈕”，在提示窗口中選擇“按鈕按下時”選項，如圖所示。
新知講解
②單擊“條件量”位置，編寫條件程序，如圖所示。
新知講解
③在編程區的虛線區域中雙擊鼠標左鍵，生成一行空白程序指令，將其拖放在“黃按鈕按鈕按下時”的模塊內，如圖所示。
新知講解
(3）編寫“舵機”控制程序。
①在指令的“表達式編輯器”窗口中，選擇“舵機”中的“角度”選項后，再選擇“舵機角度=數值量”表達式，如圖所示。
新知講解
②單擊閃爍的“數值量”，輸入程序代碼。在“表達式編輯器”窗口中選擇“運算”選項中的“數值量*數值量”表達式，如圖所示。
新知講解
③單擊第一個“數值量”位置，在“表達式編輯器”窗口中選擇“隨機數產生器”中的“新數據”事件處理指令，如圖所示。
新知講解
④單擊第二個“數值量”位置，在“表達式編輯器”窗口中選擇“舵機”中的“角度”參數，如圖所示。
新知講解
程序說明：我們設計如圖所示的三個不同級別的獎項區域，為了避免指針指到獎項的分界線上，可適當調整獎項邊界位置當產生的隨機數值是-6、-5、-4時，舵機指針指向綠色區域；當產生的隨機數值是-3、-2、-1、0、1時，舵機指針指向紅色區域；當產生的隨機數值是2、3、4、5、6時，舵機指針指向藍色區域。
新知講解
4.仿真運行
（1）單擊標題欄中的仿真運行圖標 ，通過計算機仿真運行編寫好的程序代碼,如圖所示。
（2）測試
當單擊“黃按鈕”時，舵機指針隨機轉到不同位置。經過仿真運行測試，判斷是否能達到任務設計要求，如有問題，可修改設置直至效果達到要求。
新知講解
二、完成硬件的物理連接
在不連接USB接口的情況下，按照仿真環境所示，將各個元器件通過杜邦線連接起來，如圖所示。
新知講解
三.下載控制程序并測試抽獎盒子效果
1.下載控制程序
正確完成實物連接后，通過USB接口連接控制板和計算機，在標題欄中單擊“下載程序到控制板中”的功能圖標 。在“Arduino串口下載器”窗口中，選擇計算機識別出的串口號，選擇“開始下載”命令，將代碼下載到Arduino控制板中。
新知講解
2.實際運行，測試設備
（1）制作一個指針形狀的紙片固定在舵機上（更易觀察測試效果），如圖所示。
（2）不斷調試和修改，直到滿足需求。
新知講解
最后我們一起觀看視頻再次認識一下“舵機”。
新知講解
任務小結
通過Linkboy軟件完成抽獎盒子的項目設計后，我們更加清晰了解了Linkboy程序設計的思想——基于事件的控制方案。程序功能搭建以各類硬件模塊為主體，功能模塊可以觸發不同的事件，如按鈕類可以觸發按下和松開的事件，各類傳感器可直接讀取測量的數值，輸出類模塊可以直接采用指令去控制，整個的程序搭建過程就是向各個事件框里添加指令序列的過程。同時，軟件平臺提供硬件模塊連線機制，通過鼠標連接好導線，軟件自動生成底層代碼。在功能實現后，我們按照仿真線路連接實物，下載程序后即可運行。
新知講解
知識鏈接
1.舵機又叫伺服馬達，是一種特殊的馬達。其特點是，可以通過程序準確地控制輸出軸轉動的位置，并將其維持在指定位置上。這一功能得益于舵機內置的控制電路和角度傳感器的作用，所以舵機經常被用在控制機械臂、機械手等精度要求較高的執行器上。
2.電機直流電機是最常見的電機類型。直流電機通常只有兩根引線，一個正極和一個負極。如果將這兩根引線直接連接到電源，電機將旋轉；如果切換引線，電機將以相反的方向旋轉。
新知講解
我們一起觀看視頻，學習一下使用“舵機”制作控制機械臂的方法。
課堂練習
同學們思考一下海洋什么方法可以制作“大轉盤”，并且效果跟使用“舵機”制作的一樣。
課堂總結
1.采用編寫程序的方法控制舵機帶動指針轉動；
2.學會使用開源軟件制作“大轉盤”；
3.學習“舵機”的含義，學會使用“舵機”制作器械設備。
板書設計
使用“舵機”轉動制作“大轉盤”
“舵機”的含義及使用
作業布置
請同學們根據本節課的學習內容，回去自己動手制作一個“大轉盤”，可以增加一些自己的創新想法，下節課，在課上和大家一起分享一下，你的制作想法。
謝謝
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