資源簡介

普 通 高 中 教 科 書
《通用技術(shù)》選擇性必修2
機器人設(shè)計與制作
第三章　機器人的控制器
第 二 節(jié) Arduino控制器平臺
教學(xué)設(shè)計
教學(xué)背景
黨的二十大明確指出，“教育、科技、人才是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。必須堅持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力，深入實施科教興國戰(zhàn)略、人才強國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，開辟發(fā)展新領(lǐng)域新賽道，不斷塑造發(fā)展新動能新優(yōu)勢”。
機器人是20世紀(jì)人類的偉大發(fā)明，今天，它不僅能夠代替人類登陸火星和潛入幾千米以下的深海，還可以不知疲倦地工作在各種生產(chǎn)線上，并服務(wù)于我們的日常生活。
關(guān)于機器人，我國科學(xué)家認(rèn)為機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)為工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機。
教學(xué)目標(biāo)：
知識與技能目標(biāo):
1.了解Arduino控制器平臺的硬件結(jié)構(gòu)。
2.掌握Arduino控制器平臺的基本編程方法。
教學(xué)內(nèi)容分析:
機器人是一種能夠按照預(yù)先設(shè)計程序而自動執(zhí)行工作的機械裝置。當(dāng)前機器人已經(jīng)大規(guī)模地走進工業(yè)生產(chǎn)、軍事、政府管理、商業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域，它們可以幫助或代替人類完成不同的工作，在各個方面影響著人類的生活。通過本章的學(xué)習(xí)，讓我們來初步了解和認(rèn)識機器人吧。
控制器是機器人的大腦，它負(fù)責(zé)收集機器人周圍環(huán)境及其工作對象的各種有用信息，在程序控制下進行分析判斷并做出反應(yīng)，控制相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)完成相應(yīng)動作。一般機器人的控制器都是由計算機系統(tǒng)組成，而簡易機器人的控制器則主要由稱為單片機的微型計算機系統(tǒng)組成。
學(xué)情分析:
生活在科技迅猛發(fā)展的21世紀(jì)，同學(xué)們有必要了解一些機器人的知識，因為未來的機器人將對我們的生活和工作產(chǎn)生巨大的影響。
　　自己動手制作機器人是讓同學(xué)們了解機器人的最好手段。同學(xué)們一起進入機器人設(shè)計與制作的精彩世界吧。
教學(xué)重難點:
了解Arduino控制器平臺的硬件結(jié)構(gòu)。
掌握Arduino控制器平臺的基本編程方法。
教學(xué)策略:
本節(jié)課教學(xué)主要由教師通過實物和多媒體手段設(shè)置學(xué)習(xí)情境，并加以引導(dǎo)，讓學(xué)生在過程中發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)、培養(yǎng)實踐能力、提升創(chuàng)新意識、開闊認(rèn)知視野；將自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)等多種學(xué)習(xí)方式滲透進學(xué)生的學(xué)習(xí)和教師的教學(xué)當(dāng)中；不斷嘗試現(xiàn)代教育技術(shù)和方法的運用。
教學(xué)準(zhǔn)備:
展示用的圖片、其他技術(shù)產(chǎn)品、多媒體課件。
教學(xué)過程:
情景倒入:
老師：本節(jié)課我們學(xué)習(xí)《通用技術(shù)》選擇性必修2第三章　機器人的控制器第 二 節(jié) Arduino控制器平臺。
情景
2005年，意大利伊夫雷亞交互設(shè)計研究所的老師為了給學(xué)生提供一套便宜易用的電子控制實驗平臺，聯(lián)合西班牙的微控制器設(shè)計師和學(xué)生設(shè)計出來了一套控制器應(yīng)用開發(fā)平臺，取名為Arduino。它包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE），由于它的硬件和軟件都是開放的，自問世以來經(jīng)過無數(shù)次的修改和完善，成為世界各地制作愛好者的寵兒。
一、認(rèn)識Arduino平臺主要硬件
觀察
觀察老師提供的Arduino主板實物，并結(jié)合圖3-9的圖示，認(rèn)識Arduino主板的主要硬件。
通過觀察如圖3-9的Arduino核心主板，芯片運行頻率是16MHz。板上還有一個與PC機連接的USB接口和28個用于連接外部設(shè)備的插孔（或引腳），其中有20個專門用于輸入/輸出接口，這20個接口中有6個可用來作為模擬輸入口，6個可以用來產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號輸出口。該主板可用USB接口供電，也可通過外接電源接口供電。
除了主板，Arduino還有各種功能的擴展板，如電機驅(qū)動板、各種傳感器接口板等，以適應(yīng)各種實際應(yīng)用。
二、編寫Arduino程序
Arduino的編程有以下兩種方式。
1．編寫代碼方式
Arduino核心主板的代碼編程可以利用很多種開發(fā)環(huán)境來實現(xiàn)，例如Arduino的官方提供的開源Arduino IDE，可以完成程序代碼編寫、編譯和上傳，它基于Processing IDE進行開發(fā)，當(dāng)進入Arduino IDE界面后，選擇好對應(yīng)的開發(fā)板類型就可在其編程界面直接輸入C語言程序并進行編譯上傳。
2．圖形化界面方式
盡管Arduino上手非常簡單，只要學(xué)一些簡單的入門編程知識，就能快速使用。但是，對于初學(xué)者來說，代碼編程仍然存在著一定的技術(shù)難度，所以現(xiàn)階段出現(xiàn)了大量易學(xué)易懂的圖形化編程軟件，例如Google Blockly、Scratch、Ardublock、Webduino和Mixly等。
使用圖形化編程環(huán)境可輕松通過程序塊的拖選、連接，修改對應(yīng)的參數(shù)來實現(xiàn)對程序的設(shè)計，完成后對程序進行“編譯”就可以“上傳”到Arduino開發(fā)板當(dāng)中。
實踐
制作一個簡易流水燈
利用Arduino制作一個簡單的流水燈，讓3個LED燈依次亮起，形成流水的效果。使用的材料有Arduino開發(fā)板、面包板、導(dǎo)線、LED燈和電阻等（圖3-10）。
方法指導(dǎo)
1．硬件的連接
如圖3-11所示進行接線。把3個LED燈的負(fù)極對應(yīng)接入到 Arduino 主板的2、3、4號數(shù)字輸入/輸出引腳中，它們的正極接在一起后通過一個300~5002的電阻接到Arduino主板的電源上（VCC）。
2．軟件的分析和設(shè)計
要使3個LED燈完成流水效果， 最關(guān)鍵就是讓LED燈按順序依次亮起，它們的亮滅關(guān)系如表3-2所示。
表3-2 LED燈狀態(tài)
狀態(tài) LED燈1 LED燈2 LED燈3
狀態(tài)1 亮 滅 滅
狀態(tài)2 滅 亮 滅
狀態(tài)3 滅 滅 亮
利用程序分別實現(xiàn)這3種亮燈的狀態(tài)，并使它們之間加入一點延時，以便于觀察，即可完成流水燈的制作。程序設(shè)計的流程圖如圖3-12。
3.程序的編寫
（1）方法一。根據(jù)程序流程圖，利用圖形化的編程環(huán)境對程序進行編寫，按照硬件的連接方式，當(dāng)Arduino的引腳輸出低電平時，LED燈亮；當(dāng)輸出高電平時，LED燈滅，如圖3-13所示。
（2）方法二。用編寫代碼方式對Arduino進行編程：
程序設(shè)計完成后需要對程序進行編譯，才能上傳到Arduino開發(fā)板中。上傳成功后可以看到3個LED燈每隔1s依次亮起的效果，如圖3-14所示。
板書設(shè)計
第 二 節(jié) Arduino控制器平臺
一、認(rèn)識Arduino平臺主要硬件
二、編寫Arduino程序
1．編寫代碼方式
2．圖形化界面方式
教學(xué)反思
通用技術(shù)
選擇性必修2
電子控制技術(shù)
普 通 高 中 教 科 書
主 編 劉瓊發(fā)
副 主 編：李 榕 周衛(wèi)星 朱美健 席春玲
本 冊 主 編：李 榕
本冊副主編：鄭永駒 鐘清華
編 寫 人 編：
張百睿 李 榕 鄭永駒 鐘清華　周 嘉 龔澤祥 胡智豪
廣東教育出版社
廣東科技出版社

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