王 娟，胡來林

（溫州大學(xué) 教師教育學(xué)院，浙江 溫州 325035）

美國2007年發(fā)布的《創(chuàng)新美國：擬定科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)議程》共同綱領(lǐng)中指出：當(dāng)今世界只有具有STEM素養(yǎng)的人才才能在知識經(jīng)濟時代的激烈競爭中贏得勝利，STEM素養(yǎng)是指個體在科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域及其交叉領(lǐng)域運用個人關(guān)于世界運行方式的知識的能力。[1]機器人是一門涉及運動學(xué)和動力學(xué)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)等多領(lǐng)域的交叉學(xué)科，其教育實施正是促使學(xué)生整合科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)領(lǐng)域的知識，以工程標(biāo)準(zhǔn)化的思想進行綜合實踐的過程，具有較強的教育價值。

一、Arduino機器人教育的優(yōu)勢

我國教育部從2003年起把中小學(xué)機器人比賽納入全國中小學(xué)電腦制作活動中，2003年頒布的普通高中新課程標(biāo)準(zhǔn)又將“人工智能基礎(chǔ)”及“簡易機器人制作”列入信息技術(shù)課程的選修內(nèi)容。[2]在制度保障及技術(shù)發(fā)展背景下，智能機器人教育在全國中小學(xué)獲得迅速發(fā)展，但同時也暴露出一些偏差。諸多學(xué)者從教育目標(biāo)、教學(xué)形式、師資力量、設(shè)備資源等角度分析了制約中小學(xué)機器人教育發(fā)展的因素，[3][4]但筆者認為，目前最主要的矛盾之一集中于機器人設(shè)備內(nèi)核技術(shù)的開源程度上。Arduino這一開源硬件機器人的出現(xiàn)打破了上述矛盾，其獨特的優(yōu)勢為中小學(xué)機器人教育打開了新的思路。

1.開源性使軟硬件獲取便利

Arduino源自意大利的一個開放源代碼的硬件項目平臺，該平臺包括一塊具備簡單I/O功能的電路板以及一套程序開發(fā)環(huán)境軟件，從Arduino官網(wǎng)（http://arduino.cc）可免費下載其硬件電路設(shè)計圖及程序開發(fā)平臺軟件。使用者可以根據(jù)電路圖自己焊接Arduino主板，也可通過淘寶等網(wǎng)絡(luò)途徑購買成品，價格便宜。其他的擴展板、傳感器等，也可通過網(wǎng)絡(luò)根據(jù)自身需要購置，且價格低廉。

2.功能可擴展性保障教學(xué)靈活且學(xué)生參與性高

Arduino不僅能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達和其他的裝置來反饋環(huán)境信息，實現(xiàn)簡易機器人設(shè)計，還可以在Flash、Processing等一些軟件之間進行通信，實現(xiàn)互動媒體設(shè)計。豐富且易擴展性的特征，使機器人成為學(xué)生參與性學(xué)習(xí)的優(yōu)秀平臺。

3.圖形化編程平臺方便中小學(xué)生學(xué)習(xí)

Arduino文本式的編程環(huán)境不利于中小學(xué)生學(xué)習(xí)，但 Arduino愛好者們已開發(fā)出ArduBlock、Miniblog、S4A等圖形化編程軟件。這些圖形化編程環(huán)境以圖形化積木搭建的方式編程，加強了編程的可視化和交互性，降低了編程門檻，即使完全沒有編程經(jīng)驗的人也可以嘗試給Arduino控制器編寫程序，符合中小學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣及認知水平要求。

4.網(wǎng)絡(luò)共享資源豐富

Arduino豐富的功能及其開源思想使其愛好者遍布全球，由此也產(chǎn)生了諸多Arduino學(xué)習(xí)論壇或分享社區(qū)。初學(xué)者可以通過這些網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源獲得豐富且持久的技術(shù)支持，這一特性與現(xiàn)有機器人制造廠商封閉核心技術(shù)的現(xiàn)象形成了鮮明對比。

二、Arduino機器人開發(fā)的硬件環(huán)境

1.Arduino硬件類型

為了適應(yīng)不同用戶的需求，Arduino有多種型號，[5]其中Arduino Duemilanove是一款最基本的Arduino產(chǎn)品，后續(xù)的很多產(chǎn)品都是在這款產(chǎn)品的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。如Arduino Nano去掉了直流電源接口，采用Mini-B標(biāo)準(zhǔn)的USB接口連接電腦，是一款縮小版的Arduino Duemilanove；Arduino BT則包含了一個Bluegiga WT11藍牙模塊，支持藍牙無線串行通信；LilyPad Arduino則是一款專用于服裝設(shè)計領(lǐng)域，嘗試在服飾和人之間產(chǎn)生更多藝術(shù)互動的Arduino產(chǎn)品。目前Arduino主推的產(chǎn)品是Arduino Uno，它與之前的Arduino最大的不同在于采用ATmega8U2芯片進行USB到串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。使用者可以根據(jù)對設(shè)計功能的不同需求選擇相應(yīng)的Arduino產(chǎn)品。

2.Arduino主要硬件資源

不同型號的Arduino其硬件資源也有所差異，但基礎(chǔ)配置包括以下部分：

（1）控制器。控制器是Arduino產(chǎn)品的核心部分，以Arduino Duemilanove為基礎(chǔ)的多數(shù)產(chǎn)品均采用AT-mega168或ATmega328單片機；資源更為豐富的Arduino Mega2560則采用ATmega2560作為控制器，它具有更大的程序存儲容量，可接入的I/O數(shù)也更多。

（2）輸入輸出接口。根據(jù)控制器的性能差異，不同Arduino產(chǎn)品的輸入輸出接口數(shù)量也有所不同。以Arduino Duemilanove為例，包括14個數(shù)字I/O接口和6個模擬I/O接口，其中數(shù)字I/O接口中有6個提供PWM輸出，PWM是利用數(shù)字輸出控制模擬電路的一種有效技術(shù)。

（3）電腦連接或程序燒寫接口。根據(jù)使用者對Arduino產(chǎn)品尺寸要求的差異，Arduino或通過獨立USB接口支持程序燒寫，或通過由USB/RS232轉(zhuǎn)換成TTL的適配器解決該問題，而對Arduino BT而言，其內(nèi)置的藍牙模塊即可支持通過藍牙適配器進行程序燒寫。

Arduino的資源在其集成板上均有明確標(biāo)注，方便使用者。

三、Arduino機器人開發(fā)的軟件環(huán)境

1.Arduino開發(fā)環(huán)境設(shè)置

Aruduino的開發(fā)環(huán)境是以AVR-GCC和其他一些開源軟件為基礎(chǔ)，采用Java編寫的。軟件無需安裝，下載完成解壓縮后就可以直接打開使用了。開發(fā)環(huán)境的主界面如圖1所示。

在應(yīng)用程序編寫之前，需要進行以下三項內(nèi)容的設(shè)置：

（1）安裝驅(qū)動程序

首次將Arduino板通過USB連接線連接到電腦上，會出現(xiàn)Found New Hardware Wizard（發(fā)現(xiàn)新硬件向?qū)В┑奶崾?，使用者可根?jù)提示完成硬件驅(qū)動程序的安裝。驅(qū)動程序可根據(jù)Arduino板的型號在網(wǎng)絡(luò)檢索免費下載。[6]

（2）選擇 Arduino板的型號

圖1 Arduino開發(fā)環(huán)境的主界面

Arduino軟件開發(fā)環(huán)境可支持各種不同型號的Arduino主板，因此在正式開發(fā)前，需要告知軟件環(huán)境所使用的硬件型號。具體方法是選中主界面菜單欄中“Tools→Board”，然后選擇所連接的板型。

（3）設(shè)置串口號

Arduino成功連接電腦之后，設(shè)備管理器中會顯示新串口連接，記錄串口號并在軟件環(huán)境中選定該串口。具體方法是選中主界面菜單欄中 “Tools→Serial Port”，然后選擇新硬件Arduino板所接入的串口號。

2.ArduBlock圖形編程環(huán)境介紹

上海新車間創(chuàng)客空間的核心成員李大維博士的團隊開發(fā)的圖形化編程插件ArduBlock，目前已經(jīng)得到Arduino官方支持，其界面友好，操作簡單，不用學(xué)習(xí)C語言，通過拼圖形式就可以完成Arduino的編程，[6]為Arduino進入中小學(xué)課堂奠定了基礎(chǔ)。圖2所示即為該編程環(huán)境界面。

圖2 ArduBlock編程界面

從網(wǎng)絡(luò)下載ArduBlock插件后，只需將該jar文件拷貝至Arduino官方編程環(huán)境軟件包所在文件夾中的tools子文件夾里面即可?？截惓晒笤俅未蜷_官方編程環(huán)境，可發(fā)現(xiàn)菜單欄tools選項中新增了ArduBlock選項，單擊便可打開前文所述的ArduBlock編程界面，如圖2所示。

除了ArduBlock之外，還可有其它前文所介紹的圖形化編程插件。

四、Arduino機器人開發(fā)流程及實例

1.Arduino機器人開發(fā)流程

Arduino機器人實例的開發(fā)是Arduino平臺下機器人教育課程研究、教學(xué)研究等的基礎(chǔ)和載體。其開發(fā)流程至少包括7個步驟，如圖3所示。

需要說明的是，在設(shè)計功能目標(biāo)時，要以為學(xué)生創(chuàng)造感性直觀的學(xué)習(xí)體驗為原則，盡可能地將生活中隨處可見的技術(shù)使用在實例中呈現(xiàn)出來，如利用觸摸傳感器及180度舵機模擬小區(qū)出入口的門禁桿升降、利用旋鈕開關(guān)控制霓虹燈顯示等等。此外，實例的設(shè)計也應(yīng)具有擴展性，即學(xué)生能在該實例的基礎(chǔ)上通過增加元器件的數(shù)量或增加其他類型的輸入輸出器件，實現(xiàn)更為綜合且實用的功能實驗。

圖3 Arduino機器人開發(fā)流程

2.Arduino 機 器 人 開發(fā)實例

筆者選用Arduino Duemilanove為核心主板，以ArduBlock作為圖形化開發(fā)環(huán)境進行實例開發(fā)。以下給出“旋鈕LED燈系列——霓虹LED”的開發(fā)實例。

（1）功能目標(biāo)

通過調(diào)節(jié)旋鈕開關(guān) （值從0變化至1023），控制3個LED燈同時開啟并有明暗變化。具體紅燈由暗變亮、再由亮變暗，而在此過程中黃燈由亮變暗之后，藍燈由暗變亮，可實現(xiàn)相應(yīng)霓虹效果。

（2）器件列表

根據(jù)功能目標(biāo)，確定選用表1所示的硬件器件。

表 選用器件列表

（3）硬件連接

①將主板、傳感器擴展板依次插好；②將LED模塊（紅、黃、藍）分別插入傳感器擴展版的 11、9、7 端口；③將旋鈕開關(guān)插入傳感器擴展板的A3端口。

（4）軟件環(huán)境設(shè)置

在Arduino官方軟件開發(fā)環(huán)境中，通過tools菜單項選定Board為 “Arduino Duemilanove or Nano w/AT-mega328”，Serial Port為“COM3”。

（5）元件特征值測試

通過在串口中輸出旋鈕開關(guān)所在A3口的數(shù)值，可知旋鈕開關(guān)在調(diào)節(jié)過程中，其值在0～1023范圍內(nèi)變化。據(jù)此，可通過映射函數(shù)將0～1023范圍的值映射到0～255范圍內(nèi)，以控制LED燈的明暗度變化。

（6）ArduBlock 程序編寫

圖4為在ArduBlock開發(fā)環(huán)境中的完整“旋鈕霓虹燈”實例程序。

圖4 旋鈕霓虹燈實例ArduBlock程序

（7）Arduino 代碼調(diào)試

將ArduBlock程序下載至Arduino進行程序編譯及調(diào)試。

五、結(jié)語

Arduino的開源性及功能可擴展性決定了它在機器人教育領(lǐng)域內(nèi)的高性價比，圖形化編程插件符合中小學(xué)階段學(xué)生的認知習(xí)慣及水平，豐富的Arduino論壇資源為教育過程提供了持久的技術(shù)和創(chuàng)意保障，這些都成為Arduino機器人教育得以推廣的有力條件。隨著研究的不斷深入，更多的教師將會投身到Arduino機器人教育的實踐當(dāng)中，而有關(guān)課程體系、教學(xué)活動等的研究也必將日趨完善。

[1]趙中建.為了創(chuàng)新而教育[N].中國教育報，2012-6-15.

[2]張國民,張劍平.我國基礎(chǔ)教育中機器人教育的現(xiàn)狀與對策研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2008(5):92-94.

[3]王榮良.機器人教育對學(xué)生工程意識培養(yǎng)的意義與作用[J].新課程研究·基礎(chǔ)教育，2009(1):99-100.

[4]曾祥潘.步入開源硬件智能機器人教育時代[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2012(1).

[5]程晨.Arduino開發(fā)實戰(zhàn)指南[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.

[6]宜昌城老張.新車間Arduino圖形化編程軟件ArduBlock的介紹[EB/OL]http://eefocus.com/zhang700309/blog/12-02/237994_76dea.html.