王昌龍 周思言

編程是人工智能的核心，是當(dāng)前社會(huì)運(yùn)行的基石之一。如今，以編程學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)而延展開(kāi)的思維學(xué)習(xí)覆蓋了全年齡段的學(xué)生。簡(jiǎn)單來(lái)講，編程包括軟件編程和硬件編程。軟件編程可以理解為純粹使用編程實(shí)現(xiàn)某一個(gè)只需要在電腦當(dāng)中實(shí)現(xiàn)的功能;硬件編程除了純粹的編程以外，還涉及一些電路或者其他硬件知識(shí)，例如一些常見(jiàn)的傳感器、藍(lán)牙傳輸或Wi-Fi 傳輸?shù)饶K。而把這些硬件綜合在一起后，就是我們常說(shuō)的機(jī)器人編程。

機(jī)器人編程結(jié)合了硬件內(nèi)容及基礎(chǔ)的編程知識(shí)，可以讓學(xué)生更好地看到編程在實(shí)際中的用處。通過(guò)組裝、搭建、編寫(xiě)程序運(yùn)行機(jī)器人，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，培養(yǎng)綜合能力。然而在教學(xué)實(shí)踐中，我們可能會(huì)遇到一些無(wú)法立刻解決的硬件問(wèn)題，比如傳感器失靈或主控?cái)?shù)量不足的情況，這難免會(huì)降低教學(xué)效果，無(wú)法讓學(xué)生很好地體驗(yàn)課程的核心內(nèi)容。那么這時(shí)，我們就需要考慮如何充分利用現(xiàn)有軟件資源實(shí)現(xiàn)硬件效果。

想要用軟件實(shí)現(xiàn)硬件效果，就不得不提到一個(gè)詞——模擬。那么，如何在軟件中模擬出現(xiàn)實(shí)中硬件的工作方式呢？這就需要先理解相關(guān)硬件的工作原理、輸入信號(hào)、輸出信號(hào)等，結(jié)合這些原理先在軟件中對(duì)硬件進(jìn)行制作，隨后再進(jìn)行整體模擬。讓我們通過(guò)下面這個(gè)教學(xué)案例進(jìn)行具體說(shuō)明。

課程名稱：在Scratch 中實(shí)現(xiàn)機(jī)器人巡線功能

教學(xué)目標(biāo)：①了解光電傳感器的工作原理;②完成機(jī)器人尋跡功能;③培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析能力。

教學(xué)重點(diǎn)：使用光電傳感器控制機(jī)器人不偏航。

教學(xué)難點(diǎn)：①在環(huán)境光不穩(wěn)定的情況下演示機(jī)器人巡線;②模擬多路光電傳感器的信息發(fā)送。

教學(xué)準(zhǔn)備：①學(xué)生準(zhǔn)備——熟悉Scratch 已有的顏色觸碰判斷模塊、畫(huà)筆模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、循環(huán)結(jié)構(gòu)及分支結(jié)構(gòu);②教師準(zhǔn)備——已經(jīng)提前預(yù)裝好的尋跡機(jī)器人、鋪裝好的巡線場(chǎng)地、教學(xué)多媒體設(shè)備。

教學(xué)過(guò)程

第一步：向?qū)W生展示巡線機(jī)器人，讓學(xué)生輪流觀察機(jī)器人結(jié)構(gòu)，對(duì)機(jī)器人的功能進(jìn)行猜想

樣例：同學(xué)們，老師這里有一個(gè)新的機(jī)器人，有同學(xué)之前見(jiàn)過(guò)這種機(jī)器人嗎？請(qǐng)同學(xué)們輪流觀察一下這個(gè)機(jī)器人，注意仔細(xì)觀察機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，機(jī)器人上有什么。觀察完成之后可以跟小組成員相互分享，猜猜看這個(gè)機(jī)器人能夠做什么。

核心關(guān)鍵：讓學(xué)生觀察巡線機(jī)器人;引導(dǎo)小組討論建立分享信息的基本意識(shí);通過(guò)學(xué)生回答環(huán)節(jié)了解學(xué)生的關(guān)注點(diǎn)，以便于引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行下一步學(xué)習(xí)。

第二步：展示巡線機(jī)器人的具體功能

樣例：①剛剛大家對(duì)這個(gè)機(jī)器人的功能有著不少猜測(cè)。那么，這個(gè)機(jī)器人究竟能做什么呢？原來(lái)，它可以進(jìn)行巡線。巡線是讓機(jī)器人按照已經(jīng)規(guī)劃好的一條線路進(jìn)行移動(dòng)。老師這里有一條已經(jīng)提前畫(huà)好了的道路（需要給學(xué)生展示），道路中間有一條比較粗的黑線，黑線有直線部分、直角部分、圓弧部分及連續(xù)曲折部分等。我們的機(jī)器人可以通過(guò)光電傳感器進(jìn)行探測(cè)，使機(jī)器人完全按照黑線進(jìn)行前進(jìn)，讓我們一起來(lái)看一下它巡線的樣子。②當(dāng)然我們也可以臨時(shí)改變黑線的排序，機(jī)器人也能很好地完成任務(wù)（可以讓幾個(gè)學(xué)生隨機(jī)改變黑線的樣子，再次讓機(jī)器人進(jìn)行巡線）。

核心關(guān)鍵：讓學(xué)生了解機(jī)器人的工作方式，知道巡線機(jī)器人是按照黑線前進(jìn)的，而不是提前設(shè)置好的規(guī)定路徑。

注意點(diǎn)：①在機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中，盡量不要讓學(xué)生過(guò)于靠近道路，以免影響機(jī)器人探測(cè)到的光線變化。②指導(dǎo)學(xué)生在重新組裝黑線道路時(shí)，不要出現(xiàn)拐角過(guò)大的情況，避免機(jī)器人出現(xiàn)問(wèn)題。第三步：講解光電傳感器的工作方式及輸出信號(hào)，并使用Scratch 進(jìn)行模擬

樣例：①光電傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種器件，其工作原理基于光電效應(yīng)。光電效應(yīng)是指光照射在某些物質(zhì)上時(shí)，物質(zhì)的電子吸收光子的能量而發(fā)生了相應(yīng)的電效應(yīng)現(xiàn)象。光照射到白色的道路上與照射到黑色的線上所吸收的能量不同，所以反射出的能量也有強(qiáng)弱之分，這會(huì)使接收器收到不同信號(hào)，通過(guò)傳感器上芯片內(nèi)部計(jì)算，將電信號(hào)傳導(dǎo)到機(jī)器人的主控上。②請(qǐng)同學(xué)們想一想，并結(jié)合我們之前學(xué)過(guò)的圖形化編程內(nèi)容，在電腦上根據(jù)老師的要求制作出一個(gè)“光電傳感器”。

制作要求：①繪制1 個(gè)無(wú)邊框的任意顏色的長(zhǎng)方形角色1，當(dāng)角色1 觸碰到黑色時(shí)廣播消息1。②繪制1 個(gè)黑色的任意形狀角色2，角色2 會(huì)跟隨鼠標(biāo)進(jìn)行移動(dòng)。③從庫(kù)中選取1 個(gè)具備多個(gè)造型的角色3，當(dāng)接收到消息1 時(shí)改變?cè)煨汀＂苓\(yùn)行程序后，使用角色2 反復(fù)觸碰角色1，由此查看角色1 是否正常工作。

注意點(diǎn)：①角色1 需要重復(fù)執(zhí)行判斷及發(fā)出消息。②廣播消息時(shí)，需要角色1 的程序具備一定的防抖功能。

第四步：引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合剛剛觀察的巡線機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，解釋巡線機(jī)器人的工作方式

樣例：①我們知道了光電傳感器的工作方式，結(jié)合剛剛大家觀察到的機(jī)器人的外形及運(yùn)動(dòng)方式，我們猜測(cè)一下機(jī)器人的工作原理是什么。②機(jī)器人通過(guò)前方的2 個(gè)或多個(gè)光電傳感器進(jìn)行感應(yīng)，這里我們以左右各1 個(gè)傳感器為例。如果機(jī)器人面前的黑線是筆直的，那么機(jī)器人一直向前走則2 個(gè)傳感器都不會(huì)觸碰黑線。而當(dāng)機(jī)器人走歪了或是黑線出現(xiàn)拐彎時(shí)，則其中一側(cè)的傳感器會(huì)感應(yīng)到黑線，感應(yīng)黑線后傳感器會(huì)對(duì)機(jī)器人主控發(fā)出信號(hào)，這時(shí)主控就會(huì)讓機(jī)器人偏移，進(jìn)行前進(jìn)方向的調(diào)整。

注意點(diǎn)：行進(jìn)過(guò)程中可能會(huì)遇到黑線交叉的情況，這時(shí)需要對(duì)機(jī)器人的程序進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)要求進(jìn)行直行或左右轉(zhuǎn)向。

第五步：結(jié)合光電傳感器與巡線機(jī)器人的工作原理，在Scratch 中繪制并制作巡線機(jī)器人

樣例：了解了上述相關(guān)知識(shí)，我們根據(jù)教師的要求在軟件中嘗試對(duì)巡線機(jī)器人進(jìn)行模擬吧！

制作要求：①繪制1 個(gè)類似剛剛觀察到的機(jī)器人樣式的角色1，角色1 的前方需要有2 個(gè)顏色不同的無(wú)邊框彩色長(zhǎng)方體作為光電傳感器。②使用畫(huà)筆模塊，調(diào)整筆刷顏色為黑色，在程序運(yùn)行后，可以使用鼠標(biāo)在舞臺(tái)上繪制線條。③制作開(kāi)始按鈕，點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕后，角色1 會(huì)向前移動(dòng)，當(dāng)左側(cè)的彩色長(zhǎng)方體觸碰到黑色后，通過(guò)廣播消息的方式讓角色1 向左側(cè)轉(zhuǎn)一定角度;當(dāng)右側(cè)的彩色長(zhǎng)方體觸碰到黑色后，通過(guò)廣播消息的方式讓角色1 向右側(cè)轉(zhuǎn)一定角度。

注意點(diǎn)：①由于是簡(jiǎn)易模擬巡線機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式，在繪制黑線時(shí)盡可能避免出現(xiàn)黑線交叉或出現(xiàn)急劇拐彎的情況。②繪制機(jī)器人上的傳感器時(shí)，不要將傳感器靠得過(guò)近，放置在黑線拐點(diǎn)處的2 個(gè)傳感器若同時(shí)觸碰黑線，會(huì)造成機(jī)器人卡住。③黑色線條繪制過(guò)程中，需要學(xué)生根據(jù)自己的機(jī)器人角色傳感器位置設(shè)定畫(huà)筆粗細(xì)，不可以太細(xì)，也不可以剛剛好卡住傳感器。④需要學(xué)生反復(fù)測(cè)試角色1 左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)的角度，確保行進(jìn)的順暢性。

利用硬件初步掌握編程邏輯，培養(yǎng)一定的編程思維，對(duì)學(xué)生的成長(zhǎng)大為有利。通過(guò)上述的教學(xué)案例我們看到，充分利用現(xiàn)有軟件資源實(shí)現(xiàn)硬件效果，可以在一些特殊情況下，幫助學(xué)生更好地理解并掌握硬件編程當(dāng)中的硬件工作原理及具體執(zhí)行方式，提高教學(xué)效率與效果。