[教师也创客]充分利用现有软件资源实现硬件效果

编程是人工智能的核心，是当前社会运行的基石之一。如今，以编程学习为基础而延展开的思维学习覆盖了全年龄段的学生。简单来讲，编程包括软件编程和硬件编程。软件编程可以理解为纯粹使用编程实现某一个只需要在电脑当中实现的功能；硬件编程除了纯粹的编程以外，还涉及一些电路或者其他硬件知识，例如一些常见的传感器、蓝牙传输或Wi-Fi传输等模块。而把这些硬件综合在一起后，就是我们常说的机器人编程。

机器人编程结合了硬件内容及基础的编程知识，可以让学生更好地看到编程在实际中的用处。通过组装、搭建、编写程序运行机器人，能够激发学生的学习兴趣和热情，培养综合能力。然而在教学实践中，我们可能会遇到一些无法立刻解决的硬件问题，比如传感器失灵或主控数量不足的情况，这难免会降低教学效果，无法让学生很好地体验课程的核心内容。那么这时，我们就需要考虑如何充分利用现有软件资源实现硬件效果。

想要用软件实现硬件效果，就不得不提到一个词——模拟。那么，如何在软件中模拟出现实中硬件的工作方式呢？这就需要先理解相关硬件的工作原理、输入信号、输出信号等，结合这些原理先在软件中对硬件进行制作，随后再进行整体模拟。让我们通过下面这个教学案例进行具体说明。

课程名称：在Scratch中实现机器人巡线功能

教学目标

①了解光电传感器的工作原理；

②完成机器人寻迹功能；

③培养学生的观察、分析能力。

教学重点

使用光电传感器控制机器人不偏航。

教学难点

①在环境光不稳定的情况下演示机器人巡线；

②模拟多路光电传感器的信息发送。

教学准备

①学生准备——熟悉Scratch已有的颜色触碰判断模块、画笔模块、运动模块、循环结构及分支结构；

②教师准备——已经提前预装好的寻迹机器人、铺装好的巡线场地、教学多媒体设备。

教学过程

第一步：向学生展示巡线机器人，让学生轮流观察机器人结构，对机器人的功能进行猜想

样例：同学们，老师这里有一个新的机器人，有同学之前见过这种机器人吗？请同学们轮流观察一下这个机器人，注意仔细观察机器人的结构，机器人上有什么。观察完成之后可以跟小组成员相互分享，猜猜看这个机器人能够做什么。

核心关键：让学生观察巡线机器人；引导小组讨论建立分享信息的基本意识；通过学生回答环节了解学生的关注点，以便于引导学生进行下一步学习。

第二步：展示巡线机器人的具体功能

样例：

①刚刚大家对这个机器人的功能有着不少猜测。那么，这个机器人究竟能做什么呢？原来，它可以进行巡线。巡线是让机器人按照已经规划好的一条线路进行移动。老师这里有一条已经提前画好了的道路（需要给学生展示），道路中间有一条比较粗的黑线，黑线有直线部分、直角部分、圆弧部分及连续曲折部分等。我们的机器人可以通过光电传感器进行探测，使机器人完全按照黑线进行前进，让我们一起来看一下它巡线的样子。

②当然我们也可以临时改变黑线的排序，机器人也能很好地完成任务（可以让几个学生随机改变黑线的样子，再次让机器人进行巡线）。

核心关键：让学生了解机器人的工作方式，知道巡线机器人是按照黑线前进的，而不是提前设置好的规定路径。

注意点：

①在机器人行进过程中，尽量不要让学生过于靠近道路，以免影响机器人探测到的光线变化。

②指导学生在重新组装黑线道路时，不要出现拐角过大的情况，避免机器人出现问题。

第三步：讲解光电传感器的工作方式及输出信号，并使用Scratch进行模拟

样例：

①光电传感器是将光信号转换为电信号的一种器件，其工作原理基于光电效应。光电效应是指光照射在某些物质上时，物质的电子吸收光子的能量而发生了相应的电效应现象。光照射到白色的道路上与照射到黑色的线上所吸收的能量不同，所以反射出的能量也有强弱之分，这会使接收器收到不同信号，通过传感器上芯片内部计算，将电信号传导到机器人的主控上。

②请同学们想一想，并结合我们之前学过的图形化编程内容，在电脑上根据老师的要求制作出一个“光电传感器”。

制作要求：

①绘制1个无边框的任意颜色的长方形角色1，当角色1触碰到黑色时广播消息1。

②绘制1个黑色的任意形状角色2，角色2会跟随鼠标进行移动。

③从库中选取1个具备多个造型的角色3，当接收到消息1时改变造型。

④运行程序后，使用角色2反复触碰角色1，由此查看角色1是否正常工作。

注意点：

①角色1需要重复执行判断及发出消息。

②广播消息时，需要角色1的程序具备一定的防抖功能。

样例程序：

角色1 角色2 角色3

第四步：引导学生结合刚刚观察的巡线机器人的运动方式，解释巡线机器人的工作方式

样例：

①我们知道了光电传感器的工作方式，结合刚刚大家观察到的机器人的外形及运动方式，我们猜测一下机器人的工作原理是什么。

②机器人通过前方的2个或多个光电传感器进行感应，这里我们以左右各1个传感器为例。如果机器人面前的黑线是笔直的，那么机器人一直向前走则2个传感器都不会触碰黑线。而当机器人走歪了或是黑线出现拐弯时，则其中一侧的传感器会感应到黑线，感应黑线后传感器会对机器人主控发出信号，这时主控就会让机器人偏移，进行前进方向的调整。

注意点：行进过程中可能会遇到黑线交叉的情况，这时需要对机器人的程序进行调整，根据要求进行直行或左右转向。

第五步：结合光电传感器与巡线机器人的工作原理，在Scratch中绘制并制作巡线机器人

样例：了解了上述相关知识，我们根据教师的要求在软件中尝试对巡线机器人进行模拟吧！

制作要求：

①绘制1个类似刚刚观察到的机器人样式的角色1，角色1的前方需要有2个颜色不同的无边框彩色长方体作为光电传感器。

②使用画笔模块，调整笔刷颜色为黑色，在程序运行后，可以使用鼠标在舞台上绘制线条。

③制作开始按钮，点击开始按钮后，角色1会向前移动，当左侧的彩色长方体触碰到黑色后，通过广播消息的方式让角色1向左侧转一定角度；当右侧的彩色长方体触碰到黑色后，通过广播消息的方式让角色1向右侧转一定角度。

在Scratch中绘制并制作巡线机器人

注意点：

①由于是简易模拟巡线机器人的运动模式，在绘制黑线时尽可能避免出现黑线交叉或出现急剧拐弯的情况。

②绘制机器人上的传感器时，不要将传感器靠得过近，放置在黑线拐点处的2个传感器若同时触碰黑线，会造成机器人卡住。

③黑色线条绘制过程中，需要学生根据自己的机器人角色传感器位置设定画笔粗细，不可以太细，也不可以刚刚好卡住传感器。

④需要学生反复测试角色1左转或右转的角度，确保行进的顺畅性。

利用硬件初步掌握编程逻辑，培养一定的编程思维，对学生的成长大为有利。通过上述的教学案例我们看到，充分利用现有软件资源实现硬件效果，可以在一些特殊情况下，帮助学生更好地理解并掌握硬件编程当中的硬件工作原理及具体执行方式，提高教学效率与效果。

本文原载于《中国科技教育》2021年第1期“新技能”栏目，作者王昌龙、周思言(科技学堂)。中国青辅协会员可点击“阅读原文”登录杂志官网免费浏览全文。

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