張向紅 朱桂榮

開源硬件項目設計是新課標中選擇性必修模塊6中的內容，Arduino開源硬件設計是高中信息技術的校本課程。“用Arduino實現紅綠燈系統(tǒng)”需要三節(jié)課完成，第一節(jié)內容為：認識Arduino的接口，認識Arduino的編程軟件界面，學會把程序編譯并上傳到Arduino上，利用Arduino的5V輸出口、接地口、電阻、發(fā)光二極管、面包板完成一個使發(fā)光二極管亮的硬件連接。第二節(jié)內容為：完成紅綠燈系統(tǒng)的硬件連接并用軟件實現紅綠燈系統(tǒng)的自動控制。第三節(jié)內容為：完善、優(yōu)化紅綠燈系統(tǒng)和學生展示紅綠燈系統(tǒng)。本節(jié)課為第二節(jié)課。

本次課的授課對象是高一年級的學生，通過第一節(jié)課的學習，學生已經對Arduino的接口有一定的認識，已經可以利用Arduino的5V輸出口和接地口完成一個使燈亮的硬件連接；對Arduino的編程軟件界面有了一定的認識，且知道編譯程序并把程序上傳到Arduino上；知道現實生活中十字路口的紅綠燈是如何工作的。

● 導入新課，呈現任務

1.情境導入

師：過十字路口時我們都需要遵循紅綠燈，通過上節(jié)課的學習我們已經知道紅綠燈系統(tǒng)是怎么工作的了，這節(jié)課我們就來搭建一個紅綠燈系統(tǒng)。

2.呈現任務

師：紅綠燈系統(tǒng)就是對紅燈、綠燈、黃燈進行自動控制，我們首先完成對一個燈進行自動控制，以綠燈為例，這里我們使用綠色發(fā)光二極管代替（由此引出第一個任務：用程序控制綠燈的亮和滅）。

設計意圖：十字路口的紅綠燈系統(tǒng)是學生比較熟悉的，每個學生都知道紅綠燈是如何工作的，通過解決生活中常見的實際問題，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的問題解決意識。

● 完成任務，探究新知

任務一：用程序控制綠燈的亮和滅

師：第一節(jié)課我們已經學過利用Arduino的5V輸出口和接地口搭建一個使綠燈亮、使發(fā)光二極管亮的硬件連接，在這個電路中為什么綠燈是一直亮的？

生：因為Arduino的5V輸出口一直輸出5V電壓，所以綠燈一直亮著。

師：在這個硬件連接中，我們會不會用程序控制綠燈？

生：不會。

師：要用程序控制綠燈就需要把綠燈的正極接到Arduino的數字輸出口上（2到13口都可以），我們以2口為例，按照如圖1所示的電路圖完成硬件連接。

學生按照電路圖完成硬件連接，并思考要使綠燈亮應該給Arduino的數字輸出口2輸出幾伏電壓？

師：硬件連接完后，要使綠燈亮，需要給Arduino的數字輸出口2輸出幾伏電壓？

生：5V。

師：在編程軟件中，___________________指令即是把數字輸出0的輸出電壓設為5V。因此我們用該指令（把數字輸出管腳設置為2）就可以控制綠燈亮（示范用該指令控制小燈亮）。要使綠燈滅，只需把該指令中的高設置為低即可（把數字輸出0的輸出電壓設為0）。

學生完成該指令控制綠燈的亮和滅。

師：我們學會了用指令控制綠燈的亮和滅，那么怎么實現綠燈的閃爍效果？

學生嘗試實現綠燈的閃爍效果。

師：通過觀察，同學們用的指令是______________，但是上傳到Arduino上綠燈都是亮的狀態(tài)，為什么？這是因為在Arduino上程序順著第一條往下執(zhí)行，到最后一條執(zhí)行完畢后立馬又回到第一條開始執(zhí)行，如此重復。所以綠燈亮了以后滅了立馬又亮了，肉眼無法看出閃爍效果，要實現閃爍效果就需要在指令后面加一條延時指令 ，大家試試加入延時指令后能不能實現閃爍效果。

學生完成指令并上傳指令，觀察綠燈效果（學生完成的指令如圖2所示）。

師：觀察程序及綠燈閃爍效果，看綠燈多長時間完成一次閃爍？

生：2秒。

師：那么我們怎么更改閃爍頻率，使綠燈1秒完成一次閃爍？

生：只需要把延時指令中的1000改為500即可。

學生更改指令使綠燈1秒完成一次閃爍。

任務二：程序控制綠燈亮20秒，然后閃爍10次

師：我們已經完成了第一個任務，接著我們需要完成第二個任務：用程序控制綠燈亮20秒，然后閃爍10次。

學生嘗試完成任務二。

師：通過觀察，大部分同學完成的指令都如圖3所示，我們分析下這組指令，首先綠燈亮20秒，然后閃爍1次，然后又重復綠燈亮20秒，閃爍1次，而我們需要的是閃爍10次，因此需要把閃爍指令執(zhí)行10次，怎么辦？

生：把閃爍指令復制9遍最終得到10次閃爍指令。

師：（給出包含有10條閃爍指令的指令）我們發(fā)現這個指令好長，能不能優(yōu)化一下這個指令？這里我們可以使用 ，該指令是這樣工作的：i從1開始執(zhí)行該指令中的內容，執(zhí)行完后加步長值“1”為2，又執(zhí)行一次該指令中的內容，執(zhí)行完畢后又加步長值“1”為3，又執(zhí)行一次該指令中的內容，直到i的值為10執(zhí)行完該指令中的內容后結束，因此i為1執(zhí)行一次，i為2執(zhí)行一次，i為3執(zhí)行一次，一直到i為10執(zhí)行一次后結束，總共執(zhí)行了10次。因此我們只需要把閃爍指令放到該指令中即可實現執(zhí)行10次的效果。最終得到如圖4所示的指令。

學生完成該指令并上傳到Arduino上，觀察綠燈效果。

師：（觀察學生完成狀況，適時提出問題）要是綠燈閃爍5次該怎么修改指令？

學生思考并嘗試修改指令，然后回答問題。有些學生回答的是把指令中的1改為5；有些學生回答的是把指令中的10改為5；有些學生回答的是把步長改為2；等等。

師：大家的這些改法都可以實現綠燈閃爍5次的效果。

設計意圖：通過控制綠燈的亮和滅，再到綠燈的閃爍，完成后再實現程序控制綠燈亮20秒，然后閃爍10次，任務層層遞進，符合學生的認知規(guī)律，培養(yǎng)學生發(fā)現問題、分析問題、解決問題的能力。

● 學以致用，鞏固知識

任務三：程序控制綠燈亮20秒，然后閃爍10次，然后黃燈亮3秒

師：通過前面的學習，這個任務大家已經可以自己完成，老師在這個任務中增加了黃燈，因此得先完成黃燈的硬件連接（把如圖5所示的硬件連接電路圖發(fā)給學生，讓學生先完成硬件連接，然后完成程序并上傳，最后實現“綠燈亮20秒，然后閃爍10次，然后黃燈亮3秒”的效果，其間對學生存在的問題進行講解）。

學生完成硬件連接，完成程序，上傳到Arduino查看效果，學生基本都能完成這個任務。

師：我們都已經完成這個任務了，緊接著完成第四個任務。

任務四：程序控制綠燈亮20秒，然后閃爍10次，然后黃燈亮3秒，然后紅燈亮25秒，然后閃爍5次

師：通過前三個任務的學習，大家對常見的指令已有所了解，接下來兩人一個小組合作完成任務四。

學生完成任務四，完成的硬件連接及程序如圖6所示。

設計意圖：通過任務三和任務四，讓學生動手實踐，鞏固所學知識，培養(yǎng)學生的問題解決能力。通過獨立操作和小組互助完成硬件連接和程序編寫，培養(yǎng)學生在問題解決過程中的獨立思考能力和團隊協作能力。

● 總結知識，課后延伸

師：我們分析一下最后的程序，首先綠燈亮20秒，然后閃爍10次，然后黃燈亮3秒，然后紅燈亮25秒，然后閃爍5次，結束后又回到開始綠燈亮20秒，如此重復執(zhí)行，這就是紅綠燈系統(tǒng)的工作模式，通過觀察程序及硬件效果我們知道程序是順著第一條順序往下執(zhí)行的，當執(zhí)行到最后結束后又返回第一條重復執(zhí)行，在程序中當需要對某部分指令執(zhí)行多次時就需要用到循環(huán)指令 ，除了循環(huán)指令外，今天我們還學習了、這兩條指令，這就是我們這節(jié)課學習的內容。本節(jié)課的紅綠燈系統(tǒng)大家都已經完成，那么這個紅綠燈系統(tǒng)有沒有需要完善改進的地方？如顯示倒計時、堵車時手動控制等，這些問題我們下一節(jié)課來解決。

（本案例由云南省教科院吳凝提供指導）