Arduino與通用技術 ( 簡體 字) |
| 作者：陳杰、姚琦、李曉坤 | 類別：1. -> 電腦組織與體系結構 -> 單晶片 -> Arduino |
| 譯者： |
| 出版社：清華大學出版社 |  3dWoo書號： 47302
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NT售價： 245 元 |
| 出版日：6/1/2017 |
| 頁數：148 |
| 光碟數：0 |
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| 印刷：全彩印刷 | 語系： ( 簡體 版 ) |
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| ISBN：9787302471639 |
| 作者序 | 譯者序 | 前言 | 內容簡介 | 目錄 | 序 |
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| 作者序： |
| 譯者序： |
前言：吹響信息科學技術基礎教育改革的號角
（一）
信息科學技術是信息時代的標志性科學技術。信息科學技術在社會各個活動領域廣泛而深入的應用，就是人們所熟知的信息化。信息化是21世紀最為重要的時代特征。作為信息時代的必然要求，它的經濟、政治、文化、民生和安全都要接受信息化的洗禮。因此，生活在信息時代的人們應當具備信息科學的基本知識和應用信息技術的基礎能力。
理論和實踐表明，信息時代是一個優勝劣汰、激烈競爭的時代。誰先掌握了信息科學技術，誰就可能在激烈的競爭中贏得制勝的先機。因此，對于一個國家來說，信息科學技術教育的成敗優劣，就成為關系國家興衰和民族存亡的根本所在。
同其他學科的教育一樣，信息科學技術的教育也包含基礎教育和高等教育兩個相互聯系、相互作用、相輔相成的階段。少年強則國強，少年智則國智。因此，信息科學技術的基礎教育不僅具有基礎性意義，而且具有全局性意義。
（二）
為了搞好信息科學技術的基礎教育，首先需要明確: 什么是信息科學技術？信息科學技術在整個科學技術體系中處于什么地位？在此基礎上，明確： 什么是基礎教育階段應當掌握的信息科學技術？
眾所周知，人類一切活動的目的歸根結底就是要通過認識世界和改造世界，不斷地改善自身的生存環境和發展條件。為了認識世界，就必須獲得世界（具體表現為外部世界存在的各種事物和問題）的信息，并把這些信息通過處理提煉成為相應的知識；為了改造世界（表現為變革各種具體的事物和解決各種具體的問題），就必須根據改善生存環境和發展條件的目的，利用所獲得的信息和知識，制定能夠解決問題的策略并把策略轉換為可以實踐的行為，通過行為解決問題、達到目的。
可見，在人類認識世界和改造世界的活動中，不斷改善人類生存環境和發展條件這個目的是根本的出發點與歸宿，獲得信息是實現這個目的的基礎和前提，處理信息、提煉知識和制定策略是實現目的的關鍵與核心，而把策略轉換成行為則是解決問題、實現目的的最終手段。不難明白，認識世界所需要的知識、改造世界所需要的策略以及執行策略的行為是由信息加工分別提煉出來的產物。于是，確定目的、獲得信息、處理信息、提煉知識、制定策略、執行策略、解決問題、實現目的，就自然地成為信息科學技術的基本任務。
這樣，信息科學技術的基本內涵就應當包括： ?信息的概念和理論； ?信息的地位和序（1） Arduino與通用技術?2??2? ?1? 作用，包括信息資源與物質資源的關系以及信息資源與人類社會的關系； ?信息運動的基本規律與原理，包括獲得信息、傳遞信息、處理信息、提煉知識、制定策略、生成行為、解決問題、實現目的的規律和原理； ?利用上述規律構造認識世界和改造世界所需要的各種信息工具的原理和方法； ?信息科學技術特有的方法論。
鑒于信息科學技術在人類認識世界和改造世界活動中所扮演的主導角色，同時鑒于信息資源在人類認識世界和改造世界活動中所處的基礎地位，信息科學技術在整個科學技術體系中顯然應當處于主導與基礎雙重地位。信息科學技術與物質科學技術的關系，可以表現為信息科學工具與物質科學工具之間的關系： 一方面，信息科學工具與物質科學工具同樣都是人類認識世界和改造世界的基本工具；另一方面，信息科學工具又是駕馭物質科學的工具。
參照信息科學技術的基本內涵，信息科學技術基礎教育的內容可以歸結為： ?信息的基本概念； ?信息的基本作用； ?信息運動規律的基本概念和可能的實現方法； ?構造各種簡單信息工具的可能方法； ?信息工具在日常活動中的典型應用。
（三）
與信息科學技術基礎教育內容同樣重要甚至更為重要的問題是要研究： 怎樣才能使中小學生真正喜愛并能夠掌握基礎信息科學技術？其實，這就是如何認識和實踐信息科學技術基礎教育的基本規律的問題。
信息科學技術基礎教育的基本規律有很豐富的內容，其中有兩個重要問題： 一是如何理解中小學生的一般認知規律；二是如何理解信息科學技術知識特有的認知規律和相應能力的形成規律。
在人類（包括中小學生）一般的認知規律中，有兩個普遍的共識： 一是“興趣決定取舍”；二是“方法決定成敗”。前者表明，一個人如果對某種活動有了濃厚的興趣和好奇心，就會主動、積極地探尋奧秘；如果沒有興趣，就會放棄或者消極應付。后者表明，即使有了濃厚的興趣，如果方法不恰當，最終也會導致失敗。所以，為了成功地培育人才，激發濃厚的興趣和啟示良好的方法都非常重要。
小學教育處于由學前的非正規、非系統教育轉為正規的系統教育的階段，原則上屬于啟蒙教育。在這個階段，調動興趣和激發好奇心理更加重要。中學教育的基本要求同樣是要不斷調動學生的學習興趣和激發他們的好奇心理，但是這一階段越來越重要的任務是要培養他們的科學思維方法。
與物質科學技術學科相比，信息科學技術學科的特點是比較抽象、比較新穎。因此，信息科學技術的基礎教育還要特別重視人類認識活動的另一個重要規律： 人們的認識過程通常是由個別上升到一般，由直觀上升到抽象，由簡單上升到復雜。所以，從個別的、簡單的、直觀的學習內容開始，經過量變到質變的飛躍和升華，才能掌握一般的、抽象的、復雜的學習內容。其中，親身實踐是實現由直觀到抽象過程的良好途徑。
綜合以上幾方面的認知規律，小學的教育應當從個別的、簡單的、直觀的、實際的、有趣的學習內容開始，循序漸進，由此及彼，由表及里，由淺入深，邊做邊學，由低年級到高年級，由小學到中學，由初中到高中，逐步向一般的、抽象的、復雜的學習內容過渡。
（四）
我們欣喜地看到，在信息化需求的推動下，信息科學技術的基礎教育已在我國眾多的中小學校試行多年。感謝全國各中小學校的領導和教師的重視，特別感謝廣大一線教師們堅持不懈的努力，克服了各種困難，展開了積極的探索，使我國信息科學技術的基礎教育在摸索中不斷前進，取得了不少可喜的成績。
由于信息科學技術本身還在迅速發展，人們對它的認識還在不斷深化。由于受“重書本”“重灌輸”等傳統教育思想和教學方法的影響，學生學習的主動性、積極性尚未得到充分發揮，加上部分學校的教學師資、教學設施和條件還不夠充足，教學效果尚不能令人滿意。總之，我國信息科學技術基礎教育存在不少問題，亟須研究和解決。
針對這種情況，在教育部基礎司的領導下，我國從事信息科學技術基礎教育與研究的廣大教育工作者正在積極探索解決這些問題的有效途徑。與此同時，北京、上海、廣東、浙江等省市的部分教師也在自下而上地聯合起來，共同交流和梳理信息科學技術基礎教育的知識體系與知識要點，編寫新的教材。所有這些努力，都取得了積極的進展。
“青少年科技創新叢書”是這些努力的一個組成部分，也是這些努力的一個代表性成果。叢書的作者們是一批來自國內外大中學校的教師和教育產品創作者，他們懷著“讓學生獲得最好教育”的美好理想，本著“實踐出興趣，實踐出真知，實踐出才干”的清晰信念，利用國內外最新的信息科技資源和工具，精心編撰了這套重在培養學生動手能力與創新技能的叢書，希望為我國信息科學技術基礎教育提供可資選用的教材和參考書，同時也為學生的科技活動提供可用的資源、工具和方法，以期激勵學生學習信息科學技術的興趣，啟發他們創新的靈感。這套叢書突出體現了讓學生動手和“做中學”的教學特點，而且大部分內容都是作者們所在學校開發的課程，經過了教學實踐的檢驗，具有良好的效果。其中，也有引進的國外優秀課程，可以讓學生直接接觸世界先進的教育資源。
筆者看到，這套叢書給我國信息科學技術基礎教育吹進了一股清風，開創了新的思路和風格。但愿這套叢書的出版成為一個號角，希望在它的鼓動下，有更多的仁人志士關注我國的信息科學技術基礎教育的改革，提供更多優秀的作品和教學參考書，開創百花齊放、異彩紛呈的局面，為提高我國的信息科學技術基礎教育水平作出更多、更好的貢獻。
鐘義信2013年冬于北京
探索的動力來自對所學內容的興趣，這是古今中外之共識。正如愛因斯坦所說： 一頭貪婪的獅子，如果被人們強迫不斷進食，也會失去對食物貪婪的本性。學習本應源于天性，而不是強迫地灌輸。但是，當我們環顧目前教育的現狀，卻深感沮喪與悲哀： 學生太累，壓力太大，以至于使他們失去了對周圍探索的興趣。在很多學生的眼中，已經看不到對學習的渴望，他們無法享受學習帶來的樂趣。
在傳統的教育方式下，通常由教師設計各種實驗讓學生進行驗證，這種方式與科學發現的過程相違背。那種從概念、公式、定理以及脫離實際的抽象符號中學習的過程，極易導致學生機械地記憶科學知識，不利于培養學生的科學興趣、科學精神、科學技能，以及運用科學知識解決實際問題的能力，不能滿足學生自身發展的需要和社會發展對創新人才的需求。
美國教育家杜威指出： 成年人的認識成果是兒童學習的終點。兒童學習的起點是經驗，“學與做相結合的教育將會取代傳授他人學問的被動的教育”。如何開發學生潛在的創造力，使他們對世界充滿好奇心，充滿探索的欲望，是每一位教師都應該思考的問題，也是教育可否獲得成功的關鍵。令人感到欣慰的是，新技術的發展使這一切成為可能。如今，我們正處在科技日新月異的時代，新產品、新技術不僅改變我們的生活，而且讓我們的視野與前人迥然不同。我們可以有更多的途徑接觸新的信息、新的材料，同時在工作中也易于獲得新的工具和方法，這正是當今時代有別于其他時代的特征。
當今時代，學生獲得新知識的來源已經不再局限于書本，他們每天面對大量的信息，這些信息可以來自網絡，也可以來自生活的各個方面，如手機、iPad、智能玩具等。新材料、新工具和新技術已經滲透到學生的生活中，這也為教育提供了新的機遇與挑戰。
將新的材料、工具和方法介紹給學生，不僅可以改變傳統的教育內容與教育方式，而且將為學生提供一個實現創新夢想的舞臺，教師在教學中可以更好地觀察和了解學生的愛好、個性特點，更好地引導他們，更深入地挖掘他們的潛力，使他們具有更為廣闊的視野、能力和責任。
本套叢書的作者大多是來自知名大學、知名中學的教師和教育產品的科研人員，他們在多年的實踐中積累了豐富的經驗，并在教學中形成了相關的課程，共同的理想讓我們走到了一起，“讓學生獲得最好的教育”是我們共同的愿望。本套叢書可以作為各校選修課程或必修課程的教材，同時也希望借此為學生提供一些科技創新的材料、工具和方法，讓學生通過本套叢書獲得對科技的興趣，產生創新與發明的動力。
叢書編委會2013年10月8日序 Arduino與通用技術?2??2? ?1?
學生喜歡到通用教室“玩”，喜歡去“創作”一些“作品”，但都不太喜歡上通用技術課。這也是當前通用技術課程所面臨的尷尬局面。同樣，這一問題也出現在了信息技術課堂上。雖然通用技術和信息技術這兩門課都有技術，但這兩門課中所涉及的技術卻未能讓學生“買賬”。造成這種現象的根本原因在于教材。現實生活中一方面是層出不窮的新技術，另一方面是教材中提及的一些“基本”技術。用現在時髦的話說，這些技術不夠“高、大、上”。那么通用教材中的技術是不是就要全盤否定呢？當然不是，現行教材中的技術是實施制作的基礎，有一定的普及性和通用性。
針對以上問題，我們始終在思考解決問題的出路，直到遇到了Arduino，并和朋友、同事進行了“基于Arduino平臺的普通高中通用技術課程開發”課題研究。
在目前國內的基礎教育技術課程體系中，同時涉及軟硬件的綜合性技術課程幾乎是空白。而與當前通用技術課程能夠結合起來使用的幾乎為零。本書正是基于此現狀而撰寫。在使用本書的過程中，學生需要掌握電子硬件設備的連接，熟悉程序的編寫，同時也需要運用通用技術課程的知識來完成作品的創作。
1. 本書的特色
目前國內外有關Arduino的教程很多，有基礎的、高級的，有關于機器人制作的，也有關于物聯網制作的……但這些教程有一個“軟肋”——對閱讀對象要求較高，對電子類的技術要求較高。目前國內外關于Arduino教程的面向對象多以電子發燒友、高校大學生等為主，可以說對于基礎教育領域顯得有些“不接地氣”。本書的特色如下。
(1) 多元結合、綜合實踐。Arduino編程建立于硬件基礎和數字電路設計基礎之上，這就要求我們的學生能夠熟練使用一些簡單的電子元器件，并能夠為它們設計合理的電子電路，最后通過程序編寫實現設計目標。在這個過程中，學生需要具備信息技術、通用技術等多方面的知識。基于Arduino編程只是這些多元知識的融合點。
(2) 來源生活、服務生活。教學案例難度適中，同時與現實生活緊密聯系。通過課程學習，可以了解原理、完成制作、創新設計，讓更多的學生愿意學、喜歡學，如聲控燈、溫度報警裝置等。
(3) 立足技術、實現整合。將Arduino教學與技術課程結合起來，既使得Arduino走進日常教學的課堂，也彌補了技術課程缺少相關配套試驗的缺憾。從而最終實現技術課堂的大整合。
(4) 學習制作、學習創作。我們在技術課程中會經常提及學習制作，學生在學習一段時間后，可自己根據所學內容進行學習制作，完成課程中規定的任務。在本書中，學生要實現從學習制作到學習創作的改變，在每個課時結束后，自己進行設計，利用所學知識完成設計任務。
2. 課程實施應注意的問題
相對于VB、VC等可視化編程軟件來說，Arduino沒有所見即所得的程序設計界面，多出來的是“簡單”電路設計，但就是這些基于硬件的電路設計，讓程序的功能從虛擬世界跨入現實世界，并實現了兩者的互通。另外，與傳統的程序設計教學不同，Arduino的教學要從簡單的電路設計開始，而不是從數據結構、程序語法講授開始。因為Arduino編程更注重的是硬件的控制，所以傳統編程類軟件課程的設計思路不適合Arduino。具體從以下幾個主要方面考慮。
(1) 了解電子控制系統的基本組成，認識常見的電子元器件，看懂相關技術指標參數。Arduino編程建立在一定硬件基礎之上，如果對硬件知識知之甚少，想完成Arduino作品的設計應該說是有困難的。
(2) 熟悉數字電路設計，Arduino編程是基于硬件設備正確的電路連接的，如果程序編寫沒有問題，而電路連接錯誤，同樣無法實現設計所要實現的目標。因此，在教學中對數字電路的學習，可以說是實現Arduino編程的前提，應給予充分重視。
(3) 教學案例應盡量選擇與現實生活中緊密聯系、貼近學生生活實際的，如聲控燈、溫度報警裝置等。
3. 本書的意義
(1) 從電子技術的角度看， Arduino控制板可連接豐富的、不同類型的電子模塊，可以讓學習者在連接與制作過程中體會到電子元器件、傳感器級別的技術，只有這樣才能使課程更接近“真正”的計算機技術。
(2) 從程序的角度看，使用S4A、IDE編程對于編程教學來說非常重要，完成了從易到難的課程內容序列、從單一方向向綜合發展的學習序列、從技術工具到生活應用的實踐序列。
(3) 從學生發展的角度看，Arduino控制板配上相應的編程語言，既能通過簡單的設計完成任務，也能夠將更多的應用與生活中的實際問題結合起來。有了Arduino這個開源軟硬件平臺，可在生活情境中強調應用，在應用中強調創新。
(4) 從技術學科的角度看，不管是信息技術還是通用技術，在很多學校都是由一些非專業的教師來授課，長此以往，學校、家長、社會形成一種共識: 技術課誰都可以帶、誰都能帶好。技術教師與其他教師得不到應有的尊重與重視，技術教師的專業性更得不到體現。因此，從提升技術學科的專業性角度出發，使技術課程教師更加專業化。
由于編者水平所限，書中難免存在疏漏和不足，敬請廣大讀者批評指正。
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內容簡介：本書以Arduino為載體，以通用技術知識點為導向，圍繞Arduino電子制作展開介紹，通過具體的案例制作，介紹了控制方式、系統組成、控制系統分類等通用技術的知識點。本書作為安徽省省級課題“基于Arduino平臺的普通高中通用技術課程開發”研究成果，經過3年實踐，取得了良好的效果。
本書的適用對象為普通高級中學學生。現行通用技術教材內容中缺少學生動手實驗的平臺，而Arduino又是一個注重實際動手的產品，本書將Arduino與通用技術知識點融合，通過一個個項目制作讓學生在制作中理論聯系實際，完成知識的構建。因此，本書可作為普通高中學生通用技術學習的實驗指導書。 |
目錄：第1章初識Arduino1
1.1Arduino概述1
1.2Arduino的特色3
1.3Arduino快速上手9
1.4Arduino基本函數15
第2章感受多樣控制方式——玩轉LED21
2.1LED延遲開關21
2.2“呼吸燈”26
2.3感知顏色的燈29
2.4手勢控制的燈35
2.5網絡控制的燈38
第3章系統的組成——“黏土怪”與“盒仔”45
3.1系統的組成45
3.2人體紅外監測裝置——“黏土怪”46
3.3“包裝”人體紅外監測裝置——“黏土怪”49
3.4桌面“氣象怪”55
3.5包裝桌面氣象臺59
第4章控制系統分類——傳感器在日常生活中的應用62
4.1天然氣檢測報警處理裝置62
4.2火焰檢測滅火裝置66
4.3隨光線強度自動調整的燈68
4.4電控升降衣架模型71
4.5恒溫房間73
第5章基于物聯網平臺的禁煙防火預警系統80
5.1基于物聯網平臺的禁煙防火預警系統設計80目錄Arduino與通用技術?2??2??1?
5.2通過網絡采集溫度數據82
5.3采集多路傳感器數據87
5.4通過微博播報室內溫度90
5.5通過發送微博控制電器93
5.6系統的技術試驗及優化95
第6章基于藍牙的遙控系統設計與制作102
6.1基于藍牙的數據收發103
6.2基于藍牙控制的遙控項目106
6.3藍牙多功能夜燈的創意設計112
6.4BLE無線編程114
6.5基于藍牙的轉向指示器119
第7章電子控制系統綜合應用——智能小車126
7.1驅動小車——走“8”字127
7.2避障小車132
7.3防跌落小車136
7.4巡線小車138
7.5無線遙控小車142
7.6創意小車方案147
參考文獻149 |
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