mBot入门与实习：STEM整合式机器人学习 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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本书避开艰涩的科技名词与理论，以浅显易懂的语言，搭配丰富的图文介绍，提供对机器人或程式设计有兴趣的初学者，快速上手mBot机器人程式设计。
　　
　　本书并不是单纯介绍如何操作mBot的使用手册，也不是单纯介绍如何设计程式设计的书。而是以mBot为平台，以浅显易懂的方式介绍相关的科学原理与科技基础知识，并依照硬体元件特性由浅入深地，介绍如何设计操作mBot的程式。希望读者在学习有趣的mBot机器人操作时，能同时学习科学原理与科技知识；并在学习Scratch程式设计之余，可以应用mBot平台学习物理与数学问题。
　　
　　本书适用对象为国小中高年级以上，至高中职学生，或对机器人程式与硬体组有兴趣者。可由老师按照进度统一讲解，并搭配STEM原理延伸至其他课程领域；或由读者搭配网路资源自行学习。但建议自行研读的年轻读者最好有家长或师长的指导，并注意使用安全。
　　
　　使用本书并不需要具备完整程式设计能力，或高深的数理知识。对完全没有程式设计经验的读者，建议先阅读附录A和附录B，以具备操作Scratch的基础及阅读本书程式流程图的能力。已有Scratch程式设计经验者，可以直接从单元一开始，必要时再翻阅附录即可。
　　

探索数字世界的基石：操作系统与底层原理 内容提要 本书深入浅出地剖析了现代计算机操作系统的核心机制，旨在为读者构建一个坚实而全面的底层技术认知框架。我们不探讨机器人编程或STEM教育，而是将焦点完全集中于计算机科学中最基础、最核心的领域：进程管理、内存分配、文件系统结构以及并发控制。全书结构紧凑，理论与实践并重，通过对经典操作系统模型（如Unix/Linux内核的简化视图）的解析，揭示了软件如何在硬件之上高效、可靠地运行。 第一章：计算机系统概览与抽象层 本章首先建立一个宏观视角，描绘出从物理硬件到用户应用程序之间的多层抽象结构。我们将详细讨论冯·诺依曼体系结构及其在现代处理器中的演进。重点分析了硬件的三个关键组成部分——CPU、内存和I/O设备——如何通过系统总线进行协同工作。随后，我们引入“系统调用”的概念，阐明应用程序如何安全地请求底层资源。不同于关注上层的应用交互，本章致力于理解操作系统作为“资源仲裁者”的角色定位，以及硬件中断（Interrupts）和陷阱（Traps）在实现这种仲裁中的关键作用。我们还将对比批处理系统、分时系统到现代多核处理器的演变路径，理解性能需求的驱动力如何塑造了操作系统的设计哲学。 第二章：进程管理与调度策略 进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。本章将彻底解构进程的生命周期，从创建、就绪、运行到终止的完整状态转换模型。我们详细分析了进程控制块（PCB）的内部结构，这是操作系统维护进程信息的关键数据结构。随后，我们将深入探讨多道程序设计环境下的核心挑战——如何公平且高效地分配CPU时间。本章系统性地梳理并对比了多种CPU调度算法：包括先来先服务（FCFS）、最短作业优先（SJF）、优先级调度，以及更复杂的轮转（Round-Robin）和多级反馈队列（Multilevel Feedback Queue）算法。我们通过具体的案例分析，量化评估不同调度策略在吞吐量、周转时间、等待时间和响应时间等性能指标上的差异，并讨论实时系统对调度的特殊要求。此外，线程的概念被引入，作为进程内部的轻量级执行单元，分析用户级线程与内核级线程的实现机制及其适用场景。 第三章：内存管理：空间、保护与虚拟化 内存是计算机系统中最宝贵的资源之一。本章聚焦于操作系统如何有效地管理主存，确保多个进程能够安全共享内存空间，同时最大化内存利用率。我们首先讨论内存分配的基本技术，如固定分区和动态分区管理，并分析外部碎片和内部碎片的产生原因及缓解措施。继而，本书的核心内容将转向现代内存管理的主流技术——分页（Paging）。我们将详细解释页表（Page Table）的结构、多级页表的设计，以及快表（TLB）在加速地址转换中的作用。 虚拟内存是本章的重中之重。我们阐明了如何通过分页机制实现地址空间的虚拟化，使得程序可以访问比物理内存更大的地址空间。内存保护机制，特别是如何利用页表中的权限位，防止一个进程非法访问另一个进程的内存区域，将被详尽阐述。最后，我们将深入探讨页面置换算法，包括最佳（Optimal）、先进先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）以及Clock算法，分析它们在减少缺页中断（Page Fault）方面的效率差异。 第四章：并发控制与同步机制 当多个进程或线程试图同时访问共享资源时，数据一致性便面临严峻的挑战。本章致力于解决并发执行中的同步与互斥问题。我们将首先明确“临界区”（Critical Section）的概念，并分析竞态条件（Race Condition）的危害。接着，我们讨论基于软件和硬件的互斥解决方案，如Peterson算法。本书随后将重点介绍操作系统提供的标准同步原语：信号量（Semaphores）——包括计数信号量和二元信号量（互斥锁），以及管程（Monitors）。我们将通过经典的生产者-消费者问题、读者-写者问题和哲学家就餐问题的具体建模过程，展示如何利用这些工具正确地实现复杂的同步逻辑，避免死锁（Deadlock）的发生。关于死锁，本章还会系统地介绍死锁的四个必要条件，并对比死锁的预防（如有序资源分配）、避免（如银行家算法）和检测与恢复策略。 第五章：文件系统结构与存储管理 文件系统是用户与持久化存储设备交互的接口。本章从逻辑结构和物理布局两个层面剖析文件系统的设计。我们将首先定义文件、目录的抽象概念，并探讨不同的文件组织方法，如单级、二级和树形目录结构。随后，我们将详细讲解文件系统的实现细节：如何管理磁盘空间（空闲空间管理，如位图法）、如何组织文件数据（连续分配、链式分配、索引分配），并对比它们在存取效率上的优劣。 文件系统的核心在于元数据管理。本章将深入解析i-node（索引节点）的结构及其在Unix类系统中的作用，展示操作系统如何通过i-node快速定位文件的所有数据块。对于磁盘I/O的效率，我们将分析缓冲（Buffering）和缓存（Caching）技术的作用。最后，本章将讨论日志（Journaling）机制在确保文件系统崩溃恢复一致性方面的关键作用，为理解数据持久化提供底层视角。 第六章：I/O子系统与设备驱动程序基础 输入/输出操作是系统与外部世界通信的桥梁，通常是系统中性能最慢的部分。本章首先概述了I/O系统的层次结构，从应用程序到设备驱动程序，再到硬件控制器。我们将重点分析I/O设备的两种基本访问模式：程序控制I/O和中断驱动I/O。 缓冲和SPOOLing技术将被详细介绍，它们如何隔离CPU的高速执行与I/O设备的低速特性。对于性能敏感的应用，本章会深入讲解直接内存访问（DMA）的工作原理，阐明DMA如何允许设备在不占用CPU资源的情况下直接读写内存，从而实现高效的数据传输。最后，我们将讨论设备驱动程序的基本结构，理解它们如何将标准化的系统调用请求转化为特定硬件的操作指令，以及内核如何管理和加载这些驱动模块。 目标读者 本书面向计算机科学、软件工程等相关专业的学生、系统程序员，以及所有希望深入理解操作系统内部工作原理的技术人员。它假定读者已具备基础的编程能力和对计算机硬件的基本了解。本书不涉及任何特定于机器人硬件或教育方法论的知识。

作者简介

吴志宏

　　毕业于国立成功大学工程科学系和国立中山大学电机系，目前任教于国立高雄大学电机系。
    
　　从小就喜欢科幻片和机器人，引发对工程和科技相关事物的兴趣，更进一步研究如何将人工智慧、机器学习等技术融合在实用化机器人科技中。

　　带领学生进行缩减数位落差与资讯科技教育推广活动，足迹遍及山区、离岛及海外，时间长达十五年，并持续进行中。
 

自序
本书特色与使用说明

I 入门篇——基本驱动方式
入门篇简介
一、开箱与安装
二、mBot执行程式的方式
三、向前走
四、我会唱歌
五、戳一下
六、动感光波
七、圆舞曲

II 进阶篇——感测器使用
进阶篇简介
八、亮不亮有关系
九、红外线超能力
十、循规蹈矩
十一、我是蝙蝠侠
十二、红外线遥控器
III 创意篇——DIY
DIY篇简介
I、    影像控制
II、    创意投石机

附录
A、Scratch基本使用教学
B、认识基础程式流程图
C、mBlock程式上传方式
D、网站资源使用说明

参考文献

自序

　　驾驶巨大机器人保护地球，一直是小时候的愿望。长大以后才发现，真实的机器人不但很小，功能也很阳春，还无法保护地球。

　　不过，从喜欢机器人到喜欢科技，进而从事科技教学与研究，对机器人的喜爱一直是这条路上陪伴我前进的重要动力之一。研究所学的是古典人工智慧，现在教学和研究用的是近代的机器学习技术，如何把这些技术放在机器人中，也一直是我的喜好和研究方向。

　　近十五年来，每年暑假带着学生上山下海，到山地偏乡和离岛修电脑和教小学生电脑课程，除了让大学生能够学以致用，学习关怀社会以外；也希望能让偏远地区的小孩学到新的资讯电脑科技。我们一直认为，对小孩的教学内容应该尽量有趣，并一定要能给小朋友成就感。十多年来的教学和活动设计，都在这样的原则下进行。

　　最早我们就尝试过以Flash做简单的动画，并整合各种多媒体应用软硬体。后来加上3D纸模型制作，也试过Algodoo这种物理游戏模拟器，近五、六年开始使用Scratch特色动画。我们的确发现能够立即让小孩看到成果的教学模式，在小朋友欣喜和感动之余，会比较容易让他们进一步学习深入的知识。动画、多媒体和动手做模型刚刚好都能够契合这种教学与学习模式。

　　在Arduino微处理器开始流行的三、四年前，我们也尝试将动画的画面转移到简易的机器人上，并让小能朋友以竹筷子和橡皮筋自行制作简易的机器人，再以S4A之类的Scratch延伸版本进行控制。

　　但是，在制作过程失败的挫折和所花费的时间，常常让小朋友失去耐性。

　　2015年发现mBot这种科学玩具机器人，使用的软体又是我们所熟悉的 Scratch，同时在台湾代理商圆创力科技周泰民先生支援下，我们尝试使用mBot做为教学工具。虽然少了自行DIY的乐趣，但却可以更专注在机器人的动作和反应设计上，整体的教学效果对大小朋友来说，都有明显的进步。
　　
　　我们认为mBot机器人简单易学，可以让小朋友快速累积成就感，但不能只是停留「机器人会动就好」的阶段。如果可以在学习如何让机器人动起来的过程中，同时学习相关的科学知识，也接触程式设计逻辑，岂不是更好。

　　近年来国外流行的STEM的整合教学模式（STEM–Science, Technology, Engineering, Mathematics），透过机器人当作平台时，似乎有许多故事可以讲给小朋友听。

　　于是，有了写这本书的念头。但是把想法落实到完稿，还要比预期中多花了几个月。可以在教学和研究工作非常有限的时间完成这本书，需感谢许多人：黄冠文、吴孟玮两位先生撰写了各单元的范例程式并绘制详细的流程图；骆献仁先生提供 Scratch基础介绍与程式流程图简介的原型；赖正龄先生实作创意DIY单元的两个范例与程式；ICAL实验室成员帮忙校稿与验证程式。

　　特别感谢：圆创力科技的周泰民先生提供mBot硬体与技术上的协助；周均健先生给予编辑与出版上的许多指点；ICAL&e-Eureka团队所有成员过去在营队活动的付出，给予这本书强力的动机。

　　谢谢亲爱的家人——淑瑜、家宇、宜宸的支持。

　　希望
　　这本书，能让小朋友和我一样喜欢机器人。
　　这本书，对自学者有所启发。
　　这本书，减轻老师和家长的教学负担。
　　这本书，开启大小朋友对STEM整合学习的兴趣。

评分☆☆☆☆☆

拿到這本《mBot入門與實作：STEM整合式機器人學習》之後，我的第一反應是「總算有一本可以讓我家那群好奇心爆棚的小鬼乖乖坐下來研究的東西了！」以前嘗試過一些程式設計的課程，但往往學了沒多久，孩子們的興趣就消退了，因為那些內容對他們來說太抽象，缺乏實際的動手操作和成果驗證。這本書就不一樣了，它一開始就強調「實作」，光是看到書封上那台帥氣的mBot，就足以引起他們的目光。 翻開書頁，我最喜歡的是它的圖文編排方式。不像有些教科書，文字擠滿滿，圖片又小又模糊，這本書用了大量的彩色圖片和清晰的步驟說明，幾乎把每一個組裝和連接的細節都呈現在讀者眼前。這對於初學者來說，真的是一大福音。我請我兒子試著按照書上的指示組裝，他竟然能夠獨自完成，這讓他成就感十足，也對後續的學習充滿了信心。 而且，書中並非只是讓你「組裝」完就沒事了。它巧妙地將組裝好的機器人，與程式設計結合。我讓孩子試著用書中介紹的圖形化程式介面，編寫一些簡單的指令，讓mBot能夠移動、轉彎，甚至做出一些簡單的互動。看到他們親手寫的程式，真的能讓機器人聽從指令，那種驚喜和成就感，是任何課堂上學到的理論都無法比擬的。這也讓他們初步理解了「程式」並不是遙不可及的東西，而是可以控制現實世界的一種強大工具。 更讓我驚喜的是，這本書並沒有停留在基礎的「玩樂」層面。它裡面藏著很多將機器人應用於科學和工程原理的探討。例如，當我們討論到如何讓mBot避開障礙物時，書中會順勢引導孩子思考感測器的原理；在讓mBot測量距離時，又會帶入一些簡單的物理概念。這種將抽象的STEM知識，透過具體的機器人專案來呈現，讓孩子在玩樂中不知不覺地吸收知識，而且印象深刻。 總之，我認為這本《mBot入門與實作：STEM整合式機器人學習》對於想讓孩子們接觸STEAM領域的家長來說，絕對是值得推薦的。它提供了一個非常完整且引人入勝的學習路徑，從組裝到程式編寫，再到科學原理的探索，每一個環節都做得相當出色。我會繼續跟著這本書，陪著孩子們一起探索更多有趣的機器人應用！

评分☆☆☆☆☆

這本《mBot入門與實作：STEM整合式機器人學習》真是讓我眼睛一亮！身為一位在家陪讀孩子、同時也對STEAM教育感到好奇的媽媽，我一直想找一本能引導我們親子一起動手做、又能學到知識的讀物。過去接觸過一些機器人相關的教材，但總覺得內容偏向單一技能的訓練，或是太過艱澀，讓我和孩子望之卻步。然而，這本書的出現，彷彿為我打開了一扇新世界的大門。 從書本的架構來看，它並非只是單純的「照著做」教學，而是巧妙地將mBot機器人與STEM（科學、技術、工程、數學）的各個面向做了緊密的結合。我特別欣賞它從基礎概念出發，循序漸進地引導讀者認識機器人的組裝、程式編寫，乃至於更深層次的原理。書中提供的實例，不僅貼近生活，而且充滿趣味性，例如如何讓mBot走迷宮、感應障礙物，甚至是學習基礎的幾何概念。這些應用，讓我不再覺得機器人遙不可及，而是可以成為我們日常學習的有趣工具。 更讓我感動的是，這本書的編寫方式，非常注重讀者的學習體驗。它不是枯燥的理論講解，而是透過豐富的圖文、清晰的步驟，讓初學者也能輕鬆上手。我試著跟著書中的指示，帶著我家的小小工程師一起動手組裝，過程中雖然也會遇到一些小小的挑戰，但書中詳盡的說明和貼心的提示，總能引導我們找到解決問題的方法。這種「解決問題」的過程，正是STEAM教育中最寶貴的一環，它培養的不僅是孩子的動手能力，更是他們的邏輯思考和解決問題的耐心。 我認為這本書最大的價值在於，它提供了一個「整合式」的學習平台。它不像有些書籍，只專注於硬體的組裝，或是單純的程式碼教學。本書將硬體、軟體、科學原理、數學概念，以及工程的設計思維，巧妙地融為一體。這讓我深刻體會到，學習機器人並非只是學習一門技術，而是透過機器人這個載體，去理解和應用更廣泛的科學與工程知識。這種跨領域的學習，對於培養孩子未來的創新能力和適應未來社會的能力，非常有幫助。 最後，我必須說，這本書的出版，對於台灣推廣STEM教育，絕對是一大福音。它提供了一個非常棒的起點，讓家長和孩子都能輕鬆、有趣地進入機器人學習的世界。我非常期待這本書能被更多的家庭和學校看見，讓更多的孩子能夠透過mBot，開啟他們對科學、技術、工程和數學的熱情。這不僅是一本學習工具書，更是一本引導孩子探索世界的啟蒙之書，我強烈推薦給所有關心孩子未來發展的家長！

评分☆☆☆☆☆

我必須說，這本《mBot入門與實作：STEM整合式機器人學習》的內容，真的徹底顛覆了我過去對「機器人學習」的刻板印象。以往總覺得，這類主題離我們普通家庭太遙遠，需要很專業的知識背景，或是昂貴的設備。但這本書完全打破了我的迷思，它以一種非常親切、而且極具啟發性的方式，將複雜的STEM概念，轉化為人人都能理解和實踐的學習體驗。 最吸引我的是，本書非常注重「情境式」的學習。它並沒有直接丟出艱深的程式碼，而是透過一系列引人入勝的專案，讓讀者在解決實際問題的過程中，學習相關的知識。例如，書中設計的「自動巡邏車」專案，讓mBot能夠在規定的路線上行駛，這背後牽涉到的就是路徑規劃、感應器應用和基礎的運動學原理。孩子們在完成這個專案的同時，不僅學會了如何編寫程式來控制機器人，更重要的是，他們能夠親身體驗到這些科學原理在現實中的應用。 書中對於程式編寫的講解，也是我非常欣賞的一點。它採用了目前非常流行且易於上手的圖形化編程語言，這對於沒有程式基礎的初學者，甚至是小朋友來說，都非常友善。我發現，透過這種拖拉組合積木式的編程方式，孩子們能夠更直觀地理解程式邏輯，而且能夠快速地看到自己的程式指令如何影響到機器人的行為。這種「即時回饋」的學習模式，大大增強了他們的學習動機和自信心。 此外，本書在STEM整合方面做得相當出色。它不僅僅是教授程式或硬體知識，更將科學、技術、工程、數學這些看似獨立的學科，巧妙地串聯起來。例如，在探討如何讓mBot更精準地完成任務時，書中會引導讀者思考如何優化設計（工程思維）、如何使用感測器收集數據（科學探究）、如何運用數學公式來計算和控制（數學應用），以及如何編寫更高效的程式（技術運用）。這種跨學科的學習，能夠幫助孩子們建立更宏觀的知識體系，培養他們的綜合素養。 總而言之，這本《mBot入門與實作：STEM整合式機器人學習》就像是一本「STEAM學習的瑞士刀」，它功能齊全，而且操作簡單。它不僅能讓孩子們玩得開心，更能讓他們在玩樂中學到寶貴的知識和技能。對於家長來說，這本書提供了一個非常棒的親子互動學習平台，能夠在共同完成專案的過程中，增進親子關係，同時啟發孩子的學習興趣。我認為這本書絕對是打開孩子STEAM學習大門的絕佳選擇！

评分☆☆☆☆☆

這本《mBot入門與實作：STEM整合式機器人學習》絕對是我近期看過最令我驚喜的學習類書籍之一！過去對機器人教育總覺得有點門檻，擔心孩子太小無法理解，或是需要非常專業的指導。但這本書，完全打破了我的顧慮。它以一種非常貼近生活、而且寓教於樂的方式，引導讀者進入機器人學習的世界。 我特別欣賞書中對於「動手做」的重視。它並非只是紙上談兵，而是透過實際的組裝和操作，讓學習過程變得生動有趣。從一開始簡單的mBot機身組裝，到後續加入各種感測器和執行器，書中都提供了非常清晰、詳細的步驟圖解。這讓我和家裡的孩子，都能夠輕鬆跟隨，而且在完成每一個步驟時，都能獲得成就感。看著他們專注地聽我唸書上的指示，然後親手將零件組裝起來，那份喜悅是無價的。 書中將程式編寫與硬體操作緊密結合，這也是我認為它最成功的地方。它所使用的圖形化程式語言，對於初學者來說非常友善，不需要背誦複雜的語法，只需要像堆積木一樣，將指令方塊組合起來。我讓孩子嘗試編寫一些簡單的程式，例如讓mBot前進、後退、轉彎，或是讓它在遇到障礙物時停下來。當看到機器人真的按照他們的指令行動時，他們的眼睛都亮了！這種「指令與行動」之間的直接連結，讓他們深刻理解了程式的威力。 更重要的是，這本書並沒有停留在「玩」的階段，而是巧妙地將STEM的各個領域融入其中。例如，在教導如何讓mBot進行繪畫時，就牽涉到了精確的運動控制和坐標系統的概念；在設計讓mBot感應顏色的程式時，就引導孩子們了解光學和顏色感測的原理。這些看似複雜的科學原理，透過具體的機器人應用，變得容易理解和記憶。 我覺得這本書最棒的一點，是它能夠培養孩子的「解決問題」能力。在實作過程中，難免會遇到各種小狀況，例如程式跑不動、零件連接有問題等等。這本書透過提供詳盡的故障排除指南和常見問題解答，鼓勵孩子們自己動手尋找原因，並嘗試解決。這個過程，遠比單純地被告知答案來得更有價值，它能夠培養孩子們的邏輯思考能力和獨立解決問題的信心。我強烈推薦這本書給所有想讓孩子們在玩樂中學習的家長！

评分☆☆☆☆☆

初次翻閱這本《mBot入門與實作：STEM整合式機器人學習》，就讓我眼前一亮。身為一個對新科技抱持高度興趣，但又沒有太多硬體背景的上班族，我一直想找一本能夠讓我輕鬆入門，並且真正了解機器人「為什麼」和「怎麼」的讀物。這本書，顯然就是我一直在尋找的。 它的優點，首先體現在它紮實的內容架構。它並非只是簡單的介紹mBot的幾個功能，而是從零開始，逐步引導讀者認識機器人的基本組成，包括各種感測器、馬達、控制器等。書中對每一個零件的功能和原理，都有著清晰的說明，並且搭配了豐富的插圖，讓即使是像我這樣對電子零件不熟悉的讀者，也能夠迅速理解。我發現，原來很多我們生活中常見的電子設備，背後都蘊藏著這麼多巧妙的原理。 接著，書中對於程式設計的講解，讓我印象深刻。它採用了目前非常流行的圖形化編程方式，對於我這樣從未接觸過程式設計的人來說，這是一個非常友善的起點。透過拖拉方塊的方式，我能夠直觀地學習程式的邏輯，並且快速地看到我的程式如何影響到mBot的行為。我試著按照書中的範例，編寫程式讓mBot完成一些簡單的任務，像是避開障礙物、跟隨直線等等。當看到我的程式真的讓機器人動起來時，那種成就感是難以言喻的。 更讓我讚賞的是，這本書將程式設計與STEM教育的深度結合。它不僅僅是教你如何編寫程式，更是透過程式來探討科學、技術、工程和數學的原理。例如，在製作讓mBot自動平衡的專案時，書中就會引導你思考感測器如何收集數據，然後透過程式來計算和控制，這就牽涉到了物理學中的慣性定律和控制理論。這種將抽象的學科知識，轉化為具體的實踐應用，讓我對STEM教育有了全新的認識。 最後，我認為這本書最大的價值，在於它打破了「專業壁壘」。它讓一般大眾，包括學生、家長，甚至是像我這樣的科技愛好者，都能夠輕鬆地接觸和學習機器人技術。它不僅是一本學習工具書，更像是一扇引導我們進入未來科技世界的窗戶。我強烈推薦這本書給所有對機器人、程式設計，以及STEM教育感興趣的朋友們！