《基于S4A的自動灌溉系統》項目學習教學案例

蘆斌

該項目教學研究的是基于S4A在工程實踐類教學中的嘗試，課程用時較長，一般實施需約4～6個課時來實現，其中大部分時間用于學生自主探究解決問題。為了便于讀者閱讀，本文將其中主要過程梳理為以下幾個主要活動過程。

● 學情分析

我們選取的六年級學生多來自中低收入家庭，部分學生為進城務工子女，該校有以農耕樂園為特色的校本課程，學生大多具備農業種植的基礎知識，對于農耕實踐動手能力較強，并且對程序的實踐應用有較強的敏感度。

所選取的學生已有一學年的Scratch學習經驗，在本課項目內容實施前，均在興趣小組活動課中接觸和學習了Arduino及S4A的基本使用方法，了解了指令的運用及硬件的搭建。

● 教學目標

知識與技能目標：了解傳感器原理；了解繼電器控制原理；了解電磁水閥、毛細滴管等灌溉設備的使用；了解基于傳感器的自動化控制原理；學會自行設計組裝復雜控制系統、灌溉系統。

過程與方法目標：學會設計控制系統的基本方法；解決實際問題的建模到實施的策略。

情感態度與價值觀目標：了解民生，實際體驗勞動創造價值；積極地創造性地運用自己所學去改造世界；培養在一個實際項目中克堅除難持之以恒的良好品格。

● 教學過程

引入：什么是自動化？生活中許許多多自動化控制的案例展示（如熱水壺、空調、洗衣機、聲控燈等）。

討論：自動化系統有哪些共同特點？

羅列：熱水壺：溫度感應←→控制器←→加熱開關

空調：溫度感應←→控制器←→制冷熱壓縮機開關

洗衣機：重力感應←→控制器←→防水排水開關

聲控燈：聲音感應←→控制器←→電燈開關

……

提煉出自動化控制的要素：傳感設備←→控制器←→外部電器開關。

S4A同樣可以實現這些智能的自動化功能，它就是一個最好的控制器，配合外部不同的傳感器和開關電路，我們就能實現很多自動化控制的事務。

介紹學校目前正需要對農耕樂園進行智能改造，希望引用自動化灌溉技術實現對草莓種植的自動澆灌。

那具體需要了解哪些技術來實現我們的自動化灌溉，我們將依次通過活動來了解自動化控制的技術與設計方法。

活動一：認識傳感器

（1）學生根據教師提供的溫度、濕度、光照度傳感器，找到能夠讀取數據的正確接法。（提示：數據穩定在一個很小范圍內浮動表示能夠讀取數值）

總結：老師給大家提供的都是模擬傳感器（與之對應的是數字傳感器，在Scratch中不易獲得數值），它的數值范圍是從0～1024，它的接法一般由三根線組成，即一根地線、一根5v電源線、一根信號線，信號線起關鍵作用，地線有的傳感器是可用可不用的。

（2）他們獲取的數值都有什么特點。范圍在多少之間？是否穩定？

總結：獲取的數值都會有些上下浮動，不穩定。如果要用在農業自動化上我們可能需要哪些傳感器？你會選擇哪種類型的傳感器？

（3）學生討論：土壤相關的傳感、空氣的溫濕度傳感、光照度。模擬傳感器便于S4A獲取數值。

設計意圖：通過實例操作、觀察分析、拓展應用這三個環節。一方面通過學生自主實踐活動加深對模擬傳感器的一些特性認識為后續編程做好鋪墊，一方面總結出模擬傳感器接線的規律便于以后遷移使用其他模擬傳感器件，同時拓展學生思路在實際農業自動化項目中我們還需要哪些傳感器，為后續自主綜合實踐項目的開展奠定基礎。

活動二：認識開關電路

（1）學生根據教師提供的開關電路接線圖，實現S4A控制風扇轉動。并找出繼電器中哪幾個接線是可以控制外部電路的，哪幾個接線是對應S4A的信號輸出的。

總結：繼電器電路需要有數字信號輸入（地線、5v電源線、信號線），可以控制電路的開或者關，接法上是中間的必須接，兩邊的可任選其一，在控制時會出現開關次序相反的效果，即輸出“on”信號時，一個會開一個會關。

（2）根據繼電器的說明書查看我們可以控制多少范圍電壓或電流的外部電路。

總結：一些外部電路或器件在設計或使用時要注意它們的適用范圍，如果選擇錯誤輕則造成故障重則引起火災爆炸等，因此必須謹慎對待。

設計意圖：通過實際操作認識開關電路的用法，并在體驗查看控制范圍電壓及電流的過程中學會自學設備器件的重要配套資料，便于今后解決實際問題時良好研究習慣的養成。

活動三：認識電磁水閥及水管、滴管、噴頭

（1）測試給電磁閥加電，觀察電磁水閥的通斷水效果，并討論使用時需要注意的事項。

總結：電磁水閥的進水方向、設計電路時要注意保護避免電路短路。

（2）運用扳手、剪刀、鉗子等工具連接水管、滴管、噴頭，制作一套噴灌系統實現單一花盆的噴灑效果。

總結：實現不同管子的連接，可以通過各類轉接頭或者將塑料軟管加熱后套接，針對不同管材應該選取不同的工具進行加工處理以提高制作效率。

（3）根據農耕園實際植株情況，設計水管排布方案，并簡要說明設計理由。

總結：設計原則：①考慮灌溉水壓的均勻到達。②考慮管材使用的盡量節儉。③不影響植株生長及人員走動。

設計意圖：通過測試實驗、組裝系統，讓學生初步體驗小型灌溉系統的設計與施工過程。同時，在這個環節中引出管線的排布設計可以讓學生提前做好整體方案的局部設計準備。

活動四：學習自動化控制原理

（1）利用溫度傳感、開關電路、12v直流電源、12v小風扇實現調溫風扇。

總結：利用溫度傳感獲取的數值進行判斷，加上反復偵測實現實時偵測效果，當溫度高于某數值時啟動風扇，反之就停止風扇。endprint

（2）利用土壤濕度傳感器、開關電路、電磁水閥及活動三中的噴灌系統，構建基于花盆的自動化花盆噴灌系統。

總結：可以利用同樣的控制程序實現效果，但需注意土壤的浮動對于開關電路不穩定的影響如何規避，提示通過增加反復偵測的時間間隔。

設計意圖：以一個基礎的案例“溫控風扇”作為此類控制原理基本范式的學習，讓學生在花盆中模擬一個小型的灌溉系統，對后續的現實實踐提供一定的參考。

活動五：設計實施自動化灌溉系統

（1）集體設計總體自動化灌溉方案，總結如下圖所示。

（2）將任務分三個部分分別交由三個小組（傳感偵測組、程序控制組、水利灌溉組）開展獨立的項目研究與實施。小組中分工有負責協調統籌的、資料查詢的、具體實施的。

項目實施原則：①能夠實現功能；②方便安全；③經濟節省。

情況分析：學生在實際實踐過程中遇到了遠比模擬環境中多很多的問題。例如，傳感器如何穿越墻體、大棚，傳感數值為何會異動，傳感數值上下浮動不便于監測控制如何利用程序解決，多少溫濕度的數值對應多少輸入的數據量，水管如何分布既便于水流快速到位，又節省噴頭和滴管數量等問題。

教師指導：問題解決方案的指導，如土壤傳感器插入土會出現數據異常問題，如何排除故障，教師指導學生可采用分段排除法確定問題節點，然后運用替換法，一方面在不同的土質結構中測試，另一方面尋找更為合適的土壤傳感。

通過近兩節課，即兩周時間和中間學生自發性的研究時間，興趣小組整體上實現了農耕樂園中草莓大棚根據土壤濕度、空氣溫度進行自動化灌溉的控制功能。

設計意圖：通過前期的知識與技能準備，學生已有初步的經驗可以完成系統的基本雛形，但在實際環境中問題往往不可預料，因此，要在較短時間內完成這樣的任務最好采取小組合作的形式，但教師也需要發揮應有作用，尤其是在解決問題的方法策略上多給指導。

活動六：匯報工作反思

各組對自己的工作內容、方法、成果、不足進行反思交流。

設計意圖：作為學生總結性評價的一種手段，重點也是幫助學生對于一些復雜系統問題解決時的一些方法技巧的經驗交流，便于學生相互學習，相互取長補短。

● 教學反思

本項目課類似一個小型的綜合課程，涉足廣泛涉獵眾多，但它又不完全是嚴格意義上的課程。通過多次教學后發現，作為小學生而言，他們更多地僅僅是需要知道感性的操作、技巧，而不是長篇的理性原理道理。因此，只有通過不斷實踐才能讓他們更快地掌握一門技術或知識，而在不斷實踐的過程中，學生會自然而然慢慢悟出其中的道理原理。另外，在整個課程設計上需要注重由簡入繁的原則，學生畢竟經驗不足，給予充足的基礎準備，如抽象出簡單模型、規避掉一些復雜外因、分解出部分環節，使得學生能夠循序而漸進，在綜合實踐過程中自然會游刃而有余。endprint