溫控報(bào)警系統(tǒng)模型實(shí)驗(yàn)

陳杰

● 教學(xué)目標(biāo)

知識與技能目標(biāo)：了解什么是傳感器，學(xué)習(xí)使用溫度傳感器制作溫控報(bào)警系統(tǒng)模型。認(rèn)識Arduino平臺，正確連接溫控報(bào)警系統(tǒng)模型物理線路。能夠使用S4A編寫程序控制溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度感應(yīng)控制。

過程與方法目標(biāo)：通過圖片展示認(rèn)識LM35溫度傳感器、LED燈、220歐姆電阻等設(shè)備的電器特點(diǎn)，并使用它們組裝單燈溫度報(bào)警系統(tǒng)。拋出問題“分段報(bào)警系統(tǒng)”制作，分組思考，設(shè)計(jì)算法。依據(jù)上述單燈模型的經(jīng)驗(yàn)，分組制作，教師巡視指導(dǎo)。測試檢驗(yàn)系統(tǒng)功能。

情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：通過模型實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)動手能力，感受技術(shù)，使用技術(shù)，提升創(chuàng)造力。

● 教學(xué)重、難點(diǎn)

重點(diǎn)：認(rèn)識Arduino系統(tǒng)，利用S4A編寫程序?qū)崿F(xiàn)溫控報(bào)警系統(tǒng)模型。

難點(diǎn)：正確的物理線路連接。設(shè)計(jì)算法，解決問題。

● 教學(xué)過程

1.情境引入

教師展示芯世界、創(chuàng)客空間、英特爾等機(jī)構(gòu)組織的極創(chuàng)48小時(shí)作品BMW。

師：各位同學(xué)是否知道，小黃人是憑借著什么躲避別人去摸它嗎？

學(xué)生對BMW十分感興趣，認(rèn)真觀察了機(jī)器人的視頻。

設(shè)計(jì)意圖：通過視頻資料激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引出新課內(nèi)容。

2.新知講授

（1）傳感器

師：小黃人能夠躲避人，憑借的是紅外線傳感器，通過它可以實(shí)現(xiàn)在手觸摸到它之前，提前躲避的功能，那什么是傳感器呢？（傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動檢測和自動控制的重要環(huán)節(jié)。）

今天是第一次帶大家做實(shí)驗(yàn)，所以我們玩點(diǎn)簡單的，做一個(gè)溫控報(bào)警裝置。它的功能是當(dāng)溫度高于20度，綠色LED報(bào)警燈亮起。請同學(xué)們從材料盒中找出LM35溫度傳感器和led燈及電阻，讓我們一起來認(rèn)識一下它們。

學(xué)生觀察溫度傳感器和LED燈，教師介紹相關(guān)引腳及極性。先觀察LM35溫度傳感器三根引腳的連接線。平的一面朝上，從左到右依次為5V、模擬口、GND。LED燈長的引腳為正極，短的引腳為負(fù)極。

設(shè)計(jì)意圖：通過觀察傳感器和LED實(shí)物，初步認(rèn)識LM35溫度傳感器和LED燈的結(jié)構(gòu)。

（2）器件與控制板連接方式

師：這些器件無法實(shí)現(xiàn)上述功能，它們要與Arduino控制板正確連接以后，才能發(fā)揮應(yīng)有的作用。

◇LED燈與控制板連線。

先將綠色LED燈的正負(fù)引腳插入到面包板不同的列，再使用一根220歐姆電阻，一端插入LED燈正極所在列，另一端插入數(shù)字口10。使用一根杜邦線，一端插入LED燈負(fù)極所在列，另一端插入Arduino控制板的GND口。連接圖如圖1。

◇LM35溫度傳感器與控制板連線。

將LM35溫度傳感器平面朝前，三只引腳分別插在面包板不同的列。用一根紅色的杜邦線，一端插在LM35正5V口所在的列，另一端插在控制板5V口上。用一根黑色的杜邦線，一端插在LM35模擬口所在的列，另一端插在控制板模擬口0上。用一根綠色的杜邦線，一端插在LM35的GND口所在的列，另一端插在控制板模擬口GND口上（如圖2）。

學(xué)生按照圖示用杜邦線把LED與傳感器連接到Arduino主控板。

教師巡堂指導(dǎo)學(xué)生連線，學(xué)生小組互相檢查連線正確與否。確認(rèn)連線正確后再插入U(xiǎn)SB線。

設(shè)計(jì)意圖：傳感器和LED實(shí)物連接Arduino主控板的操作十分重要。如果連接錯誤，輕則實(shí)驗(yàn)無效果，嚴(yán)重的會造成Arduino主控板燒毀。使用對照圖示連線的方式可以降低操作難度。同時(shí)，利用小組成員互助，讓動手能力強(qiáng)的學(xué)生幫助其他學(xué)生完成連線任務(wù)，確保連線正確。

（3）編制程序

師：傳感器和LED實(shí)物連好線后，怎樣控制讓他們工作起來呢？我們需要告訴Arduino控制板如何進(jìn)行工作。

學(xué)生思考問題算法：如果溫度高于20度，讓綠燈亮起；否則綠燈不亮。

師：使用S4A的的積木塊，可以設(shè)定相應(yīng)數(shù)字端口高低電壓。而積木塊可以獲取模擬口0的溫度變化值。具體腳本如圖3。

（4）檢測功能

學(xué)生運(yùn)行程序，觀察LED燈是否亮（環(huán)境溫度值事先測量好），另外可以修改程序的溫度值，測試觀察，小組交流。

師：這樣一個(gè)模型能否對多個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)區(qū)間實(shí)現(xiàn)不同的報(bào)警效果？

生：不能。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生通過自主探究的方式感受了解傳感器溫度感應(yīng)，并為后面多燈感應(yīng)做好準(zhǔn)備。

3.拓展延伸

師：通過剛才的實(shí)驗(yàn)，大家已經(jīng)掌握對單個(gè)溫度區(qū)間的感應(yīng)的控制，如果我們想對多個(gè)溫度區(qū)間進(jìn)行感應(yīng)控制該如何去做呢？請各組同學(xué)思考利用手中的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)什么樣的功能。（器材中有紅綠黃三只LED燈，三只電阻）

學(xué)生利用現(xiàn)有器材進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，并匯報(bào)。

教師給出功能設(shè)計(jì)：溫度大于60度時(shí)亮紅燈；溫度在40～59度時(shí)亮黃燈；溫度在20度以上39度以下亮綠燈。

學(xué)生根據(jù)多溫度報(bào)警的設(shè)計(jì)，小組制作，教師巡視指導(dǎo)，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行完善，完成多燈感應(yīng)程序。

教師選取制作好的學(xué)生作品，進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。程序代碼如圖4。

師：今天我們制作的溫控感應(yīng)實(shí)驗(yàn)，它們可以應(yīng)用在日常生活的哪些方面呢？

學(xué)生小組內(nèi)討論，推薦交流。點(diǎn)子有：溫控杯、孵化室、大棚養(yǎng)殖……

教師點(diǎn)評學(xué)生想法，鼓勵應(yīng)用。

設(shè)計(jì)意圖：通過談話激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。在制作中，通過分析任務(wù)，為學(xué)生搭建解決問題的框架。幫助學(xué)生逐步養(yǎng)成解決問題的能力。

4.課堂總結(jié)

師：今天我們認(rèn)識了傳感器LED燈，知道了它們的連接方法，還能夠編寫腳本控制它們，最后還用它們做了個(gè)多溫度區(qū)間的溫控杯。

下面有幾個(gè)問題你能夠回答嗎？①傳感器的的三根引腳分別接到Arduino的哪些插孔？②LED燈的正極引腳為什么接在數(shù)字口；而LM35溫度傳感器的中間引腳接在了模擬口呢？③如果實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不對，我們應(yīng)該按照什么順序檢查？

設(shè)計(jì)意圖：教師通過問題引導(dǎo)學(xué)生回顧本課所學(xué)知識。

● 教學(xué)反思

本課課堂氣氛十分活躍，教學(xué)設(shè)計(jì)合理，學(xué)生的興趣被充分調(diào)動，都認(rèn)真參與投入到實(shí)驗(yàn)中。小組成員之間相互配合，共同完成連線、編程、測試。更難能可貴的是，做好的小組能夠充當(dāng)小老師，去幫助其他沒有調(diào)試好的小組。在教學(xué)設(shè)計(jì)上的獨(dú)特之處：第二部分多溫度區(qū)間的報(bào)警模型的制作，教師并沒有直接去告訴學(xué)生制作一個(gè)什么樣的報(bào)警模型，而是讓學(xué)生依據(jù)手上有的器材進(jìn)行設(shè)計(jì)，把創(chuàng)作的權(quán)利交給了學(xué)生，讓學(xué)生去設(shè)計(jì)，去制作。另外，本課中為了激勵學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，我們送出了一套DFRobot Arduino基礎(chǔ)套件，作為最先完成實(shí)驗(yàn)小組的獎勵，學(xué)生的熱情再一次被點(diǎn)燃，小組合作、組間的競爭順利展開。endprint