智能垃圾分類機

褚志華

學習背景

本課使用樂高積木搭建智能垃圾分類機，使用LEGO Mindstorms程序完成程序編寫，通過顏色傳感器判斷代表不同垃圾的顏色塊，實現對垃圾進行智能分類的效果。通過創作貼合實際生活的創意作品，將創客教育與信息技術相融合，提高了所有學生的興趣和參與度；通過編程開發和不斷調試，培養學生的試錯糾錯能力；通過面向實際生活應用的機器人制作過程，培養學生的計算思維、工程思維。

教學目標

知識與技能

1.識別顏色傳感器，描述顏色傳感器數值與不同顏色的關系。

2.實現顏色傳感器控制Mindstorms程序中電機旋轉角度。

過程與方法

能通過觀察分析顏色傳感器的數值與距離遠近的關系，控制電機進行正確的旋轉角度。

情感態度與價值觀

1.感受運用信息技術解決實際生活中的問題以及設計創意作品的喜悅。

2.培養垃圾分類意識。

教學重點與難點

教學重點 利用顏色傳感器，實現對智能垃圾分類機模型的控制。

教學難點 通過程序調試，實現智能垃圾分類機模型的正確分類。

教學設計

一、創設情境

結合“上海垃圾分類”的社會熱點事件，通過交流上海垃圾分類具體方法，激發學生利用樂高設計智能垃圾分類機模型，實現垃圾自動分類的創意，初步交流創作思路。

二、小組合作，解決問題

1.構思設計

教師組織學生討論在垃圾分類時可能遇到的相關問題，如不知道怎樣對垃圾進行正確的分類等，激發學生設計一個可以自動識別垃圾種類并自動進行分類的智能垃圾分類機模型。學生分小組合作設計智能垃圾分類機模型的草圖，并使用樂高的積木、顏色傳感器和電機相關組件進行搭建。

2.探究新知

學生利用Mindstorms程序觀察顏色傳感器的數值與不同顏色的關系，判斷控制電機轉速的大致參數范圍。

3.編程與調試

學生在初步完成編程后，通過發現問題、分析問題和解決問題的步驟，逐步完善程序編寫，實現顏色傳感器對程序中電機旋轉角度的程序調試，達到智能垃圾分類機模型正確分類垃圾的目的。

三、展示與評價

小組進行作品展示，交流作品的特色及創意，任務過程中調試與編程的問題及解決方法，作品成功或失敗的心得。

四、反思與創新

總結顏色傳感器的特點和用途。引導學生討論思考“智能垃圾分類機模型還可以怎樣進行優化”，延伸課堂，延伸學生的興趣。

案例詳解

一、LEGO Mindstorms 簡介

LEGO Mindstorms是樂高教育器材中第三代機器人套裝。學生在計算機上通過藍牙連接Mindstorms程序和樂高積木主機，就可以進行編程了。

二、智能垃圾分類機結構的搭建

學生在設計創意智能垃圾分類機的時候，由于沒有固定裝置的參考，外觀形色各異，但從結構的有效性來說，主要分為傳送結構（如圖2）和旋轉結構（如圖3）。

以傳送結構為例，其結構參考物流傳送裝置，再加上一個識別“垃圾顏色塊”的裝置，整個結構主要用到一個顏色傳感器來識別紅、黃、藍、綠四種代表不同種類的“垃圾顏色塊”，一個中電機和一個大電機作為垃圾分類機的傳送裝置。

三、顏色傳感器與電機旋轉角度的研究

1. 顏色傳感器

學生通過使用顏色傳感器去檢測紅、黃、藍、綠四種代表不同種類的“垃圾顏色塊”，讀取顏色傳感器的數值，發現不同的顏色數值是不一樣的。

2. 電機旋轉角度

電機的旋轉由功率和度數兩個參數組成。功率范圍在-100到100，通過指導學生設置-30、0和80這三個數值，可以讓學生體會到負值為逆時針旋轉、零值為停止旋轉、正值為順時針旋轉，并且數值越大轉速越快的工作原理。

度數的數值有著每360度作為電機旋轉一圈的規律，學生通過設置30、200、720、900等數值，體驗到電機旋轉小半圈、大半圈、兩圈和兩圈半之間的差異。

在實驗探究后，學生理解了顏色傳感器和電機的工作原理，為后續使用顏色傳感器判斷控制電機旋轉角度，實現“垃圾顏色塊”的分類打下基礎。

四、程序設計與調試

1.需求分析

根據需求，學生需要讓垃圾分類機實現可以根據顏色識別不同種類的垃圾，從而控制電機旋轉不同的度數，傳送至對應顏色的垃圾桶的效果。在本例中，根據傳送裝置的特點，傳送的距離遠近是由電機旋轉角度決定的。通過實驗調試，初步設定角度范圍0～50對應為藍色垃圾桶；角度范圍50～200對應為綠色垃圾桶；角度范圍200～400對應為黃色垃圾桶；角度范圍400～650對應為紅色垃圾桶。垃圾分類機模型在每次啟動識別前和完成傳送后都進入初始等待狀態。（如圖4）

2.程序設計

整個程序主要分為兩個模塊。第一個模塊是識別判斷，通過顏色傳感器識別到的顏色數值和程序內部預留的顏色數值進行比較匹配（如圖5）。第二個模塊是“垃圾顏色塊”的分類動作，分類動作采用分支結構，程序根據顏色傳感器識別到的顏色數值執行對應編號的分支程序，在不同的分支程序中執行不同的電機旋轉命令，從而到達不同顏色垃圾桶的位置，完成分類工作（如圖6）。最后將兩個模塊及其他模塊嵌套“循環”結構，使智能垃圾分類機可以重復執行識別傳送工作。

3.完善創新

作品展示交流之后，引導學生討論思考“智能垃圾分類機模型還可以怎樣進行優化”，讓學生大膽想象，積極探索，如“在傳送裝置上安裝一個觸碰傳感器，避免傳送電機碰撞兩臂”，或“將垃圾分類機由顏色識別改成語音識別”， 想象力、創造力的充分發揮，使學生的創新精神和實踐能力得到了發展。

教學點評

上海市將于今年7月1日起進入垃圾分類“強制時代”。本課通過創設“智能垃圾分類機”的任務情境，讓學生在編程過程中發現問題、分析問題、解決問題，進而培養計算思維、工程思維和環保意識。

本節課，學生根據各自的理解，搭建了造型各異的垃圾分類機模型；并都使用了顏色傳感器和電機旋轉角度的相同思想解決垃圾分類的關鍵問題。學生在實驗過程中既體驗了工程思維中的設計、物化、完善的過程，又經歷了計算思維培養中界定問題、抽象特征、建立結構模型的過程，也培養了用信息技術解決實際問題的關鍵能力，還樹立了垃圾分類的意識。（點評人：王世達，上海市普陀區教育學院現代教育技術研究室副主任，信息技術教研員）