智慧生活

胡紅素 貴州省赤水市育才學(xué)校創(chuàng)客教師，原貴州省第一化工技校專業(yè)指導(dǎo)教師，從事過化工工藝、化工原理、物理化學(xué)、物理實(shí)驗(yàn)教師工作。在育才學(xué)校擔(dān)任科學(xué)課教學(xué)工作，遵義地區(qū)科學(xué)課骨干教師培訓(xùn)時擔(dān)任學(xué)習(xí)委員。參加過貴州省首屆創(chuàng)客嘉年華大賽和第32、33屆全國科技創(chuàng)新大賽及第4屆青年科技節(jié)，參觀過三屆中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會，對人工智能、STEAM課程和創(chuàng)客教育、無人機(jī)接觸比較早，對STEAM課程跨學(xué)科綜合素養(yǎng)訓(xùn)練有比較前沿的認(rèn)識;調(diào)研過北京、成都、重慶、貴陽等城市科技館發(fā)展，關(guān)注城鄉(xiāng)留守兒童的科普教育。

設(shè)計依據(jù)

2016年教育部出臺的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中明確指出，積極探索信息技術(shù)在“眾創(chuàng)空間”、STEAM教育、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應(yīng)用。2017年國務(wù)院正式印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出要利用智能技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方法改革，構(gòu)建包含智能學(xué)習(xí)、交互式學(xué)習(xí)的新型教育體系。

針對今年疫情的教學(xué)情況，學(xué)生們爭當(dāng)“抗疫小衛(wèi)士”，防疫物資——口罩的消毒處理是我們平安校園必須解決的問題。在了解一定的電子傳感器和3D設(shè)計與打印技術(shù)的基礎(chǔ)下，本課采用STEAM教育理念，利用Arduino和3D One軟件設(shè)計了一款“智慧生活——防新冠智能口罩消毒柜”，其外殼采用3D光固化打印技術(shù)進(jìn)行打印。

課例特色

特色1：基于真實(shí)情況的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。

問題一：怎樣解決全程無接觸自動打開箱門？（“T”技術(shù)問題）

問題二：怎樣實(shí)現(xiàn)箱門的智能關(guān)閉和自動消毒？（“S”科學(xué)與“T”技術(shù)融合）

問題三：含聲音提示，用什么辦法來提供信號？（提高人機(jī)交互性）

問題四：設(shè)計一個什么形狀的箱體外觀？（用3D One軟件來處理）

特色2：STEAM+創(chuàng)客=未來教育。

教師和學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生間交互式學(xué)習(xí)，讓學(xué)生體驗(yàn)完整而科學(xué)的未來教育模式。

特色3：用3D技術(shù)打印出作品，讓學(xué)生“天馬行空的胡思亂想”得到實(shí)現(xiàn)。

運(yùn)用前沿的3D光固化打印技術(shù)及液體狀的光敏樹脂材料，讓學(xué)生直接接觸最前沿科技。學(xué)生以自己的想法為基準(zhǔn)，以PBL創(chuàng)新教學(xué)法反復(fù)討論出方案并實(shí)施，最后得到可以看得見摸得著的實(shí)物案例。

教學(xué)目標(biāo)

1.了解科學(xué)安全有效地解決口罩消毒問題的必要性。

2.知道可以使用超聲波傳感器，用編程控制繼電器模塊。

3.掌握用Mixly編程實(shí)現(xiàn)箱門自動打開功能和消毒功能切換的方法。

4.提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新思維及防疫意識。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 超聲波傳感器、舵機(jī)、蜂鳴器、繼電器模塊的編程及變量的使用。

教學(xué)難點(diǎn) Mixly編程實(shí)現(xiàn)箱門自動打開功能和消毒功能之間的轉(zhuǎn)換。

教學(xué)準(zhǔn)備

Arduino主控板、超聲波傳感器、舵機(jī)、蜂鳴器、繼電器、LED燈、電阻、針排一排、面包板、公母頭導(dǎo)線若干、3D打印外殼的液體材料光敏樹脂、3D光固化打印機(jī)。

教學(xué)過程

一、課程導(dǎo)入

教師先讓學(xué)生發(fā)揮想象，初步拿出智能口罩消毒柜方案，鼓勵每個學(xué)生都參與，人人皆可設(shè)計，畫出各式各樣的草圖。教師從中引導(dǎo)，和有3D One軟件學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的學(xué)生一起來完成3D外觀設(shè)計，并展示出大家都滿意的設(shè)計圖形，細(xì)節(jié)問題最后處理。

在設(shè)計的過程中，因?yàn)橐紤]自動打開箱門，學(xué)生們都知道用超聲波傳感器，所以主要考慮的問題是超聲波可愛的小眼睛是放在前面還是上面。最后學(xué)生達(dá)成統(tǒng)一意見：放在上面，有美觀大方的效果。

二、儲備知識，準(zhǔn)備材料

教師引導(dǎo)學(xué)生分組討論前文提到的問題，每組討論一個問題。學(xué)生交流所需的傳感器和電子元件，每組自選一個代表發(fā)言。

教師引導(dǎo)學(xué)生們以小組的形式畫出簡單的電路草圖，并幫助學(xué)生理清思路：自動打開箱門需要超聲波測距，舵機(jī)轉(zhuǎn)動打開，加蜂鳴器聲音提示，繼電器弱強(qiáng)電轉(zhuǎn)換，強(qiáng)電工作進(jìn)行消毒，用LED燈來演示紫外線燈消毒。

學(xué)生分組畫出超聲波、舵機(jī)、蜂鳴器、繼電器與主控板的電路圖。

教師講解Arduino主控板的基本知識點(diǎn)，注意講解繼電器的接法。這些知識屬于課前準(zhǔn)備，不屬于本課內(nèi)容，所以只說接法，講簡單原理。最后展示正確電路圖紙。（所有正極接在一起，所有負(fù)極接在一起）

三、講授詳細(xì)制作步驟

1.測試元件性能

教師指導(dǎo)學(xué)生用主控板單個測試超聲波傳感器、舵機(jī)、蜂鳴器、繼電器的性能，學(xué)生逐一操作確定并正確使用。這一步不能少，否則可能會影響后期的故障處理和問題排除。（可讓每組分別測一種元件）

2.用面包板逐一搭建電路

教師講解面包板的正確使用方法，學(xué)生在面包板上面通過插接導(dǎo)線、電子元件來搭建不同的電路，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。（面包板是電路實(shí)驗(yàn)中一種常用的具有多孔插座的插件板，因?yàn)闊o需焊接，只需要簡單的插接，所以廣泛應(yīng)用于電子制作、單片機(jī)的入門學(xué)習(xí)中）

教師指導(dǎo)學(xué)生接線。為了方便起見，藍(lán)線作為GND，紅線作為VCC。

3.根據(jù)設(shè)計思路在Mixly環(huán)境中編寫程序

（1）程序設(shè)計模塊一

初始化：一開始箱體處于通電消毒工作狀態(tài)。（11管腳繼電器低電平狀態(tài)）

問題處理：9號管腳是前電路圖中10號，因?yàn)閷?shí)際操作太近而換管腳位置，電路圖并無改變;舵機(jī)是8號，角度是0°，處于隨時待命狀態(tài)，如圖1。

（2）程序設(shè)計模塊二

當(dāng)手接近箱體，超聲波測距開始工作，檢測距離小于或等于10cm時，11號繼電器高電平停止工作，舵機(jī)轉(zhuǎn)動90°（后調(diào)成85°，因重力而自動關(guān)閉，微調(diào)5°），箱體打開，同時蜂鳴器鳴叫提醒，實(shí)現(xiàn)口罩自動回收，紫外線消毒燈安全關(guān)閉。

特殊說明：為了避免出現(xiàn)手被夾事故，設(shè)計超聲波5次測距，反復(fù)檢測手是否在箱門附近，確認(rèn)離開后舵機(jī)才開始工作，箱門關(guān)閉。11號管腳繼電器才執(zhí)行命令重新開始消毒工作，如圖2。

（3）程序設(shè)計模塊三

當(dāng)超聲波檢測到人扔口罩后，手沒離開消毒柜時，就執(zhí)行蜂鳴器命令，如圖3，發(fā)出聲音提醒。

4.上傳總程序，完成設(shè)計目標(biāo)

實(shí)驗(yàn)成功，簡化電路，取消面包板，程序上再添加比如預(yù)防夾手之類的細(xì)節(jié)問題，并測試使作品更加完善。

四、使用3D打印技術(shù)進(jìn)行外觀設(shè)計

用3D光固化打印出迷你型消毒柜，組裝時注意活頁、舵機(jī)的美觀實(shí)用問題，最后反復(fù)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)舵機(jī)角度定為85°最佳，讓其蓋子能利用本身的重力閉合。采用迷你型便于教學(xué)和觀察，沒有放入內(nèi)膽。本作品可進(jìn)行科普、環(huán)保、實(shí)用，外觀樸素大方，科技感十足。

作品采用電池供電，便于移動，可直接使用常見的5V電源進(jìn)行供電。同時，繼電器能控制真實(shí)的220V紫外線消毒燈管（演示時用一個LED燈代替）。

教學(xué)反思

科學(xué)問題本就是源于自然中某一現(xiàn)象的問題。“怎么才能給口罩消毒呢？”這就是一個科學(xué)的問題;“怎樣讓箱子自動打開呢？”這源于一個工程技術(shù)解決的難題。可見，STEAM教學(xué)并不是簡單地將科學(xué)與工程組合起來，而是在學(xué)科之間相互支撐、相互補(bǔ)充、共同發(fā)展。STEAM注重培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維、解決問題能力、協(xié)作能力和自主學(xué)習(xí)能力，更是鼓勵學(xué)生做出有科技含量的、實(shí)用的作品。隨著3D One軟件的普及，人人皆為創(chuàng)客，為教學(xué)場景的擴(kuò)展帶來更多可能，并更好地建立以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)環(huán)境，從而推動中國創(chuàng)新教育，培養(yǎng)中國的創(chuàng)新型人才。人工智能在教學(xué)中的應(yīng)用，讓學(xué)生也認(rèn)識到將來社會的工作環(huán)境將如何變化，要提前做好準(zhǔn)備。

（本課件由i3DOne青少年三維創(chuàng)意社區(qū)推薦）