信息技術(shù)硬件教學(xué)的實(shí)施

孫沙沙

【摘要】：新世紀(jì)，社會(huì)的迅速發(fā)展和信息技術(shù)的普及不僅給教育帶來了新的機(jī)遇，同時(shí)也給教育提出了新的挑戰(zhàn)，并且使得教育正呈現(xiàn)出一系列新的變革趨勢(shì)。本文嘗試將項(xiàng)目式學(xué)習(xí)融入到Scraino硬件編程教學(xué)當(dāng)中，通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的"項(xiàng)目背景，明確問題——明確目標(biāo)規(guī)劃方案，確定物料——協(xié)作搭建，編程創(chuàng)作——上傳測(cè)試，優(yōu)化改進(jìn)——分享交流，拓展延伸"五個(gè)環(huán)節(jié)，探究信息技術(shù)課程中新型的教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)編程的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維。本文以泰山版小學(xué)信息技術(shù)第三冊(cè)第二單元《指揮機(jī)器人行動(dòng)》中《智能風(fēng)扇新體驗(yàn)》一課為例，介紹硬件教學(xué)的實(shí)施過程。

一、明確問題

風(fēng)扇是最常見的家用電器之一，傳統(tǒng)電風(fēng)扇最突出的缺點(diǎn)是它不能根據(jù)溫度的變化適時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)力大小，不能根據(jù)有沒有人在風(fēng)扇前靈活開關(guān)。比如：當(dāng)人離開的時(shí)候，電風(fēng)扇依然在工作，可是人有時(shí)忘記或者無法察覺，既浪費(fèi)電資源又不安全，傳統(tǒng)的機(jī)械定時(shí)器無法對(duì)人是否離開進(jìn)行檢測(cè)。鑒于以上方面的考慮，我們需要設(shè)計(jì)一種智能超聲波電風(fēng)扇來解決這個(gè)問題。如果我們能用自己學(xué)到的編程知識(shí)來創(chuàng)作一個(gè)智能風(fēng)扇，是不是很讓人興奮呢？

二、明確目標(biāo) 規(guī)劃方案

1.項(xiàng)目目標(biāo)分析

通過分析真實(shí)生活中風(fēng)扇的使用狀況，梳理智能風(fēng)扇的工作原理，培養(yǎng)學(xué)生分析問題的邏輯思維。

通過分析、科學(xué)合理的組裝風(fēng)扇，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。

通過程序設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整風(fēng)扇的速度，設(shè)計(jì)超聲波傳感器檢測(cè)的距離，可以根據(jù)遠(yuǎn)近智能自動(dòng)關(guān)或開風(fēng)扇，培養(yǎng)學(xué)生簡(jiǎn)單的計(jì)算思維能力。

2.規(guī)劃方案

整個(gè)項(xiàng)目對(duì)單獨(dú)的學(xué)生來說存在較大難度，所以實(shí)行小組分工合作更能提高學(xué)習(xí)效率。本著“組間同質(zhì)，組內(nèi)異質(zhì)”的基本原則，按學(xué)習(xí)成績(jī)、認(rèn)知水平、智力水平、性格特點(diǎn)、管理能力對(duì)全班學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)小組劃分，分為8個(gè)平行小組，每個(gè)組選擇一名編程邏輯思維和管理能力較強(qiáng)的同學(xué)作為組長(zhǎng)。另外劃分小組之后需要根據(jù)項(xiàng)目來進(jìn)行具體的分工協(xié)作。每個(gè)同學(xué)的特長(zhǎng)不同，組內(nèi)分工需要根據(jù)同學(xué)們的特點(diǎn)進(jìn)行揚(yáng)長(zhǎng)避短。根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)施主要分為指揮官（組長(zhǎng)）、軟件工程師（編寫程序）、造型師（創(chuàng)意搭建）和金話筒（匯報(bào)）四個(gè)組員。在不斷的學(xué)習(xí)積累中，同伴之間可以互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，這四個(gè)角色定期進(jìn)行互換，讓每個(gè)學(xué)生各方面能力都得到鍛煉。

3.確定物料

（1）所需要的硬件物料清單。

學(xué)生通過微課或者導(dǎo)學(xué)案操作步驟，以小組為單位找出這節(jié)課要用到的硬件。

（2）認(rèn)識(shí)開源硬件

小組合作完成物料清單，其中“電機(jī)”是本節(jié)需要用的新硬件，學(xué)習(xí)電機(jī)的原理及屬性，方便后邊硬件搭建和程序的編寫。

三、協(xié)作搭建，編程創(chuàng)作

1.結(jié)構(gòu)搭建

教師組織學(xué)生有針對(duì)性地再提出一些問題進(jìn)行討論，如什么部件可以讓風(fēng)扇的扇葉進(jìn)行旋轉(zhuǎn)？控制傳感器最關(guān)鍵的問題是什么？以小組為單位查看微課或者導(dǎo)學(xué)案操作步驟合作完成風(fēng)扇的搭建，也可以按照自己的想法進(jìn)行搭建，但一定要注意風(fēng)扇的牢固性和安全性。搭建的時(shí)候?qū)W生可以以小組為單位自由發(fā)揮想象，搭建模型。只有搭建支架是無法工作的，還需要電子模塊連線與電腦連接，用程序來指揮和控制風(fēng)扇工作。

2.電子模塊連線與安裝

擴(kuò)展庫(kù)（ Extension Library）集成了當(dāng)前市場(chǎng)流行的大多數(shù)開源硬件。本節(jié)課使用的Nano控制器的核心就是Nano開發(fā)板。

下面選取Nano擴(kuò)展模塊：

①使用雙頭 5pin 連接線將電機(jī)連接到驅(qū)動(dòng)板的出口端，用另一根 5pin 連接線將驅(qū)動(dòng)板的對(duì)應(yīng)入口端與控制板連接（1 號(hào)端口）。

②使用兩頭緊銷將驅(qū)動(dòng)板和控制板固定在搭建好的智能風(fēng)扇上。

注意：選擇驅(qū)動(dòng)板的出入接口時(shí)，可以選擇任意一對(duì)進(jìn)行連接，但出口與入口的位置必須是對(duì)應(yīng)的。

3.編程創(chuàng)作

接下來我們就需要編寫程序，指揮和控制風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)。由于扇葉是由電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)既可以順時(shí)針又可以逆時(shí)針。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)可以根據(jù)模擬信號(hào)輸出設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)速，Scraino 編程設(shè)定 1—255 區(qū)間為電機(jī)的正轉(zhuǎn)，數(shù)值越大，轉(zhuǎn)速越快，數(shù)值為“0”時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。需要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以控制扇葉的轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)速是由“設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速”的“積木”控制的，可通過設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)值來控制。

超聲波傳感器的編程命令必須與相關(guān)的【運(yùn)算】、【控制】相關(guān)指令配合使用。可以用兩個(gè)命令實(shí)現(xiàn)：①如果……那么……，否則……;②在……之前一直等待。圖四實(shí)現(xiàn)當(dāng)人與風(fēng)扇的距離小于100厘米時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，否則風(fēng)扇停止。實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)檢測(cè)距離，智能開關(guān)功能。

注意：由于超聲波感應(yīng)需要一定的距離，所以距離過小、物體不平、穿透力較強(qiáng)的物體都可能影響距離的檢測(cè)，有效檢測(cè)距離為 2——450cm。

四、上傳測(cè)試，優(yōu)化改進(jìn)

我們?cè)诰幊痰倪^程中，要滲透迭代優(yōu)化的思想，小組合作完成項(xiàng)目后要上機(jī)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)問題修正程序。在這個(gè)過程中引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出核心問題，如果讓整個(gè)過程不出錯(cuò)最重要的是什么？一是硬件連接不能出錯(cuò)，軟件編程要正確;二是硬件需要更穩(wěn)定，遇到故障，還要有預(yù)案。

五、分享交流，拓展延伸

分享之前先分好任務(wù)，每個(gè)小組都有機(jī)會(huì)分享，制定好分享原則，讓分享井然有序。

拓展延伸：為了讓風(fēng)扇更智能，更人性化，可以加入紅外線傳感器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，加入溫度傳感器，根據(jù)溫度變化自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速等。

采用過程性評(píng)價(jià)和結(jié)果性評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式。過程性評(píng)價(jià)包括智能風(fēng)扇的搭建、編程、小組分享和合作;結(jié)果性評(píng)價(jià)包括作品的完成度和創(chuàng)意性兩方面。

總結(jié)

本研究項(xiàng)目《智能風(fēng)扇》來源于學(xué)生真實(shí)生活中的問題，利用 Scraino硬件模擬真實(shí)場(chǎng)景，設(shè)計(jì)與制作智能風(fēng)扇。課堂通過真實(shí)情境的再現(xiàn)和小組合作的形式完成具體的任務(wù)，極大弱化學(xué)生之間的差異性，將教材中的多個(gè)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通，知識(shí)的學(xué)習(xí)也更具有連續(xù)性和實(shí)用性，學(xué)生學(xué)習(xí)成就感大大提升。在完成整個(gè)項(xiàng)目任務(wù)的過程中，體驗(yàn)程序分析員和程序員的完整工作流程：分析問題、分解任務(wù)、建立模型、優(yōu)化調(diào)試的能力，潛移默化地培養(yǎng)了計(jì)算思維。