信息技術硬件教學的實施

孫沙沙

【摘要】：新世紀，社會的迅速發展和信息技術的普及不僅給教育帶來了新的機遇，同時也給教育提出了新的挑戰，并且使得教育正呈現出一系列新的變革趨勢。本文嘗試將項目式學習融入到Scraino硬件編程教學當中，通過項目式學習的"項目背景，明確問題——明確目標規劃方案，確定物料——協作搭建，編程創作——上傳測試，優化改進——分享交流，拓展延伸"五個環節，探究信息技術課程中新型的教學方式，激發學生學習編程的興趣，培養學生的邏輯思維。本文以泰山版小學信息技術第三冊第二單元《指揮機器人行動》中《智能風扇新體驗》一課為例，介紹硬件教學的實施過程。

一、明確問題

風扇是最常見的家用電器之一，傳統電風扇最突出的缺點是它不能根據溫度的變化適時調節風力大小，不能根據有沒有人在風扇前靈活開關。比如：當人離開的時候，電風扇依然在工作，可是人有時忘記或者無法察覺，既浪費電資源又不安全，傳統的機械定時器無法對人是否離開進行檢測。鑒于以上方面的考慮，我們需要設計一種智能超聲波電風扇來解決這個問題。如果我們能用自己學到的編程知識來創作一個智能風扇，是不是很讓人興奮呢？

二、明確目標 規劃方案

1.項目目標分析

通過分析真實生活中風扇的使用狀況，梳理智能風扇的工作原理，培養學生分析問題的邏輯思維。

通過分析、科學合理的組裝風扇，培養學生的動手能力。

通過程序設置電機轉速調整風扇的速度，設計超聲波傳感器檢測的距離，可以根據遠近智能自動關或開風扇，培養學生簡單的計算思維能力。

2.規劃方案

整個項目對單獨的學生來說存在較大難度，所以實行小組分工合作更能提高學習效率。本著“組間同質，組內異質”的基本原則，按學習成績、認知水平、智力水平、性格特點、管理能力對全班學生進行學習小組劃分，分為8個平行小組，每個組選擇一名編程邏輯思維和管理能力較強的同學作為組長。另外劃分小組之后需要根據項目來進行具體的分工協作。每個同學的特長不同，組內分工需要根據同學們的特點進行揚長避短。根據項目的實施主要分為指揮官（組長）、軟件工程師（編寫程序）、造型師（創意搭建）和金話筒（匯報）四個組員。在不斷的學習積累中，同伴之間可以互相取長補短，這四個角色定期進行互換，讓每個學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。

學生通過微課或者導學案操作步驟，以小組為單位找出這節課要用到的硬件。

（2）認識開源硬件

小組合作完成物料清單，其中“電機”是本節需要用的新硬件，學習電機的原理及屬性，方便后邊硬件搭建和程序的編寫。

三、協作搭建，編程創作

1.結構搭建

教師組織學生有針對性地再提出一些問題進行討論，如什么部件可以讓風扇的扇葉進行旋轉？控制傳感器最關鍵的問題是什么？以小組為單位查看微課或者導學案操作步驟合作完成風扇的搭建，也可以按照自己的想法進行搭建，但一定要注意風扇的牢固性和安全性。搭建的時候學生可以以小組為單位自由發揮想象，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扇工作。

2.電子模塊連線與安裝

擴展庫（ Extension Library）集成了當前市場流行的大多數開源硬件。本節課使用的Nano控制器的核心就是Nano開發板。

下面選取Nano擴展模塊：

①使用雙頭 5pin 連接線將電機連接到驅動板的出口端，用另一根 5pin 連接線將驅動板的對應入口端與控制板連接（1 號端口）。

②使用兩頭緊銷將驅動板和控制板固定在搭建好的智能風扇上。

注意：選擇驅動板的出入接口時，可以選擇任意一對進行連接，但出口與入口的位置必須是對應的。

3.編程創作

接下來我們就需要編寫程序，指揮和控制風扇運轉。由于扇葉是由電機帶動轉動的，電機旋轉時既可以順時針又可以逆時針。電機的驅動可以根據模擬信號輸出設置電機的轉速，Scraino 編程設定 1—255 區間為電機的正轉，數值越大，轉速越快，數值為“0”時，電機停止轉動。需要控制電機的轉速就可以控制扇葉的轉動。電機轉速是由“設置電機轉速”的“積木”控制的，可通過設置電機的轉速數值來控制。

超聲波傳感器的編程命令必須與相關的【運算】、【控制】相關指令配合使用。可以用兩個命令實現：①如果……那么……，否則……;②在……之前一直等待。圖四實現當人與風扇的距離小于100厘米時，風扇轉動，否則風扇停止。實現了自動檢測距離，智能開關功能。

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

四、上傳測試，優化改進

我們在編程的過程中，要滲透迭代優化的思想，小組合作完成項目后要上機測試，發現問題修正程序。在這個過程中引導學生總結出核心問題，如果讓整個過程不出錯最重要的是什么？一是硬件連接不能出錯，軟件編程要正確;二是硬件需要更穩定，遇到故障，還要有預案。

五、分享交流，拓展延伸

分享之前先分好任務，每個小組都有機會分享，制定好分享原則，讓分享井然有序。

拓展延伸：為了讓風扇更智能，更人性化，可以加入紅外線傳感器，實現遠程控制，加入溫度傳感器，根據溫度變化自動調整轉速等。

采用過程性評價和結果性評價相結合的方式。過程性評價包括智能風扇的搭建、編程、小組分享和合作;結果性評價包括作品的完成度和創意性兩方面。

總結

本研究項目《智能風扇》來源于學生真實生活中的問題，利用 Scraino硬件模擬真實場景，設計與制作智能風扇。課堂通過真實情境的再現和小組合作的形式完成具體的任務，極大弱化學生之間的差異性，將教材中的多個相關知識點融會貫通，知識的學習也更具有連續性和實用性，學生學習成就感大大提升。在完成整個項目任務的過程中，體驗程序分析員和程序員的完整工作流程：分析問題、分解任務、建立模型、優化調試的能力，潛移默化地培養了計算思維。