智能太陽(yáng)能水冷背包

項(xiàng)勇

教學(xué)背景

夏天天氣炎熱，雖然屋里有空調(diào)和風(fēng)扇，但是難免有需要外出的時(shí)候，很多人工作或上學(xué)的路上都要背包，尤其是戶外工作人員。這時(shí)，包背在后背上是非常難受的，特別是雙肩包，讓人熱得不行，很多長(zhǎng)時(shí)間在戶外工作的人員甚至?xí)虼酥惺睿绊懮眢w健康和人身安全。

本課筆者帶領(lǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)智能太陽(yáng)能水冷背包，背包使用太陽(yáng)能板和充電寶超長(zhǎng)持續(xù)供電，根據(jù)手機(jī)設(shè)定啟動(dòng)溫度，讓水冷背包在高于設(shè)定溫度時(shí)自動(dòng)持續(xù)給背部進(jìn)行水冷降溫，溫度降到指定溫度后又自動(dòng)停止，讓背部持續(xù)保持涼爽適宜的溫度。

教學(xué)目標(biāo)

1.學(xué)會(huì)觀察日常生活，能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并通過(guò)小組合作提出完整的解決方法，經(jīng)歷分解復(fù)雜任務(wù)為若干簡(jiǎn)單任務(wù)、合理安排任務(wù)時(shí)間、修改優(yōu)化作品的全過(guò)程。

2.了解各類DHT11溫濕度傳感器的原理及使用方法。

3.建立和強(qiáng)化圖形化軟件編程的知識(shí)體系。

4.了解TRIZ發(fā)明問(wèn)題解決理論的常用發(fā)明原理，并在本項(xiàng)目中對(duì)遇到的問(wèn)題進(jìn)行充分實(shí)踐，培養(yǎng)科學(xué)地分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的創(chuàng)新素養(yǎng)。

教學(xué)準(zhǔn)備

教學(xué)課件、Beetle-ESP32控制器、半導(dǎo)體制冷片、散熱片、散熱風(fēng)扇、DHT11溫濕度傳感器、繼電器、太陽(yáng)能板、潛水泵、輸液管、充電寶、魔術(shù)貼、方形塑料瓶、杜邦線、Arduino、思維導(dǎo)圖軟件等。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 學(xué)會(huì)從日常社會(huì)生活中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的方法;建立完整的作品產(chǎn)出步驟方法的知識(shí)體系;建立圖形化軟件編程的知識(shí)體系;體驗(yàn)真實(shí)的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)合作及分工，增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)意識(shí)。

教學(xué)難點(diǎn) 理解方案的可行性分析;建立編程思維體系;理解科技作品的開(kāi)發(fā)路徑;培養(yǎng)小組項(xiàng)目合作的團(tuán)隊(duì)默契度。

教學(xué)過(guò)程

一、情境導(dǎo)入

師：夏日酷暑，背著背包外出時(shí)難免汗流浹背。市面上雖然有一些冰袋背心、風(fēng)扇背心等裝置，但從持續(xù)性、使用效果、智能化來(lái)說(shuō)都不是很好，怎么解決這個(gè)問(wèn)題呢？請(qǐng)大家分組討論。

教師協(xié)助學(xué)生分組，每個(gè)小組至少有3種類型的成員，使得各個(gè)小組能力均衡。邏輯思維型成員主要帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行方案的頭腦風(fēng)暴、問(wèn)題解決、編程規(guī)劃;空間型成員負(fù)責(zé)帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行任務(wù)路線的設(shè)計(jì);語(yǔ)言能力型成員負(fù)責(zé)帶領(lǐng)學(xué)生規(guī)劃設(shè)計(jì)宣講PPT及文字。

學(xué)生小組討論并互相交流。

二、講授新知，設(shè)計(jì)方案

教師簡(jiǎn)要介紹TRIZ的40個(gè)發(fā)明原理，并重點(diǎn)介紹幾個(gè)常用的發(fā)明原理，講解Arduino平臺(tái)中Beetle-ESP32的編程使用方法，介紹Blynk物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、DHT11溫濕度傳感器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、繼電器的用法。

師：根據(jù)老師所講的知識(shí)，請(qǐng)同學(xué)們想一想，該怎么設(shè)計(jì)一款智能降溫背包？

學(xué)生依據(jù)TRIZ發(fā)明問(wèn)題解決理論，以小組為單位，完成智能太陽(yáng)能水冷背包的草圖設(shè)計(jì)，明確功能設(shè)計(jì)要點(diǎn)及可行性，然后各小組依次進(jìn)行方案宣講。

（各小組獨(dú)立實(shí)施，教師觀摩記錄小組功能設(shè)計(jì)過(guò)程中的優(yōu)點(diǎn)及遇到的問(wèn)題，必要時(shí)給予指導(dǎo)，但不要打擾學(xué)生小組的功能設(shè)計(jì)過(guò)程）

師：冷源可以是預(yù)制的冰塊，也可以讓背包自己主動(dòng)制冷，考慮要保證冷源的持續(xù)性，建議使用半導(dǎo)體制冷片主動(dòng)制冷模式。另外，冷源輸送有風(fēng)扇、水冷等方式。但夏天戶外風(fēng)扇吹來(lái)吹去容易把外界熱風(fēng)混入，所以建議用水冷輸送，更加快速、均勻，并且損耗小。

三、畫出思維導(dǎo)圖，搭建連接編程開(kāi)發(fā)

教師講解思維導(dǎo)圖軟件的簡(jiǎn)單用法，引導(dǎo)學(xué)生使用思維導(dǎo)圖軟件在小組內(nèi)積極討論智能太陽(yáng)能水冷背包的功能設(shè)計(jì)。

（學(xué)生分小組獨(dú)立實(shí)施，教師輪流到各小組觀摩，記錄小組功能設(shè)計(jì)過(guò)程中的優(yōu)點(diǎn)及遇到的問(wèn)題，必要時(shí)給予指導(dǎo)，但不要打擾學(xué)生小組的功能設(shè)計(jì)過(guò)程）

各小組派代表上臺(tái)進(jìn)行5分鐘的發(fā)言，講解本小組的設(shè)計(jì)方案，說(shuō)明方案獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。教師依次點(diǎn)評(píng)。

學(xué)生分小組使用Arduino編程，規(guī)劃程序整體思路，拆分功能模塊任務(wù)，再分給具體的負(fù)責(zé)人，明確完成時(shí)間及任務(wù)要求。

（如通過(guò)手機(jī)傳送過(guò)來(lái)的設(shè)定溫度，如圖1，控制繼電器的開(kāi)合、制冷片和水泵的運(yùn)行;將DHT11溫濕度傳感器測(cè)定的溫度、濕度在手機(jī)端顯示）

各負(fù)責(zé)人按時(shí)間節(jié)點(diǎn)和任務(wù)要求進(jìn)行編程，然后合并各編程模塊，依次測(cè)試程序功能、性能。

四、小組展示，教師講評(píng)

每個(gè)小組派出代表上臺(tái)演示自己小組的方案，講解編程思路、代碼實(shí)現(xiàn)、功能效果，說(shuō)明本組設(shè)計(jì)的智能太陽(yáng)能水冷背包的優(yōu)點(diǎn)，并著重講解項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程中碰到了哪些問(wèn)題，怎么用TRIZ發(fā)明問(wèn)題解決理論或其他方法解決的。

教師對(duì)各小組方案進(jìn)行總結(jié)評(píng)估，引導(dǎo)學(xué)生共同進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，評(píng)估方案還有哪些可以優(yōu)化的地方，還能加上哪些功能。教師評(píng)價(jià)各個(gè)小組優(yōu)化后的方案，并評(píng)選出優(yōu)秀小組方案上傳至創(chuàng)客網(wǎng)站讓更多人看到。

五、樣例講解，課程總結(jié)

師：同學(xué)們，大家出色地完成了智能太陽(yáng)能水冷背包的開(kāi)發(fā)、展示、評(píng)估，下面老師來(lái)講解一下我做的樣例。通過(guò)手機(jī)上安裝的Blynk App來(lái)設(shè)定水冷背包的啟動(dòng)溫度，用DHT11溫濕度傳感器持續(xù)檢測(cè)冷水循環(huán)罐溫度。當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟循環(huán)水泵和半導(dǎo)體制冷片對(duì)冷水循環(huán)罐制冷，并通過(guò)降溫水管循環(huán)水流，降溫水管布設(shè)在背包后面，從而給人體進(jìn)行降溫。整個(gè)設(shè)備使用太陽(yáng)能板和充電寶持續(xù)供電。

教師講解樣例制作過(guò)程。首先是冷水循環(huán)罐的制作，在潛水泵上接一根輸液管，放到方形塑料瓶里面，瓶口開(kāi)三個(gè)口，一個(gè)進(jìn)水口、一個(gè)出水口、一個(gè)電源線孔，如圖2。這樣通電后，水能在管子里面反復(fù)循環(huán)流動(dòng)。

將杜邦線對(duì)半剪開(kāi)，把Beetle-ESP32控制器上要用的引腳焊接上，方便插拔及反復(fù)使用。D2接DHT11溫濕度傳感器、D3接繼電器輸入，繼電器輸出接半導(dǎo)體制冷片的散熱風(fēng)扇、半導(dǎo)體制冷片的電源線以及水泵的電源線，然后通過(guò)接線柱接到充電寶。

使用充電寶給主控板、半導(dǎo)體制冷片、散熱風(fēng)扇、水泵供電，太陽(yáng)能板給充電寶充電。太陽(yáng)能板使用時(shí)可以用掛鉤掛在背包前面。

溫濕度傳感器可以用雙面膠粘在冷水循環(huán)罐外，再用雙面膠將半導(dǎo)體制冷片的制冷金屬片粘在冷水循環(huán)罐上。制冷水管用魔術(shù)貼粘在背包上。其中，輸液管選用粗長(zhǎng)的塑料管可能效果更好，潛水泵也盡可能選用馬力大的，這樣循環(huán)更快。

教師展示事先制作好的樣例，如圖3，測(cè)試智能太陽(yáng)能水冷背包的制冷效果，學(xué)生對(duì)比分析自己的作品。

師：樣例只是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模板，比較均衡地按項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)方式完成了項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)，但是大家不要囿于這個(gè)框架，在項(xiàng)目的功能設(shè)計(jì)方面要展開(kāi)自己的想象，發(fā)揮更多創(chuàng)意。生活中大家可能還會(huì)遇到別的問(wèn)題，其實(shí)我們都可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的裝置幫助人們解決困難。請(qǐng)大家課后根據(jù)自己遇到的問(wèn)題，動(dòng)手實(shí)踐，制作出屬于自己的智能創(chuàng)意作品。

實(shí)踐反思

本課例以夏日外出背包肩背悶熱易出汗的問(wèn)題為引，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)意制造一個(gè)智能太陽(yáng)能水冷背包來(lái)防暑降溫。學(xué)生學(xué)會(huì)使用TRIZ發(fā)明問(wèn)題解決理論的常用發(fā)明原理發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出解決方法，并參與分解復(fù)雜任務(wù)、合理安排任務(wù)時(shí)間、完成復(fù)雜任務(wù)、測(cè)試優(yōu)化作品等過(guò)程。通過(guò)參與整個(gè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)流程，學(xué)生了解了Arduino、Blynk App、思維導(dǎo)圖軟件的用法，融會(huì)貫通信息技術(shù)、科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理等學(xué)科知識(shí)，在項(xiàng)目的綜合應(yīng)用中建立了對(duì)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的科學(xué)認(rèn)知體系、對(duì)編程思維的整體認(rèn)知，并解決了生活中的實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)了創(chuàng)新思維。

（本課件由DF創(chuàng)客社區(qū)推薦）