“智能小夜燈”項目式學習案例

馬艷瑩 黑龍江省哈爾濱市風華中學校

隨著科學技術的不斷發展，智能產品已經走進家家戶戶，人工智能正在對人們的生活、學習與工作，特別是解決問題的思維方式產生了深刻的影響，人工智能教育成為信息科技學科的教育熱點。

● 教學分析

本節課以《亮度可調燈》為基礎內容展開項目式教學，通過創設“智能產品招標會”的形式，模擬真實的社會活動，讓學生以產品設計師的角色對照明設備進行智能化的改造或者創新完善。本次教學旨在促進學生運用已學知識，圍繞“如何提升產品設計優勢”這一問題，創設教學環節和教學資源，巧妙地將學習目標和學科具體內容緊密融合到實際問題的解決之中，培養學生創新精神以及動手實踐能力。

教學中綜合運用信息科技、數學、美術等知識，貼近學生生活，引發學生學習興趣，使其快樂學習。

學生思維敏捷且掌握一定的學習方法，具備獨立思考能力；能夠制作電子資源表達展示自己的設計想法；學生思維占主導地位，教學中設計創新部分充分激發學生學習的主觀能動性。

● 教學目標

1.三維目標

知識與技能目標：通過觀察、分析小夜燈基礎的功能類型，剖析映射原理，嘗試描述映射概念，能夠將數學知識遷移運用到信息科技編程中，能夠跨學科重新建構知識體系，促進知識內化，提高知識遷移運用能力。

過程與方法目標：通過對智能產品的設計與功能研發，能夠對智能社會有更深入的認識；促進對知識的鞏固和遷移，培養創新意識；通過同伴互助，共同探究，培養自主探究意識、團隊協作意識以及合作學習能力，能對自己和他人的研究活動與結果進行客觀評價。

情感態度與價值觀目標：通過模仿與創新，在學習和交流的過程中，感受到智能社會的美妙之處，體驗到人工智能給生活帶來的便利，激發學習興趣，提高知識內化能力，為培養數字時代的新興人才奠定基礎。

2.核心素養與學科融合

為實現智能小夜燈基礎功能，運用數學學科映射、比較運算、邏輯判斷等概念，將數學知識遷移至信息科技編程，實現跨學科知識體系重構；運用美術學科中外形設計結構原理、美觀優化設計等知識內容，實現小夜燈外形設計與制造，從藝術、美的角度完成項目美觀設計；運用傳感器、編程等知識發掘智能小夜燈創新點，使用光敏、聲敏、人體感應等傳感器模塊為智能小夜燈創新賦能。多學科、多角度融合為智能小夜燈的實現奠定基礎。

在科技時代，學生要具有一定信息感知力，能夠發現身邊智能產品設計的優勢與不足，能夠發現問題并具備自主實踐解決問題的能力，對問題進行分解、建模，并通過算法形成解決問題的方案，最終在驗證最優解的過程中反思、優化，開展探究性學習，創造性地解決問題。本次教學體現學生自主實踐解決問題、掌握核心技術的信息意識；對問題進行分解、建模反思優化設計方案的計算思維；根據設計需求，創造性運用科技、高效解決問題的數字化學習與創新能力；理解信息科技給人們學習、生活和工作所帶來的影響的信息社會責任。從核心素養內涵上著力培養學生，促進學生科技社會的素養與技能提升。

● 教學過程

本次項目的教學過程包括項目引進以及項目設計、實施、優化、展示等，圍繞“智能小夜燈有哪些功能”“不同功能的小夜燈的外觀怎樣設計”“如何評價智能小夜燈？如何優化設計”“如何說服電商集團采用你的方案設計”四個問題開展，設計思路如下圖所示。

1.智能小夜燈—功能設計實現

（1）項目引進

某電商集團近年來發展人工智能相關產品，產品之一就有新款智能小夜燈，為此該集團面向社會公開招標。

（2）制訂方案

學生分組對智能小夜燈功能進行設計并填寫方案設計表（如下表）。

方案設計表

（3）基礎小夜燈功能實現

①思考：

a.控制小燈亮度的是什么硬件模塊？

b.怎樣使用該模塊使小燈亮度發生變化？

亮度可調燈，即通過調節旋鈕電位器來控制LED亮度，是生活中常見的一種照明工具。其原理就是通過旋鈕電位器改變其自身阻值大小，進而改變LED模塊的電流大小，實現亮度明暗變化。

c.創新點應該由什么模塊實現？

②難點突破：映射。

a.怎樣控制旋鈕電位器模塊和小燈？

輸入/輸出模塊：

項目設計思路

模擬輸入（旋鈕電位器）輸入信號值范圍為0～1023；A0～A5的管腳支持輸入模擬信號。

模擬輸出（LED模塊）輸出信號范圍為0～255；主控板編號數字帶波浪線支持輸出模擬信號。

b.怎樣達到小燈亮度逐漸變化的效果？

數學模塊：映射。可將兩組數值范圍不同或代表含義不同的數組之間建立對應關系。例如，溫度的高低范圍對應直流電機的轉速快慢；距離的變化范圍對應警報間隔的時間長短。本課中旋鈕的數值范圍對應LED模塊的亮度大小。

重點明晰：控制小燈亮度的是（旋鈕電位器）硬件模塊。通過（模擬）輸入模塊控制該硬件模塊。使用（映射）模塊使小燈的亮度逐漸變化。

③功能程序設計。

a.任務分析：應用到的硬件與傳感器。

b.任務建模：程序流程圖繪制。

c.編寫程序：Mixly程序設計。

d.程序測試5步：檢查硬件—檢查編寫程序—硬件連接—選擇主控板（端口）—上傳。

（4）總結反思

總結：輸入—計算—輸出的計算模式。

過程性評價：使用學習成果檢測表對學生基本知識技能掌握進行總結評價。

2.智能小夜燈—外形設計實現

（1）設計因素

考慮智能小夜燈使用場所、設計緣由、功能設計、燈具外觀、燈具材料、所具優點/特點等，根據需求重新調整原本的設計。

（2）拓展內容：燈具材料

聚合物材料：具有透光性好、耐水性強、不易破碎、易成型、易著色、耐老化、重量輕、價格低廉等優點，被廣泛應用于燈具外殼。

①增強改性聚氯乙烯合金（PVC合金）：優點—化學穩定性好，壽命長；阻燃極佳；耐低溫性能好：正常使用溫度可達-30℃以下；透光性好；與膠水結合性能好（在做防水處理時，水密性和氣密性特別好）缺點—加工成型性稍差；耐高溫性不理想；只能在70℃以下長期使用。

②聚碳酸脂（PC）：優點—耐高低溫性良好（可在-60℃～120℃之間長期使用）；抗沖、拉伸、彎曲、壓縮強度高；阻燃性能較好；透明度較好。缺點—在戶外使用較易老化，使用壽命短（耐紫外線、強堿、氧化性酸、有機溶劑較差）；特別不適用于戶外和潮濕的環境使用（長期與水接觸，容易水解，造成開裂）；加工性能較差，加工成本高，聚合物的價格較貴。

③聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA-亞克力）：優點—透明性極好，有利于燈具透光，燈具外觀美觀；耐磨性極佳，是所有以上聚合物材料中耐磨性最好的；具有較好的抗沖擊性能；加工性能較好，加工成本較低。

綜上所述，針對燈具塑料外殼選用聚合物材料，從阻燃性、透光性、強度、壽命、成本等綜合因素考慮，綜合性能最佳的順序為：增強改性聚氯乙烯合金（PVC合金）→聚碳酸脂（PC）→聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA-亞克力）。

硅膠燈罩：環保，無毒無味，并且彈性好；耐磨損，耐高溫，不變形，可以長期使用；外表光滑，手感強，是真正的綠色環保用品；可以做單色、雙色、三色以及與其他顏色混合。

學生根據拓展內容，挑選合適燈具材料完成整體燈具外形設計。

（3）繪制設計圖紙

根據小組設計，小組成員共同完成產品設計手冊，方便后續智能小夜燈產品落地實施。

3.智能小夜燈—評價及優化

（1）制作評價量規

從智能小夜燈便利性、安全性、美觀性、節能性等角度思考如何評價項目產品，由小組成員討論并制訂項目評價量規，滿分共100分。

在小組成員完成討論后，由教師組織進行展示，其他小組進行補充，最終公布綜合性評價。

設計意圖：學生自己制作評價量規更能從多角度去考慮產品的功能性以及實用性等，能夠對產品要求有更清晰明確的思考認知，認識到產品的優勢與不足；體現學習過程中教—學—評一體化設計，堅持以評促教、以評促學。

（2）優化方案設計

設計小組根據綜合性評價量表重新優化產品設計，從多角度修改，進一步完善方案，為后續產品成功展示招標做好準備。

4.智能小夜燈—展示與總結

（1）模擬招標會宣講

學生制作演示文稿和宣傳圖，以設計團隊的身份參加模擬招標會，對產品進行宣傳介紹，爭取投標成功。

（2）評選最優設計產品

小組互評，教師參評，共同公正公平進行打分評選出優秀產品，最終優秀設計產品將發布至校園公眾號等平臺，招商引資并投入生產使用。

（3）總結與收獲

師生進行總結收獲，回顧整體項目進程，感悟知識的獲取過程及結果，體驗智能社會的美好。

● 教學亮點

1.項目帶入，教學情境化

以集團招標形式引入未來社會中可能會出現的智能產品設計，讓學生身臨其境感受學習的魅力。學生化身小小設計師，帶著自己的想法、理念，參加模擬社會場景的競爭招標會，提前認識、融入社會，感知整個社會的未來發展。

2.模擬編程

在理論課程中，在教室教學中不能夠進入機房編程的模擬編程實驗，利用希沃白板能夠很好地彌補這一遺憾，將編程“搬”到課堂上，將編程所用到的代碼塊放在希沃白板里進行拖拽，模擬編程，幫助學生提高編程能力。

3.SCS創客教學法應用

在項目式教學的依托下運用SCS創客教學法，SCS創客教學法有情境故事引入、簡單任務模仿、知識要點講解、拓展任務模仿、創意激發引導、協同任務完成、成功作品分享等7個環節，從教師引導到學生的協作學習全面進行項目式的學習。此外，將“算法”大單元的設計想法與SCS創客教學法融合進行相關智能產品小燈的學習，讓課程在不脫離校園學習的同時發揮別樣的意義。

4.藝術、生活結合

經過觀察學生的作品，發現他們的作品中經常包含生活中常見的一些事物，如吉他、氣球以及結合時事熱點的冰墩墩等，在學生的設計中既有生活化的氣息也有藝術性的存在，讓學生知道學習內容是多學科多方面兼容，并不是獨立存在。

5.教—學—評一體化設計

堅持以評促教、以評促學，是教學一貫的要求。學生自主設計量規，能夠從使用者、設計者、開發者等不同的角度去全面評價他們的產品設計，在認識到優勢與不足后再進行優化，鍛煉學生換位思考能力。

6.模擬招標會

模擬招標會讓學生身臨其境感受角色的變化，從而充分地意識到整個項目的內容實施，讓學生提前感知社會氛圍，為更好地融入社會奠定基礎，此外也是為項目進行一個完美的總結。

● 教學反思

1.教學設計反思

新課程標準提出要求，借助學習與生活中的實例，體驗身邊的算法，理解算法是通過明確的可執行的操作步驟描述問題的求解方案，能使用自然語言、流程圖等方式描述算法。結合生活中的實例，了解算法的順序、分支和循環三種基本控制結構，能分析簡單算法的執行過程和結果，培養學生建立“輸入—計算—輸出”的計算模式。

本節課依據課程標準，設立教學目標，通過任務驅動，對實際任務進行分析，通過硬件連接的過程，進一步讓學生理解主控板與模塊之間的工作原理，進一步提高學生圖形化編程的能力。學生在小組合作完成對實例分析的過程中，掌握學習方法，靈活運用所學知識，完成實例設計制作。通過搭建、分析、編程環節完成智能小夜燈的制作，逐步建立編程思維，建立輸入—計算—輸出的計算模式。

此外，課程內容承前啟后，既融合了之前的教學內容，又提供了綜合應用的契機，促進學生將所學知識與生活相聯系，真正做到了學以致用，為未來適應智能社會奠定基礎；小組合作的方式，讓學生能夠依據自身所長，合理分工，各盡其能，溝通交流，共同完成產品的設計，提升課堂參與感和團隊協作能力；展示與交流環節客觀公正，學生既能凸顯自己作品的特色，又能辯證地闡述不足。學生為作品中創新想法而鼓掌，也為作品的改進提供有參考的意見。

2.教學過程反思

以寫促思，以思促教。在本節課的教學過程中，從提出問題出發，培養學生發現問題、提出問題的能力；通過任務分析、任務建模對問題進行全面解析，從問題的本質出發，從原理上解決問題。此外，本節課設計亮點更在于信息技術手段的使用。由于本節課部分為教學理論基礎課，無法實時進行編程，本次設計中巧妙結合希沃白板功能，將編程“搬”到課堂上，讓學生通過使用希沃白板的移動拼接功能，實現程序建模及編程，彌補了不能實時上機的遺憾。

在課堂教學過程中，學生是學習的主體，學生總會有“創新的火光”在閃爍，教師應當充分肯定學生在課堂上提出的一些獨特的見解，這樣不僅使學生的好方法、好思路得以推廣，而且對學生也是一種贊賞和激勵。同時，這些見解也是對課堂教學的補充與完善，可以拓寬教師的教學思路，提高教學水平。