“基于傳感器學習”的項目設計

羅磊 山東省濟寧市第一中學

●項目背景

傳感器的學習是人工智能學習的重要組成部分，作為初學者，琳瑯滿目的傳感器會讓學生感覺到無所適從。雖然很多傳感器根據名字就能知道它的功能，但學生對這些傳感器是如何獲取數據的，獲得數據之后又是如何使用的，怎樣對獲得的數據進行編程，最后怎樣用執行機構（如機器人）執行編寫程序，并不十分清楚。因此，“基于傳感器學習”項目旨在打開傳感器學習的大門，為后續基于人工智能算法的傳感器應用打下基礎。

該項目以光電傳感器為例，多學科融合，深入剖析了光電傳感器原理和結構，項目涉及光電傳感器的電子元件、物理電路圖，以及具體的使用。

●項目規劃

通過光控燈實驗活動，學習光電傳感器的電子原件、物理電路圖，以及具體的電路組裝。通過測量光敏電阻在光線變化時電阻的變化，學習光敏電阻的電器特征，進而了解光電傳感器的實現原理。通過控制器獲取光電傳感器的數值活動，獲得計算機可以識別的數字數據。給定任務，利用控制器對光電傳感器獲得的數據進行編程，并用機器人平臺來執行。

●項目目標

本項目通過光控電路的實驗了解光敏電阻的電器特性，利用控制器獲取光電傳感器的數據，利用獲得的數據編程，然后讓機器人執行。通過本項目的學習，對其他傳感器的學習可以做到舉一反三。

●項目實施

1.新課導入

師生觀看視頻《“神舟十二號載人飛船”發射》。

教師提問：你們知道神舟十二號載人飛船完成了哪些壯舉嗎？這其中的奧秘是什么？今天，我們一起走進傳感器的世界。

設計意圖：視頻導入，激發學生深入探究傳感器的興趣。該視頻導入既科普了我國的航天知識，又增強了愛國主義情感。

2.探究傳感器

（1）光控燈實驗

①認識光控燈實驗器材：光敏電阻、可調電阻、三極管、LED燈、連接裝置。

②組裝光控燈，并進行實驗。

③光控燈的原理是什么？

④電路圖講解（如下頁圖1）。這里的三極管有兩個作用，一個是電流放大，一個是開關。當用作開關時，當B點的電位高于某個數值時，電流就從C點流向E極，燈泡亮，如果想要B點處于高電位，光敏電阻就要處于較高的阻值，此時只有光線弱，才能獲得光敏電阻的高電阻值。因此，光強，燈滅；光弱，燈亮。

圖1

在光控燈中，光敏電阻是敏感元件，它是一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器，能夠把光照強弱這個光學量轉變成為電阻這個電學量。

設計意圖：以生活中常見的光控燈為例，了解傳感器中的敏感元件，理解光控燈的原理，了解三極管的作用，學習該電路圖的繪制，為下面傳感器的學習進行知識鋪墊。

（2）認識傳感器

傳感器是一種能把感知到的被測量信息按一定的規律轉換成其他形式可用信號的檢測器件或裝置。

教師提問：你知道生活中哪些地方用到傳感器？

教師總結：所有的自動化測控系統都需要傳感器為其提供決策依據。小到光控燈，大到神舟航天器，各個關鍵部位的控制系統都離不開傳感器的使用。但是你知道嗎，航天器中的傳感器也出現過意外。

設計意圖：通過人的五感，對比智能設備的電五官（如圖2）。從例子中思考、歸納、總結傳感器的定義，有了之前光敏電阻的實驗，就能很好地理解傳感器的概念。通過提問航天器中的傳感器也出現過意外，引出后面環節——獲取傳感器的數據。

圖2

3.獲取傳感器的數據

（1）觀看視頻

2010年俄羅斯質子-M火箭發射失敗的原因是燃料水平傳感器不準確導致加注燃料過量。因此，傳感器作為控制器的“感官”和“神經”，要確保數據測得出、測得準，它是確保任務成功率的有效手段，因此傳感器數據的準確性尤為重要。

設計意圖：觀看視頻，并思考傳感器數據準確可靠的重要性，進而引出傳感器數據的獲取方法。

（2）檢測光敏電阻的數值

實驗工具：萬用表、雙向夾頭、光敏電阻。

實驗目的：光照強度與光敏電阻阻值變化的關系。

實驗要求：①被遮擋時光敏電阻的點阻值。②自然光下光敏電阻的電阻值。

實驗結論：光照越強，光敏電阻的阻值越_____。光照越弱，光敏電阻的阻值越_____。

設計意圖：通過實踐，獲得光敏電阻的數值，感受光敏電阻的電氣特性。

（3）利用控制器測光電傳感器的數值

①工具：可編程控制器、光電傳感器。

②光電傳感器原理：光電傳感器通過向地面發射一束光線，利用地面顏色不同，對光的吸收不同，從而返回光線的量不同這一原理，來感知地面顏色的變化。

③實驗要求：光電傳感器返回值：黑色_____，白色____，黃色___。影響返回值的因素有____。

活動說明：以小組為單位進行光敏電阻數值的測量，并填寫活動實驗報告單。

設計意圖：使用控制器采集光電傳感器感應不同顏色時的返回值，并填寫實驗報告單。學習控制器與光電傳感器的連接和使用。

4.傳感器的應用——利用控制器對光電傳感器編程

（1）利用控制器對光電傳感器編程

任務要求：機器人向前行走，當左右某個光電傳感器壓黃線時停止。

①光電傳感尋線模塊的程序分析（如圖3）。

圖3

②光電傳感尋線模塊的C語言實現（如圖4）。

圖4

③根據獲取的數值進行光電傳感器尋線模塊的編程，并使機器人執行。

（2）利用控制器對光電傳感器編程

任務要求：機器人向前行走，當左右某個光電傳感器壓黃線時停止5秒，繼續走，當檢測到黑線時原地轉圈20秒后停止。

設計意圖：利用機器人和光電傳感器巡線。分組完成編程實驗，并展示巡線效果。

5.項目交流與總結

（1）知識梳理（如圖5）

圖5

（2）項目交流評價（如下頁表）

（3）項目總結

本項目以光電傳感器為例，涉及了許多電子元件的學習，包括光敏電阻、電容、電阻、三極管等。在學習過程中，需要了解這些元件的基本原理、特性和使用方法，以及它們在電路中的作用和連接方式。在物理電路圖方面，學生需要了解電路圖的基本符號和表示方法，以及如何根據電路圖進行電路分析和計算。在光電傳感器的具體使用方面，學生需要了解光電傳感器的工作原理、特性和使用方法，以及如何將其與其他元件組合成一個完整的電路，并通過控制器獲取傳感器數據，進行編程控制。通過這個項目的學習，學生可以深入了解電子元件和物理電路圖的基本知識，掌握光電傳感器的使用方法和編程控制技能，為其他傳感器的學習打下堅實的基礎。

蒼山點題

義務教育階段信息科技新課程教學在今年秋季將正式拉開帷幕，一線教學如何在課堂上面對“科”與“技”的融合將成為重點研究的課題之一。尤其是新課標、新課程中的新內容將是對一線教師最大的挑戰，雖然各地的教材開始陸續更新，可其內容、方式定位都有差異，如何抓住關鍵內容謀劃全局？這對教學水平尚需提高的教師們來說仍然是長期的困難所在。因此，本期解碼提倡教法與內容的密切結合，及時針對關鍵科技概念要點進行條分縷析，希望在課程推進中能夠抓住關鍵科技去謀劃課程全局，做到計算思維倡導的“分解”思維，實現提綱挈領且各個擊破。

第一篇文章，在對傳感器在義務教育課程標準中的描述及其地位、用途等進行闡述之后，提出了幾種不同的教學策略以對應不同的學習內容或學習環境，尤其是對不同的器材情況進行了相應的分析，并給出了具體的科與技融合教學的案例，做到了有原理認知又有實踐操作，對一線教師全面掌握傳感器的教學非常有意義。當然，教學策略要因人因地設計，如在要裝之前先通過模擬系統進行電路、數據模擬與測試，做到既提高認知又節約成本，也非常有效。

第二篇文章，以具體的教學項目設計為范例，詳細闡述了傳感器的應用場景、技術探究、原理認知以及具體的項目編程等內容，不僅詳細、全面地展示了傳感器的原理、分類、特點與應用技術，而且結合物理實驗進行傳感測試等技術實驗，具有很強的探究性。并且，適時結合國家航天事業，以宇宙飛船為實例，不僅開拓了學生視野，還使其樹立了國家安全觀、自主可控觀，極具育人價值。

義務教育階段的信息科技課程已經大踏步地走來，普通高中教育階段的信息科技課程也將呼之欲出，讓我們一起樹立新的科技觀、教育觀和育人觀，實現真正的科學與技術教育的全面革新，步入科技強國的新征程吧！