全天候上下學過馬路系統設計

主講人：范佳樂 蔡壯

學習背景

隨著科技的飛速發展和社會對創新型人才需求的不斷增加，創客教育逐漸受到人們重視。創客教育強調通過讓學生動手實踐，培養他們的創新思維、動手能力和團隊協作精神，為其未來發展奠定堅實基礎。在小學階段引入創客教育，有助于激發學生的好奇心和探索欲，培養他們的科學素養和創新能力。

學生上學、放學期間，學校周邊道路交通流量大，為了確保學生上學、放學安全有序，會有專門的教師配合執勤家長在人行道路口指揮交通。但此舉不僅費時費力，偶爾還會有一些闖紅燈的“漏網之魚”，造成了嚴重的安全隱患。為了解決這個問題，學生結合所學的知識，提出設計一個全天候上下學過馬路系統，使用程序控制道閘，配合紅綠燈實時控制路口人車通行。

教學目標

知識與技能 1.了解掌控板等電子設備的使用技巧。2.學會利用程序控制紅綠燈、舵機、語音合成模塊、燈帶等電子元件。

過程與方法 設計合理的人車控制系統，模擬學生上學、放學時的道路交通場景，使得全天候上下學過馬路系統能夠基本完成設想。

情感態度與價值觀 切實體會創客編程對學習生活的影響，培養學生對信息科技的興趣和學以致用的能力。

教學重點與難點

教學重點 1.設計全天候上下學過馬路系統。2.掌握掌控板、傳感器等電子元件的編程與控制。

教學難點 對多線程的理解與運用。

教學過程

一、情境導入

師：我們每天上學和放學的時間段是交通流量高峰時段，也是安全隱患最多的時候，請你舉例說說你見到的嚴重交通安全隱患有哪些？

學生暢所欲言，提到“闖紅燈”的發言最多。

師：傳統的交通流管理系統中，常用的方法包括信號燈的控制、交警交通指揮和路況監控等。盡管這些方法在一定程度上緩解了道路交通流的問題，但是有些人安全意識薄弱，信號燈也無法約束他們的行為，最終釀成悲劇……那么，在上學、放學的路上，我們可以用什么方法來避免這樣的情況發生呢？

設計意圖：通過創設具體情境引出主題，同時激發學生學習興趣。

二、系統設計

師：（展示停車場道閘圖片）同學們，觀察這張圖片，它能否給你一些啟發呢？

學生小組討論，大膽預設一個全天候上下學過馬路系統，即使用道閘裝置配合紅綠燈控制行人和車輛的移動，同時播放語音提醒行人通行或止步。

師：到了夜晚，我們如何對視力不太好的人進行提醒呢？是否可以設計一個夜間警示燈帶加入系統中？

生：可以設計系統聯動地面紅綠燈，綠燈通行，紅燈停止。

三、編程與控制

1.選擇合適的電子元件

學生可以將掌控板與擴展板進行組合，擴展板豐富的IO接口可以實現對各種電子元件的編程控制。舵機是一種可以通過程序控制轉動角度的執行器，用來模擬道閘的動力系統。紅綠燈模塊可以用來模擬紅綠燈信號燈?？梢酝ㄟ^程序控制WS2812燈帶每一顆燈珠的顏色和亮度，模擬地面紅綠燈。語音合成模塊可以將文字轉換成語音播放出來。掌控板顯示對應的內容，用來提示放學年級的時間段。

設計意圖：培養學生分析問題、解決問題的能力，考查他們對相關電子設備的掌握情況。

2.編程控制

（1）紅綠燈

學生將紅、綠、黃三個燈的控制引腳作為一組，編寫自定義模塊程序，定義紅燈、綠燈、黃燈的開燈和關燈程序語言。教師通過簡單的演示教學，讓學生快速模擬編程出生活中紅綠燈的變化。

（2）舵機

師：使用程序控制舵機轉變角度很簡單，但是還需要結合紅綠燈的變化，那么A、B兩個舵機要如何確定各自狀態？

生：（預設）我們可以規定90°是關閉狀態，0°是打開狀態。

（3）語音合成模塊

師：語音合成模塊在什么時候發揮作用呢？

學生討論之后得出結論：紅綠燈發生變化的時候。學生可通過自主學習語音合成模塊相關知識，編寫控制程序。（如圖1）

（4）WS2812燈帶

師：舉一反三，WS2812燈帶的程序編寫中需要注意什么呢？

生：WS2812燈帶需要分成兩段，一段平行于人行道，另一段垂直于人行道。（這里需要將燈帶進行裁剪并重新焊接，學生需要在教師的輔助下完成。）

學生小組通過討論與測試，合作編寫出對應的程序，程序中需要注意兩點。第一點是燈帶在使用前需要進行程序初始化（如圖2）。第二點是燈號和顏色需要對應（如圖3）。

（5）屏幕提示

掌控板的屏幕只需顯示3行內容，內容如圖4所示。

3.多線程操作

師：前面的操作都完成后，運行程序時，大家是否發現了一些問題？

生：系統運行不流暢，舵機和語音無法同時控制，總是一前一后。

師：這里就需要用到一個功能模塊，叫作多線程模塊。多線程模塊可以允許多個程序與主程序同時運行。主程序都是自上而下依次執行的，在需要執行子線程的位置時，我們需要啟動這個子線程。但如果有多個子線程，則需要在程序編寫中控制好它們的各自開關。例如，我們在合成語音的同時控制舵機，這里就涉及了兩個子線程。

學生認真理解，討論并修改程序。

四、情景模擬

教師組織學生合理使用身邊的各種物品搭建上下學場景：1.使用KT板做路面。2.使用綠色草坪紙和黑色硬紙做草坪和斑馬線。3.使用校車模型、蛋仔模型模擬馬路情況。（如圖5）

總結與反思

小學創客教育的意義在于將抽象的多學科知識融入學生日常生活的問題解決中，提升學生創新思維與實踐能力，增強跨學科解決問題的能力，培養學生適應未來社會所需的綜合素養，同時豐富校園文化。在本節課中，學生從發現生活中的問題、設計解決方案到結合信息科技知識編寫程序、搭建情景模型的過程中，收獲了自信心與成就感。

課程的后續延伸可以以“如何讓行人和車輛同時看到對應的紅綠燈信號？”“如果遇到強行闖紅燈的人如何處理？”“道閘升降速度過快，有的人反應不及時怎么辦？”“有哪些好的系統供電方案？”等問題作為切入點，讓學生繼續深挖主題，繼續探究。