智能交通信號燈

吳箏

學(xué)習(xí)背景

從古至今，交通運(yùn)輸都決定性地影響著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與社會水平的高低。隨著數(shù)字化城市建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，智能交通信號燈作為城市交通的重要組成部分，必將發(fā)揮積極的作用。本案例以程小奔機(jī)器人為硬件載體，以mBlock5為軟件支撐，以實(shí)踐活動、問題解決帶動學(xué)習(xí)過程，通過參與、操作、體驗，從認(rèn)知、探究發(fā)現(xiàn)到創(chuàng)意創(chuàng)新，使學(xué)生的計算思維能力、邏輯思維能力、創(chuàng)新思維能力得以發(fā)展和強(qiáng)化。

教學(xué)目標(biāo)

知識與技能 1.描述紅外傳感器的作用;2.區(qū)分“重復(fù)執(zhí)行”與“重復(fù)執(zhí)行直到……”;3.解釋計數(shù)器的功能;4.識別Python中的循環(huán)語句。

過程與方法 1.能根據(jù)需要選擇合適的變量、運(yùn)算符及表達(dá)式設(shè)計程序;2.能運(yùn)用“觀察現(xiàn)象—發(fā)現(xiàn)問題—分析原因—嘗試解決”的程序調(diào)試方法，解決實(shí)際問題。

情感態(tài)度與價值觀 1.體驗人機(jī)交互的過程，培養(yǎng)計算思維，探索實(shí)踐精神;2.養(yǎng)成文明交通的意識。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 1.解釋計數(shù)器的功能;2.能根據(jù)需要選擇合適的變量、運(yùn)算符及表達(dá)式設(shè)計程序。

教學(xué)難點(diǎn) 1.能夠根據(jù)需要選擇合適的變量、運(yùn)算符及表達(dá)式來設(shè)計程序;2.能夠識別Python中的循環(huán)語句。

案例詳解

一、情境導(dǎo)入

教師播放城市交通車水馬龍的情景以及路口交通信號燈的變化畫面，引導(dǎo)學(xué)生在觀看中了解交通信號燈在城市交通中發(fā)揮的重要作用，吸引學(xué)生動手制作一個交通信號燈模型。

二、舊知鞏固

教師引導(dǎo)學(xué)生找出交通信號燈的變化規(guī)律，在mBlock5軟件平臺上完成一個路口紅綠黃燈切換的模塊代碼，并將代碼上傳到機(jī)器人設(shè)備，借助機(jī)器人的LED燈查看程序結(jié)果。

本案例交通信號燈的設(shè)定只有一組紅綠黃燈，不帶轉(zhuǎn)向及時間倒計時提示功能，因此變換規(guī)律比較簡單，就是綠燈亮10秒—黃燈亮3秒—紅燈亮10秒。

學(xué)生首先在mBlock5軟件平臺上完成一個路口紅綠黃燈單次切換的模塊代碼，在此基礎(chǔ)上添加重復(fù)執(zhí)行模塊，使得交通信號燈實(shí)現(xiàn)循環(huán)切換。（如圖1、圖2）

三、討論思辨

傳統(tǒng)的交通信號燈采用定時控制模式，但由于車流量不是固定的，因此可能出現(xiàn)少車路口綠燈時無車通行或多車路口綠燈通行時間短而堵車的情況。為解決這種資源浪費(fèi)問題，可以設(shè)計一個以車流量為核心的智能交通信號燈控制系統(tǒng)，通過使用紅外傳感器檢測車流量，實(shí)現(xiàn)對路口交通信號燈的智能控制。

本案例重點(diǎn)討論如何控制一個方向上的紅燈顯示和切換，教師與學(xué)生討論制訂的規(guī)則是：默認(rèn)紅燈的顯示時間是10秒，但如果在10秒內(nèi)等待車輛已經(jīng)超過15輛，可立即切換成綠燈。為了實(shí)現(xiàn)以上規(guī)則設(shè)定，假定在路口100米處安設(shè)一個紅外傳感器，它可以感測經(jīng)過的車輛，同時需要在程序中設(shè)定兩個變量，分別統(tǒng)計經(jīng)過紅外傳感器的車輛數(shù)目以及紅燈持續(xù)的秒數(shù)。

四、算法探究

紅燈顯示和切換的算法設(shè)計：初始狀態(tài)為紅燈亮起，統(tǒng)計車輛數(shù)目為0，紅燈持續(xù)秒數(shù)為0;每過去0.5秒，紅燈持續(xù)時間+0.5;同時紅外傳感器感測是否有車輛經(jīng)過，如果有，車輛計數(shù)+1;如果車輛數(shù)目超過15輛或者紅燈持續(xù)時間達(dá)到10秒，則紅燈切換為綠燈，否則繼續(xù)車輛計數(shù)與紅燈持續(xù)秒數(shù)計數(shù)。

這部分算法的結(jié)構(gòu)是循環(huán)結(jié)構(gòu)嵌套分支結(jié)構(gòu)，分支結(jié)構(gòu)使用“如果……那么……”模塊實(shí)現(xiàn)對經(jīng)過車輛的感知及計數(shù);循環(huán)結(jié)構(gòu)使用“重復(fù)執(zhí)行直到……”模塊實(shí)現(xiàn)對紅燈持續(xù)時間計數(shù)以及經(jīng)過車輛的判斷，利用混合邏輯運(yùn)算設(shè)定紅燈結(jié)束的條件，進(jìn)而自動調(diào)節(jié)紅燈的顯示與切換。具體程序如圖3。

五、代碼比較

借助mBlock5軟件的代碼轉(zhuǎn)換功能，分別將圖1、圖2定時控制的模塊代碼與圖3智能控制的模塊代碼轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的Python語句代碼。

圖1對應(yīng)的Python代碼如下：

# generated by mBlock5 for codey & rocky

# codes make you happy

import codey， event

@event.start

def on_start（? ）：

codey.led.show（0， 255， 46）

time.sleep（10）

codey.led.show（250， 255， 0）

time.sleep（3）

codey.led.show（255， 0， 0）

time.sleep（10）

圖2對應(yīng)的Python代碼如下：

# generated by mBlock5 for codey & rocky

# codes make you happy

import codey， event

@event.start

def on_start（? ）：

while True：

codey.led.show（0， 255， 46）

time.sleep（10）

codey.led.show（250， 255， 0）

time.sleep（3）

codey.led.show（255， 0， 0）

time.sleep（10）

圖3對應(yīng)的Python代碼如下：

# generated by mBlock5 for codey & rocky

# codes make you happy

import codey， rocky， event

# initialize variables

cheliangshu = 0

red_time = 0

@event.start

def on_start（）：

global cheliangshu， red_time

while True：

codey.led.show（0， 255， 46）

time.sleep（10）

codey.led.show（250， 255， 0）

time.sleep（3）

codey.led.show（255， 0， 0）

cheliangshu = 0

red_time = 0

while not （cheliangshu > 15 or red_time > 10 or red_time == 10）：

time.sleep（0.5）

red_time = red_time + 0.5

if rocky.color_ir_sensor. is_obstacle

_ahead（? ?）：

cheliangshu = cheliangshu + 1

通過對比，學(xué)生可以識別Python中循環(huán)控制語句while的一般形式（如圖4）。

六、思維拓展

作品交流后，給學(xué)生一些時間梳理設(shè)計思路、完善提升作品。教師也可以提出一些拓展要求供學(xué)生挑戰(zhàn)，比如對十字路口的交通情況通盤考慮，進(jìn)而智能控制四個方向的交通信號燈，還比如可以添加行人過馬路的因素，等等。

教師還可以引導(dǎo)學(xué)生思考將人工智能技術(shù)應(yīng)用到城市交通建設(shè)的可能性，比如利用攝像頭進(jìn)行視頻采集獲取路口各方向車輛的等待情況，實(shí)現(xiàn)對不同車型和行人的識別以及檢測控制、抓拍報警等，根據(jù)具體獲取的信息來選擇交通信號燈的控制方案，并通過網(wǎng)絡(luò)將最終方案反饋給控制中心。

教學(xué)反思

“智能交通信號燈”一課的問題設(shè)計貼近生活，學(xué)生能從已有經(jīng)驗入手發(fā)揮主觀能動性，為改善交通信號燈出謀劃策，容易激發(fā)學(xué)生的思維火花。任務(wù)設(shè)計由易到難，從常規(guī)定時控制到可根據(jù)車流量智能調(diào)整紅燈時長，給學(xué)生創(chuàng)造了“跳一跳”的機(jī)會。借助mBlock5平臺的代碼轉(zhuǎn)換功能，學(xué)生能夠?qū)Ρ饶K代碼與Python代碼，為了解Python語句做了一定的鋪墊。當(dāng)然，要將思路轉(zhuǎn)換成代碼是有一定難度的，所以實(shí)踐過程中教師需要進(jìn)一步思考如何更好地設(shè)計支架，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)算法。