信息技術硬件教學的實施

孫沙沙

【摘要】：新世紀，社會的迅速發(fā)展和信息技術的普及不僅給教育帶來了新的機遇，同時也給教育提出了新的挑戰(zhàn)，并且使得教育正呈現出一系列新的變革趨勢。本文嘗試將項目式學習融入到Scraino硬件編程教學當中，通過項目式學習的"項目背景，明確問題——明確目標規(guī)劃方案，確定物料——協作搭建，編程創(chuàng)作——上傳測試，優(yōu)化改進——分享交流，拓展延伸"五個環(huán)節(jié)，探究信息技術課程中新型的教學方式，激發(fā)學生學習編程的興趣，培養(yǎng)學生的邏輯思維。本文以泰山版小學信息技術第三冊第二單元《指揮機器人行動》中《智能風扇新體驗》一課為例，介紹硬件教學的實施過程。

一、明確問題

風扇是最常見的家用電器之一，傳統電風扇最突出的缺點是它不能根據溫度的變化適時調節(jié)風力大小，不能根據有沒有人在風扇前靈活開關。比如：當人離開的時候，電風扇依然在工作，可是人有時忘記或者無法察覺，既浪費電資源又不安全，傳統的機械定時器無法對人是否離開進行檢測。鑒于以上方面的考慮，我們需要設計一種智能超聲波電風扇來解決這個問題。如果我們能用自己學到的編程知識來創(chuàng)作一個智能風扇，是不是很讓人興奮呢？

二、明確目標 規(guī)劃方案

1.項目目標分析

通過分析真實生活中風扇的使用狀況，梳理智能風扇的工作原理，培養(yǎng)學生分析問題的邏輯思維。

通過分析、科學合理的組裝風扇，培養(yǎng)學生的動手能力。

通過程序設置電機轉速調整風扇的速度，設計超聲波傳感器檢測的距離，可以根據遠近智能自動關或開風扇，培養(yǎng)學生簡單的計算思維能力。

2.規(guī)劃方案

整個項目對單獨的學生來說存在較大難度，所以實行小組分工合作更能提高學習效率。本著“組間同質，組內異質”的基本原則，按學習成績、認知水平、智力水平、性格特點、管理能力對全班學生進行學習小組劃分，分為8個平行小組，每個組選擇一名編程邏輯思維和管理能力較強的同學作為組長。另外劃分小組之后需要根據項目來進行具體的分工協作。每個同學的特長不同，組內分工需要根據同學們的特點進行揚長避短。根據項目的實施主要分為指揮官（組長）、軟件工程師（編寫程序）、造型師（創(chuàng)意搭建）和金話筒（匯報）四個組員。在不斷的學習積累中，同伴之間可以互相取長補短，這四個角色定期進行互換，讓每個學生各方面能力都得到鍛煉。

3.確定物料

（1）所需要的硬件物料清單。

學生通過微課或者導學案操作步驟，以小組為單位找出這節(jié)課要用到的硬件。

（2）認識開源硬件

小組合作完成物料清單，其中“電機”是本節(jié)需要用的新硬件，學習電機的原理及屬性，方便后邊硬件搭建和程序的編寫。

三、協作搭建，編程創(chuàng)作

1.結構搭建

教師組織學生有針對性地再提出一些問題進行討論，如什么部件可以讓風扇的扇葉進行旋轉？控制傳感器最關鍵的問題是什么？以小組為單位查看微課或者導學案操作步驟合作完成風扇的搭建，也可以按照自己的想法進行搭建，但一定要注意風扇的牢固性和安全性。搭建的時候學生可以以小組為單位自由發(fā)揮想象，搭建模型。只有搭建支架是無法工作的，還需要電子模塊連線與電腦連接，用程序來指揮和控制風扇工作。

2.電子模塊連線與安裝

擴展庫（ Extension Library）集成了當前市場流行的大多數開源硬件。本節(jié)課使用的Nano控制器的核心就是Nano開發(fā)板。

下面選取Nano擴展模塊：

①使用雙頭 5pin 連接線將電機連接到驅動板的出口端，用另一根 5pin 連接線將驅動板的對應入口端與控制板連接（1 號端口）。

②使用兩頭緊銷將驅動板和控制板固定在搭建好的智能風扇上。

注意：選擇驅動板的出入接口時，可以選擇任意一對進行連接，但出口與入口的位置必須是對應的。

3.編程創(chuàng)作

接下來我們就需要編寫程序，指揮和控制風扇運轉。由于扇葉是由電機帶動轉動的，電機旋轉時既可以順時針又可以逆時針。電機的驅動可以根據模擬信號輸出設置電機的轉速，Scraino 編程設定 1—255 區(qū)間為電機的正轉，數值越大，轉速越快，數值為“0”時，電機停止轉動。需要控制電機的轉速就可以控制扇葉的轉動。電機轉速是由“設置電機轉速”的“積木”控制的，可通過設置電機的轉速數值來控制。

超聲波傳感器的編程命令必須與相關的【運算】、【控制】相關指令配合使用?？梢杂脙蓚€命令實現：①如果……那么……，否則……;②在……之前一直等待。圖四實現當人與風扇的距離小于100厘米時，風扇轉動，否則風扇停止。實現了自動檢測距離，智能開關功能。

注意：由于超聲波感應需要一定的距離，所以距離過小、物體不平、穿透力較強的物體都可能影響距離的檢測，有效檢測距離為 2——450cm。

四、上傳測試，優(yōu)化改進

我們在編程的過程中，要滲透迭代優(yōu)化的思想，小組合作完成項目后要上機測試，發(fā)現問題修正程序。在這個過程中引導學生總結出核心問題，如果讓整個過程不出錯最重要的是什么？一是硬件連接不能出錯，軟件編程要正確;二是硬件需要更穩(wěn)定，遇到故障，還要有預案。

五、分享交流，拓展延伸

分享之前先分好任務，每個小組都有機會分享，制定好分享原則，讓分享井然有序。

拓展延伸：為了讓風扇更智能，更人性化，可以加入紅外線傳感器，實現遠程控制，加入溫度傳感器，根據溫度變化自動調整轉速等。

采用過程性評價和結果性評價相結合的方式。過程性評價包括智能風扇的搭建、編程、小組分享和合作;結果性評價包括作品的完成度和創(chuàng)意性兩方面。

總結

本研究項目《智能風扇》來源于學生真實生活中的問題，利用 Scraino硬件模擬真實場景，設計與制作智能風扇。課堂通過真實情境的再現和小組合作的形式完成具體的任務，極大弱化學生之間的差異性，將教材中的多個相關知識點融會貫通，知識的學習也更具有連續(xù)性和實用性，學生學習成就感大大提升。在完成整個項目任務的過程中，體驗程序分析員和程序員的完整工作流程：分析問題、分解任務、建立模型、優(yōu)化調試的能力，潛移默化地培養(yǎng)了計算思維。