《基于S4A的自動灌溉系統(tǒng)》項目學(xué)習(xí)教學(xué)案例

蘆斌

該項目教學(xué)研究的是基于S4A在工程實踐類教學(xué)中的嘗試，課程用時較長，一般實施需約4～6個課時來實現(xiàn)，其中大部分時間用于學(xué)生自主探究解決問題。為了便于讀者閱讀，本文將其中主要過程梳理為以下幾個主要活動過程。

● 學(xué)情分析

我們選取的六年級學(xué)生多來自中低收入家庭，部分學(xué)生為進城務(wù)工子女，該校有以農(nóng)耕樂園為特色的校本課程，學(xué)生大多具備農(nóng)業(yè)種植的基礎(chǔ)知識，對于農(nóng)耕實踐動手能力較強，并且對程序的實踐應(yīng)用有較強的敏感度。

所選取的學(xué)生已有一學(xué)年的Scratch學(xué)習(xí)經(jīng)驗，在本課項目內(nèi)容實施前，均在興趣小組活動課中接觸和學(xué)習(xí)了Arduino及S4A的基本使用方法，了解了指令的運用及硬件的搭建。

● 教學(xué)目標

知識與技能目標：了解傳感器原理；了解繼電器控制原理；了解電磁水閥、毛細滴管等灌溉設(shè)備的使用；了解基于傳感器的自動化控制原理；學(xué)會自行設(shè)計組裝復(fù)雜控制系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)。

過程與方法目標：學(xué)會設(shè)計控制系統(tǒng)的基本方法；解決實際問題的建模到實施的策略。

情感態(tài)度與價值觀目標：了解民生，實際體驗勞動創(chuàng)造價值；積極地創(chuàng)造性地運用自己所學(xué)去改造世界；培養(yǎng)在一個實際項目中克堅除難持之以恒的良好品格。

● 教學(xué)過程

引入：什么是自動化？生活中許許多多自動化控制的案例展示（如熱水壺、空調(diào)、洗衣機、聲控燈等）。

討論：自動化系統(tǒng)有哪些共同特點？

羅列：熱水壺：溫度感應(yīng)←→控制器←→加熱開關(guān)

空調(diào)：溫度感應(yīng)←→控制器←→制冷熱壓縮機開關(guān)

洗衣機：重力感應(yīng)←→控制器←→防水排水開關(guān)

聲控燈：聲音感應(yīng)←→控制器←→電燈開關(guān)

……

提煉出自動化控制的要素：傳感設(shè)備←→控制器←→外部電器開關(guān)。

S4A同樣可以實現(xiàn)這些智能的自動化功能，它就是一個最好的控制器，配合外部不同的傳感器和開關(guān)電路，我們就能實現(xiàn)很多自動化控制的事務(wù)。

介紹學(xué)校目前正需要對農(nóng)耕樂園進行智能改造，希望引用自動化灌溉技術(shù)實現(xiàn)對草莓種植的自動澆灌。

那具體需要了解哪些技術(shù)來實現(xiàn)我們的自動化灌溉，我們將依次通過活動來了解自動化控制的技術(shù)與設(shè)計方法。

活動一：認識傳感器

（1）學(xué)生根據(jù)教師提供的溫度、濕度、光照度傳感器，找到能夠讀取數(shù)據(jù)的正確接法。（提示：數(shù)據(jù)穩(wěn)定在一個很小范圍內(nèi)浮動表示能夠讀取數(shù)值）

總結(jié)：老師給大家提供的都是模擬傳感器（與之對應(yīng)的是數(shù)字傳感器，在Scratch中不易獲得數(shù)值），它的數(shù)值范圍是從0～1024，它的接法一般由三根線組成，即一根地線、一根5v電源線、一根信號線，信號線起關(guān)鍵作用，地線有的傳感器是可用可不用的。

（2）他們獲取的數(shù)值都有什么特點。范圍在多少之間？是否穩(wěn)定？

總結(jié)：獲取的數(shù)值都會有些上下浮動，不穩(wěn)定。如果要用在農(nóng)業(yè)自動化上我們可能需要哪些傳感器？你會選擇哪種類型的傳感器？

（3）學(xué)生討論：土壤相關(guān)的傳感、空氣的溫濕度傳感、光照度。模擬傳感器便于S4A獲取數(shù)值。

設(shè)計意圖：通過實例操作、觀察分析、拓展應(yīng)用這三個環(huán)節(jié)。一方面通過學(xué)生自主實踐活動加深對模擬傳感器的一些特性認識為后續(xù)編程做好鋪墊，一方面總結(jié)出模擬傳感器接線的規(guī)律便于以后遷移使用其他模擬傳感器件，同時拓展學(xué)生思路在實際農(nóng)業(yè)自動化項目中我們還需要哪些傳感器，為后續(xù)自主綜合實踐項目的開展奠定基礎(chǔ)。

活動二：認識開關(guān)電路

（1）學(xué)生根據(jù)教師提供的開關(guān)電路接線圖，實現(xiàn)S4A控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。并找出繼電器中哪幾個接線是可以控制外部電路的，哪幾個接線是對應(yīng)S4A的信號輸出的。

總結(jié)：繼電器電路需要有數(shù)字信號輸入（地線、5v電源線、信號線），可以控制電路的開或者關(guān)，接法上是中間的必須接，兩邊的可任選其一，在控制時會出現(xiàn)開關(guān)次序相反的效果，即輸出“on”信號時，一個會開一個會關(guān)。

（2）根據(jù)繼電器的說明書查看我們可以控制多少范圍電壓或電流的外部電路。

總結(jié)：一些外部電路或器件在設(shè)計或使用時要注意它們的適用范圍，如果選擇錯誤輕則造成故障重則引起火災(zāi)爆炸等，因此必須謹慎對待。

設(shè)計意圖：通過實際操作認識開關(guān)電路的用法，并在體驗查看控制范圍電壓及電流的過程中學(xué)會自學(xué)設(shè)備器件的重要配套資料，便于今后解決實際問題時良好研究習(xí)慣的養(yǎng)成。

活動三：認識電磁水閥及水管、滴管、噴頭

（1）測試給電磁閥加電，觀察電磁水閥的通斷水效果，并討論使用時需要注意的事項。

總結(jié)：電磁水閥的進水方向、設(shè)計電路時要注意保護避免電路短路。

（2）運用扳手、剪刀、鉗子等工具連接水管、滴管、噴頭，制作一套噴灌系統(tǒng)實現(xiàn)單一花盆的噴灑效果。

總結(jié)：實現(xiàn)不同管子的連接，可以通過各類轉(zhuǎn)接頭或者將塑料軟管加熱后套接，針對不同管材應(yīng)該選取不同的工具進行加工處理以提高制作效率。

（3）根據(jù)農(nóng)耕園實際植株情況，設(shè)計水管排布方案，并簡要說明設(shè)計理由。

總結(jié)：設(shè)計原則：①考慮灌溉水壓的均勻到達。②考慮管材使用的盡量節(jié)儉。③不影響植株生長及人員走動。

設(shè)計意圖：通過測試實驗、組裝系統(tǒng)，讓學(xué)生初步體驗小型灌溉系統(tǒng)的設(shè)計與施工過程。同時，在這個環(huán)節(jié)中引出管線的排布設(shè)計可以讓學(xué)生提前做好整體方案的局部設(shè)計準備。

活動四：學(xué)習(xí)自動化控制原理

（1）利用溫度傳感、開關(guān)電路、12v直流電源、12v小風(fēng)扇實現(xiàn)調(diào)溫風(fēng)扇。

總結(jié)：利用溫度傳感獲取的數(shù)值進行判斷，加上反復(fù)偵測實現(xiàn)實時偵測效果，當溫度高于某數(shù)值時啟動風(fēng)扇，反之就停止風(fēng)扇。endprint

（2）利用土壤濕度傳感器、開關(guān)電路、電磁水閥及活動三中的噴灌系統(tǒng)，構(gòu)建基于花盆的自動化花盆噴灌系統(tǒng)。

總結(jié)：可以利用同樣的控制程序?qū)崿F(xiàn)效果，但需注意土壤的浮動對于開關(guān)電路不穩(wěn)定的影響如何規(guī)避，提示通過增加反復(fù)偵測的時間間隔。

設(shè)計意圖：以一個基礎(chǔ)的案例“溫控風(fēng)扇”作為此類控制原理基本范式的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在花盆中模擬一個小型的灌溉系統(tǒng)，對后續(xù)的現(xiàn)實實踐提供一定的參考。

活動五：設(shè)計實施自動化灌溉系統(tǒng)

（1）集體設(shè)計總體自動化灌溉方案，總結(jié)如下圖所示。

（2）將任務(wù)分三個部分分別交由三個小組（傳感偵測組、程序控制組、水利灌溉組）開展獨立的項目研究與實施。小組中分工有負責協(xié)調(diào)統(tǒng)籌的、資料查詢的、具體實施的。

項目實施原則：①能夠?qū)崿F(xiàn)功能；②方便安全；③經(jīng)濟節(jié)省。

情況分析：學(xué)生在實際實踐過程中遇到了遠比模擬環(huán)境中多很多的問題。例如，傳感器如何穿越墻體、大棚，傳感數(shù)值為何會異動，傳感數(shù)值上下浮動不便于監(jiān)測控制如何利用程序解決，多少溫濕度的數(shù)值對應(yīng)多少輸入的數(shù)據(jù)量，水管如何分布既便于水流快速到位，又節(jié)省噴頭和滴管數(shù)量等問題。

教師指導(dǎo)：問題解決方案的指導(dǎo)，如土壤傳感器插入土?xí)霈F(xiàn)數(shù)據(jù)異常問題，如何排除故障，教師指導(dǎo)學(xué)生可采用分段排除法確定問題節(jié)點，然后運用替換法，一方面在不同的土質(zhì)結(jié)構(gòu)中測試，另一方面尋找更為合適的土壤傳感。

通過近兩節(jié)課，即兩周時間和中間學(xué)生自發(fā)性的研究時間，興趣小組整體上實現(xiàn)了農(nóng)耕樂園中草莓大棚根據(jù)土壤濕度、空氣溫度進行自動化灌溉的控制功能。

設(shè)計意圖：通過前期的知識與技能準備，學(xué)生已有初步的經(jīng)驗可以完成系統(tǒng)的基本雛形，但在實際環(huán)境中問題往往不可預(yù)料，因此，要在較短時間內(nèi)完成這樣的任務(wù)最好采取小組合作的形式，但教師也需要發(fā)揮應(yīng)有作用，尤其是在解決問題的方法策略上多給指導(dǎo)。

活動六：匯報工作反思

各組對自己的工作內(nèi)容、方法、成果、不足進行反思交流。

設(shè)計意圖：作為學(xué)生總結(jié)性評價的一種手段，重點也是幫助學(xué)生對于一些復(fù)雜系統(tǒng)問題解決時的一些方法技巧的經(jīng)驗交流，便于學(xué)生相互學(xué)習(xí)，相互取長補短。

● 教學(xué)反思

本項目課類似一個小型的綜合課程，涉足廣泛涉獵眾多，但它又不完全是嚴格意義上的課程。通過多次教學(xué)后發(fā)現(xiàn)，作為小學(xué)生而言，他們更多地僅僅是需要知道感性的操作、技巧，而不是長篇的理性原理道理。因此，只有通過不斷實踐才能讓他們更快地掌握一門技術(shù)或知識，而在不斷實踐的過程中，學(xué)生會自然而然慢慢悟出其中的道理原理。另外，在整個課程設(shè)計上需要注重由簡入繁的原則，學(xué)生畢竟經(jīng)驗不足，給予充足的基礎(chǔ)準備，如抽象出簡單模型、規(guī)避掉一些復(fù)雜外因、分解出部分環(huán)節(jié)，使得學(xué)生能夠循序而漸進，在綜合實踐過程中自然會游刃而有余。endprint