智能垃圾分類機(jī)

褚志華

學(xué)習(xí)背景

本課使用樂(lè)高積木搭建智能垃圾分類機(jī)，使用LEGO Mindstorms程序完成程序編寫，通過(guò)顏色傳感器判斷代表不同垃圾的顏色塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾進(jìn)行智能分類的效果。通過(guò)創(chuàng)作貼合實(shí)際生活的創(chuàng)意作品，將創(chuàng)客教育與信息技術(shù)相融合，提高了所有學(xué)生的興趣和參與度；通過(guò)編程開發(fā)和不斷調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生的試錯(cuò)糾錯(cuò)能力；通過(guò)面向?qū)嶋H生活應(yīng)用的機(jī)器人制作過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、工程思維。

教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能

1.識(shí)別顏色傳感器，描述顏色傳感器數(shù)值與不同顏色的關(guān)系。

2.實(shí)現(xiàn)顏色傳感器控制Mindstorms程序中電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。

過(guò)程與方法

能通過(guò)觀察分析顏色傳感器的數(shù)值與距離遠(yuǎn)近的關(guān)系，控制電機(jī)進(jìn)行正確的旋轉(zhuǎn)角度。

情感態(tài)度與價(jià)值觀

1.感受運(yùn)用信息技術(shù)解決實(shí)際生活中的問(wèn)題以及設(shè)計(jì)創(chuàng)意作品的喜悅。

2.培養(yǎng)垃圾分類意識(shí)。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 利用顏色傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能垃圾分類機(jī)模型的控制。

教學(xué)難點(diǎn) 通過(guò)程序調(diào)試，實(shí)現(xiàn)智能垃圾分類機(jī)模型的正確分類。

教學(xué)設(shè)計(jì)

一、創(chuàng)設(shè)情境

結(jié)合“上海垃圾分類”的社會(huì)熱點(diǎn)事件，通過(guò)交流上海垃圾分類具體方法，激發(fā)學(xué)生利用樂(lè)高設(shè)計(jì)智能垃圾分類機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)垃圾自動(dòng)分類的創(chuàng)意，初步交流創(chuàng)作思路。

二、小組合作，解決問(wèn)題

1.構(gòu)思設(shè)計(jì)

教師組織學(xué)生討論在垃圾分類時(shí)可能遇到的相關(guān)問(wèn)題，如不知道怎樣對(duì)垃圾進(jìn)行正確的分類等，激發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)可以自動(dòng)識(shí)別垃圾種類并自動(dòng)進(jìn)行分類的智能垃圾分類機(jī)模型。學(xué)生分小組合作設(shè)計(jì)智能垃圾分類機(jī)模型的草圖，并使用樂(lè)高的積木、顏色傳感器和電機(jī)相關(guān)組件進(jìn)行搭建。

2.探究新知

學(xué)生利用Mindstorms程序觀察顏色傳感器的數(shù)值與不同顏色的關(guān)系，判斷控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的大致參數(shù)范圍。

3.編程與調(diào)試

學(xué)生在初步完成編程后，通過(guò)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的步驟，逐步完善程序編寫，實(shí)現(xiàn)顏色傳感器對(duì)程序中電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的程序調(diào)試，達(dá)到智能垃圾分類機(jī)模型正確分類垃圾的目的。

三、展示與評(píng)價(jià)

小組進(jìn)行作品展示，交流作品的特色及創(chuàng)意，任務(wù)過(guò)程中調(diào)試與編程的問(wèn)題及解決方法，作品成功或失敗的心得。

四、反思與創(chuàng)新

總結(jié)顏色傳感器的特點(diǎn)和用途。引導(dǎo)學(xué)生討論思考“智能垃圾分類機(jī)模型還可以怎樣進(jìn)行優(yōu)化”，延伸課堂，延伸學(xué)生的興趣。

案例詳解

一、LEGO Mindstorms 簡(jiǎn)介

LEGO Mindstorms是樂(lè)高教育器材中第三代機(jī)器人套裝。學(xué)生在計(jì)算機(jī)上通過(guò)藍(lán)牙連接Mindstorms程序和樂(lè)高積木主機(jī)，就可以進(jìn)行編程了。

二、智能垃圾分類機(jī)結(jié)構(gòu)的搭建

學(xué)生在設(shè)計(jì)創(chuàng)意智能垃圾分類機(jī)的時(shí)候，由于沒(méi)有固定裝置的參考，外觀形色各異，但從結(jié)構(gòu)的有效性來(lái)說(shuō)，主要分為傳送結(jié)構(gòu)（如圖2）和旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)（如圖3）。

以傳送結(jié)構(gòu)為例，其結(jié)構(gòu)參考物流傳送裝置，再加上一個(gè)識(shí)別“垃圾顏色塊”的裝置，整個(gè)結(jié)構(gòu)主要用到一個(gè)顏色傳感器來(lái)識(shí)別紅、黃、藍(lán)、綠四種代表不同種類的“垃圾顏色塊”，一個(gè)中電機(jī)和一個(gè)大電機(jī)作為垃圾分類機(jī)的傳送裝置。

三、顏色傳感器與電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的研究

1. 顏色傳感器

學(xué)生通過(guò)使用顏色傳感器去檢測(cè)紅、黃、藍(lán)、綠四種代表不同種類的“垃圾顏色塊”，讀取顏色傳感器的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)不同的顏色數(shù)值是不一樣的。

2. 電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度

電機(jī)的旋轉(zhuǎn)由功率和度數(shù)兩個(gè)參數(shù)組成。功率范圍在-100到100，通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生設(shè)置-30、0和80這三個(gè)數(shù)值，可以讓學(xué)生體會(huì)到負(fù)值為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)、零值為停止旋轉(zhuǎn)、正值為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并且數(shù)值越大轉(zhuǎn)速越快的工作原理。

度數(shù)的數(shù)值有著每360度作為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈的規(guī)律，學(xué)生通過(guò)設(shè)置30、200、720、900等數(shù)值，體驗(yàn)到電機(jī)旋轉(zhuǎn)小半圈、大半圈、兩圈和兩圈半之間的差異。

在實(shí)驗(yàn)探究后，學(xué)生理解了顏色傳感器和電機(jī)的工作原理，為后續(xù)使用顏色傳感器判斷控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)“垃圾顏色塊”的分類打下基礎(chǔ)。

四、程序設(shè)計(jì)與調(diào)試

1.需求分析

根據(jù)需求，學(xué)生需要讓垃圾分類機(jī)實(shí)現(xiàn)可以根據(jù)顏色識(shí)別不同種類的垃圾，從而控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)不同的度數(shù)，傳送至對(duì)應(yīng)顏色的垃圾桶的效果。在本例中，根據(jù)傳送裝置的特點(diǎn)，傳送的距離遠(yuǎn)近是由電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度決定的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，初步設(shè)定角度范圍0～50對(duì)應(yīng)為藍(lán)色垃圾桶；角度范圍50～200對(duì)應(yīng)為綠色垃圾桶；角度范圍200～400對(duì)應(yīng)為黃色垃圾桶；角度范圍400～650對(duì)應(yīng)為紅色垃圾桶。垃圾分類機(jī)模型在每次啟動(dòng)識(shí)別前和完成傳送后都進(jìn)入初始等待狀態(tài)。（如圖4）

2.程序設(shè)計(jì)

整個(gè)程序主要分為兩個(gè)模塊。第一個(gè)模塊是識(shí)別判斷，通過(guò)顏色傳感器識(shí)別到的顏色數(shù)值和程序內(nèi)部預(yù)留的顏色數(shù)值進(jìn)行比較匹配（如圖5）。第二個(gè)模塊是“垃圾顏色塊”的分類動(dòng)作，分類動(dòng)作采用分支結(jié)構(gòu)，程序根據(jù)顏色傳感器識(shí)別到的顏色數(shù)值執(zhí)行對(duì)應(yīng)編號(hào)的分支程序，在不同的分支程序中執(zhí)行不同的電機(jī)旋轉(zhuǎn)命令，從而到達(dá)不同顏色垃圾桶的位置，完成分類工作（如圖6）。最后將兩個(gè)模塊及其他模塊嵌套“循環(huán)”結(jié)構(gòu)，使智能垃圾分類機(jī)可以重復(fù)執(zhí)行識(shí)別傳送工作。

3.完善創(chuàng)新

作品展示交流之后，引導(dǎo)學(xué)生討論思考“智能垃圾分類機(jī)模型還可以怎樣進(jìn)行優(yōu)化”，讓學(xué)生大膽想象，積極探索，如“在傳送裝置上安裝一個(gè)觸碰傳感器，避免傳送電機(jī)碰撞兩臂”，或“將垃圾分類機(jī)由顏色識(shí)別改成語(yǔ)音識(shí)別”， 想象力、創(chuàng)造力的充分發(fā)揮，使學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力得到了發(fā)展。

教學(xué)點(diǎn)評(píng)

上海市將于今年7月1日起進(jìn)入垃圾分類“強(qiáng)制時(shí)代”。本課通過(guò)創(chuàng)設(shè)“智能垃圾分類機(jī)”的任務(wù)情境，讓學(xué)生在編程過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，進(jìn)而培養(yǎng)計(jì)算思維、工程思維和環(huán)保意識(shí)。

本節(jié)課，學(xué)生根據(jù)各自的理解，搭建了造型各異的垃圾分類機(jī)模型；并都使用了顏色傳感器和電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的相同思想解決垃圾分類的關(guān)鍵問(wèn)題。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中既體驗(yàn)了工程思維中的設(shè)計(jì)、物化、完善的過(guò)程，又經(jīng)歷了計(jì)算思維培養(yǎng)中界定問(wèn)題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型的過(guò)程，也培養(yǎng)了用信息技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題的關(guān)鍵能力，還樹立了垃圾分類的意識(shí)。（點(diǎn)評(píng)人：王世達(dá)，上海市普陀區(qū)教育學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)研究室副主任，信息技術(shù)教研員）