地鐵隧道環(huán)境監(jiān)測器

項勇 科創(chuàng)教師，主要教授學(xué)生樂高機器人、各類單片機編程課程，并指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計制作科創(chuàng)作品。曾經(jīng)帶領(lǐng)學(xué)生獲得Micro：bit官方比賽do your：bit全球挑戰(zhàn)賽中國區(qū)二等獎、上海市青少年創(chuàng)意編程與智能設(shè)計大賽三等獎等;本人也曾參加一系列科創(chuàng)比賽，獲得2020年童心制物杯上海國際STEAM課程開發(fā)者黃金大獎賽三等獎。

教學(xué)背景

地鐵隧道不僅承擔(dān)著城市的交通運輸作用，還承擔(dān)著戰(zhàn)爭時期的人防作用。地鐵隧道有其安全的一面，也有其脆弱的一面，而人們往往只看到其安全快捷的一面，所以當(dāng)大雨來臨地面交通無法通行時，人們很自然想到改乘地鐵，而忘記地鐵隧道容易被洪水灌入、空間密閉、難以處理有害氣體泄漏等問題。2021年鄭州地鐵淹水事件告訴我們，有必要對這一重要城市設(shè)施的環(huán)境進行全方位有效監(jiān)測，以防范災(zāi)難的發(fā)生。前期學(xué)生對圖像化編程及Micro：bit、傳感器等硬件已經(jīng)有所了解，所以本課筆者帶領(lǐng)學(xué)生創(chuàng)意設(shè)計一個地鐵隧道環(huán)境監(jiān)測器，它能全面獲得地鐵隧道環(huán)境的實時信息數(shù)據(jù)，保證地鐵隧道設(shè)施及人員的安全。

教學(xué)目標(biāo)

1.學(xué)會觀察日常生活，能發(fā)現(xiàn)問題，并能通過小組合作提出完整的解決方法，經(jīng)歷分解復(fù)雜任務(wù)為若干簡單任務(wù)、合理安排任務(wù)時間、修改優(yōu)化作品的全過程。

2.了解各類傳感器的原理及使用方法。

3.建立和強化圖形化軟件編程的知識體系。

4.了解TRIZ發(fā)明問題解決理論的常用發(fā)明原理，并在本項目中對遇到的問題進行充分實踐，培養(yǎng)科學(xué)分析問題、解決問題的創(chuàng)新素養(yǎng)。

教學(xué)準(zhǔn)備

教學(xué)課件、Micro：bit、傳感器、Micro：bit自然與科學(xué)擴展板V2.0、Makecode軟件、思維導(dǎo)圖軟件等。

教學(xué)重點與難點

教學(xué)重點 學(xué)會從日常社會生活中發(fā)現(xiàn)問題的方法;建立完整的作品產(chǎn)出步驟的知識體系;建立圖形化軟件編程的知識體系;體驗真實的項目團隊合作及分工，增強團隊意識。

教學(xué)難點 理解方案的可行性分析;建立編程思維體系;理解科技作品的開發(fā)路徑;培養(yǎng)小組項目合作的團隊默契度。

教學(xué)過程

一、情境導(dǎo)入，激發(fā)興趣

師：同學(xué)們，夏季雨水多時極易引起水災(zāi)，2021年鄭州地鐵淹水事件造成多人死傷，讓人心痛。為了避免這種情況再次發(fā)生，其實我們可以設(shè)計一個裝置來監(jiān)測地鐵隧道環(huán)境的全面數(shù)據(jù)。我們需要獲取地鐵隧道里面的哪些信息？這些信息需要哪些傳感器獲??？怎么把信息實時傳遞出來？請大家分組討論。

教師協(xié)助學(xué)生分組，每個小組至少有3種類型的成員，使得各個小組能力均衡。邏輯思維型成員主要帶領(lǐng)學(xué)生進行方案的頭腦風(fēng)暴、問題解決、編程的規(guī)劃;空間型成員負責(zé)帶領(lǐng)學(xué)生進行任務(wù)路線的設(shè)計;語言能力型成員負責(zé)帶領(lǐng)學(xué)生規(guī)劃設(shè)計宣講PPT及文稿。

學(xué)生小組討論并互相交流。

二、講授新知，設(shè)計方案

師：地鐵隧道環(huán)境監(jiān)測器該怎么設(shè)計呢？TRIZ發(fā)明問題解決理論能幫助我們學(xué)會怎樣進行發(fā)明設(shè)計，它成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標(biāo)是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。

教師簡要介紹TRIZ的40個發(fā)明原理，并重點介紹幾個常用的發(fā)明原理，講解Makecode軟件平臺中Micro：bit的編程使用方法。

學(xué)生依據(jù)TRIZ發(fā)明問題解決理論，以小組為單位，進行地鐵隧道環(huán)境監(jiān)測器的草圖設(shè)計，明確功能設(shè)計要點及可行性，然后各小組依次進行方案宣講。

（各小組獨立實施，教師觀摩記錄小組功能設(shè)計過程中的問題及優(yōu)點，必要時給予指導(dǎo)，但不要打擾學(xué)生小組的功能設(shè)計過程。）

三、畫出思維導(dǎo)圖，編程開發(fā)

教師講解思維導(dǎo)圖軟件的簡單用法，引導(dǎo)學(xué)生使用思維導(dǎo)圖軟件畫出地鐵隧道環(huán)境監(jiān)測器的功能設(shè)計方案圖，然后拆分模塊，明確編程思路。

師：同學(xué)們，前面我們學(xué)習(xí)了Makecode的使用方法和技巧，也設(shè)計了地鐵隧道環(huán)境監(jiān)測器的功能，下面以項目的開發(fā)方式正式進行地鐵隧道環(huán)境監(jiān)測器的開發(fā)。

學(xué)生分小組使用Makecode編程，如圖1，規(guī)劃程序整體思路，拆分功能模塊任務(wù)，再分給具體的人，明確完成時間及任務(wù)要求。各負責(zé)人按時間節(jié)點和任務(wù)要求進行編程，然后合并各編程模塊，依次測試程序功能、性能，分析可優(yōu)化的方向。

（各小組獨立實施，教師觀摩記錄小組開發(fā)過程中的問題及優(yōu)點，必要時給予指導(dǎo)，但不要打擾學(xué)生小組的開發(fā)過程。）

四、小組展示，教師講評

每個小組派出代表上臺演示自己小組的方案，講解編程思路、代碼實現(xiàn)、功能效果，說明本組設(shè)計的地鐵隧道環(huán)境監(jiān)測器的優(yōu)點，并著重講解項目實踐過程中遇到了哪些問題，怎樣用TRIZ發(fā)明問題解決理論或其他方法解決的。

教師對各小組方案進行總結(jié)評估，引導(dǎo)學(xué)生共同思考，評估方案還有哪些可以優(yōu)化的地方，還能加上哪些功能。教師評估各個優(yōu)化方案的可行性，各小組再進行后續(xù)優(yōu)化。

五、樣例講解，課程總結(jié)

教師展示事先制作好的樣例，如圖2，學(xué)生對比分析自己的作品。

師：同學(xué)們出色地完成了地鐵隧道環(huán)境監(jiān)測器的開發(fā)、展示、評估，下面老師來講解一下樣例。樣例通過開發(fā)板上集成的各類傳感器（如圖3）獲取地鐵隧道的大氣壓強、空氣溫濕度、有害氣體、二氧化碳、光線、聲音、水溫、土壤濕度等全面信息數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實時傳遞到物聯(lián)網(wǎng)平臺EasyIoT，通電后在EasyIoT就可以實時看到地鐵隧道環(huán)境信息（如圖4），保障地鐵隧道安全。

師：樣例只是一個標(biāo)準(zhǔn)的模板，比較均衡地按項目的開發(fā)方式完成了項目的規(guī)劃、設(shè)計、開發(fā)，但是大家不要囿于這個框架，在項目的功能設(shè)計方面要展開自己的想象，發(fā)揮更多創(chuàng)意。

教師總結(jié)Makecode軟件編程開發(fā)、項目開發(fā)的詳細步驟，并評價各個小組優(yōu)化后的方案。師生共同評選出優(yōu)秀小組方案，上傳到創(chuàng)客社區(qū)，讓更多人看到。

師：生活中其實還會遇到很多問題，比如疫情防控、災(zāi)難預(yù)警等，我們都可以設(shè)計相應(yīng)的裝置幫助人們解決困難。同學(xué)們打開思路想一想，你還遇到過哪些問題？怎樣通過創(chuàng)意設(shè)計去改善？請大家課后自己動手實踐。

實踐反思

本課例基本完成了一個地鐵隧道環(huán)境監(jiān)測器的原理模型，能實現(xiàn)對地鐵隧道環(huán)境的全面監(jiān)測。通過參與整個項目開發(fā)流程，學(xué)生了解了圖形化編程軟件Makecode、物聯(lián)網(wǎng)平臺EasyIoT、思維導(dǎo)圖軟件的用法，融會貫通信息技術(shù)、科學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識，在項目的綜合應(yīng)用中建立了對項目開發(fā)的科學(xué)認知體系、對編程思維的整體認知，并解決了生活中的實際問題，培養(yǎng)了創(chuàng)新思維。后續(xù)還可以繼續(xù)優(yōu)化項目，考慮到數(shù)據(jù)分析存在的風(fēng)險，可以通過IFTTT平臺把數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)定的郵箱里，或者將最終分析的結(jié)果發(fā)送到各個手機端。

（本課件由DF創(chuàng)客社區(qū)推薦）