基于開源硬件的項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)踐
——以“智能風(fēng)扇”教學(xué)設(shè)計(jì)為例

仇大成 江蘇省鹽城市濱?？h教師發(fā)展中心

商艷 江蘇省鹽城市建湖縣向陽路小學(xué)

蘇科版小學(xué)信息技術(shù)“人工智能初步”單元重點(diǎn)圍繞開源硬件和傳感器的學(xué)習(xí)應(yīng)用，搭建創(chuàng)意與現(xiàn)實(shí)生活的橋梁，將學(xué)生領(lǐng)進(jìn)“智能創(chuàng)新設(shè)計(jì)”的世界。筆者根據(jù)蘇科版小學(xué)信息技術(shù)“人工智能初步”教材和配套的OSTD開源實(shí)驗(yàn)箱（以下簡稱實(shí)驗(yàn)箱）設(shè)計(jì)了“智能風(fēng)扇”微項(xiàng)目課（2課時(shí)），引導(dǎo)學(xué)生了解一種新的交互方式——智能控制，并在體驗(yàn)“定速風(fēng)扇—變速風(fēng)扇—多功能風(fēng)扇”設(shè)計(jì)與開發(fā)的過程中，學(xué)會利用計(jì)算思維解決生活中的實(shí)際問題。

● 項(xiàng)目背景分析

1.項(xiàng)目名稱的由來與指向

根據(jù)前測可知，學(xué)生能從生活經(jīng)驗(yàn)中分辨出常規(guī)風(fēng)扇的使用場景、控制運(yùn)行的方式、影響轉(zhuǎn)速的因素。由于常規(guī)風(fēng)扇在開關(guān)控制、使用安全等方面存在改進(jìn)空間，因此，教師提出“智能風(fēng)扇”項(xiàng)目，旨在拓展教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識，以適應(yīng)學(xué)生未來發(fā)展的需要。

2.學(xué)習(xí)內(nèi)容的選擇與設(shè)計(jì)

在學(xué)習(xí)內(nèi)容的選擇上，筆者參考了蘇科版中小學(xué)信息技術(shù)教材（五年級《彈奏音樂》、六年級《機(jī)器人傳感器》和九年級《智能風(fēng)扇》），通過對教材進(jìn)行綜合和拓展，提出了學(xué)習(xí)內(nèi)容——超聲波傳感器工作原理。

3.學(xué)生情況的分析與思考

本課的學(xué)習(xí)者是六年級學(xué)生，他們善于思考，勤于設(shè)想，樂于探索，對智能化項(xiàng)目的學(xué)習(xí)始終保持著探究欲望，邏輯思維能力較中低年級有較大提高。經(jīng)過一學(xué)期對機(jī)器人單元的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握機(jī)器人基本知識，對常見傳感器的應(yīng)用和價(jià)值有了具體直觀的認(rèn)識，但是對常見傳感器的工作原理理解不深入。在學(xué)習(xí)本課之前，學(xué)生已經(jīng)能設(shè)計(jì)簡單的個性化智能作品，如智能燈等，但是結(jié)合流程圖梳理算法的能力還較為薄弱，從具體現(xiàn)實(shí)問題中抽象出計(jì)算機(jī)能解決的問題的能力還有所欠缺。

由于風(fēng)扇主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作并非本課所要研究的內(nèi)容，因此筆者在課前準(zhǔn)備了半成品程序、實(shí)驗(yàn)器材、可視化工具，便于在有限的課時(shí)內(nèi)，利用開源硬件使項(xiàng)目式教學(xué)更可行、有效。

●“智能風(fēng)扇”項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)

1.創(chuàng)設(shè)趣味感知活動，體驗(yàn)傳感控制

如下頁圖所示，筆者播放《風(fēng)扇給寵物降溫》的視頻，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)“傳統(tǒng)風(fēng)扇不夠節(jié)能且存在安全隱患”的問題，啟發(fā)學(xué)生嘗試應(yīng)用實(shí)驗(yàn)箱解決問題。筆者通過距離控制智能風(fēng)扇模型的開關(guān)，激發(fā)學(xué)生探究“傳感控制方式”的求知欲。項(xiàng)目聚焦真實(shí)問題和生活需求，結(jié)合現(xiàn)有的軟硬件環(huán)境，通過xDingAI軟件控制實(shí)驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn)智能風(fēng)扇，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2.解構(gòu)智能風(fēng)扇模塊，探究傳感控制

根據(jù)“距離”這一要素，學(xué)生不難猜測出是“超聲波傳感器”在起作用。筆者緊接著提出核心問題：“超聲波傳感器是如何測量距離的呢？”引導(dǎo)學(xué)生將這個問題拆解為兩個小問題：“超聲波傳感器測距的工作原理是什么？”“超聲波傳感器測距的范圍是多少？”

（1）了解超聲波傳感器的工作原理。在前面的學(xué)習(xí)中，學(xué)生雖已了解超聲波傳感器的功能，但并不明確了解其工作原理。因此，本活動通過類比動物測量距離的方式，幫助學(xué)生理解超聲波傳感器的工作原理，并通過閱讀材料進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，幫助學(xué)生理解超聲波傳感器的工作機(jī)制：根據(jù)發(fā)出超聲波與接收到超聲波的時(shí)間差t，計(jì)算出自己與障礙物之間的距離

（2）測一測超聲波傳感器的檢測范圍。本項(xiàng)目選取常見的9個測試物，分3類進(jìn)行測試：Ⅰ類帶曲面的測試物（鐵罐、紙杯、塑料杯）、Ⅱ類平直測試物（木板、塑料板、信息書）、Ⅲ類混合測試物（毛巾、鐵罐、信息書）。由于需要觀察程序參數(shù)和測試物距離，因此筆者對小組成員進(jìn)行分工：匯報(bào)員領(lǐng)取實(shí)驗(yàn)包，程序員和操作員完成軟硬件環(huán)境的搭建，程序員協(xié)助操作員的實(shí)驗(yàn)操作。在小組合作時(shí)，可先讓學(xué)生自己嘗試操作，遇到問題再通過討論解決。通過對比刻度值、記錄超聲波傳感器獲取值，學(xué)生發(fā)現(xiàn)超聲波傳感器獲取值表示的是距離信息。

本課應(yīng)讓學(xué)生學(xué)會區(qū)別比較設(shè)計(jì)值與獲取值，以此發(fā)現(xiàn)超聲波測距的影響因素，進(jìn)而選用一種合適的測試物，規(guī)范地測量出超聲波傳感器的檢測范圍，最后自定義臨界值，實(shí)現(xiàn)智能風(fēng)扇腳本的編寫。

本活動目標(biāo)是測量超聲波傳感器的檢測范圍，這也是本節(jié)課的重點(diǎn)。通過小組分工與合作、表格支架等方式記錄實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)，學(xué)生在解決問題的過程中既動手又動腦。一方面，親歷傳感控制的全過程，在不斷試誤、調(diào)整、優(yōu)化中規(guī)范了操作行為，提高了信息素養(yǎng)；另一方面，進(jìn)一步理解了生活中存在的控制現(xiàn)象，通過構(gòu)建智能產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)從認(rèn)識硬件到編程控制的全過程。

3.拓展智能風(fēng)扇需求，運(yùn)用傳感控制

由于定速風(fēng)扇并不能完全滿足降溫的需要，結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生自然想要增添軟硬件，在原有項(xiàng)目基礎(chǔ)上做修改。

（1）設(shè)計(jì)“溫控變速風(fēng)扇”，理解條件嵌套結(jié)構(gòu)。在構(gòu)造“定速風(fēng)扇”的活動中，學(xué)生已經(jīng)掌握傳感器的工作原理，學(xué)會測量并設(shè)置傳感器參數(shù)。借助規(guī)劃單改變智能風(fēng)扇的控制方式，學(xué)生將“定速風(fēng)扇”的實(shí)現(xiàn)過程遷移到“溫控變速風(fēng)扇”中去，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)扇功能的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。通過實(shí)現(xiàn)類似的應(yīng)用場景，學(xué)生掌握了條件嵌套的編程方法，突破學(xué)習(xí)難點(diǎn)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)個性化的智能風(fēng)扇和其他智能應(yīng)用打好了基礎(chǔ)。

當(dāng)學(xué)生遇到生活中的真實(shí)問題或者提出某些創(chuàng)意想法時(shí)，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造性地使用各電子元器件，甚至可以鼓勵學(xué)生用不同元器件實(shí)現(xiàn)相同的功能，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的目的。學(xué)生圍繞提出和聚焦的問題改進(jìn)流程，嘗試測試和分析數(shù)據(jù)，再通過交流獲得探究結(jié)果和想法，以此形成一種立足整體的科學(xué)的解決問題思路。

（2）拓展已有程序，實(shí)現(xiàn)個性化風(fēng)扇。學(xué)生只有親歷超聲波傳感器測距的過程，反思背后的原理，才能在評價(jià)和交流中理解他人的行為，最終提煉出學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)現(xiàn)溫控變速風(fēng)扇、多功能風(fēng)扇的過程中，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)遇到類似項(xiàng)目時(shí)，只需要在原有項(xiàng)目基礎(chǔ)上做修改，在知識遷移中升級創(chuàng)意，而不需要從零開始。

（3）綜合應(yīng)用多種傳感器，實(shí)現(xiàn)其他智能場景。教師通過拔高問題，引導(dǎo)學(xué)生思考“怎樣綜合利用傳感器解決更多的生活實(shí)際問題”，由淺入深，層層遞進(jìn)，讓學(xué)生體會程序設(shè)計(jì)的迭代思維。

● 教學(xué)實(shí)踐的思考

本課通過xDingAI軟件控制實(shí)驗(yàn)箱，幫助學(xué)生快速掌握項(xiàng)目設(shè)計(jì)的全過程，并通過人工智能作品的6個環(huán)節(jié)——情境分析—確定項(xiàng)目—項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)—測試與優(yōu)化—拓展與應(yīng)用—評價(jià)與總結(jié)，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了學(xué)生的動手實(shí)踐能力，讓學(xué)生體會到技術(shù)在生活中的運(yùn)用。

1.聚焦關(guān)鍵問題，促進(jìn)學(xué)生理解

本課依據(jù)“傳統(tǒng)風(fēng)扇不夠節(jié)能且存在安全隱患”這一問題展開，引導(dǎo)學(xué)生在xDingAI中設(shè)置傳感器檢測環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)扇的智能控制。其中最值得關(guān)注和解決的問題在于理解和運(yùn)用傳感器。雖然超聲波傳感器有測距功能，但是學(xué)生并不清楚距離是如何測量出來的、測量時(shí)的注意點(diǎn)有哪些。教師需要引導(dǎo)學(xué)生理解前因后果，幫助學(xué)生主動建構(gòu)知識，促進(jìn)思維的發(fā)展。首先，通過問題情境，調(diào)動學(xué)生已有認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)，引發(fā)認(rèn)知沖突，通過多種感官加深對問題的理解，這也是思維產(chǎn)生的基礎(chǔ)和動力。其次，要引導(dǎo)學(xué)生基于問題合理地進(jìn)行猜想與假設(shè)、推理與證實(shí)。最后，堅(jiān)持培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，引導(dǎo)學(xué)生在遇到類似問題情境時(shí)能采用科學(xué)的方法收集證據(jù)，驗(yàn)證自己的猜想，在迭代的過程中進(jìn)一步發(fā)展思維及認(rèn)識。

2.搭建學(xué)習(xí)支架，助力思維可見

在有限的教學(xué)情境下，為了幫助學(xué)生順利穿越“最近發(fā)展區(qū)”，本課注重引導(dǎo)學(xué)生將思考的過程可視化。依據(jù)學(xué)生已有認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)，搭建學(xué)習(xí)支架，幫助學(xué)生進(jìn)行知識與技能的學(xué)習(xí)，提升綜合應(yīng)用能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力，以便做出正確的價(jià)值判斷和行動選擇。

3.基于學(xué)習(xí)視角，落實(shí)小組合作

本課采取“軟硬配對”的學(xué)習(xí)模式，即一位學(xué)生作為程序員，負(fù)責(zé)軟件操作和程序編寫，一位學(xué)生作為操作員，負(fù)責(zé)觀察記錄和搭建調(diào)試硬件。其間小組成員會及時(shí)交換角色，以防止角色的固化和低效。配對學(xué)習(xí)方式有助于學(xué)生全面思考，理順設(shè)計(jì)思路，并更早地發(fā)現(xiàn)問題，減少錯誤。