全天候上下學(xué)過(guò)馬路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主講人：范佳樂(lè) 蔡壯

學(xué)習(xí)背景

隨著科技的飛速發(fā)展和社會(huì)對(duì)創(chuàng)新型人才需求的不斷增加，創(chuàng)客教育逐漸受到人們重視。創(chuàng)客教育強(qiáng)調(diào)通過(guò)讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維、動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，為其未來(lái)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在小學(xué)階段引入創(chuàng)客教育，有助于激發(fā)學(xué)生的好奇心和探索欲，培養(yǎng)他們的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

學(xué)生上學(xué)、放學(xué)期間，學(xué)校周邊道路交通流量大，為了確保學(xué)生上學(xué)、放學(xué)安全有序，會(huì)有專門的教師配合執(zhí)勤家長(zhǎng)在人行道路口指揮交通。但此舉不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，偶爾還會(huì)有一些闖紅燈的“漏網(wǎng)之魚”，造成了嚴(yán)重的安全隱患。為了解決這個(gè)問(wèn)題，學(xué)生結(jié)合所學(xué)的知識(shí)，提出設(shè)計(jì)一個(gè)全天候上下學(xué)過(guò)馬路系統(tǒng)，使用程序控制道閘，配合紅綠燈實(shí)時(shí)控制路口人車通行。

教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能 1.了解掌控板等電子設(shè)備的使用技巧。2.學(xué)會(huì)利用程序控制紅綠燈、舵機(jī)、語(yǔ)音合成模塊、燈帶等電子元件。

過(guò)程與方法 設(shè)計(jì)合理的人車控制系統(tǒng)，模擬學(xué)生上學(xué)、放學(xué)時(shí)的道路交通場(chǎng)景，使得全天候上下學(xué)過(guò)馬路系統(tǒng)能夠基本完成設(shè)想。

情感態(tài)度與價(jià)值觀 切實(shí)體會(huì)創(chuàng)客編程對(duì)學(xué)習(xí)生活的影響，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)信息科技的興趣和學(xué)以致用的能力。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 1.設(shè)計(jì)全天候上下學(xué)過(guò)馬路系統(tǒng)。2.掌握掌控板、傳感器等電子元件的編程與控制。

教學(xué)難點(diǎn) 對(duì)多線程的理解與運(yùn)用。

教學(xué)過(guò)程

一、情境導(dǎo)入

師：我們每天上學(xué)和放學(xué)的時(shí)間段是交通流量高峰時(shí)段，也是安全隱患最多的時(shí)候，請(qǐng)你舉例說(shuō)說(shuō)你見到的嚴(yán)重交通安全隱患有哪些？

學(xué)生暢所欲言，提到“闖紅燈”的發(fā)言最多。

師：傳統(tǒng)的交通流管理系統(tǒng)中，常用的方法包括信號(hào)燈的控制、交警交通指揮和路況監(jiān)控等。盡管這些方法在一定程度上緩解了道路交通流的問(wèn)題，但是有些人安全意識(shí)薄弱，信號(hào)燈也無(wú)法約束他們的行為，最終釀成悲劇……那么，在上學(xué)、放學(xué)的路上，我們可以用什么方法來(lái)避免這樣的情況發(fā)生呢？

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)創(chuàng)設(shè)具體情境引出主題，同時(shí)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

師：（展示停車場(chǎng)道閘圖片）同學(xué)們，觀察這張圖片，它能否給你一些啟發(fā)呢？

學(xué)生小組討論，大膽預(yù)設(shè)一個(gè)全天候上下學(xué)過(guò)馬路系統(tǒng)，即使用道閘裝置配合紅綠燈控制行人和車輛的移動(dòng)，同時(shí)播放語(yǔ)音提醒行人通行或止步。

師：到了夜晚，我們?nèi)绾螌?duì)視力不太好的人進(jìn)行提醒呢？是否可以設(shè)計(jì)一個(gè)夜間警示燈帶加入系統(tǒng)中？

生：可以設(shè)計(jì)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)地面紅綠燈，綠燈通行，紅燈停止。

三、編程與控制

1.選擇合適的電子元件

學(xué)生可以將掌控板與擴(kuò)展板進(jìn)行組合，擴(kuò)展板豐富的IO接口可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種電子元件的編程控制。舵機(jī)是一種可以通過(guò)程序控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度的執(zhí)行器，用來(lái)模擬道閘的動(dòng)力系統(tǒng)。紅綠燈模塊可以用來(lái)模擬紅綠燈信號(hào)燈?？梢酝ㄟ^(guò)程序控制WS2812燈帶每一顆燈珠的顏色和亮度，模擬地面紅綠燈。語(yǔ)音合成模塊可以將文字轉(zhuǎn)換成語(yǔ)音播放出來(lái)。掌控板顯示對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，用來(lái)提示放學(xué)年級(jí)的時(shí)間段。

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，考查他們對(duì)相關(guān)電子設(shè)備的掌握情況。

2.編程控制

（1）紅綠燈

學(xué)生將紅、綠、黃三個(gè)燈的控制引腳作為一組，編寫自定義模塊程序，定義紅燈、綠燈、黃燈的開燈和關(guān)燈程序語(yǔ)言。教師通過(guò)簡(jiǎn)單的演示教學(xué)，讓學(xué)生快速模擬編程出生活中紅綠燈的變化。

（2）舵機(jī)

師：使用程序控制舵機(jī)轉(zhuǎn)變角度很簡(jiǎn)單，但是還需要結(jié)合紅綠燈的變化，那么A、B兩個(gè)舵機(jī)要如何確定各自狀態(tài)？

生：（預(yù)設(shè)）我們可以規(guī)定90°是關(guān)閉狀態(tài)，0°是打開狀態(tài)。

（3）語(yǔ)音合成模塊

師：語(yǔ)音合成模塊在什么時(shí)候發(fā)揮作用呢？

學(xué)生討論之后得出結(jié)論：紅綠燈發(fā)生變化的時(shí)候。學(xué)生可通過(guò)自主學(xué)習(xí)語(yǔ)音合成模塊相關(guān)知識(shí)，編寫控制程序。（如圖1）

（4）WS2812燈帶

師：舉一反三，WS2812燈帶的程序編寫中需要注意什么呢？

生：WS2812燈帶需要分成兩段，一段平行于人行道，另一段垂直于人行道。（這里需要將燈帶進(jìn)行裁剪并重新焊接，學(xué)生需要在教師的輔助下完成。）

學(xué)生小組通過(guò)討論與測(cè)試，合作編寫出對(duì)應(yīng)的程序，程序中需要注意兩點(diǎn)。第一點(diǎn)是燈帶在使用前需要進(jìn)行程序初始化（如圖2）。第二點(diǎn)是燈號(hào)和顏色需要對(duì)應(yīng)（如圖3）。

（5）屏幕提示

掌控板的屏幕只需顯示3行內(nèi)容，內(nèi)容如圖4所示。

3.多線程操作

師：前面的操作都完成后，運(yùn)行程序時(shí)，大家是否發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題？

生：系統(tǒng)運(yùn)行不流暢，舵機(jī)和語(yǔ)音無(wú)法同時(shí)控制，總是一前一后。

師：這里就需要用到一個(gè)功能模塊，叫作多線程模塊。多線程模塊可以允許多個(gè)程序與主程序同時(shí)運(yùn)行。主程序都是自上而下依次執(zhí)行的，在需要執(zhí)行子線程的位置時(shí)，我們需要啟動(dòng)這個(gè)子線程。但如果有多個(gè)子線程，則需要在程序編寫中控制好它們的各自開關(guān)。例如，我們?cè)诤铣烧Z(yǔ)音的同時(shí)控制舵機(jī)，這里就涉及了兩個(gè)子線程。

學(xué)生認(rèn)真理解，討論并修改程序。

四、情景模擬

教師組織學(xué)生合理使用身邊的各種物品搭建上下學(xué)場(chǎng)景：1.使用KT板做路面。2.使用綠色草坪紙和黑色硬紙做草坪和斑馬線。3.使用校車模型、蛋仔模型模擬馬路情況。（如圖5）

總結(jié)與反思

小學(xué)創(chuàng)客教育的意義在于將抽象的多學(xué)科知識(shí)融入學(xué)生日常生活的問(wèn)題解決中，提升學(xué)生創(chuàng)新思維與實(shí)踐能力，增強(qiáng)跨學(xué)科解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)未來(lái)社會(huì)所需的綜合素養(yǎng)，同時(shí)豐富校園文化。在本節(jié)課中，學(xué)生從發(fā)現(xiàn)生活中的問(wèn)題、設(shè)計(jì)解決方案到結(jié)合信息科技知識(shí)編寫程序、搭建情景模型的過(guò)程中，收獲了自信心與成就感。

課程的后續(xù)延伸可以以“如何讓行人和車輛同時(shí)看到對(duì)應(yīng)的紅綠燈信號(hào)？”“如果遇到強(qiáng)行闖紅燈的人如何處理？”“道閘升降速度過(guò)快，有的人反應(yīng)不及時(shí)怎么辦？”“有哪些好的系統(tǒng)供電方案？”等問(wèn)題作為切入點(diǎn)，讓學(xué)生繼續(xù)深挖主題，繼續(xù)探究。