劉海武

【摘要】本文論述教師在小學科學課堂上通過五個課堂活動指導學生基于Scratch傳感器搭建智能照明系統(tǒng)的方法，認為教師可通過指導學生反復實踐、修改和呈現(xiàn)不同的作品狀態(tài)，讓學生慢慢悟出其中的道理和原理。

【關鍵詞】Scratch傳感器 小學科學 智能照明系統(tǒng)

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2019）02A-0131-02

“智能照明”項目教學研究是基于Scratch外接工程實踐類的教學嘗試，智能照明系統(tǒng)可分為智能光控燈、智能聲控燈以及智能聲光控燈三類。本項目實施一般為3～5課時，主要讓學生通過觀察生活、總結規(guī)律和原理，自主探究基于Scratch外接的智能照明系統(tǒng)。

一、學情分析

六年級學生思維敏捷，動手和模仿能力強，且對外界現(xiàn)象具有一定的分析能力，他們在五年級下學期已經(jīng)有了Scratch 1.4的學習經(jīng)驗和基礎，并在六年級前幾節(jié)課中了解了Arudino及Scratch外接的基本使用方法及硬件的基本搭建。蘇州工業(yè)園區(qū)第二實驗小學的學生全部在城市長大，他們從小就使用智能設施設備，具備一定的智能理念?？紤]到課堂教學中電路的安全，本項目主要采用LED燈模塊作為燈光控制設備。

二、教學目標

（一）知識與技能目標：了解傳感器的工作原理;了解LED燈的工作原理;了解基于傳感器的智能控制原理;掌握光、聲以及聲光控制的智能燈的程序組裝和設計。

（二）過程與方法目標：學會設計智能燈控制系統(tǒng)的基本方法;能解決實際生活中智能燈光設備的建模、實施等問題。

（三）情感態(tài)度與價值觀目標：了解科學，實際體驗智能創(chuàng)造以及智能創(chuàng)造對人類的價值;培養(yǎng)學生積極主動利用自己所學知識與技能去改造世界的能力和精神;在項目實施中培養(yǎng)學生攻堅克難、持之以恒的良好品格。

三、教學過程

（一）引入

教師提問“什么是智能”并展示生活中的智能設施設備，如智能燒水壺、智能空調、智能插座、智能燈等。學生討論“智能設備有哪些共同的特點”，教師將學生的討論結果羅列出來并提煉出智能設備的要素（如圖1）。

傳感器板在連接Scratch軟件后，就是一個很好的控制中心，能把傳感過來的模擬信號轉化為程序識別的數(shù)字信號并根據(jù)條件判斷是否開關設備，實現(xiàn)智能識別。

教師向學生介紹小區(qū)樓道或廁所智能燈的工作原理，通過對比確立基于Scratch傳感器板外接的智能照明系統(tǒng)的研究目標，在確立研究目標的同時，提出實現(xiàn)智能照明所需研究的內容以及實現(xiàn)智能控制的技術與設計方法。

（二）活動一：認識LED燈

學生根據(jù)教師提供的LED燈線路連接圖，找出線路連接中哪個控制信號輸出、哪個控制外部電源開關，明確傳感器板是如何控制LED燈的亮度的。

設計意圖：通過觀察線路和教師講解，學生掌握LED燈的工作原理，在此基礎上了解發(fā)光二極管中不同信號和電壓的作用。

（三）活動二：認識傳感器

1.學生根據(jù)創(chuàng)客板連接經(jīng)驗，測試光度和聲音傳感器，找到讀取聲和光數(shù)據(jù)的正確方法，并通過調整光亮度和聲強度來獲取取值范圍。

教師總結：“老師給大家介紹了集成在創(chuàng)客板上聲音和光線的模擬傳感器，與之對應的是連接Scratch傳感器板后獲取的數(shù)值。聲音的數(shù)值大概在0～20之間，光線的數(shù)值大概在0～50之間?！?/p>

2.學生討論：多大的聲音強度或光線強度能讓燈亮起來？找到燈亮的臨界條件：讓傳感器獲取模擬信號，從而通過Scratch傳感器板獲取臨界數(shù)值。

設計意圖：學生通過動手實驗、觀察分析、討論總結這三個環(huán)節(jié)，一方面在實際操作中了解了什么是傳感器以及傳感器的工作原理、取值范圍，知道了模擬信號與數(shù)值信號對應轉換關系，為后續(xù)編程數(shù)據(jù)鋪墊，另一方面通過觀察聲、光傳感器以及思考、實踐，促進學生對其他傳感器使用的理解和掌握，為后續(xù)其他綜合項目奠定基礎。

（四）活動三：學習智能燈控原理

1.利用聲傳感器和創(chuàng)客板的電機輸出來控制LED燈的亮與滅

根據(jù)聲音傳感器獲取的數(shù)值進行判斷，反復偵測實現(xiàn)的效果。設置當聲音強度高于某個值時打開電機，此時燈亮10秒，10秒后關閉電機，LED燈滅，反復執(zhí)行。

2.利用光傳感器和創(chuàng)客板的電機輸出來控制LED燈的亮與滅

根據(jù)光傳感器獲取的數(shù)值進行判斷，反復偵測實現(xiàn)效果。設置當光亮度高于某個值時打開電機，此時燈亮10秒，10秒后關閉電機，LED燈滅，反復執(zhí)行。

3.利用聲光傳感器和創(chuàng)客板的電機輸出來控制LED燈的亮與滅

根據(jù)聲光傳感器獲取的數(shù)值進行判斷，反復偵測實現(xiàn)效果。設置當光亮度高于某個值且聲強度高于某個值時，打開電機，此時燈亮10秒，10秒后關閉電機，LED燈滅，反復執(zhí)行。

設計意圖：通過聲、光強弱所產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)與Scratch程序模塊結合起來控制LED燈的亮和滅，在此基礎上培養(yǎng)學生的編程思維能力和水平，提升學生通過實驗來追求真理的意識和能力。

（五）活動四：設計及搭建智能燈控系統(tǒng)

1.集體設計總體智能燈流程圖方案，總結如下圖所示。

2.學生每3人一組，將任務分為3個部分——傳感偵測、程序控制、效果評估。學生以小組為單位開展獨立項目研究與實施。負責傳感偵測的人主要負責條件判斷的臨界值測試，負責程序控制的人主要負責程序的設計與優(yōu)化，負責效果評估的人參與整個實施并負責最后的匯報。項目實施原則是能夠實現(xiàn)功能、節(jié)約經(jīng)濟、程序最優(yōu)。

學生在實現(xiàn)程序過程中會出現(xiàn)一些問題。例如，既要考慮節(jié)能，又要考慮燈的使用壽命，該如何有效設置聲強度和光亮度的臨界值;聲光傳感器在測試數(shù)值時，由于數(shù)值的上下浮動不便于提取臨界值;由于個人生活經(jīng)驗和習慣不同，臨界值的大小和需要燈亮的時間也不一樣;在實踐聲光控燈時，既要考慮光線，又要考慮聲音強度……這些對學生來說都是不小的挑戰(zhàn)。

教師給予學生適當?shù)闹笇?，如提取聲、光強度的臨界值，考慮到數(shù)據(jù)會出現(xiàn)波動，負責傳感偵測的學生可準備一個密封的立方體盒子，把聲光傳感器放入盒子中再進行數(shù)據(jù)提取;考慮到老人和小孩的聲音較小，所以聲音的臨界值略小點為好，設計聲光控制燈程序時用選擇語句。

設計意圖：通過前期Scratch傳感器板程序的運用與實踐，學生了解了系統(tǒng)原理，基本能設計出系統(tǒng)的雛形，但在實踐過程中，問題往往不可預料，因此教師對學生進行智慧分組，鼓勵小組之間相互借鑒，在學生遇到困難時，尤其是在程序優(yōu)化的策略上多給學生指導和幫助，培養(yǎng)學生的動手能力、合作能力以及迎難而上的精神。

（六）活動五：匯報及反思

通過近3節(jié)課的自發(fā)性研究，學生基本上完成了聲控燈、光控燈和聲光控燈的程序設計，小組成員基本都了解了聲、光控燈的控制原理。各組匯報實現(xiàn)智能燈控系統(tǒng)時的工作內容、方法、成果以及創(chuàng)新之處，并對不足進行反思交流。

設計意圖：學生呈現(xiàn)作品后進行反思交流，是對作品創(chuàng)造思路及過程的重新梳理，再一次剖析對學生而言比較復雜的系統(tǒng)。通過交流也能讓組與組之間共享一些解決問題的方法和技巧，相互學習，共同進步。

四、教學反思

把生活中非常普通、我們天天在用的智能設備作為本項目課堂研究的對象，有效促進了學生的自主探究興趣和欲望。對小學生而言，他們排斥的是理論和講解，需要的是操作、實踐以及作品的呈現(xiàn)。因此，在教學過程中，只有通過讓學生反復實踐、修改和呈現(xiàn)不同的作品，才能讓學生慢慢悟出其中的道理和原理。學生先了解LED燈的工作原理，再從生活中的燈展開研究，先了解光控燈，再了解聲控燈，在此基礎上研究聲光控的制作，層層推進，掌握了知識與技能，通過實踐操作、不斷嘗試，在解決問題中不斷發(fā)現(xiàn)問題，在分析問題中不斷解決問題，在解決問題中不斷發(fā)現(xiàn)新的問題，如此循環(huán)，提高了研究興趣以及追求真理的恒心和決心，從而提高了信息素養(yǎng)。

（責編 劉小瑗）