開關門窗智能提醒器

設計依據

隨著人工智能時代的到來，各種功能的機器人設備應運而生，其主要功能從單純機械地重復一個動作，到模仿人類思考。這些機器人都有一個共同的特征——為人類服務。

本項目希望利用超聲波傳感器的測距功能，制作一款能夠提醒門窗開關情況的設備，充當起“家庭安全衛士”的角色。在這個過程中，讓學生感受智能設備的特點，了解創作發明的一般過程，并對超聲波傳感器的應用有更加深刻的認識。

課例特色

本項目的主要設備是Arduino主控板、超聲波傳感器、蜂鳴器和電池盒。通過這些簡單的設備，實現開門開窗就報警的功能，時刻給予家人安全提醒，起到守護家庭、守護家人的作用：并通過這些簡單設備（如圖1）制作的小發明，激發學生創造發明的熱情，樹立善于發現和提出問題的意識，理清創造發明的一般過程，拉近學生與創造發明的距離。

內容呈現

一、創意激發

師：春節是每一個中國人闔家團聚的日子，大家在這個日子里感受溫暖。（以濃濃的春節氛圍，濃濃的團聚之情引入課堂，讓學生感受親人在一起的溫暖）如今，春節早已經結束，大家又開始奔向各自的工作崗位，孩子們也背著書包上學去了，家中唯有老人，是大部分家族的核心和牽絆。對于老人來說，記憶力和聽力已經開始慢慢衰退，家中的門窗忘了關是常有的事，這給生活帶來了諸多安全隱患。請開動我們的雙手和大腦，利用現在的科技去關心家的安全，關心老人的安全。

從人類情感引入，讓創意變得更加有意義，在引入的過程中也指出了我們需要做創意設想的對象是檢測門窗關閉情況的設備。

教師讓學生在課堂的一開始就展開思考，并擴散思維提出自己的創意設想。

二、提出設想

通過表格的形式，教師讓學生分析設備主要實現的功能，以及實現這些功能所需要的硬件和軟件設備，最后還要明確設備的外形設計和固定方式以及工作原理等。（如下表）

三、制作實踐

1.智能設備的硬件連接

教師幫助學生理清設計思路，引導學生選擇創作所需的硬件設備，小組合作完成硬件的接線圖。（如圖2）

根據接線圖，小組間開始硬件的連接，教師提醒學生參照圖3的連接效果，確保連接正確之后再進行下一步操作。

2.軟件編程

在進行軟件編程之前，學生要對所持有的設備有一定的了解，比如實驗中用的超聲波傳感器的探測范圍是2cm～450cm，精度是0.3mm，還要對程序的編寫做一定的梳理。

本課主要應用流程圖的方式幫助學生梳理過程。（如圖4）

學生在對程序流程進一步了解的基礎上，將設備連接電腦，開始利用Ardublock進行編程操作。在教師的引導下，學生打開Arduino軟件，并且檢查“工具”菜單中的端口是否正確，如果發現不了設備端口，可以重新安裝設備驅動后再進行嘗試，切記不能直接連接端口就開始編寫程序。之后打開“工具”菜單中的Ardublock，進入到Ardublock的編程界面。

教師要提醒學生在編程的時候一定要注意，超聲波傳感器探測到多遠距離的時候才需要蜂鳴器鳴叫。這個值不是憑空想出來的，是在實踐中得來的，在操作的時候一定要先在門窗的預安裝位置進行距離測量，之后再填寫數據，保證數據的相對精確、高效。（程序框架如圖5）

3.設備測試與調整

教師在整個創作的最后一定要提醒和引導學生對設備進行測試。本課程主要運用手工測試的方法，讓學生在具體應用之后，發現程序的不足，并對程序加以修改。

在測試的過程中教師要提醒學生注意以下幾個方面：（1）再次明確組內分工協作，詳細完成實驗的每一個細節；（2）認真觀察測試現象，充分分析后再進行調整；（3）調整以后再次進行測試，并完成每一次記錄，直至設備正常運行。

4.設備外形設計

對于一個完整的創作過程來說，外形設計是必不可少的一步，在設計過程中有很多需要學生注意的地方，教師需要提醒學生注意幾個方面：（1）外形的大小需要根據設備的大小來設計；（2）制作外形之前需要先繪制草圖；（3）外形的設計是否影響設備使用和安裝；（4）挑選合適的制作材料。

教師光給予學生相關注意點的提醒還是不夠的，尤其是小學生，只是覺得好玩，對外觀沒有一定的概念，這時教師要給學生部分設計參考，讓學生在“地基”之上“搭城堡”。（參考草圖如圖6）

在外形設計制作出來之后還需要進行裝飾，此時教師將美術知識運用于此，讓學生進一步體會到創作發明的過程，以及創造發明過程中所需要各學科知識的綜合運用。

三、課堂總結

學生們通過作品展示，進一步感受創造發明帶來的快樂。教師引導學生回顧創造發明的一般過程，并讓學生在這樣的活動中，總結創造發明需要哪些方面的知識，讓學生在自己的總結中收獲方法和興趣。

四、拓展提升

大發明往往是在小發明上的不斷累加，動手試一試，看看加上以下設備后，還能實現怎樣的功能？

實踐反思

對于小學生來說，所涉及的知識并不是非常難，創造發明也并不是由簡單或者復雜來決定的，而是由是否能夠想到創意點來決定的。同樣的超聲波傳感器，在不同的人手中就能發揮不一樣的功能：在汽車設計師手中，超聲波傳感器可以用來提醒車主碰撞距離；在手機設計師手中，超聲波傳感器可以用來控制開關屏；在我們手中，超聲波傳感器可以用來關愛家人，制作報警器。無論知識深淺，只要你敢想敢做，就能夠發明創造。

教學點評

教師在設計之初明確本項目定位，充分分析了學生的學習情況，在學生已有的知識基礎上，以解決生活實際問題構建真實教學情境，以“關愛他人”貫穿情感主線，以學生為中心展開項目式課堂教學，緊緊圍繞STEAM教育理念展開研究性學習。在“關愛他人”的情感主線中激發學生的創作意圖和創作思維，從真實的情境，拉近學生與創作的距離，在合作學習中，不斷突破重點、難點，培養學生的合作意識和合作能力，從而提高學生的綜合能力。（點評人：孫偉，江蘇省南通市教育科學研究院教研員）