用Arduino制作心跳測謊儀

教學背景

信息技術課程標準要求信息技術課程要緊密聯系學生的生活實際，選擇課程內容。學生的技術學習過程應是主動建構知識、不斷拓展能力的過程，也是富有生機、充滿探究、生動活潑的活動過程。建構主義學習理論強調學習者的主動性，認為學習是學習者基于原有的知識經驗生成意義、建構理解的過程。CDIO工程教學模式以項目為主線，采用“做中學”的方式，讓學生進行主動實踐。本課基于Arduino平臺，讓學生在完成“心跳測謊儀”項目制作的過程中，主動探究、積極實踐，學習利用分支結構解決實際問題。

課例簡介

1.本課項目中用到的心跳傳感器貼近生活，將“測謊”作為主題，能引起學生極大的興趣；2.本課采用CDIO工程教學模式，讓學生在玩中做、做中學，主動參與課堂活動；3.通過豐富的學案資源、有效的問題設置，引導學生合作探究；4.在技術上，本課采用了Arduino 1.8.1 編程平臺中的窗口監視器和窗口繪圖器，讓學生直觀地感受各種傳感器獲取信息的過程。

教學目標

知識與技能：1.了解心跳傳感器的工作原理；2.掌握心跳傳感器獲取心跳信息的方法；3.理解分支問題的程序結構，初步學會使用If語句。

過程與方法：1.經歷心跳信息的獲取，實時心率的計算，為測謊機器人編程的過程；學會使用心跳傳感器解決問題的思路和方法，提升動手實踐能力。2.通過觀察Arduino軟件的串口監視器和串口繪圖器，經歷觀察思考、調試測量的簡單技術試驗過程，學會一種系統調試的方法。

情感態度與價值觀：1.初步形成和保持對技術問題的敏感性和探究欲望，關注技術的新發展。2.初步體驗技術問題解決過程的艱辛與曲折，感受解決技術難題和獲得勞動成果所帶來的喜悅。

教學重點難點

教學重點：心跳傳感器獲取信息的方法；分支問題的程序結構和If語句中的條件判斷表達式。

教學難點：分支問題的程序結構和If語句中的條件判斷表達式；Arduino窗口監視器和窗口繪圖器的使用。

教學準備

本課在機器人專業教室進行教學，教師配備觸控一體機和實物展臺，學生配備Arduino主板和傳感器、Arduino1.8.1編程環境。

教學過程

一、引入

播放魔術小視頻，提問：

1.為什么能猜出那張牌？2.小裝置是什么？3.猜猜屏幕上有什么？

師生共同討論后，揭秘魔術真相。教師引出本課主題——Arduino平臺的心跳測謊儀制作。

二、分析

教師引導學生思考：心跳、心率、說謊這三者有什么關系？

師生共同分析，理清設計思路，簡化復雜問題。其最終過程也就是先利用Arduino獲取心跳信息，然后進行程序設計，計算實時心率，最后根據心率的變化，測定被測人是否可能說謊。

三、實現

本環節是教學重點和教學難點，為推動項目的實施，教師為學生設置了三個任務，以學案輔助，進行合作探究。

任務1：心跳信息的獲取

要求：仔細閱讀學案，按照學案的要求連接心跳傳感器，打開01程序文件（如圖1），觀察心跳方波（如圖2）。學生在學案的輔助下了解心跳傳感器的工作原理，觀察并繪制心跳方波。

通過本任務的設置，讓學生初步體驗和掌握心跳傳感器獲取信息的方法，落實本課教學重點。

圖1

圖2

任務2：心跳燈的實現

要求：仔細閱讀學案，按照學案的要求連接LED燈。繪制分支問題流程圖并用If語句編寫心跳燈的程序（如圖3）。

教師引導學生分析燈的亮滅與傳感器獲取到的心跳信息的關系，繪制分支問題流程圖和If語句的使用方法，并帶領學生繪制流程圖。

通過本任務的設置，讓學生學習并掌握If語句的使用方法，強調本課教學重點。

學生實踐后（如圖4），教師進行提問：1.用語言描述程序運行的結果；2.If語句中的判斷條件是什么？3.判斷條件如何選擇？

圖4

任務3：測謊儀的制作

教師引導學生確定測謊儀的判斷條件，完成測謊儀的分支結構程序設計（如圖5）。

圖5

要求：仔細閱讀學案，觀察心率數值和波形后（如圖6），根據需要，修改程序中的判斷條件，實現測謊功能，亮燈表示說謊。

圖6

通過本任務的設置，讓學生學會選擇合適的條件表達式進行分支結構程序設計，從而鞏固本課教學重點，突破教學難點。

四、評價

學生進行測謊試驗。要求：3人分工（測試者、被測者、輔助觀察者）。

被測者：在5張紙牌中任意挑選一個并記住。

測試者：拿著5張紙牌依次問被測者“是不是這個”。

被測者：看清紙牌后，一概回答“不是”。

測試者：根據心率變化，猜測被測者選了哪張紙牌。

測試若失敗，原因：精密儀器或元器件都存在誤差，使用時要滿足一定的條件，如手部穩定性，程序運行導致的延遲等。

五、總結

師生共同總結，落實本課知識點，反思測謊小游戲的成功與失敗。

總結要點：1.心跳傳感器的工作原理；2.心跳傳感器獲取心跳信息的方法；3.分支問題的程序結構；4.If語句的使用方法；5.技術的局限性與更新迭代。

六、拓展

師生共同交流心跳信息的現在和未來的應用，如廣泛應用的智能手機手環、學生數據采集，未來可能的心跳充電手機、心跳加密技術，拓展視野，提升技術的敏感性。

教學評價

機器人制作、人工智能初步、自動控制、跨學科課程、創客教育等概念已經進入到義務教育階段的課程當中。該課例在初中信息技術教材內容基礎上大膽創新，選擇“測謊”這個新穎有趣的主題，借助Arduino開源硬件平臺，引導學生通過合作探究、實踐檢驗，經歷利用信息技術知識與技能解決社會生活實際問題的過程。學生在真實任務情境、實體開源硬件平臺的支撐下，解決問題所采用的策略、方法，知識與技能應用的實際效果得到及時、客觀的呈現和檢驗，學生興趣濃厚，參與熱情高漲，思維被充分調動，學科核心素養的培養被融入教學的各個環節，教學效果明顯。（點評人：王振強，北京教育科學研究院基礎教育教學研究中心信息技術教研室主任）