感知世界

學習背景

在國家大力發展人工智能的背景下，學生通過開源硬件的程序編寫，解決生活中的問題，自主完成實踐，通過信息技術課探究學習人工智能領域的基礎知識。這節課主要的學習內容就是通過項目式學習法及綜合實踐的方式，以Arduino學習實驗板為載體，培養學生的計算思維，通過程序設計及實驗板的實際反饋，增強學生對人工智能中計算思維的理解。

教學目標

知識與技能：測量聲音大小的模擬值并制作可熄滅的電子蠟燭。

過程與方法：通過需求分析，發現問題，設計解決思路；通過自主探究，學會測量聲音傳感器的模擬值，并設計與制作智能熄滅的電子蠟燭，培養計算思維。

情感態度與價值觀：針對發現的問題進行小組探究與調試，引發學生深入思考，促進實現合理化效果，從中獲得成功的喜悅。

教學重點難點

教學重點：測量聲音傳感器的模擬值。

落實重點的方法：通過項目學習單、探究實踐來發現說話、噪音、擊掌、擊打、吹風等不同聲音反映在麥克風模擬值上的區別，結合生活中的實例理解聲音傳感器的模擬值范圍。

教學難點：設計可智能控制的電子蠟燭。

突破難點的方法：利用流程圖的方式，啟發、引導學生學習設計智能電子蠟燭的程序。

教學過程

一、創設情境

大部分人過生日會點蠟燭，然而點蠟燭會出現很多問題。能不能用Arduino結合傳感器制作電子蠟燭來解決這些問題呢？教師結合生活實例進行需求分析，引導學生發現問題、分析問題，激發學生的學習興趣。

二、需求分析

生活中燃燒蠟燭，存在味道嗆鼻、擔心蠟油掉到蛋糕上、火焰的顏色單一、可能引起火災、使用不方便等問題。電子蠟燭可以解決這些問題，但是怎樣讓電子蠟燭熄滅是需要重點分析的內容。我們能讓電子蠟燭像真蠟燭一樣被吹滅嗎？教師引導學生帶著問題進入項目學習。

三、構思設計

本節課以需求分析為入手點，學生通過發現問題、分析問題，逐步形成解決問題的設計思路并實施解決。為了促進創新意識與探究能力的提升，學生可以利用小組合作與項目學習單結合的形式，開展探究實踐的學習，以智能熄滅電子蠟燭為主線，展開讓機器感知外界信息的探究，逐步學習聲音傳感器及模擬量的相關知識。

充分利用計算機、學習實驗板等現有教學資源，結合當前“人工智能”的國家戰略，培養學生計算思維，提升學生學科素養；并利用知識遷移引導學生發散思維，用已有知識解決更多生活中的實際問題，為國家培養科技人才做好鋪墊工作。

教師讓學生通過閱讀項目學習單的方式，找到解決問題的方法，培養學生閱讀專業書籍的能力，促進自主探究能力的提升。而項目學習單中的回顧部分可以幫助學生復習已有知識。

四、探究新知

將Arduino學習實驗板與計算機聯通，利用學習實驗板中的聲音傳感器測量說話、敲擊、吹風等模擬值，實現熄滅LED燈的效果。

教師組織學生以小組為單位，通過編寫程序自主完成實踐。組長負責協調全組的項目進度及匯報工作，策劃負責項目功能設計及合理化建議，程序設計負責編寫程序完成功能。教師在學生自主學習中解答問題，鼓勵學生大膽嘗試多種實驗方式。

五、編程調試

在測量各種聲音模擬值基礎上，分析項目學習單中的程序流程圖后編寫程序，不斷調試、修正錯誤，并嘗試利用已學知識豐富電子蠟燭的演示效果。

六、展示評價

教師組織小組進行展示。在展示與分享的環節，學生以小組匯報的形式，利用實物投影展示實物演示效果，其他學生根據自己的理解給予該小組意見或建議，促進學生解決問題方法的多樣性，感受到他人給予的肯定與建議，更好地完成本小組的設計方案。

七、拓展創新

分析聲音傳感器在生活場景中的應用，指出吹風和敲擊麥克風會導致聲音陡增，進而影響聽眾的感受及設備的使用壽命。

教師指出其他場景中聲音傳感器的使用，進而延展所學知識應用在不同領域。

案例詳解

一、電子蠟燭及熄滅方式的討論

1.可以使用彩燈來模擬不同的蠟燭顏色。

2.可以使用光敏傳感器，遮擋后熄滅。

3.可以使用延時熄滅。

4.可以使用按鍵熄滅。

以上有三種方法可以熄滅電子蠟燭，但是更貼近生活的熄滅方式是吹滅，如何吹滅電子蠟燭呢？這就要學習一種新的傳感器——聲音傳感器。

二、通過項目學習單介紹聲音傳感器

聲音傳感器：簡單來說就是一個話筒（麥克風），用來測量聲音的大小，并反饋一個模擬值。在我們的學習實驗板中，它的位置位于實驗板右上角（如圖1），端口號是A0。我們通過LCD顯示屏就能顯示聲音大小的模擬值。顯示模擬值的程序方法如圖2所示。

三、學生填寫實驗記錄單

要求小組探究不同聲音的模擬值后填入記錄單，培養實驗記錄習慣，為后續程序編寫提供數據支持。

通過測量得出，正常說話的模擬值是40～100，大聲喊叫的模擬值是80～300，擊掌的模擬值是200左右，吹風的模擬值是1000～1023。

實驗記錄單

請小組探究不同聲音的模擬值是多少，并填入記錄單中。

通過實驗數據我們推定，在一個復雜的聲音環境里，吹風的形式是一個穩定信號來表達讓電子蠟燭熄滅。

四、學生利用程序流程圖進行任務分析

選擇實驗記錄單中測量的數據參考流程圖（圖3），編寫智能電子蠟燭的程序。要求完成以下功能：

1.實現智能熄滅電子蠟燭。

2.實現多彩或其他顯示效果。

3.利用已學知識增加其他功能。

五、程序設計

根據流程圖中提示，設計一個電子蠟燭要分以下幾個步驟：第一步要讓一個燈亮起來模擬蠟燭，蠟燭的顏色和亮起的個數以及其他的顯示效果由學生自行決定，這個任務應由項目策劃的學生設計。第二步，如果一個聲音的模擬值小于設定值就繼續進行檢測，如果大于設定值，就說明完成一個實驗動作，轉去執行關燈動作。第三步，關燈之后可以結束程序，也可以設計其他演示效果。

流程圖中的程序設計如圖4。

六、評價展示

學生以小組的形式展示智能蠟燭的演示效果，組長及組員分別闡述設計意圖，師生互動共同學習。

評價重點內容：1.是否實現智能熄滅蠟燭的效果。2.模擬值使用得是否合理。

教師：每個Arduino學習實驗板上的聲音傳感器反饋的數值不一樣，但總體上對著麥克風吹風的數值要遠遠大于正常說話的數值。我們正是利用了這個特點，通過編寫程序來判斷，如果滿足這個條件就執行LED的熄滅，并設計了很炫的熄滅效果。

七、拓展創新

在生活中我們常見到大會上敲擊或吹麥克風的情況，通過今天的學習我們了解到，這樣的行為會使麥克風產生很大的模擬值，長時間這樣使用不僅影響聽眾的感受，還可能造成麥克風的損壞。

除了利用麥克風制作電子蠟燭，聲音傳感器在生活中還有很多應用，比如聲控燈、圖書館噪音提示儀等。