智能風扇設計

學習背景

本課使用樂高積木進行智能風扇的搭建，使用Scratch2.0程序和WeDo2.0套件完成程序編寫，實現通過距離傳感器感知人離風扇的遠近，從而控制馬達的轉速。通過樂高搭建、傳感器應用與Scratch編程開發創意項目作品，將創客教育理念融入實際問題的解決過程中，在科學探究中發展學生的實踐能力、合作能力和創新意識。

教學目標

知識與技能 參照說明設計并搭建智能風扇的主體；描述距離傳感器與馬達之間的聯系；使用Scratch的WeDo2.0擴展模塊讀取距離傳感器數值并驅動馬達。

過程與方法 觀察分析距離傳感器的數值與距離遠近的關系；運用“觀察現象—發現問題—分析原因—嘗試解決”的程序調試方法，解決實際問題。

情感態度與價值觀 體驗人機交互的過程，提升學習興趣，培養小組合作學習的習慣。

教學重點與難點

教學重點 描述距離傳感器的作用；使用Scratch的WeDo2.0擴展模塊讀取距離傳感器數值并驅動馬達。

教學難點 合理調試距離傳感器的參數，解決具體問題。

教學過程

一、創設情境，引入主題

炎炎夏日，老師在用電風扇時經常會遇到這樣一個問題：老師家的電風扇放在客廳的沙發邊上，同時面向飯桌和沙發，每當老師吃飯時，由于距離風扇太遠，必須把風扇開到最高擋才能吹到風；吃完飯，坐在沙發上休息時，由于離風扇太近，要把風扇開到較低擋位，防止感冒。請同學思考，怎樣幫助老師設計能根據距離風扇的遠近控制風扇轉速的智能風扇。

二、小組合作，解決問題

1.構思設計

教師組織學生討論日常生活中的落地風扇，分析其組成結構。學生以小組為單位設計智能風扇的草圖，并使用樂高積木和WeDo2.0套件中的電機與傳感器完成相關組件的搭建。

2.探究新知

學生將Scratch2.0與WeDo2.0在計算機上連接，利用Scratch軟件觀察距離傳感器的數值與人和風扇距離遠近的關系，判斷控制電機轉速的大致參數范圍。

3.編程與調試

學生逐步完善Scratch程序編寫，通過運用“觀察現象—發現問題—分析原因—嘗試解決”的程序調試，完成符合實際情況的智能風扇。

三、展示與評價

教師組織學生以小組為單位進行作品展示，并向全班同學介紹作品特色、設計思路、遇到的問題以及解決方法，師生共同對作品進行演示評價。

四、反思與創新

教師引導學生對本組作品的不足進行反思，鼓勵學生繼續對作品進行完善和創新。

案例詳解

一、WeDo2.0功能介紹

WeDo2.0是樂高教育器材中一款可以直接通過藍牙連接控制機器人的簡單入門套裝，包含主機、馬達、距離傳感器和角度傳感器，并配有兩個傳感器插口，可以測量距離、控制機器人平衡等。與WeDo1.0相比，它支持藍牙連接，除了傳統的PC外，在iPad上也有專門的App支持。

通過藍牙連接WeDo2.0后，啟動Scratch2.0軟件，可以在“更多積木”模塊中調用WeDo2.0擴展模塊。（如圖1）

二、智能風扇結構搭建

在風扇結構設計上，我們可以參照落地風扇的結構進行搭建。首先，風扇的底座必須是穩固的，與地面的接觸面積相對可以大一些，整體重心也應該在風扇的底座部分。我們可以使用一塊底板以及WeDo2.0的主機來使底座與地面接觸面積增加，并且將整體重心放在底座部分。（如圖2）根據落地風扇的結構，為了讓扇葉和馬達的位置升高，我們可以搭建支架部分與其連接。（如圖3）

智能風扇的特點在于需要通過距離傳感器來檢測物體與它的距離并控制其轉速。因此在設計距離傳感器的位置時，需要將距離傳感器固定在扇葉正下方并控制好它與扇葉的高度位置。為了更好地發揮距離傳感器的作用，它的前后部分至少保持在與扇葉同一平面或凸出扇葉平面。（如圖4）

本課例中的智能風扇搭建可參照圖5、圖6。

三、距離傳感器與馬達轉速的探究

將WeDo2.0連接到計算機上，在Scratch中編寫簡單腳本。（如圖7）

學生通過反復用手遮擋距離傳感器，讀取距離傳感器的值，可以發現其數值在0到80之間，體會這個范圍的實際距離，并做好相應的標記。馬達轉速默認為100，指導學生嘗試設置為0、101兩個值，可以發現馬達轉速的值可取0到100之間，數值越大轉速越快。（如圖8、圖9）

通過實驗探究，學生知道了距離傳感器和馬達的作用，并體會到只有通過兩種硬件的組合才能實現智能風扇的風力隨距離的變化產生變化。

四、程序設計與調試

1.需求分析

根據需求，學生需要實現的效果是當人離風扇越近時風力越小，人離風扇越遠時風力越大。通過對硬件的實驗，學生初步設定在距離范圍0～20，馬達功率為30；在距離范圍20～50，馬達功率為60；在距離范圍50～80，馬達功率為100；距離80以上，為了節約用電，則關閉馬達。（如圖10）

2.程序設計

改變風扇3種轉速的效果，可以用“如果……那么……否則”的分支結構進行嵌套。

要用到距離范圍判斷，則需使用運算。

如果人在相應的距離范圍內，則將馬達設定到相應的功率，否則繼續判斷。

為了保證程序的有效執行，還需要一個“重復執行”的循環結構幫助距離傳感器持續運行偵測距離。（如圖11）

3.完善創新

作品展示交流后，教師需要留給學生一定時間梳理設計思路，完善提升本組作品的功能。比如：馬達功率最高只能設定為100，如果要進一步提高風扇轉速應如何設置？當我們短暫離開風扇的有效范圍時，可能并不希望風扇停止轉動，那么能否加入計時關閉功能，當傳感器在有效范圍內偵測不到物體時，不要直接停止轉動，等待一段時間后再停止。