智慧生活

胡紅素 貴州省赤水市育才學校創(chuàng)客教師，原貴州省第一化工技校專業(yè)指導教師，從事過化工工藝、化工原理、物理化學、物理實驗教師工作。在育才學校擔任科學課教學工作，遵義地區(qū)科學課骨干教師培訓時擔任學習委員。參加過貴州省首屆創(chuàng)客嘉年華大賽和第32、33屆全國科技創(chuàng)新大賽及第4屆青年科技節(jié)，參觀過三屆中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會，對人工智能、STEAM課程和創(chuàng)客教育、無人機接觸比較早，對STEAM課程跨學科綜合素養(yǎng)訓練有比較前沿的認識;調(diào)研過北京、成都、重慶、貴陽等城市科技館發(fā)展，關(guān)注城鄉(xiāng)留守兒童的科普教育。

設計依據(jù)

2016年教育部出臺的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中明確指出，積極探索信息技術(shù)在“眾創(chuàng)空間”、STEAM教育、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應用。2017年國務院正式印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出要利用智能技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式、教學方法改革，構(gòu)建包含智能學習、交互式學習的新型教育體系。

針對今年疫情的教學情況，學生們爭當“抗疫小衛(wèi)士”，防疫物資——口罩的消毒處理是我們平安校園必須解決的問題。在了解一定的電子傳感器和3D設計與打印技術(shù)的基礎下，本課采用STEAM教育理念，利用Arduino和3D One軟件設計了一款“智慧生活——防新冠智能口罩消毒柜”，其外殼采用3D光固化打印技術(shù)進行打印。

課例特色

特色1：基于真實情況的項目式學習。

問題一：怎樣解決全程無接觸自動打開箱門？（“T”技術(shù)問題）

問題二：怎樣實現(xiàn)箱門的智能關(guān)閉和自動消毒？（“S”科學與“T”技術(shù)融合）

問題三：含聲音提示，用什么辦法來提供信號？（提高人機交互性）

問題四：設計一個什么形狀的箱體外觀？（用3D One軟件來處理）

特色2：STEAM+創(chuàng)客=未來教育。

教師和學生、學生與學生間交互式學習，讓學生體驗完整而科學的未來教育模式。

特色3：用3D技術(shù)打印出作品，讓學生“天馬行空的胡思亂想”得到實現(xiàn)。

運用前沿的3D光固化打印技術(shù)及液體狀的光敏樹脂材料，讓學生直接接觸最前沿科技。學生以自己的想法為基準，以PBL創(chuàng)新教學法反復討論出方案并實施，最后得到可以看得見摸得著的實物案例。

教學目標

1.了解科學安全有效地解決口罩消毒問題的必要性。

2.知道可以使用超聲波傳感器，用編程控制繼電器模塊。

3.掌握用Mixly編程實現(xiàn)箱門自動打開功能和消毒功能切換的方法。

4.提升學生科學素養(yǎng)、創(chuàng)新思維及防疫意識。

教學重點與難點

教學重點 超聲波傳感器、舵機、蜂鳴器、繼電器模塊的編程及變量的使用。

教學難點 Mixly編程實現(xiàn)箱門自動打開功能和消毒功能之間的轉(zhuǎn)換。

教學準備

Arduino主控板、超聲波傳感器、舵機、蜂鳴器、繼電器、LED燈、電阻、針排一排、面包板、公母頭導線若干、3D打印外殼的液體材料光敏樹脂、3D光固化打印機。

教學過程

一、課程導入

教師先讓學生發(fā)揮想象，初步拿出智能口罩消毒柜方案，鼓勵每個學生都參與，人人皆可設計，畫出各式各樣的草圖。教師從中引導，和有3D One軟件學習基礎的學生一起來完成3D外觀設計，并展示出大家都滿意的設計圖形，細節(jié)問題最后處理。

在設計的過程中，因為要考慮自動打開箱門，學生們都知道用超聲波傳感器，所以主要考慮的問題是超聲波可愛的小眼睛是放在前面還是上面。最后學生達成統(tǒng)一意見：放在上面，有美觀大方的效果。

二、儲備知識，準備材料

教師引導學生分組討論前文提到的問題，每組討論一個問題。學生交流所需的傳感器和電子元件，每組自選一個代表發(fā)言。

教師引導學生們以小組的形式畫出簡單的電路草圖，并幫助學生理清思路：自動打開箱門需要超聲波測距，舵機轉(zhuǎn)動打開，加蜂鳴器聲音提示，繼電器弱強電轉(zhuǎn)換，強電工作進行消毒，用LED燈來演示紫外線燈消毒。

學生分組畫出超聲波、舵機、蜂鳴器、繼電器與主控板的電路圖。

教師講解Arduino主控板的基本知識點，注意講解繼電器的接法。這些知識屬于課前準備，不屬于本課內(nèi)容，所以只說接法，講簡單原理。最后展示正確電路圖紙。（所有正極接在一起，所有負極接在一起）

三、講授詳細制作步驟

1.測試元件性能

教師指導學生用主控板單個測試超聲波傳感器、舵機、蜂鳴器、繼電器的性能，學生逐一操作確定并正確使用。這一步不能少，否則可能會影響后期的故障處理和問題排除。（可讓每組分別測一種元件）

2.用面包板逐一搭建電路

教師講解面包板的正確使用方法，學生在面包板上面通過插接導線、電子元件來搭建不同的電路，從而實現(xiàn)相應的功能。（面包板是電路實驗中一種常用的具有多孔插座的插件板，因為無需焊接，只需要簡單的插接，所以廣泛應用于電子制作、單片機的入門學習中）

教師指導學生接線。為了方便起見，藍線作為GND，紅線作為VCC。

3.根據(jù)設計思路在Mixly環(huán)境中編寫程序

（1）程序設計模塊一

初始化：一開始箱體處于通電消毒工作狀態(tài)。（11管腳繼電器低電平狀態(tài)）

問題處理：9號管腳是前電路圖中10號，因為實際操作太近而換管腳位置，電路圖并無改變;舵機是8號，角度是0°，處于隨時待命狀態(tài)，如圖1。

（2）程序設計模塊二

當手接近箱體，超聲波測距開始工作，檢測距離小于或等于10cm時，11號繼電器高電平停止工作，舵機轉(zhuǎn)動90°（后調(diào)成85°，因重力而自動關(guān)閉，微調(diào)5°），箱體打開，同時蜂鳴器鳴叫提醒，實現(xiàn)口罩自動回收，紫外線消毒燈安全關(guān)閉。

特殊說明：為了避免出現(xiàn)手被夾事故，設計超聲波5次測距，反復檢測手是否在箱門附近，確認離開后舵機才開始工作，箱門關(guān)閉。11號管腳繼電器才執(zhí)行命令重新開始消毒工作，如圖2。

（3）程序設計模塊三

當超聲波檢測到人扔口罩后，手沒離開消毒柜時，就執(zhí)行蜂鳴器命令，如圖3，發(fā)出聲音提醒。

4.上傳總程序，完成設計目標

實驗成功，簡化電路，取消面包板，程序上再添加比如預防夾手之類的細節(jié)問題，并測試使作品更加完善。

四、使用3D打印技術(shù)進行外觀設計

用3D光固化打印出迷你型消毒柜，組裝時注意活頁、舵機的美觀實用問題，最后反復調(diào)試，發(fā)現(xiàn)舵機角度定為85°最佳，讓其蓋子能利用本身的重力閉合。采用迷你型便于教學和觀察，沒有放入內(nèi)膽。本作品可進行科普、環(huán)保、實用，外觀樸素大方，科技感十足。

作品采用電池供電，便于移動，可直接使用常見的5V電源進行供電。同時，繼電器能控制真實的220V紫外線消毒燈管（演示時用一個LED燈代替）。

教學反思

科學問題本就是源于自然中某一現(xiàn)象的問題?！霸趺床拍芙o口罩消毒呢？”這就是一個科學的問題;“怎樣讓箱子自動打開呢？”這源于一個工程技術(shù)解決的難題?？梢?，STEAM教學并不是簡單地將科學與工程組合起來，而是在學科之間相互支撐、相互補充、共同發(fā)展。STEAM注重培養(yǎng)學生的批判性思維、解決問題能力、協(xié)作能力和自主學習能力，更是鼓勵學生做出有科技含量的、實用的作品。隨著3D One軟件的普及，人人皆為創(chuàng)客，為教學場景的擴展帶來更多可能，并更好地建立以學生為中心的學習環(huán)境，從而推動中國創(chuàng)新教育，培養(yǎng)中國的創(chuàng)新型人才。人工智能在教學中的應用，讓學生也認識到將來社會的工作環(huán)境將如何變化，要提前做好準備。

（本課件由i3DOne青少年三維創(chuàng)意社區(qū)推薦）