地鐵隧道環境監測器

項勇 科創教師，主要教授學生樂高機器人、各類單片機編程課程，并指導學生設計制作科創作品。曾經帶領學生獲得Micro：bit官方比賽do your：bit全球挑戰賽中國區二等獎、上海市青少年創意編程與智能設計大賽三等獎等;本人也曾參加一系列科創比賽，獲得2020年童心制物杯上海國際STEAM課程開發者黃金大獎賽三等獎。

教學背景

地鐵隧道不僅承擔著城市的交通運輸作用，還承擔著戰爭時期的人防作用。地鐵隧道有其安全的一面，也有其脆弱的一面，而人們往往只看到其安全快捷的一面，所以當大雨來臨地面交通無法通行時，人們很自然想到改乘地鐵，而忘記地鐵隧道容易被洪水灌入、空間密閉、難以處理有害氣體泄漏等問題。2021年鄭州地鐵淹水事件告訴我們，有必要對這一重要城市設施的環境進行全方位有效監測，以防范災難的發生。前期學生對圖像化編程及Micro：bit、傳感器等硬件已經有所了解，所以本課筆者帶領學生創意設計一個地鐵隧道環境監測器，它能全面獲得地鐵隧道環境的實時信息數據，保證地鐵隧道設施及人員的安全。

教學目標

1.學會觀察日常生活，能發現問題，并能通過小組合作提出完整的解決方法，經歷分解復雜任務為若干簡單任務、合理安排任務時間、修改優化作品的全過程。

2.了解各類傳感器的原理及使用方法。

3.建立和強化圖形化軟件編程的知識體系。

4.了解TRIZ發明問題解決理論的常用發明原理，并在本項目中對遇到的問題進行充分實踐，培養科學分析問題、解決問題的創新素養。

教學準備

教學課件、Micro：bit、傳感器、Micro：bit自然與科學擴展板V2.0、Makecode軟件、思維導圖軟件等。

教學重點與難點

教學重點 學會從日常社會生活中發現問題的方法;建立完整的作品產出步驟的知識體系;建立圖形化軟件編程的知識體系;體驗真實的項目團隊合作及分工，增強團隊意識。

教學難點 理解方案的可行性分析;建立編程思維體系;理解科技作品的開發路徑;培養小組項目合作的團隊默契度。

教學過程

一、情境導入，激發興趣

師：同學們，夏季雨水多時極易引起水災，2021年鄭州地鐵淹水事件造成多人死傷，讓人心痛。為了避免這種情況再次發生，其實我們可以設計一個裝置來監測地鐵隧道環境的全面數據。我們需要獲取地鐵隧道里面的哪些信息？這些信息需要哪些傳感器獲取？怎么把信息實時傳遞出來？請大家分組討論。

教師協助學生分組，每個小組至少有3種類型的成員，使得各個小組能力均衡。邏輯思維型成員主要帶領學生進行方案的頭腦風暴、問題解決、編程的規劃;空間型成員負責帶領學生進行任務路線的設計;語言能力型成員負責帶領學生規劃設計宣講PPT及文稿。

學生小組討論并互相交流。

二、講授新知，設計方案

師：地鐵隧道環境監測器該怎么設計呢？TRIZ發明問題解決理論能幫助我們學會怎樣進行發明設計，它成功地揭示了創造發明的內在規律和原理，著力于澄清和強調系統中存在的矛盾，其目標是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。

教師簡要介紹TRIZ的40個發明原理，并重點介紹幾個常用的發明原理，講解Makecode軟件平臺中Micro：bit的編程使用方法。

學生依據TRIZ發明問題解決理論，以小組為單位，進行地鐵隧道環境監測器的草圖設計，明確功能設計要點及可行性，然后各小組依次進行方案宣講。

（各小組獨立實施，教師觀摩記錄小組功能設計過程中的問題及優點，必要時給予指導，但不要打擾學生小組的功能設計過程。）

三、畫出思維導圖，編程開發

教師講解思維導圖軟件的簡單用法，引導學生使用思維導圖軟件畫出地鐵隧道環境監測器的功能設計方案圖，然后拆分模塊，明確編程思路。

師：同學們，前面我們學習了Makecode的使用方法和技巧，也設計了地鐵隧道環境監測器的功能，下面以項目的開發方式正式進行地鐵隧道環境監測器的開發。

學生分小組使用Makecode編程，如圖1，規劃程序整體思路，拆分功能模塊任務，再分給具體的人，明確完成時間及任務要求。各負責人按時間節點和任務要求進行編程，然后合并各編程模塊，依次測試程序功能、性能，分析可優化的方向。

（各小組獨立實施，教師觀摩記錄小組開發過程中的問題及優點，必要時給予指導，但不要打擾學生小組的開發過程。）

四、小組展示，教師講評

每個小組派出代表上臺演示自己小組的方案，講解編程思路、代碼實現、功能效果，說明本組設計的地鐵隧道環境監測器的優點，并著重講解項目實踐過程中遇到了哪些問題，怎樣用TRIZ發明問題解決理論或其他方法解決的。

教師對各小組方案進行總結評估，引導學生共同思考，評估方案還有哪些可以優化的地方，還能加上哪些功能。教師評估各個優化方案的可行性，各小組再進行后續優化。

五、樣例講解，課程總結

教師展示事先制作好的樣例，如圖2，學生對比分析自己的作品。

師：同學們出色地完成了地鐵隧道環境監測器的開發、展示、評估，下面老師來講解一下樣例。樣例通過開發板上集成的各類傳感器（如圖3）獲取地鐵隧道的大氣壓強、空氣溫濕度、有害氣體、二氧化碳、光線、聲音、水溫、土壤濕度等全面信息數據，并將數據實時傳遞到物聯網平臺EasyIoT，通電后在EasyIoT就可以實時看到地鐵隧道環境信息（如圖4），保障地鐵隧道安全。

師：樣例只是一個標準的模板，比較均衡地按項目的開發方式完成了項目的規劃、設計、開發，但是大家不要囿于這個框架，在項目的功能設計方面要展開自己的想象，發揮更多創意。

教師總結Makecode軟件編程開發、項目開發的詳細步驟，并評價各個小組優化后的方案。師生共同評選出優秀小組方案，上傳到創客社區，讓更多人看到。

師：生活中其實還會遇到很多問題，比如疫情防控、災難預警等，我們都可以設計相應的裝置幫助人們解決困難。同學們打開思路想一想，你還遇到過哪些問題？怎樣通過創意設計去改善？請大家課后自己動手實踐。

實踐反思

本課例基本完成了一個地鐵隧道環境監測器的原理模型，能實現對地鐵隧道環境的全面監測。通過參與整個項目開發流程，學生了解了圖形化編程軟件Makecode、物聯網平臺EasyIoT、思維導圖軟件的用法，融會貫通信息技術、科學、數學等學科知識，在項目的綜合應用中建立了對項目開發的科學認知體系、對編程思維的整體認知，并解決了生活中的實際問題，培養了創新思維。后續還可以繼續優化項目，考慮到數據分析存在的風險，可以通過IFTTT平臺把數據發送到設定的郵箱里，或者將最終分析的結果發送到各個手機端。

（本課件由DF創客社區推薦）