“基于傳感器學(xué)習(xí)”的項(xiàng)目設(shè)計(jì)

羅磊 山東省濟(jì)寧市第一中學(xué)

●項(xiàng)目背景

傳感器的學(xué)習(xí)是人工智能學(xué)習(xí)的重要組成部分，作為初學(xué)者，琳瑯滿目的傳感器會(huì)讓學(xué)生感覺(jué)到無(wú)所適從。雖然很多傳感器根據(jù)名字就能知道它的功能，但學(xué)生對(duì)這些傳感器是如何獲取數(shù)據(jù)的，獲得數(shù)據(jù)之后又是如何使用的，怎樣對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行編程，最后怎樣用執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如機(jī)器人）執(zhí)行編寫程序，并不十分清楚。因此，“基于傳感器學(xué)習(xí)”項(xiàng)目旨在打開(kāi)傳感器學(xué)習(xí)的大門，為后續(xù)基于人工智能算法的傳感器應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

該項(xiàng)目以光電傳感器為例，多學(xué)科融合，深入剖析了光電傳感器原理和結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目涉及光電傳感器的電子元件、物理電路圖，以及具體的使用。

●項(xiàng)目規(guī)劃

通過(guò)光控?zé)魧?shí)驗(yàn)活動(dòng)，學(xué)習(xí)光電傳感器的電子原件、物理電路圖，以及具體的電路組裝。通過(guò)測(cè)量光敏電阻在光線變化時(shí)電阻的變化，學(xué)習(xí)光敏電阻的電器特征，進(jìn)而了解光電傳感器的實(shí)現(xiàn)原理。通過(guò)控制器獲取光電傳感器的數(shù)值活動(dòng)，獲得計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。給定任務(wù)，利用控制器對(duì)光電傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行編程，并用機(jī)器人平臺(tái)來(lái)執(zhí)行。

●項(xiàng)目目標(biāo)

本項(xiàng)目通過(guò)光控電路的實(shí)驗(yàn)了解光敏電阻的電器特性，利用控制器獲取光電傳感器的數(shù)據(jù)，利用獲得的數(shù)據(jù)編程，然后讓機(jī)器人執(zhí)行。通過(guò)本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，對(duì)其他傳感器的學(xué)習(xí)可以做到舉一反三。

●項(xiàng)目實(shí)施

1.新課導(dǎo)入

師生觀看視頻《“神舟十二號(hào)載人飛船”發(fā)射》。

教師提問(wèn)：你們知道神舟十二號(hào)載人飛船完成了哪些壯舉嗎？這其中的奧秘是什么？今天，我們一起走進(jìn)傳感器的世界。

設(shè)計(jì)意圖：視頻導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生深入探究傳感器的興趣。該視頻導(dǎo)入既科普了我國(guó)的航天知識(shí)，又增強(qiáng)了愛(ài)國(guó)主義情感。

2.探究傳感器

（1）光控?zé)魧?shí)驗(yàn)

①認(rèn)識(shí)光控?zé)魧?shí)驗(yàn)器材：光敏電阻、可調(diào)電阻、三極管、LED燈、連接裝置。

②組裝光控?zé)簦⑦M(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

③光控?zé)舻脑硎鞘裁矗?/p>

④電路圖講解（如下頁(yè)圖1）。這里的三極管有兩個(gè)作用，一個(gè)是電流放大，一個(gè)是開(kāi)關(guān)。當(dāng)用作開(kāi)關(guān)時(shí)，當(dāng)B點(diǎn)的電位高于某個(gè)數(shù)值時(shí)，電流就從C點(diǎn)流向E極，燈泡亮，如果想要B點(diǎn)處于高電位，光敏電阻就要處于較高的阻值，此時(shí)只有光線弱，才能獲得光敏電阻的高電阻值。因此，光強(qiáng)，燈滅；光弱，燈亮。

圖1

在光控?zé)糁校饷綦娮枋敲舾性且环N電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器，能夠把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)變成為電阻這個(gè)電學(xué)量。

設(shè)計(jì)意圖：以生活中常見(jiàn)的光控?zé)魹槔私鈧鞲衅髦械拿舾性斫夤饪責(zé)舻脑恚私馊龢O管的作用，學(xué)習(xí)該電路圖的繪制，為下面?zhèn)鞲衅鞯膶W(xué)習(xí)進(jìn)行知識(shí)鋪墊。

（2）認(rèn)識(shí)傳感器

傳感器是一種能把感知到的被測(cè)量信息按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成其他形式可用信號(hào)的檢測(cè)器件或裝置。

教師提問(wèn)：你知道生活中哪些地方用到傳感器？

教師總結(jié)：所有的自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)都需要傳感器為其提供決策依據(jù)。小到光控?zé)簦蟮缴裰酆教炱鳎鱾€(gè)關(guān)鍵部位的控制系統(tǒng)都離不開(kāi)傳感器的使用。但是你知道嗎，航天器中的傳感器也出現(xiàn)過(guò)意外。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)人的五感，對(duì)比智能設(shè)備的電五官（如圖2）。從例子中思考、歸納、總結(jié)傳感器的定義，有了之前光敏電阻的實(shí)驗(yàn)，就能很好地理解傳感器的概念。通過(guò)提問(wèn)航天器中的傳感器也出現(xiàn)過(guò)意外，引出后面環(huán)節(jié)——獲取傳感器的數(shù)據(jù)。

圖2

3.獲取傳感器的數(shù)據(jù)

（1）觀看視頻

2010年俄羅斯質(zhì)子-M火箭發(fā)射失敗的原因是燃料水平傳感器不準(zhǔn)確導(dǎo)致加注燃料過(guò)量。因此，傳感器作為控制器的“感官”和“神經(jīng)”，要確保數(shù)據(jù)測(cè)得出、測(cè)得準(zhǔn)，它是確保任務(wù)成功率的有效手段，因此傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性尤為重要。

設(shè)計(jì)意圖：觀看視頻，并思考傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的重要性，進(jìn)而引出傳感器數(shù)據(jù)的獲取方法。

（2）檢測(cè)光敏電阻的數(shù)值

實(shí)驗(yàn)工具：萬(wàn)用表、雙向夾頭、光敏電阻。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模汗庹諒?qiáng)度與光敏電阻阻值變化的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)要求：①被遮擋時(shí)光敏電阻的點(diǎn)阻值。②自然光下光敏電阻的電阻值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：光照越強(qiáng)，光敏電阻的阻值越_____。光照越弱，光敏電阻的阻值越_____。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)實(shí)踐，獲得光敏電阻的數(shù)值，感受光敏電阻的電氣特性。

（3）利用控制器測(cè)光電傳感器的數(shù)值

①工具：可編程控制器、光電傳感器。

②光電傳感器原理：光電傳感器通過(guò)向地面發(fā)射一束光線，利用地面顏色不同，對(duì)光的吸收不同，從而返回光線的量不同這一原理，來(lái)感知地面顏色的變化。

③實(shí)驗(yàn)要求：光電傳感器返回值：黑色_____，白色____，黃色___。影響返回值的因素有____。

活動(dòng)說(shuō)明：以小組為單位進(jìn)行光敏電阻數(shù)值的測(cè)量，并填寫活動(dòng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告單。

設(shè)計(jì)意圖：使用控制器采集光電傳感器感應(yīng)不同顏色時(shí)的返回值，并填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告單。學(xué)習(xí)控制器與光電傳感器的連接和使用。

4.傳感器的應(yīng)用——利用控制器對(duì)光電傳感器編程

（1）利用控制器對(duì)光電傳感器編程

任務(wù)要求：機(jī)器人向前行走，當(dāng)左右某個(gè)光電傳感器壓黃線時(shí)停止。

①光電傳感尋線模塊的程序分析（如圖3）。

圖3

②光電傳感尋線模塊的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)（如圖4）。

圖4

③根據(jù)獲取的數(shù)值進(jìn)行光電傳感器尋線模塊的編程，并使機(jī)器人執(zhí)行。

（2）利用控制器對(duì)光電傳感器編程

任務(wù)要求：機(jī)器人向前行走，當(dāng)左右某個(gè)光電傳感器壓黃線時(shí)停止5秒，繼續(xù)走，當(dāng)檢測(cè)到黑線時(shí)原地轉(zhuǎn)圈20秒后停止。

設(shè)計(jì)意圖：利用機(jī)器人和光電傳感器巡線。分組完成編程實(shí)驗(yàn)，并展示巡線效果。

5.項(xiàng)目交流與總結(jié)

（1）知識(shí)梳理（如圖5）

圖5

（2）項(xiàng)目交流評(píng)價(jià)（如下頁(yè)表）

（3）項(xiàng)目總結(jié)

本項(xiàng)目以光電傳感器為例，涉及了許多電子元件的學(xué)習(xí)，包括光敏電阻、電容、電阻、三極管等。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，需要了解這些元件的基本原理、特性和使用方法，以及它們?cè)陔娐分械淖饔煤瓦B接方式。在物理電路圖方面，學(xué)生需要了解電路圖的基本符號(hào)和表示方法，以及如何根據(jù)電路圖進(jìn)行電路分析和計(jì)算。在光電傳感器的具體使用方面，學(xué)生需要了解光電傳感器的工作原理、特性和使用方法，以及如何將其與其他元件組合成一個(gè)完整的電路，并通過(guò)控制器獲取傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行編程控制。通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以深入了解電子元件和物理電路圖的基本知識(shí)，掌握光電傳感器的使用方法和編程控制技能，為其他傳感器的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

蒼山點(diǎn)題

義務(wù)教育階段信息科技新課程教學(xué)在今年秋季將正式拉開(kāi)帷幕，一線教學(xué)如何在課堂上面對(duì)“科”與“技”的融合將成為重點(diǎn)研究的課題之一。尤其是新課標(biāo)、新課程中的新內(nèi)容將是對(duì)一線教師最大的挑戰(zhàn)，雖然各地的教材開(kāi)始陸續(xù)更新，可其內(nèi)容、方式定位都有差異，如何抓住關(guān)鍵內(nèi)容謀劃全局？這對(duì)教學(xué)水平尚需提高的教師們來(lái)說(shuō)仍然是長(zhǎng)期的困難所在。因此，本期解碼提倡教法與內(nèi)容的密切結(jié)合，及時(shí)針對(duì)關(guān)鍵科技概念要點(diǎn)進(jìn)行條分縷析，希望在課程推進(jìn)中能夠抓住關(guān)鍵科技去謀劃課程全局，做到計(jì)算思維倡導(dǎo)的“分解”思維，實(shí)現(xiàn)提綱挈領(lǐng)且各個(gè)擊破。

第一篇文章，在對(duì)傳感器在義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)中的描述及其地位、用途等進(jìn)行闡述之后，提出了幾種不同的教學(xué)策略以對(duì)應(yīng)不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容或?qū)W習(xí)環(huán)境，尤其是對(duì)不同的器材情況進(jìn)行了相應(yīng)的分析，并給出了具體的科與技融合教學(xué)的案例，做到了有原理認(rèn)知又有實(shí)踐操作，對(duì)一線教師全面掌握傳感器的教學(xué)非常有意義。當(dāng)然，教學(xué)策略要因人因地設(shè)計(jì)，如在要裝之前先通過(guò)模擬系統(tǒng)進(jìn)行電路、數(shù)據(jù)模擬與測(cè)試，做到既提高認(rèn)知又節(jié)約成本，也非常有效。

第二篇文章，以具體的教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)為范例，詳細(xì)闡述了傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景、技術(shù)探究、原理認(rèn)知以及具體的項(xiàng)目編程等內(nèi)容，不僅詳細(xì)、全面地展示了傳感器的原理、分類、特點(diǎn)與應(yīng)用技術(shù)，而且結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行傳感測(cè)試等技術(shù)實(shí)驗(yàn)，具有很強(qiáng)的探究性。并且，適時(shí)結(jié)合國(guó)家航天事業(yè)，以宇宙飛船為實(shí)例，不僅開(kāi)拓了學(xué)生視野，還使其樹(shù)立了國(guó)家安全觀、自主可控觀，極具育人價(jià)值。

義務(wù)教育階段的信息科技課程已經(jīng)大踏步地走來(lái)，普通高中教育階段的信息科技課程也將呼之欲出，讓我們一起樹(shù)立新的科技觀、教育觀和育人觀，實(shí)現(xiàn)真正的科學(xué)與技術(shù)教育的全面革新，步入科技強(qiáng)國(guó)的新征程吧！