王堯坤

教學(xué)背景

學(xué)習(xí)本課前，學(xué)生已掌握簡(jiǎn)單的Mind+編程技能，但是對(duì)傳感器技術(shù)的認(rèn)知與應(yīng)用還有所欠缺。本課在引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)熱敏、光敏、濕敏、磁敏等常見(jiàn)傳感器的基礎(chǔ)上，圍繞開(kāi)發(fā)視力保護(hù)提醒器這一目標(biāo)，綜合應(yīng)用Mind+編程，結(jié)合RoboMaster TT無(wú)人機(jī)進(jìn)行適當(dāng)拓展，以利于學(xué)生更好地掌握相關(guān)知識(shí)。

教學(xué)目標(biāo)

1.會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)單電路的設(shè)計(jì)。

2.學(xué)會(huì)利用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3.通過(guò)項(xiàng)目學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的物化能力以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 簡(jiǎn)易電子電路設(shè)計(jì)及光敏傳感器的應(yīng)用。

教學(xué)難點(diǎn) RoboMaster TT無(wú)人機(jī)拓展項(xiàng)目的設(shè)計(jì)制作。

教學(xué)準(zhǔn)備

RoboMaster TT無(wú)人機(jī)、RoboMaster TT無(wú)人機(jī)拓展板、常用二極管、面包板、電源、導(dǎo)線若干。

教學(xué)過(guò)程

一、引入新課

師：近視已成為危害青少年眼睛健康的“第一殺手”。據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，我國(guó)青少年近視發(fā)病率居世界第二，小學(xué)生近視率已達(dá)40%，高中生近視率近70%。走進(jìn)校園，不戴眼鏡的學(xué)生屈指可數(shù)。近視眼是多方面因素造成的，其中之一就是在光線太暗或太強(qiáng)的環(huán)境下學(xué)習(xí)。我們是不是可以制作一個(gè)視力保護(hù)提醒器，提示周?chē)h(huán)境是否適合學(xué)習(xí)或閱讀呢？

生：對(duì)，這需要一個(gè)能測(cè)量周?chē)h(huán)境光照強(qiáng)度的傳感器。

師：上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了傳感器一般由敏感元件和輸出部分組成，通過(guò)敏感元件獲取外界信息并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)輸出部分輸出。敏感元件的種類(lèi)繁多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也各不相同，通常它們是被密封起來(lái)，從外形不容易觀察到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如果要測(cè)量光照最好使用哪種傳感器？它的特點(diǎn)是什么？

生：光敏電阻，特點(diǎn)是光線越強(qiáng)，電阻越小。

師：查閱中華人民共和國(guó)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50034-2013）的教育建筑照明標(biāo)準(zhǔn)值表，它規(guī)定學(xué)校教室的課桌面照度標(biāo)準(zhǔn)值為300lx（lux，勒克斯）。（1勒克斯等于1流明的光通量均勻分布于1平方米面積上的光照度。）

一般情況下，人在250～750lx的照度環(huán)境下眼睛比較舒適，太高或者太低的照度，對(duì)人眼睛都有所傷害。最直接的傷害就是導(dǎo)致近視，絕大多數(shù)近視眼就是在照度很低的環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間地看書(shū)或者用眼過(guò)度造成的，這個(gè)也是值得我們關(guān)注的。

二、利用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易的視力保護(hù)提醒裝置

師：請(qǐng)大家思考下，視力保護(hù)提醒裝置是個(gè)開(kāi)環(huán)電路還是閉環(huán)電路？

生：開(kāi)環(huán)電路。

師：對(duì)開(kāi)環(huán)電路的設(shè)計(jì)，我們需要按照電路的組成來(lái)進(jìn)行。請(qǐng)大家思考下，你需要哪些儀器，分別對(duì)應(yīng)開(kāi)環(huán)電子控制系統(tǒng)的哪個(gè)部分？其工作過(guò)程大致是怎樣？

學(xué)生分組進(jìn)行討論并設(shè)計(jì)電路，得出需要用到的器材有光敏電阻、電位器、電阻、三極管、蜂鳴器等。工作過(guò)程大致是當(dāng)光線亮?xí)r，光敏電阻電阻小，三極管基極電流增大，從而使得蜂鳴器發(fā)聲。這里基極電流就是輸入信號(hào)，三極管在這里既是控制器又是執(zhí)行器，而蜂鳴器是被控對(duì)象，輸出信號(hào)是蜂鳴器的聲音，如圖1、圖2。

學(xué)生搭建實(shí)驗(yàn)電路，隨后教師任意選出兩個(gè)小組進(jìn)行交流展示。

師：這個(gè)設(shè)計(jì)存在什么問(wèn)題？怎么解決？

生1：只能在光線太亮的時(shí)候或者太暗的時(shí)候，其中一種情況下進(jìn)行報(bào)警。

生2：可以用兩個(gè)三極管、兩個(gè)光敏電阻來(lái)搭建電路，實(shí)現(xiàn)光線太亮或太暗時(shí)候同時(shí)報(bào)警。

師：怎么判斷現(xiàn)在的光線是不是太亮（暗）呢？如何讓視力保護(hù)提醒器較為精確地實(shí)現(xiàn)低于250lx或高于750lx的照度環(huán)境下報(bào)警？

學(xué)生思考并討論。

師：這里我給大家介紹下DFRobot Gravity：模擬環(huán)境光線傳感器，如圖3。它能檢測(cè)光強(qiáng)度的范圍為1～6000lx，工作原理與光敏電阻基本類(lèi)似，但是它能夠準(zhǔn)確地測(cè)得光線的強(qiáng)度，滿足我們實(shí)驗(yàn)的需求。接下來(lái)請(qǐng)同學(xué)們利用RoboMaster TT無(wú)人機(jī)和模擬環(huán)境光線傳感器制作一個(gè)視力保護(hù)提醒器，來(lái)檢測(cè)一下我們教室哪個(gè)地方最適合閱讀。

三、無(wú)人機(jī)視力保護(hù)提醒器

1.畫(huà)出簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)思路

師：請(qǐng)大家畫(huà)出簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)思路，并說(shuō)明它們分別是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中的哪些組成部分。

生：模擬光線傳感器測(cè)得的信號(hào)是輸入信號(hào)，控制器是RoboMaster TT無(wú)人機(jī)的拓展板，執(zhí)行器是里面的電子電路，被控對(duì)象是LED燈，輸出信號(hào)是LED燈的亮滅。

2.編程設(shè)計(jì)

編程設(shè)計(jì)目的主要是檢測(cè)當(dāng)前光線是否滿足看書(shū)要求，比如程序可以設(shè)置成照度低于300則亮紅燈提醒，高于800則亮藍(lán)燈提醒，其他情況為綠燈，如圖4。（引腳用26號(hào)腳）

3.連接線路

師：將模擬光線傳感器連接到拓展板的排針上，紅色連5V，黑色連GND，綠色信號(hào)線連引腳26，如圖5。（引腳可以根據(jù)自己喜好進(jìn)行選擇）

教師根據(jù)學(xué)生安裝情況進(jìn)行適當(dāng)提醒，安裝模擬光線傳感器時(shí)，最好保證水平（讓光線垂直射入），無(wú)法水平則盡量采用傾斜的方式，以減少拓展板等對(duì)光線的影響，如圖6。

學(xué)生上傳程序后，將拓展板固定到RoboMaster TT無(wú)人機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。學(xué)生利用自己的視力保護(hù)提醒器作品測(cè)試教室不同位置的光線照度，尋找適合閱讀的場(chǎng)所，如圖7。

學(xué)生分組進(jìn)行討論，指出各自作品的優(yōu)缺點(diǎn)。

四、課后拓展

師：請(qǐng)大家課后思考，利用其他的傳感器，能否設(shè)計(jì)出較為實(shí)用的作品，如利用超聲波傳感器測(cè)物體距離、利用火焰?zhèn)鞲衅鞔_定火情位置等。

教學(xué)反思

本課將RoboMaster TT無(wú)人機(jī)與Mind+圖形化編程軟件、光敏傳感器深度結(jié)合，設(shè)計(jì)出一款視力保護(hù)提醒器。學(xué)生既體驗(yàn)了無(wú)人機(jī)開(kāi)源拓展編程，也融合運(yùn)用了物理、信息技術(shù)等學(xué)科知識(shí)，不僅培養(yǎng)了綜合實(shí)踐能力，還充分發(fā)揮了想象力、創(chuàng)造力，提升了動(dòng)手操作能力。

（本課件由DF創(chuàng)客社區(qū)推薦）