項(xiàng)勇 科創(chuàng)教師，主要教授學(xué)生樂高機(jī)器人、各類單片機(jī)編程課程，并指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)制作科創(chuàng)作品。曾經(jīng)帶領(lǐng)學(xué)生獲得Micro：bit官方比賽do your：bit全球挑戰(zhàn)賽中國區(qū)二等獎(jiǎng)、上海市青少年創(chuàng)意編程與智能設(shè)計(jì)大賽三等獎(jiǎng)等;本人也曾參加一系列科創(chuàng)比賽，獲得2020年童心制物杯上海國際STEAM課程開發(fā)者黃金大獎(jiǎng)賽三等獎(jiǎng)。

教學(xué)背景

地鐵隧道不僅承擔(dān)著城市的交通運(yùn)輸作用，還承擔(dān)著戰(zhàn)爭時(shí)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(dāng)大雨來臨地面交通無法通行時(shí)，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(duì)這一重要城市設(shè)施的環(huán)境進(jìn)行全方位有效監(jiān)測，以防范災(zāi)難的發(fā)生。前期學(xué)生對(duì)圖像化編程及Micro：bit、傳感器等硬件已經(jīng)有所了解，所以本課筆者帶領(lǐng)學(xué)生創(chuàng)意設(shè)計(jì)一個(gè)地鐵隧道環(huán)境監(jiān)測器，它能全面獲得地鐵隧道環(huán)境的實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)，保證地鐵隧道設(shè)施及人員的安全。

教學(xué)目標(biāo)

1.學(xué)會(huì)觀察日常生活，能發(fā)現(xiàn)問題，并能通過小組合作提出完整的解決方法，經(jīng)歷分解復(fù)雜任務(wù)為若干簡單任務(wù)、合理安排任務(wù)時(shí)間、修改優(yōu)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(qiáng)化圖形化軟件編程的知識(shí)體系。

4.了解TRIZ發(fā)明問題解決理論的常用發(fā)明原理，并在本項(xiàng)目中對(duì)遇到的問題進(jìn)行充分實(shí)踐，培養(yǎng)科學(xué)分析問題、解決問題的創(chuàng)新素養(yǎng)。

教學(xué)準(zhǔn)備

教學(xué)課件、Micro：bit、傳感器、Micro：bit自然與科學(xué)擴(kuò)展板V2.0、Makecode軟件、思維導(dǎo)圖軟件等。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 學(xué)會(huì)從日常社會(huì)生活中發(fā)現(xiàn)問題的方法;建立完整的作品產(chǎn)出步驟的知識(shí)體系;建立圖形化軟件編程的知識(shí)體系;體驗(yàn)真實(shí)的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)合作及分工，增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)意識(shí)。

教學(xué)難點(diǎn) 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(fā)路徑;培養(yǎng)小組項(xiàng)目合作的團(tuán)隊(duì)默契度。

教學(xué)過程

一、情境導(dǎo)入，激發(fā)興趣

師：同學(xué)們，夏季雨水多時(shí)極易引起水災(zāi)，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(fā)生，其實(shí)我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)裝置來監(jiān)測地鐵隧道環(huán)境的全面數(shù)據(jù)。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(shí)時(shí)傳遞出來？請大家分組討論。

教師協(xié)助學(xué)生分組，每個(gè)小組至少有3種類型的成員，使得各個(gè)小組能力均衡。邏輯思維型成員主要帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行方案的頭腦風(fēng)暴、問題解決、編程的規(guī)劃;空間型成員負(fù)責(zé)帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行任務(wù)路線的設(shè)計(jì);語言能力型成員負(fù)責(zé)帶領(lǐng)學(xué)生規(guī)劃設(shè)計(jì)宣講PPT及文稿。

學(xué)生小組討論并互相交流。

二、講授新知，設(shè)計(jì)方案

師：地鐵隧道環(huán)境監(jiān)測器該怎么設(shè)計(jì)呢？TRIZ發(fā)明問題解決理論能幫助我們學(xué)會(huì)怎樣進(jìn)行發(fā)明設(shè)計(jì)，它成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標(biāo)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(gè)發(fā)明原理，并重點(diǎn)介紹幾個(gè)常用的發(fā)明原理，講解Makecode軟件平臺(tái)中Micro：bit的編程使用方法。

學(xué)生依據(jù)TRIZ發(fā)明問題解決理論，以小組為單位，進(jìn)行地鐵隧道環(huán)境監(jiān)測器的草圖設(shè)計(jì)，明確功能設(shè)計(jì)要點(diǎn)及可行性，然后各小組依次進(jìn)行方案宣講。

（各小組獨(dú)立實(shí)施，教師觀摩記錄小組功能設(shè)計(jì)過程中的問題及優(yōu)點(diǎn)，必要時(shí)給予指導(dǎo)，但不要打擾學(xué)生小組的功能設(shè)計(jì)過程。）

三、畫出思維導(dǎo)圖，編程開發(fā)

教師講解思維導(dǎo)圖軟件的簡單用法，引導(dǎo)學(xué)生使用思維導(dǎo)圖軟件畫出地鐵隧道環(huán)境監(jiān)測器的功能設(shè)計(jì)方案圖，然后拆分模塊，明確編程思路。

師：同學(xué)們，前面我們學(xué)習(xí)了Makecode的使用方法和技巧，也設(shè)計(jì)了地鐵隧道環(huán)境監(jiān)測器的功能，下面以項(xiàng)目的開發(fā)方式正式進(jìn)行地鐵隧道環(huán)境監(jiān)測器的開發(fā)。

學(xué)生分小組使用Makecode編程，如圖1，規(guī)劃程序整體思路，拆分功能模塊任務(wù)，再分給具體的人，明確完成時(shí)間及任務(wù)要求。各負(fù)責(zé)人按時(shí)間節(jié)點(diǎn)和任務(wù)要求進(jìn)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(yōu)化的方向。

（各小組獨(dú)立實(shí)施，教師觀摩記錄小組開發(fā)過程中的問題及優(yōu)點(diǎn)，必要時(shí)給予指導(dǎo)，但不要打擾學(xué)生小組的開發(fā)過程。）

四、小組展示，教師講評(píng)

每個(gè)小組派出代表上臺(tái)演示自己小組的方案，講解編程思路、代碼實(shí)現(xiàn)、功能效果，說明本組設(shè)計(jì)的地鐵隧道環(huán)境監(jiān)測器的優(yōu)點(diǎn)，并著重講解項(xiàng)目實(shí)踐過程中遇到了哪些問題，怎樣用TRIZ發(fā)明問題解決理論或其他方法解決的。

教師對(duì)各小組方案進(jìn)行總結(jié)評(píng)估，引導(dǎo)學(xué)生共同思考，評(píng)估方案還有哪些可以優(yōu)化的地方，還能加上哪些功能。教師評(píng)估各個(gè)優(yōu)化方案的可行性，各小組再進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化。

五、樣例講解，課程總結(jié)

教師展示事先制作好的樣例，如圖2，學(xué)生對(duì)比分析自己的作品。

師：同學(xué)們出色地完成了地鐵隧道環(huán)境監(jiān)測器的開發(fā)、展示、評(píng)估，下面老師來講解一下樣例。樣例通過開發(fā)板上集成的各類傳感器（如圖3）獲取地鐵隧道的大氣壓強(qiáng)、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(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)EasyIoT，通電后在EasyIoT就可以實(shí)時(shí)看到地鐵隧道環(huán)境信息（如圖4），保障地鐵隧道安全。

師：樣例只是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模板，比較均衡地按項(xiàng)目的開發(fā)方式完成了項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、開發(fā)，但是大家不要囿于這個(gè)框架，在項(xiàng)目的功能設(shè)計(jì)方面要展開自己的想象，發(fā)揮更多創(chuàng)意。

教師總結(jié)Makecode軟件編程開發(fā)、項(xiàng)目開發(fā)的詳細(xì)步驟，并評(píng)價(jià)各個(gè)小組優(yōu)化后的方案。師生共同評(píng)選出優(yōu)秀小組方案，上傳到創(chuàng)客社區(qū)，讓更多人看到。

師：生活中其實(shí)還會(huì)遇到很多問題，比如疫情防控、災(zāi)難預(yù)警等，我們都可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的裝置幫助人們解決困難。同學(xué)們打開思路想一想，你還遇到過哪些問題？怎樣通過創(chuàng)意設(shè)計(jì)去改善？請大家課后自己動(dòng)手實(shí)踐。

實(shí)踐反思

本課例基本完成了一個(gè)地鐵隧道環(huán)境監(jiān)測器的原理模型，能實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵隧道環(huán)境的全面監(jiān)測。通過參與整個(gè)項(xiàng)目開發(fā)流程，學(xué)生了解了圖形化編程軟件Makecode、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)EasyIoT、思維導(dǎo)圖軟件的用法，融會(huì)貫通信息技術(shù)、科學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)，在項(xiàng)目的綜合應(yīng)用中建立了對(duì)項(xiàng)目開發(fā)的科學(xué)認(rèn)知體系、對(duì)編程思維的整體認(rèn)知，并解決了生活中的實(shí)際問題，培養(yǎng)了創(chuàng)新思維。后續(xù)還可以繼續(xù)優(yōu)化項(xiàng)目，考慮到數(shù)據(jù)分析存在的風(fēng)險(xiǎn)，可以通過IFTTT平臺(tái)把數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)定的郵箱里，或者將最終分析的結(jié)果發(fā)送到各個(gè)手機(jī)端。

（本課件由DF創(chuàng)客社區(qū)推薦）