項(xiàng)目概述

STEAM教育是一種融合科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等知識(shí)與技能，以實(shí)踐創(chuàng)造學(xué)習(xí)為主，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的新型教育模式。本節(jié)課“智能種植盆”以項(xiàng)目式教學(xué)方法開(kāi)展，主旨為“項(xiàng)目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體”，改變了以往“教師講，學(xué)生聽(tīng)”的被動(dòng)教學(xué)模式，嘗試了學(xué)生主動(dòng)參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學(xué)模式。

項(xiàng)目通過(guò)對(duì)智能種植盆功能分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與調(diào)試，體驗(yàn)計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程。在利用計(jì)算機(jī)解決智能種植的過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)自主探究、實(shí)驗(yàn)分析、親身體驗(yàn)、合作交流等方式進(jìn)一步加深理解用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的基本過(guò)程。

設(shè)計(jì)依據(jù)

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出的“計(jì)算思維”與“數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新”有關(guān)要求，強(qiáng)調(diào)個(gè)人應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，以及在形成問(wèn)題解決方案的過(guò)程中產(chǎn)生一系列思維活動(dòng)；個(gè)體通過(guò)評(píng)估選用常見(jiàn)的數(shù)字化資源與工具，有效地管理學(xué)習(xí)過(guò)程與學(xué)習(xí)資源，創(chuàng)造性地解決問(wèn)題，從而完成學(xué)習(xí)任務(wù)，形成創(chuàng)新作品的能力；學(xué)生兼重理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐應(yīng)用，教師通過(guò)豐富多樣的任務(wù)情境，鼓勵(lì)學(xué)生在數(shù)字化環(huán)境中學(xué)習(xí)與實(shí)踐；基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，將知識(shí)建構(gòu)、技能培養(yǎng)與思維發(fā)展融入到運(yùn)用數(shù)字化工具解決問(wèn)題和完成任務(wù)的過(guò)程中。

本課程旨在通過(guò)學(xué)生實(shí)際生活中的需求，鼓勵(lì)學(xué)生大膽實(shí)踐，并反復(fù)探究實(shí)踐過(guò)程中不斷出現(xiàn)的新問(wèn)題、新情況，進(jìn)而提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

教學(xué)目標(biāo)

基于課程標(biāo)準(zhǔn)要求和班級(jí)學(xué)情分析，本項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)設(shè)定為：1.了解計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的基本步驟。2.學(xué)會(huì)利用流程圖描述簡(jiǎn)單問(wèn)題。3.體驗(yàn)用編程解決實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)正確的信息素養(yǎng)。4.通過(guò)廢物再利用，鍛煉動(dòng)手能力以及空間想象力。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 了解計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程；學(xué)會(huì)用流程圖描述程序設(shè)計(jì)。

教學(xué)難點(diǎn) 學(xué)會(huì)在調(diào)試主控程序時(shí)，對(duì)各項(xiàng)傳感器、檢測(cè)器取值，設(shè)置參數(shù)進(jìn)行判斷。

教學(xué)過(guò)程

一、項(xiàng)目引入：智能種植盆的使用

隨著生活水平的提高，人們對(duì)食品安全及室內(nèi)環(huán)境的要求也在不斷提高。因此出現(xiàn)了兩種情況：一些人住在城市里依然有著田園夢(mèng)想，對(duì)低成本吃到有機(jī)蔬菜有著渴望；另一些人想在家中、學(xué)校、工作場(chǎng)所中，給單調(diào)的空間增添一角綠色，但由于不擅長(zhǎng)種植植物，或者受到空間與時(shí)間的限制而無(wú)法實(shí)現(xiàn)。怎樣來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題呢？我們可以從智能家居設(shè)備功能獲得啟發(fā)，嘗試通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)智能種植盆功能，實(shí)現(xiàn)環(huán)保健康的生活方式。

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)關(guān)注教育技術(shù)裝備發(fā)展中的新動(dòng)向和新趨勢(shì)，提升學(xué)生信息意識(shí)。

二、項(xiàng)目分析：分析問(wèn)題，確定需求

如何解決種植中面臨的以下問(wèn)題：1.沒(méi)有專用的種植空間，或種植空間采集不到陽(yáng)光怎么辦？2.植物需要多久澆一次水？每次澆多少？

針對(duì)以上問(wèn)題，是否能設(shè)計(jì)一種智能種植盆來(lái)解決這些問(wèn)題？學(xué)生分組討論智能種植盆應(yīng)具備的功能，并進(jìn)行項(xiàng)目探究。

學(xué)生可以利用不同大小的廢舊材料當(dāng)作種植容器，這樣既環(huán)保又可以靈活地放置在不同的地方；使用自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，解決澆水的頻次和量的問(wèn)題；采用智能補(bǔ)光功能，解決陽(yáng)光受限的問(wèn)題。

教師引導(dǎo)學(xué)生探究植物灌溉的規(guī)律及智能補(bǔ)光中所需光源的要求。學(xué)生通過(guò)查找資料發(fā)現(xiàn)，大部分植物需要在土壤完全干燥后進(jìn)行澆水，澆水時(shí)要將土壤澆透。我們采用紅色的LED燈進(jìn)行補(bǔ)光。LED燈不僅節(jié)能省電，而且在植物光合作用中吸收光譜的可控方面也是其他光源無(wú)法比擬的，用LED燈進(jìn)行補(bǔ)光是植物種植過(guò)程中最正確的選擇。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生明白實(shí)際需求，分析已有信息，明確智能種植盆的功能，為后面用流程圖解決問(wèn)題打下基礎(chǔ)。

三、用自然語(yǔ)言及程序流程圖描述算法

教師引導(dǎo)學(xué)生用自然語(yǔ)言描述智能種植盆功能。

自動(dòng)灌溉功能：通過(guò)土壤濕度傳感器來(lái)獲取土壤是否需要澆灌的信息。我們將傳感器插入土壤中，當(dāng)土壤濕度過(guò)低時(shí)，種植盆的水泵會(huì)自動(dòng)給土壤灌溉水，當(dāng)土壤濕度傳感器檢測(cè)濕度達(dá)標(biāo)時(shí)，灌溉自動(dòng)停止。

智能補(bǔ)光功能：光線檢測(cè)器實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)光線，當(dāng)室內(nèi)光線照射不足時(shí)，我們采用紅色的LED燈進(jìn)行補(bǔ)光。當(dāng)室內(nèi)恢復(fù)光線，LED燈自動(dòng)關(guān)閉。

設(shè)計(jì)意圖：針對(duì)不同環(huán)境需求，讓學(xué)生學(xué)會(huì)用自然語(yǔ)言描述解決問(wèn)題的步驟。

教師指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)程序流程圖，學(xué)會(huì)用流程圖描述解決問(wèn)題的算法。流程圖是算法的一種圖形化表示方法，與自然語(yǔ)言相比，流程圖描述算法，形象、直觀、更易理解。（如圖1）

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，形成問(wèn)題解決方案的過(guò)程。

四、項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)

程序?qū)崿F(xiàn)：基于AS-Block模塊化的Arduino編程軟件，實(shí)現(xiàn)智能種植盆的各項(xiàng)功能。用溫度、土壤濕度、光線等傳感器收集各項(xiàng)指數(shù)，將各項(xiàng)指數(shù)在LCD液晶屏上顯示出來(lái)。當(dāng)光線不足時(shí)，打開(kāi)LED燈；當(dāng)光線充足時(shí)，關(guān)閉LED燈。

學(xué)生們根據(jù)不同情境來(lái)調(diào)試程序。實(shí)驗(yàn)測(cè)試光線逐漸減弱的情況，當(dāng)光線傳感器的臨界參數(shù)值為200時(shí)，顯示光線獲取不足。實(shí)驗(yàn)獲取干燥、濕潤(rùn)、潮濕三種情況下的土壤濕度值，獲得土壤濕度顯示為“低”時(shí)的臨界參數(shù)值為5，這時(shí)候，自動(dòng)澆灌系統(tǒng)打開(kāi)水泵。測(cè)試水泵出水速度，將水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置保持在120。測(cè)試每輪監(jiān)控時(shí)間間隔，最終設(shè)置等待時(shí)間5秒。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生體驗(yàn)在某一情境下用Arduino編程軟件實(shí)現(xiàn)智能種植盆所需功能，體驗(yàn)用編程解決實(shí)際問(wèn)題，提升學(xué)生信息素養(yǎng)。

容器制作：教師鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生利用各種廢舊材料制作種植容器。例如，可以用洗衣液桶當(dāng)作種植花盆來(lái)種植綠植；可以用一次性餐盒或泡沫箱來(lái)種植蔬菜。最終還需要根據(jù)放置空間的大小來(lái)選擇和裁剪容器，最終制作完成種植容器。學(xué)生運(yùn)用剪刀、膠槍、鐵絲、焊槍等工具，通過(guò)裁剪、粘貼、打孔、鐵絲固定等操作，手工設(shè)計(jì)制作完成種植容器。教師可正確引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦解決手工活動(dòng)中遇到的問(wèn)題，使學(xué)生體驗(yàn)付出努力后，取得成功的滿足感，感知自己的能力，增強(qiáng)自信。（如圖2）

設(shè)計(jì)意圖：鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，使其充分發(fā)揮空間想象力和創(chuàng)新能力，提高道德素質(zhì)、勞動(dòng)觀念、審美情趣。

項(xiàng)目總結(jié)

學(xué)生小組討論交流在項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)施過(guò)程中的收獲與感想，闡述對(duì)本項(xiàng)目智能種植盆功能進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的設(shè)想。課程總結(jié)環(huán)節(jié)，學(xué)生用思維導(dǎo)圖的形式對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行總結(jié)（如圖3）。最后，師生結(jié)合自己的生活經(jīng)驗(yàn)，探討身邊可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)編程解決的問(wèn)題。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過(guò)生活中實(shí)際需求，理解智能種植盆項(xiàng)目設(shè)計(jì)的流程，掌握程序設(shè)計(jì)的語(yǔ)法與算法，實(shí)現(xiàn)智能種植盆的程序控制與調(diào)試。教師教給學(xué)生計(jì)算思維和實(shí)踐的方法，從而培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新的能力。

總結(jié)與反思

本文主要是對(duì)基于Arduino編程軟件實(shí)現(xiàn)智能種植盆項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與功能方面進(jìn)行了闡述。智能種植盆的設(shè)計(jì)工作主要包括種植盆容器制作、硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)。目前，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試和修改，該種植盆在陰暗和缺水的環(huán)境下運(yùn)行良好，可以實(shí)現(xiàn)智能種植的要求。對(duì)不會(huì)種植植物，又受到空間與時(shí)間限制的學(xué)生而言，這次項(xiàng)目可以讓他們實(shí)現(xiàn)種植夢(mèng)想，擁抱自然，樂(lè)享種植生活。

鄒潔 北京市昌平區(qū)昌盛園小學(xué)信息科技教師。多年從事軟件設(shè)計(jì)研發(fā)工作。多次參與市區(qū)級(jí)研究課展示，先后指導(dǎo)學(xué)生參加市區(qū)級(jí)競(jìng)賽20余次，榮獲一等獎(jiǎng)17次，二等獎(jiǎng)14次。