3.11《智能照明——板载传感器与外接传感器》教案 2023—2024学年湘电子版八年级信息技术下册

《智能照明——板载传感器与外接传感器》教案 1. 教材分析 前几节课都是确定了方案让学生实现，本节课则是让学生根据需求，设计智能照明项目，选择参与互动的板载传感器与外界传感器，并找到实现互动的办法。在智能照明项目中，要关注照明系统的需求分析、功能设计和实现、尝试使用更精确的电子元器件提升系统的可靠性。设计制作中，要对照明系统的需求分析和功能设计进行深入思考，同时学会根据功能设计方案进行电子元器件的选型。 1. 学情分析 本节的任务相当于是对前几节课的内容进行综合考察，也考验着学生的创造力。注意不要让学生设计的功能过于复杂，否则难以在课堂中完成任务。 1. 教学目标 1.知识与技能： 使用micro:bit开发板、Robotbit和makecode编程器制作智能照明项目。 2.过程与方法： 首先要了解生活中的照明需求，以及目前家居照明方案的不便之处，进而对智能照明项目进行功能设计。然后根据功能选择元器件，绘制流程图，连接相应的元器件。最后编写程序，实现相关功能。 3.情感态度与价值观： 体验智能家居的乐趣；提高解决问题的条理性；提高团队合作能力。 四、教学重难点 本项目涉及多个传感部件和控制部件，部件之间的交互较为复杂，要注意合理规划设计项目，以免遗漏关键要素造成功能不能实现。 五、教学方法 案例法、任务法、小组合作。 六、教学过程 教学阶段 师生活动 导入新课 师：讲解示例中的智能照明功能：图片展示的智能照明系统是通过人体红外传感器实现“人走灯灭”的，传感器探测到范围内没有人发出的红外信息，将信号发送给照明设备，从而自动关灯。这个智能照明系统帮我们解决了出门不记得关灯的问题。我们生活中还会遇到哪些关于家居照明方案的不便之处？（点名提问学生） 生：回答问题。 师：总结学生的回答。同学们的观察很细致，而这些问题都有机会通过我们设计的智能照明方案得到解决。 【设计意图】以现有方案为例，说明智能照明解决照明需求的潜力，用提问的方式过渡到接下来的任务。 讲授新课 一、工作规划 师：参考如下工作过程，请同学们组内分好工。 （1）整理传统照明的不便之处，完成智能照明系统的功能设计和电子元器件选型； （2）使用顺序图和程序流程图的形式完成照明系统的设计； （3）根据顺序图的设计，进行智能照明系统相关元器件的连接； （4)根据流程图编写程序，实现智能照明相关功能； （5）小组内成员进行交流，同时借鉴其他小组的创意对系统功能进行改进和优化。 【设计意图】设置小组合作，是因为学生能力各不相同，而任务要求的综合能力比较全面且复杂，所以需要学生集思广益、发挥所长，也可以锻炼学生的团队合作能力。 二、需求分析、功能设计与电子元器件选型 1.需求分析 师：小组成员进行讨论，寻找家庭照明存在的不便之处，进行记录和总结。讨论改善方案或解决方法，完成下表。（见课件） 2.功能设计和电子元器件选型 根据上表中家庭照明系统中存在的问题和解决方案，对智能照明系统进行功能设计和电子元器件选型。一个问题的解决可能需要设计多个功能，也可能将多个问题的共性内容通过一个功能来解决。请你将具体的功能设计记录在下表中。（见课件） 注意，这个中的功能设计与上一个表中的解决方案不同。这个表中的功能设计强调功能现象和实现方式；上一个表中的解决方案往往是同学们的想法描述，体现了创意的想法，与具体实现可能会有一定的距离。也就是说，在具体操作中要考虑是否能实现的问题。 【设计意图】引导学生将问题和解决方案结合起来思考；提示学生将功能设计简洁化、实际化，提高功能实现的成功率。 三、绘制顺序图和程序流程图 师：智能照明项目中使用的电子元器件逐渐增多，程序逻辑也慢慢复杂起来。为了让思路更清晰，可以使用“顺序图”梳理各功能模块间的逻辑关系，使用“程序流程图”梳理程序的逻辑结构。 智能照明系统是否自动开启照明，可以使用自然环境的光照强度、房间中是否有人作为触发条件。当光照强度大于某个阈值时，说明室内光线充足，不会开启照明，房间内无人时，同样照明不会开启；当光照强度低于某个阈值,并且房间内有人时，照明将会自动开启，同时随着自然光照强度的持续降低，照明灯的亮度会逐渐增加。 这就涉及多个传感部件和控制部件，部件之间的交互较为复杂，如果不进行规划设计就直接编写程序，容易遗漏关键要素造成功能不能实现。为了更好地梳理照明系统的交互关系，我们需要将交互活动绘制成顺序图，从图形中观察不同部件间的信息交互。请根据下图中的内容，填写完善系统交互顺序图。（见课件） 师：梳理清楚各模块的交互关系后，开始进行程序设计。先梳理程序的执行思路和过程，将程序面临不同情况的过程绘制成流程图。从交互顺序图中能发现，程序会有多种状态的判断，同时在照明系统开启后还需要继续监测各状态的变化，这些判断和检测会用到程序的顺序、分支、循环三种结构。请参考下图，根据实际情况，完成智能照明程序流程图的绘制。（见课件） 【设计意图】用顺序图和程序流程图进行规划设计思路的固定，保证关键要素不被遗漏，有助于确保功能实现。 四、实现不同电子元器件的连接 师：顺序图能够清晰地呈现智能照明系统各部件向的交互关系，可以根据顺序图的内容完成相应部件之间的连接。 制作智能照明系统时，可以使用micro:bit板载光照传感器获取室内光线强度，使用 Robotbit板载 LED灯代替照明灯具，外接人体红外检测传感器检测房间内是否有人。 连接过程中，micro:bit插在Robotbit插槽中即完成连接，需要关注外接传感器如何与micro:bit开发板进行连接。micro:bit开发板的 PO、P1、P2等数据口均可以外接传感器，Robotbit将这些数据口扩展出来更便于线路的连接，Robotbit 板上的IO数据口分布如图所示。（见课件） 实现智能门铃的功能时使用了Robotbit板载蜂鸣器，Robotbit的蜂鸣器与PO口连接，如果需要使用 PO口的IO口读写功能，需要把蜂鸣器跳帽拔下来，这时蜂鸣器就不起作用了。为了保留智能门铃的功能，我们不再使用 PO口。 外接的人体红外传感器选用HC-SR505 mini版本，传感器有三个针脚（VCC、GND、DATA)。连线时传感器的VCC针脚接P1口的红色针脚，GND 针脚接P1口的黑色针脚，DATA 针脚接P1口的黄色针脚。传感器的 DATA 数据为高，低电平两种状态，代表两种结果：高电平为检测到有活动人体，低电平为没有检测到活动人体。 师：如果有小组选用了其他人体感应传感器，可以参考刚刚介绍的方法，自行测试连接方式和数据状态。 【设计意图】介绍实现智能照明常用的电子元器件的用法，帮助学生完成任务。 五、编写程序实现智能照明相关功能 师：完成各元器件连接后，根据程序流程图完成程序编写，要完成光照阈值条件测量和人体条件判定两部分内容。程序编写时需要使用makecode的“循环方块”“逻辑方块”“变量方块”“引脚方块”和“输入方块”。makecode默认状态中，没有Robotbit板载 LED 灯编程的方块，需要进行扩展实现 LED 灯编程控制，具体步骤为：（图见课件） （1）单击“高级”选项，选择底部的“扩展”选项； （2）在右侧出现的搜索框内，输入“robotbit”进行搜索； （3）选择搜索框下方搜索出来的扩展包，并进行安装； （4）扩展包安装成功后，程序方块区会扩展出新增的程序方块。 1.构建程序循环检测的逻辑关系——循环结构方块选择 在 makecode 中，能够完成循环结构的方块共有五个，如图所示。（见课件）蓝色的“无限循环方块”为 micro:bit 开发板基本运转的一种情况。其他四种循环结构的方块各有不同，需要设置循环的条件。从图中选择一个循环方块完成程序流程图中的循环结构。 2.获得外接传感器的数据 师：为了获得通过IO引脚连接外接传感器测量的数值，需要使用“引脚方块”和“变量方块”。创建变量用于存储引脚传递来的数值，变量为程序中使用引脚数据提供了便利。使用“引脚方块”获取传感器的数值，可以读取引脚传递的模拟值或者数字值，如图所示。（见课件）外接的HC-SR55 mini传感器数据口仅有高、低电平两种值，因此编程时选择数字读取引脚值即可。 3.板载光线传感器与LED灯道 师：除了实现人体检测功能，还需要完成光线传感器与LED灯的程序编写，在“输入方块”“Robotbit方块”“Neopixel方块”中找到相应指令，根据流程图的逻辑完成编写。参考图所示获取“板载光照传感器”数值（见课件），点亮“板载LED 全彩灯”并调节亮度的程序示例，完成“智能照明”的程序编写。其中A键为显示光照传感器数值，B 键为设置 LED 亮度并打开 LED灯，A+B键为关闭 LED。 编写程序时，注意思考把“人体红外检测”和“光照检测”相关程序添加到哪个位置，二者的先后逻辑关系是怎样的，以及如何根据光照的数值变化调节 LED 灯的亮度。 生：小组讨论，编写程序。 师：观察各小组的进度，及时给予指导。 【设计意图】介绍实现智能照明相关功能的程序编写方法，帮助学生完成任务。 六、小组交流、优化方案 师：小组间互相介绍并体验彼此的智能照明作品，发现同伴作品的亮点，为对方提出意见和改进建议。针对同伴提出的改进意见重新对程序结构进行梳理和修正，完成程序的优化。同时尝试给自己的作品添加更多的创意，如怎样获得室外环境的光照强度等。 生：分享作品，在教师的引导下提出对其他小组作品的看法。 【设计意图】通过互相比较小组的成果，发现自身的优越点，形成反思与批判，培养学生辩证思考的能力。 课堂总结 练习与思考 师：提问学生： （1）展示你在智能照明项目中编写的应用程序，说说你的亮点在哪里。 （2）说说你在设计循环条件和判定条件时，运用了哪些方块指令。 （3）你是否考虑增加判定条件的复杂度来提升该项目的功能？请简要叙述你的设计思路和实现方法。 （4）智能照明系统使用的板载传感器精度有限，同时作品也没有控制外部照明灯具的功能。如何扩展电子元器件，如外接传感器、LED灯等，让环境检测更加精确？ 【设计意图】通过提问，巩固所学知识，考察学生还存在什么疑问，锻炼学生举一反三的能力。 教学反思 学科网（北京）股份有限公司 $$