第三单元 主题案例四 设计智能垃圾分类装置-高中劳动与综合实践单元教学设计

>> 160 高中劳动与综合实践单元教学设计 主题案例四　设计智能垃圾分类装置 一、“设计智能垃圾分类装置”主题分析 垃圾分类，一般是按一定规定或标准将垃圾分类储存、分类投放和分类搬运， 从而将垃圾转变成公共资源的一系列活动的总称。 垃圾分类提高了垃圾的资源价值和经济价值。我们在平常的生活和学习中，已 经通过学校教育、媒体宣传等方式了解了很多垃圾分类的知识，对垃圾分类比较熟 悉，但是在扔垃圾时还是有很多不便。因此，如果能设计出一些可以帮助人们解决 垃圾分类中不便问题的方案，就可以让垃圾分类变得很简单。 本节课涉及两种解决方案，第一种是人们将不同种类的垃圾带至垃圾场，垃圾场通 过识别垃圾袋颜色分别投放垃圾；第二种是人们在家门口将垃圾放在垃圾回收车上，垃 圾回收车通过识别垃圾袋颜色将不同种类垃圾带至相应的垃圾桶放置点，并倾倒垃圾。 主要运用的技术是编程技术，教材中没有编程代码，需要用到以前学习的知识。 二、“设计智能垃圾分类装置”活动计划 　第三单元　服务性劳动　 161 << 三、“设计智能垃圾分类装置”实施建议 第一课时  垃圾分类传送带 （一）活动目标 （1）熟练使用 Mixly 软件、Arduino UNO R3 控制器及扩展板。 （2）将提供的材料组装成垃圾分类传送带装置。 （3）通过了解垃圾分类的概念及意义，培养学生的社区环保意识。 （二）学情分析 随着国家所倡导的垃圾分类政策逐步推进，中学生对垃圾分类的具体分类方法 已有了一定了解，对本节课智能化垃圾分类目的能够很好地进行理解，用到的开发 硬件和软件是以前学习过的，需要作为重难点进行讲解的是用程序控制舵机的相关 内容。高中学生在简单程序设计上的学习难度不大。 （三）活动实施 1. 导入环节 设计意图：通过观看相关视频导入新课，激发学生尝试设计智能化装置的 兴趣。 学生活动：观看中国国际进口博览会上的智能垃圾分类装置介绍视频。 实施建议：选择的视频短片不宜过长，1 min 左右即可。 >> 162 高中劳动与综合实践单元教学设计 2. 明确任务 设计意图：结合导入环节的视频，通过自学，深刻理解本节课学习内容。 学生活动：3 min 自学内容；明确需要制作的智能垃圾分类装置有哪些功能。 本节课主要是组装垃圾分类传送带和熟悉软硬件。 实施建议：给学生时间自学，教师最终确定本课内容。 3. 共同学习劳动实践流程 设计意图：明白劳动实践流程。 学生活动：抽选学生读出劳动实践流程。 实施建议：强调制作垃圾分类传送带是一项需要系统设计的工作，设计制作要 有计划、按步骤实施，培养学生严谨的科学态度。 4. 认识扩展版 设计意图：通过老师讲解和课本介绍，知晓选用的扩展版规格、功能。 学生活动：结合课本，听老师讲解，观察材料接口和标识。 Arduino 扩展板选用的是 L298P 版本的扩展板，对插在 Arduino UNO R3 版本控 制板上就可以使用。 实施建议：电子器件包含关键参数的大图要用课件显示出来，方便学生理解。 5. 构思传送带机器人设计方案 设计意图：了解垃圾分类传送带设计原理。 学生活动：结合提供的材料，听老师讲解，设计构思传送带设计方案。 参考中国国际进口博览会上的机器人，将整个装置分为传送带部分和垃圾分类 　第三单元　服务性劳动　 163 << 部分。传送带部分需要使用电机、履带等；垃圾分类部分需要使用舵机等。实现自 动分拣垃圾的是 4 个红外循迹传感器，当不同的传感器接收到障碍物信号后，不同 的垃圾会经过传送带收集至对应的垃圾收集桶中。 实施建议：提前准备好充足的材料，学生手里有材料更好理解。 6. 组装传送带部分及垃圾分类部分 设计意图：通过动手操作，搭建机器人传送带部分，理解传送原理；通过动 手操作，搭建垃圾分类部分，理解分类原理。 学生活动：根据老师讲解、演示，组装传送带部分及垃圾分类部分。 实施建议：可以选择熟悉的材料进行制作，形状、颜色自选。但是要注意，在 安装履带和电机时，履带要安装水平，结构件要稳固，履带转动时减少摩擦。 7. 练习使用软件控制舵机 设计意图：熟练使用软件，学会使用舵机，为后续做准备。 学生活动：根据老师讲解、演示编写程序，控制舵机。 先进行初始化。从程序模块区找到找到初始化，初始化模块中的程序，在开机 时首先运行一次，让舵机旋转至 90°，延时 1 s。 再来编写程序，设定速度值为 160，让电机转动 3 s 后停止，并且舵机转至 100°。 实施建议：课件显示 Mixly 软件界面，学生跟着做。本活动要留些时间让学生 自己练习。此外，可以提供给学生与 Mixly 软件相关的网址和与 Arduino 相关的网址， 供学生自学。 8. 相互交流、评价 设计意图：交流完善程序，设置悬念，增加学习热情。 >> 164 高中劳动与综合实践单元教学设计 学生活动：相互交流、评价控制舵机的程序。 实施建议：给学生留下作业，让学生自己探索怎么编写使用红外循迹传感器的 程序，这也是对下节课的预习。 第二课时  小区垃圾分类车 （一）活动目标 （1）通过完善上节课垃圾分类传送带程序，能够熟练使用 Mixly 软件和 Arduino  UNO R3 控制器控制舵机、红外传感器等设备。 （2）将材料组装成小区垃圾分类车。 （二）学情分析 第一课时通过学习制作垃圾分类传送带，学生已经能比较熟练地控制电机。本 节重点是进阶学习运用 Mixly 软件编程控制红外传感器，使智能小车能够沿线行驶、 定点停顿。 （三）活动实施 1. 导入环节 设计意图：通过检查是否自学红外循迹传感器的程序引入本节课内容。 学生活动：展示自己的学习成果。 实施建议：小组展示控制红外传感器的程序，做点评，简单展示红外传感器 程序。 2. 完善垃圾分类传送带程序 　第三单元　服务性劳动　 165 << 设计意图：完善垃圾分类传送带程序，能够熟练使用 Mixly 软件和 Arduino UNO R3 控制器控制舵机和红外传感器，给小区垃圾分类车的制作做好技术铺垫。 学生活动：边听软件讲解，边实操。 首先，测试舵机旋转角度，记下四个垃圾收集桶在履带正下方时舵机的角度。 默认有一个垃圾收集桶开机时就在正下方。 其次，进行履带旋转程序的编写。初始化舵机角度在 110°上，如果只有数字 口 1 检测到信号，舵机就转至 160°，并且左电机开始以初始设定的速度旋转，旋 转 1 s 后停止，舵机再转回默认的 110° ；如果只有数字口 2 检测到信号，舵机就 不转动，并且左电机开始以初始设定的速度旋转，旋转 1 s 后停止；如果只有数字 口 3 检测到信号，舵机就转至 50°，并且左电机开始以初始设定的速度旋转，旋转 1 s 后停止，舵机再转回默认的 110° ；如果只有数字口 4 检测到信号，舵机就转至 2°，并且左电机开始以初始设定的速度旋转，旋转 1 s 后停止，舵机再转回默认的 110°。上传程序，看效果。 实施建议：学生跟着做。本活动要留些时间，让学生理解对红外传感器的控制 程序。 3. 按劳动流程调整装置结构，交流展示 设计意图：使装置结构更稳固、合理，更美观。 学生活动：给垃圾收集桶加上垃圾袋，在卡纸上绘制好垃圾袋的大小，并分别 标上有害垃圾、可回收垃圾、厨余垃圾和其他垃圾，裁剪安装。 实施建议：选择较好的作品进行展示，或者展示教师作品。 4. 构思垃圾分类车结构方案 设计意图：分析垃圾分类车结构方案，理解其原理。 学生活动：结合实际分析垃圾分类车功能。 >> 166 高中劳动与综合实践单元教学设计 垃圾分类车会在每个人的家门口停留一段时间，等人们将垃圾扔上车后，垃圾 分类车会将不同的垃圾分别倒进不同的垃圾桶中。 需要制作一个智能小车，加上一个可倾倒垃圾的装置，也就是舵机，利用红外 循迹传感器来识别道路和不同种类垃圾回收点，能感应垃圾车到某一指定位点的传 感器也是红外循迹传感器，与制作垃圾分类传送带同理，利用的是红外循迹传感器 的感应障碍物功能。 实施建议：用模拟动画或者老师制作成的作品展示功能。 5. 动手搭建智能小车结构部分，布置循迹地图 设计意图：通过动手搭建智能小车结构部分，理解各部件功能。 学生活动：底盘选用两个主动轮加万向轮，控制板卡和扩展板与制作垃圾分类 传送带的控制板卡和扩展板相同。上方的红外循迹传感器用来感应障碍物，选择运 送的是哪种垃圾。下方的红外循迹传感器用来循迹并识别垃圾点位。倾倒装置就是 一个小舵机加托盘。 用黑色电工胶带布置循迹地图。在一条主干道上设四个丁字路口，作为四种垃 圾倾倒点。 实施建议：不同种类的红外循迹传感器感应黑白线的距离不同，也受环境光影 响，要提前测试与地面的距离。 6. 学习循迹程序 设计意图：学习循迹程序，提高对红外传感器使用的熟练度。 学生活动：学生自学，教师讲解，编写循迹程序。 实施建议：详细讲解程序。 7. 调试机器人 设计意图：回到设计制作流程，理解程序，不但要实现其功能，还要求其 稳定。 　第三单元　服务性劳动　 167 << 学生活动：反复调试机器人，直至机器人功能趋于稳定。 主要是调试电机转速和舵机角度，使垃圾车循迹更准确，倾倒垃圾更顺畅。调 整机器人的结构，使机器人的结构更稳固、更合理、更美观。 实施建议：学生不断测试，老师到小组指导。 8. 优秀作品展示、评价 设计意图：展示优秀作品，增强学生自豪感；相互评价，取长补短；以问题 结束本节课，激发学生继续学习兴趣。 学生活动：展示自己作品；小组讲解本组设计主题和方案，并展示本组设计制 作的作品。学生主要从以下几个方面进行展示和讲解：结构实用性、结构创新性、 结构美观性、调试完成情况。 实施建议：学生作品与老师作品 PK，增强课堂活跃度。抛给学生课后继续学习 的问题：垃圾车倾倒垃圾后如何实现自动返回呢？还有什么垃圾分拣装置？能否优 化垃圾分类车的循迹地图，使机器人的垃圾分类过程更优化。 主题案例五　绘制校园创意导览图 一、“绘制校园创意导览图”主题分析 导览，顾名思义就是引导游览。导览图是一种引导人们参观游览的地图。虽然 导览图是一种地图，但其与传统的地图却存在较大的差异。例如，我们在地理书上 经常会看到世界地图、中国地图。这类专业的地图的绘制要遵循严格的绘制法则。 而校园导览图对精准性没有那么严格的要求。其主要目的是帮助初次进入校园的人 快速熟悉学习和生活的环境，帮助校内师生和来访者更好地了解校园，感受校园 文化。 为了能够调动学生学习的积极性，我们将劳动教育融入校园文化建设，提出 了绘制校园创意导览图这一主题。通过本课的学习，能够提高学生的创新能力和实