刘海武

【摘要】本文论述教师在小学科学课堂上通过五个课堂活动指导学生基于Scratch傳感器搭建智能照明系统的方法，认为教师可通过指导学生反复实践、修改和呈现不同的作品状态，让学生慢慢悟出其中的道理和原理。

【关键词】Scratch传感器 小学科学 智能照明系统

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2019）02A-0131-02

“智能照明”项目教学研究是基于Scratch外接工程实践类的教学尝试，智能照明系统可分为智能光控灯、智能声控灯以及智能声光控灯三类。本项目实施一般为3～5课时，主要让学生通过观察生活、总结规律和原理，自主探究基于Scratch外接的智能照明系统。

一、学情分析

六年级学生思维敏捷，动手和模仿能力强，且对外界现象具有一定的分析能力，他们在五年级下学期已经有了Scratch 1.4的学习经验和基础，并在六年级前几节课中了解了Arudino及Scratch外接的基本使用方法及硬件的基本搭建。苏州工业园区第二实验小学的学生全部在城市长大，他们从小就使用智能设施设备，具备一定的智能理念。考虑到课堂教学中电路的安全，本项目主要采用LED灯模块作为灯光控制设备。

二、教学目标

（一）知识与技能目标：了解传感器的工作原理;了解LED灯的工作原理;了解基于传感器的智能控制原理;掌握光、声以及声光控制的智能灯的程序组装和设计。

（二）过程与方法目标：学会设计智能灯控制系统的基本方法;能解决实际生活中智能灯光设备的建模、实施等问题。

（三）情感态度与价值观目标：了解科学，实际体验智能创造以及智能创造对人类的价值;培养学生积极主动利用自己所学知识与技能去改造世界的能力和精神;在项目实施中培养学生攻坚克难、持之以恒的良好品格。

三、教学过程

（一）引入

教师提问“什么是智能”并展示生活中的智能设施设备，如智能烧水壶、智能空调、智能插座、智能灯等。学生讨论“智能设备有哪些共同的特点”，教师将学生的讨论结果罗列出来并提炼出智能设备的要素（如图1）。

传感器板在连接Scratch软件后，就是一个很好的控制中心，能把传感过来的模拟信号转化为程序识别的数字信号并根据条件判断是否开关设备，实现智能识别。

教师向学生介绍小区楼道或厕所智能灯的工作原理，通过对比确立基于Scratch传感器板外接的智能照明系统的研究目标，在确立研究目标的同时，提出实现智能照明所需研究的内容以及实现智能控制的技术与设计方法。

（二）活动一：认识LED灯

学生根据教师提供的LED灯线路连接图，找出线路连接中哪个控制信号输出、哪个控制外部电源开关，明确传感器板是如何控制LED灯的亮度的。

设计意图：通过观察线路和教师讲解，学生掌握LED灯的工作原理，在此基础上了解发光二极管中不同信号和电压的作用。

（三）活动二：认识传感器

1.学生根据创客板连接经验，测试光度和声音传感器，找到读取声和光数据的正确方法，并通过调整光亮度和声强度来获取取值范围。

教师总结：“老师给大家介绍了集成在创客板上声音和光线的模拟传感器，与之对应的是连接Scratch传感器板后获取的数值。声音的数值大概在0～20之间，光线的数值大概在0～50之间。”

2.学生讨论：多大的声音强度或光线强度能让灯亮起来？找到灯亮的临界条件：让传感器获取模拟信号，从而通过Scratch传感器板获取临界数值。

设计意图：学生通过动手实验、观察分析、讨论总结这三个环节，一方面在实际操作中了解了什么是传感器以及传感器的工作原理、取值范围，知道了模拟信号与数值信号对应转换关系，为后续编程数据铺垫，另一方面通过观察声、光传感器以及思考、实践，促进学生对其他传感器使用的理解和掌握，为后续其他综合项目奠定基础。

（四）活动三：学习智能灯控原理

1.利用声传感器和创客板的电机输出来控制LED灯的亮与灭

根据声音传感器获取的数值进行判断，反复侦测实现的效果。设置当声音强度高于某个值时打开电机，此时灯亮10秒，10秒后关闭电机，LED灯灭，反复执行。

2.利用光传感器和创客板的电机输出来控制LED灯的亮与灭

根据光传感器获取的数值进行判断，反复侦测实现效果。设置当光亮度高于某个值时打开电机，此时灯亮10秒，10秒后关闭电机，LED灯灭，反复执行。

3.利用声光传感器和创客板的电机输出来控制LED灯的亮与灭

根据声光传感器获取的数值进行判断，反复侦测实现效果。设置当光亮度高于某个值且声强度高于某个值时，打开电机，此时灯亮10秒，10秒后关闭电机，LED灯灭，反复执行。

设计意图：通过声、光强弱所产生的模拟数据与Scratch程序模块结合起来控制LED灯的亮和灭，在此基础上培养学生的编程思维能力和水平，提升学生通过实验来追求真理的意识和能力。

（五）活动四：设计及搭建智能灯控系统

1.集体设计总体智能灯流程图方案，总结如下图所示。

2.学生每3人一组，将任务分为3个部分——传感侦测、程序控制、效果评估。学生以小组为单位开展独立项目研究与实施。负责传感侦测的人主要负责条件判断的临界值测试，负责程序控制的人主要负责程序的设计与优化，负责效果评估的人参与整个实施并负责最后的汇报。项目实施原则是能够实现功能、节约经济、程序最优。

学生在实现程序过程中会出现一些问题。例如，既要考虑节能，又要考虑灯的使用寿命，该如何有效设置声强度和光亮度的临界值;声光传感器在测试数值时，由于数值的上下浮动不便于提取临界值;由于个人生活经验和习惯不同，临界值的大小和需要灯亮的时间也不一样;在实践声光控灯时，既要考虑光线，又要考虑声音强度……这些对学生来说都是不小的挑战。

教师给予学生适当的指导，如提取声、光强度的临界值，考虑到数据会出现波动，负责传感侦测的学生可准备一个密封的立方体盒子，把声光传感器放入盒子中再进行数据提取;考虑到老人和小孩的声音较小，所以声音的临界值略小点为好，设计声光控制灯程序时用选择语句。

设计意图：通过前期Scratch传感器板程序的运用与实践，学生了解了系统原理，基本能设计出系统的雏形，但在实践过程中，问题往往不可预料，因此教师对学生进行智慧分组，鼓励小组之间相互借鉴，在学生遇到困难时，尤其是在程序优化的策略上多给学生指导和帮助，培养学生的动手能力、合作能力以及迎难而上的精神。

（六）活动五：汇报及反思

通过近3节课的自发性研究，学生基本上完成了声控灯、光控灯和声光控灯的程序设计，小组成员基本都了解了声、光控灯的控制原理。各组汇报实现智能灯控系统时的工作内容、方法、成果以及创新之处，并对不足进行反思交流。

设计意图：学生呈现作品后进行反思交流，是对作品创造思路及过程的重新梳理，再一次剖析对学生而言比较复杂的系统。通过交流也能让组与组之间共享一些解决问题的方法和技巧，相互学习，共同进步。

四、教学反思

把生活中非常普通、我们天天在用的智能设备作为本项目课堂研究的对象，有效促进了学生的自主探究兴趣和欲望。对小学生而言，他们排斥的是理论和讲解，需要的是操作、实践以及作品的呈现。因此，在教学过程中，只有通过让学生反复实践、修改和呈现不同的作品，才能让学生慢慢悟出其中的道理和原理。学生先了解LED灯的工作原理，再从生活中的灯展开研究，先了解光控灯，再了解声控灯，在此基础上研究声光控的制作，层层推进，掌握了知识与技能，通过实践操作、不断尝试，在解决问题中不断发现问题，在分析问题中不断解决问题，在解决问题中不断发现新的问题，如此循环，提高了研究兴趣以及追求真理的恒心和决心，从而提高了信息素养。

（责编 刘小瑗）