《智能风扇》教学设计

学习内容分析

本课是《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》第三学段“过程与控制”模块的自编内容，属于“系统与模块”中的“身边的控制系统”部分。本课聚焦身边无处不在的控制系统，结合Mixly软件与Arduino开源硬件模拟实现风扇系统。本课的学习内容分为“解构风扇系统”“建构感应风扇系统”“实现温控感应风扇系统”三个部分。第一部分从组成要素的角度观察系统，探究开关风扇系统的控制方式；第二部分从功能实现的角度改造系统，实现自动控制的感应风扇；第三部分从功能优化的角度改进控制方式，实现温控感应风扇。在迭代优化中，认识系统的控制过程通常包含输入、计算、输出三个环节，通过这个环节可以加深对“身边的系统”的认识。

学习者分析

本课的学习对象为六年级学生，该年龄段的学生开始接受更为复杂的知识，思维变得更加抽象，善于与同龄人合作。经过前面的学习，学生已经具备在线学习的基本素养，能熟练使用图形化编程软件编写游戏和故事，能从“功能”和“组成要素”角度观察身边的系统，这为本节课学习“将风扇系统升级为感应风扇系统”打下了良好的基础。但是六年级学生未接触过开源硬件，且建构模型解决问题的能力较弱，因而需要逐步引导才能分析控制系统各环节的关系，建立输出与输入的关联，并将系统模型转换为程序实现。

学习目标

①能够列举和分享生活中过程与控制的案例，认识到过程与控制在生活中广泛存在。

②能根据需要设计过程与控制的方案，并在实验系统中加以验证。

③通过认识生活中广泛存在的输出与输入的关联，了解过程与控制可以抽象为包含输入、计算和输出三个环节的系统。

④在设计与优化风扇系统的过程中，形成通过迭代解决问题的思维方法。

教学过程

1.场景分析，感知控制系统

师：（引导学生观看视频）为了方便乘客快速、有序通行，火车站进出口处配备了闸机系统。

活动1：感知身边的控制系统。

（1）说一说闸机系统有什么功能、它是怎么工作的。（摄像头能采集人脸信息，读卡器读取身份证信息，然后对比人脸信息、身份证信息是否与数据库中一致，如果一致就放行）

小结：像这样对系统的若干个环节实现管理或者控制，就形成了控制系统。

（2）说一说身边的控制系统、它们给生活带来了怎样的变化。

（3）体验感应风扇产品，说一说它是如何工作的。（人在即开，人走会关）

小结：控制系统在人类社会广泛存在，随着科技的进步，其正逐步朝着自动化、智能化发展。

设计意图：通过观看火车站出站闸机系统的视频，描述系统的控制过程，学生初步感知控制系统的概念，再交流控制系统在生活中的应用，进一步感知控制系统的普遍存在。从归纳到演绎，体会多样的控制系统使得生活充满秩序与平衡。

2.原理认知，解构控制系统

师：为了研究这个问题，老师给同学们准备了风扇系统。

活动2：分析风扇系统的结构与功能。

（1）观察风扇系统的结构，说一说风扇主要由哪些要素构成。（按键开关模块、主控板、电机驱动模块、电机、扇叶）

（2）风扇系统是如何实现控制的？请玩一玩桌面的拼图游戏（如图1）。

（3）阅读程序，观察风扇状态与开关状态之间的关系。

①学生2人一组，明确各自的工作职责（如右下表）。

②操作员连接主控板和计算机后，再通电。

③程序员打开Mixly，选择Arduino AVR；打开桌面的“fan1.mix”程序，选择正确的串口，编译、上传程序（如图2）。

④操作员按下或松开开关按键，观察并汇报风扇的状态。

小结：风扇系统通过对开关输入信号的判断，决定风扇是转动还是停止。

设计意图：由于学生未曾接触过Arduino开源硬件与Mixly编程软件，为了降低认知难度，采用解构式教学模式，引导学生在整体认识风扇系统的结构、功能之后，测试风扇状态与开关状态变化之间的关系，理解各个控件的作用，了解风扇系统的控制过程。为了避免学习活动中的手忙脚乱和分工不明确，活动中采用了“配对学习”的模式（一人负责硬件连接和观察系统，一人负责上传和调试程序），使学生能更从容有序地解构风扇。

3.修改环节，建构控制系统

师：风扇模型具有自动开关的功能吗？怎样实现自动控制？让我们为它增加“人体感应”功能。

活动3：实现感应风扇。

（1）什么传感器具有“人体感应”功能？（人体感应器能检测出人体发出的特定波长的红外线）

（2）类比开关风扇系统的控制过程，分析感应风扇系统的控制过程（人体感应器实时检测是否有人。如果有人，风扇转动；如果没人，风扇停止。具体如下页图3所示）。

（3）交流并明确操作规范。

①想一想：怎么判断管脚接线是否正确？（杜邦线颜色与数字输入管脚颜色一致）

②说一说：在通电情况下频繁插拔杜邦线，可能会有什么后果？（漏电、烧坏模块或主控板）

③读一读：操作时要规范，先断电再接线；记得轻插轻拔，管脚一一对应；先硬件后软件，选择串口再上传。

（4）安装人体感应器，阅读并修改程序，搭建感应风扇系统。

要求：①操作员任选数字输入管脚连接人体感应器和主控板，程序员检查接线是否正确（如图4）。②操作员在连接主控板和计算机后，通电；程序员打开桌面的“fan2.mix”程序，阅读并修改程序（如图5）。③操作员用塞满棉花的纸杯罩住（或不罩）人体感应器，模拟无人（有人）在的情况，观察并汇报风扇的状态。

小结：通过人体感应器判断是否有人，将开关风扇升级为感应风扇，实现风扇系统的自动控制。

师：感应风扇已经具备了自动控制的功能。当无人在时，风扇自动关闭；但是，只要有人在，无论春夏秋冬，风扇就一直转着。还可以为感应风扇添加什么功能？（实时检测温度）

活动4：实现温控感应风扇。

（1）什么传感器能实时检测温度？（数字温度传感器）

（2）类比感应风扇的控制过程，分析添加数字温度传感器后的控制过程。（如果检测到有人且实时温度高，那么风扇转动；否则，风扇停止。具体如下页图6所示）

（3）小组合作优化感应风扇系统。

①在原有硬件基础上，操作员任选数字输入管脚，依次连接数字温度传感器、主控板和计算机，程序员检查接线是否正确（如图7）。

②操作员通电，程序员打开桌面的“fan3.mix”程序（如图8），阅读并修改程序。

③操作员轻轻握住数字温度传感器，模拟室温的变化，观察并汇报风扇的状态。

小结：通过添加温度传感器检测实时温度，将人体感应风扇升级为温控感应风扇。当实时温度高于预设温度时，风扇转动。

（4）分析开关风扇、感应风扇、温控感应风扇的控制过程，说一说有什么共同环节。

小结：一个简易系统的控制过程往往要经过输入、计算、输出三个环节才能实现。

设计意图：采用逆向工程教学中的“要素增减”模式，引导学生在体验、解构风扇系统的基础上，分析和再设计风扇功能。小组合作添加人体感应器，实现自动控制的风扇系统；添加数字温度传感器，进一步优化感应风扇的自动控制功能。最后，通过系统方框图抽取系统的关键特征和环节，建构“输入、计算、输出”的计算模型（如图9）。

4.总结提升，理解控制系统（略）

教学反思

本课以“感应风扇系统的控制过程”为研究目标，借助实物模型和拼图游戏，引导学生分解结构、描述功能，并在实验系统中加以验证，将抽象的知识具象化。学生在解构风扇系统、建构感应风扇系统、实现温控感应风扇系统中，学会从组成要素的角度观察系统，从功能优化的角度实现系统。由于学生初次使用Arduino开源硬件与Mixly编程软件，为了避免学习活动中的手忙脚乱和分工不明确，采用了“配对学习”的模式（操作员负责硬件连接和观察系统，程序员负责程序上传和程序调试），让合作真正发生。学生亲历了从解构到改造的探究过程，提升了问题解决能力，发展了计算思维。

点  评

这是一节参加2023年全国小学信息科技优质课展示交流活动的比赛课。本节课涉及的是《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》中第三学段“过程与控制”模块自编的学习内容，需要教者在准确把握授课内容的基础上合理实施教学。考虑到小学六年级学生已能从“功能”和“组成要素”角度观察身边的系统，且抽象思维能力与类比迁移能力有所提升，因此，教者没有将本课定位为起始课，而是运用开源硬件和编程软件搭建风扇系统，让学生在将开关风扇系统升级为温控感应风扇系统的过程中，了解控制系统的概念，认识系统的控制过程包含输入、计算、输出三个环节。

围绕“将开关风扇系统升级为温控感应风扇系统”这一项目需求，教者设计了3个递进式的学习活动：活动2从组成要素的角度观察系统，初步建立风扇状态与开关信号之间的联系；活动3从功能实现的角度增加人体感应器，实现自动控制；活动4从功能优化的角度添加数字温度传感器，实现温控感应风扇系统。无论是开关风扇还是感应风扇，或者是温控感应风扇，它们都有输入、计算、输出三个环节。这个知识不是教师直接灌输给学生的，而是学生在迭代优化风扇系统的过程中自主建构起来的。经过“场景分析—原理认知—应用迁移”的学习路径，学生不断修改和优化已有风扇系统，理解控制系统的过程与原理，建立数字世界和物理世界的联系。这样不仅唤醒了学生对生活的观察与思考，而且给学生埋下了一颗创造的种子，体现“将技术应用于生活”的理念。

但是学生未曾接触过Arduino开源硬件与Mixly编程软件，为了避免学习活动中的手忙脚乱和分工不明确，采用“配对学习”模式，小组中的两位成员不再是自由合作，而是具有明显的角色分工，可以较好地避免普通合作学习模式存在的“搭便车”问题。但是，在任务完成过程中没有进行角色互换，这也容易造成“角色固化”问题。