“智能小夜灯”项目式学习案例

随着科学技术的不断发展，智能产品已经走进家家户户，人工智能正在对人们的生活、学习与工作，特别是解决问题的思维方式产生了深刻的影响，人工智能教育成为信息科技学科的教育热点。

教学分析

本节课以《亮度可调灯》为基础内容展开项目式教学，通过创设“智能产品招标会”的形式，模拟真实的社会活动，让学生以产品设计师的角色对照明设备进行智能化的改造或者创新完善。本次教学旨在促进学生运用已学知识，围绕“如何提升产品设计优势”这一问题，创设教学环节和教学资源，巧妙地将学习目标和学科具体内容紧密融合到实际问题的解决之中，培养学生创新精神以及动手实践能力。

教学中综合运用信息科技、数学、美术等知识，贴近学生生活，引发学生学习兴趣，使其快乐学习。

学生思维敏捷且掌握一定的学习方法，具备独立思考能力；能够制作电子资源表达展示自己的设计想法；学生思维占主导地位，教学中设计创新部分充分激发学生学习的主观能动性。

教学目标

1.三维目标

知识与技能目标：通过观察、分析小夜灯基础的功能类型，剖析映射原理，尝试描述映射概念，能够将数学知识迁移运用到信息科技编程中，能够跨学科重新建构知识体系，促进知识内化，提高知识迁移运用能力。

过程与方法目标：通过对智能产品的设计与功能研发，能够对智能社会有更深入的认识；促进对知识的巩固和迁移，培养创新意识；通过同伴互助，共同探究，培养自主探究意识、团队协作意识以及合作学习能力，能对自己和他人的研究活动与结果进行客观评价。

情感态度与价值观目标：通过模仿与创新，在学习和交流的过程中，感受到智能社会的美妙之处，体验到人工智能给生活带来的便利，激发学习兴趣，提高知识内化能力，为培养数字时代的新兴人才奠定基础。

2.核心素养与学科融合

为实现智能小夜灯基础功能，运用数学学科映射、比较运算、逻辑判断等概念，将数学知识迁移至信息科技编程，实现跨学科知识体系重构；运用美术学科中外形设计结构原理、美观优化设计等知识内容，实现小夜灯外形设计与制造，从艺术、美的角度完成项目美观设计；运用传感器、编程等知识发掘智能小夜灯创新点，使用光敏、声敏、人体感应等传感器模块为智能小夜灯创新赋能。多学科、多角度融合为智能小夜灯的实现奠定基础。

在科技时代，学生要具有一定信息感知力，能够发现身边智能产品设计的优势与不足，能够发现问题并具备自主实践解决问题的能力，对问题进行分解、建模，并通过算法形成解决问题的方案，最终在验证最优解的过程中反思、优化，开展探究性学习，创造性地解决问题。本次教学体现学生自主实践解决问题、掌握核心技术的信息意识；对问题进行分解、建模反思优化设计方案的计算思维；根据设计需求，创造性运用科技、高效解决问题的数字化学习与创新能力；理解信息科技给人们学习、生活和工作所带来的影响的信息社会责任。从核心素养内涵上着力培养学生，促进学生科技社会的素养与技能提升。

教学过程

本次项目的教学过程包括项目引进以及项目设计、实施、优化、展示等，围绕“智能小夜灯有哪些功能”“不同功能的小夜灯的外观怎样设计”“如何评价智能小夜灯？如何优化设计”“如何说服电商集团采用你的方案设计”四个问题开展，设计思路如下图所示。

1.智能小夜灯—功能设计实现

（1）项目引进

某电商集团近年来发展人工智能相关产品，产品之一就有新款智能小夜灯，为此该集团面向社会公开招标。

（2）制订方案

学生分组对智能小夜灯功能进行设计并填写方案设计表（如下表）。

（3）基础小夜灯功能实现

①思考：

a.控制小灯亮度的是什么硬件模块？

b.怎样使用该模块使小灯亮度发生变化？

亮度可调灯，即通过调节旋钮电位器来控制LED亮度，是生活中常见的一种照明工具。其原理就是通过旋钮电位器改变其自身阻值大小，进而改变LED模块的电流大小，实现亮度明暗变化。

c.创新点应该由什么模块实现？

②难点突破：映射。

a.怎样控制旋钮电位器模块和小灯？

输入/输出模块：

模拟输入（旋钮电位器）输入信号值范围为0～1023；A0～A5的管脚支持输入模拟信号。

模拟输出（LED模块）输出信号范围为0～255；主控板编号数字带波浪线支持输出模拟信号。

b.怎样达到小灯亮度逐渐变化的效果？

数学模块：映射。可将两组数值范围不同或代表含义不同的数组之间建立对应关系。例如，温度的高低范围对应直流电机的转速快慢；距离的变化范围对应警报间隔的时间长短。本课中旋钮的数值范围对应LED模块的亮度大小。

重点明晰：控制小灯亮度的是（旋钮电位器）硬件模块。通过（模拟）输入模块控制该硬件模块。使用（映射）模块使小灯的亮度逐渐变化。

③功能程序设计。

a.任务分析：应用到的硬件与传感器。

b.任务建模：程序流程图绘制。

c.编写程序：Mixly程序设计。

d.程序测试5步：检查硬件—检查编写程序—硬件连接—选择主控板（端口）—上传。

（4）总结反思

总结：输入—计算—输出的计算模式。

过程性评价：使用学习成果检测表对学生基本知识技能掌握进行总结评价。

2.智能小夜灯—外形设计实现

（1）设计因素

考虑智能小夜灯使用场所、设计缘由、功能设计、灯具外观、灯具材料、所具优点/特点等，根据需求重新调整原本的设计。

（2）拓展内容：灯具材料

聚合物材料：具有透光性好、耐水性强、不易破碎、易成型、易着色、耐老化、重量轻、价格低廉等优点，被广泛应用于灯具外壳。

①增强改性聚氯乙烯合金（PVC合金）：优点—化学稳定性好，寿命长；阻燃极佳；耐低温性能好：正常使用温度可达-30℃以下；透光性好；与胶水结合性能好（在做防水处理时，水密性和气密性特别好）缺点—加工成型性稍差；耐高温性不理想；只能在70℃以下长期使用。

②聚碳酸脂（PC）：优点—耐高低温性良好（可在-60℃～120℃之间长期使用）；抗冲、拉伸、弯曲、压缩强度高；阻燃性能较好；透明度较好。缺点—在户外使用较易老化，使用寿命短（耐紫外线、强碱、氧化性酸、有机溶剂较差）；特别不适用于户外和潮湿的环境使用（长期与水接触，容易水解，造成开裂）；加工性能较差，加工成本高，聚合物的价格较贵。

③聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA-亚克力）：优点—透明性极好，有利于灯具透光，灯具外观美观；耐磨性极佳，是所有以上聚合物材料中耐磨性最好的；具有较好的抗冲击性能；加工性能较好，加工成本较低。

综上所述，针对灯具塑料外壳选用聚合物材料，从阻燃性、透光性、强度、寿命、成本等综合因素考虑，综合性能最佳的顺序为：增强改性聚氯乙烯合金（PVC合金）→聚碳酸脂（PC）→聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA-亚克力）。

硅胶灯罩：环保，无毒无味，并且弹性好；耐磨损，耐高温，不变形，可以长期使用；外表光滑，手感强，是真正的绿色环保用品；可以做单色、双色、三色以及与其他颜色混合。

学生根据拓展内容，挑选合适灯具材料完成整体灯具外形设计。

（3）绘制设计图纸

根据小组设计，小组成员共同完成产品设计手册，方便后续智能小夜灯产品落地实施。

3.智能小夜灯—评价及优化

（1）制作评价量规

从智能小夜灯便利性、安全性、美观性、节能性等角度思考如何评价项目产品，由小组成员讨论并制订项目评价量规，满分共100分。

在小组成员完成讨论后，由教师组织进行展示，其他小组进行补充，最终公布综合性评价。

设计意图：学生自己制作评价量规更能从多角度去考虑产品的功能性以及实用性等，能够对产品要求有更清晰明确的思考认知，认识到产品的优势与不足；体现学习过程中教—学—评一体化设计，坚持以评促教、以评促学。

（2）优化方案设计

设计小组根据综合性评价量表重新优化产品设计，从多角度修改，进一步完善方案，为后续产品成功展示招标做好准备。

4.智能小夜灯—展示与总结

（1）模拟招标会宣讲

学生制作演示文稿和宣传图，以设计团队的身份参加模拟招标会，对产品进行宣传介绍，争取投标成功。

（2）评选最优设计产品

小组互评，教师参评，共同公正公平进行打分评选出优秀产品，最终优秀设计产品将发布至校园公众号等平台，招商引资并投入生产使用。

（3）总结与收获

师生进行总结收获，回顾整体项目进程，感悟知识的获取过程及结果，体验智能社会的美好。

教学亮点

1.项目带入，教学情境化

以集团招标形式引入未来社会中可能会出现的智能产品设计，让学生身临其境感受学习的魅力。学生化身小小设计师，带着自己的想法、理念，参加模拟社会场景的竞争招标会，提前认识、融入社会，感知整个社会的未来发展。

2.模拟编程

在理论课程中，在教室教学中不能够进入机房编程的模拟编程实验，利用希沃白板能够很好地弥补这一遗憾，将编程“搬”到课堂上，将编程所用到的代码块放在希沃白板里进行拖拽，模拟编程，帮助学生提高编程能力。

3.SCS创客教学法应用

在项目式教学的依托下运用SCS创客教学法，SCS创客教学法有情境故事引入、简单任务模仿、知识要点讲解、拓展任务模仿、创意激发引导、协同任务完成、成功作品分享等7个环节，从教师引导到学生的协作学习全面进行项目式的学习。此外，将“算法”大单元的设计想法与SCS创客教学法融合进行相关智能产品小灯的学习，让课程在不脱离校园学习的同时发挥别样的意义。

4.艺术、生活结合

经过观察学生的作品，发现他们的作品中经常包含生活中常见的一些事物，如吉他、气球以及结合时事热点的冰墩墩等，在学生的设计中既有生活化的气息也有艺术性的存在，让学生知道学习内容是多学科多方面兼容，并不是独立存在。

5.教—学—评一体化设计

坚持以评促教、以评促学，是教学一贯的要求。学生自主设计量规，能够从使用者、设计者、开发者等不同的角度去全面评价他们的产品设计，在认识到优势与不足后再进行优化，锻炼学生换位思考能力。

6.模拟招标会

模拟招标会让学生身临其境感受角色的变化，从而充分地意识到整个项目的内容实施，让学生提前感知社会氛围，为更好地融入社会奠定基础，此外也是为项目进行一个完美的总结。

教学反思

1.教学设计反思

新课程标准提出要求，借助学习与生活中的实例，体验身边的算法，理解算法是通过明确的可执行的操作步骤描述问题的求解方案，能使用自然语言、流程图等方式描述算法。结合生活中的实例，了解算法的顺序、分支和循环三种基本控制结构，能分析简单算法的执行过程和结果，培养学生建立“输入—计算—输出”的计算模式。

本节课依据课程标准，设立教学目标，通过任务驱动，对实际任务进行分析，通过硬件连接的过程，进一步让学生理解主控板与模块之间的工作原理，进一步提高学生图形化编程的能力。学生在小组合作完成对实例分析的过程中，掌握学习方法，灵活运用所学知识，完成实例设计制作。通过搭建、分析、编程环节完成智能小夜灯的制作，逐步建立编程思维，建立输入—计算—输出的计算模式。

此外，课程内容承前启后，既融合了之前的教学内容，又提供了综合应用的契机，促进学生将所学知识与生活相联系，真正做到了学以致用，为未来适应智能社会奠定基础；小组合作的方式，让学生能够依据自身所长，合理分工，各尽其能，沟通交流，共同完成产品的设计，提升课堂参与感和团队协作能力；展示与交流环节客观公正，学生既能凸显自己作品的特色，又能辩证地阐述不足。学生为作品中创新想法而鼓掌，也为作品的改进提供有参考的意见。

2.教学过程反思

以写促思，以思促教。在本节课的教学过程中，从提出问题出发，培养学生发现问题、提出问题的能力；通过任务分析、任务建模对问题进行全面解析，从问题的本质出发，从原理上解决问题。此外，本节课设计亮点更在于信息技术手段的使用。由于本节课部分为教学理论基础课，无法实时进行编程，本次设计中巧妙结合希沃白板功能，将编程“搬”到课堂上，让学生通过使用希沃白板的移动拼接功能，实现程序建模及编程，弥补了不能实时上机的遗憾。

在课堂教学过程中，学生是学习的主体，学生总会有“创新的火光”在闪烁，教师应当充分肯定学生在课堂上提出的一些独特的见解，这样不仅使学生的好方法、好思路得以推广，而且对学生也是一种赞赏和激励。同时，这些见解也是对课堂教学的补充与完善，可以拓宽教师的教学思路，提高教学水平。