吴筝 上海市曹杨第二中学信息科技教师，高级教师职称，教育硕士。曾获上海市教师教学评优一等奖,多次获中国儿童青少年威盛中国芯计算机表演赛全国总决赛最佳指导教师、最佳组织奖等荣誉称号，多次指导学生在全国、上海市各类信息技术竞赛中获得一等奖。

学习背景

为进一步加强学生的能源忧患意识，响应国家提出的节能减排要求，本课围绕“节能环保、从我做起”的主题，帮助学生养成健康、文明、节约、环保的良好习惯。

本课使用乐高积木进行创意教室与智能灯的搭建，使用Scratch 2.0主程序和其中的PicoBoard扩展模块完成程序编写，实现通过光线传感器与声音传感器感知周围环境来驱动马达完成开关教室灯的人机交互。通过融合机器人与Scratch开发创意智造项目作品，将STEM的教育理念融入具体实际问题的解决过程中，在科学探究中发展学生的实践能力、合作能力和创新意识。

教学目标

知识与技能 使用乐高积木设计并搭建创意教室与智能灯；描述Scratch Borad中光线传感器与声音传感器的作用；使用Scratch的PicoBoard扩展模块完成读取光线传感器与声音传感器数值和驱动马达的操作；参照学习支架完成Scratch程序编写。

过程与方法 经历小组合作完成创意教室与智能灯积木搭建与程序设计的过程；尝试观察分析光线传感器、声音传感器的数值与周围环境的关系；有效运用“观察现象—发现问题—分析原因—尝试解决”的程序调试方法，解决实际问题。

情感态度与价值观 体验人机交互的过程，提升学习兴趣与创新思维；养成“从我做起，节能环保”的意识。

教学重点与难点

教学重点 描述光线传感器与声音传感器的作用；使用Scratch中的PicoBoard扩展模块完成读取光线传感器与声音传感器数值以及驱动马达的操作。

教学难点 合理调试光线传感器与声音传感器解决具体问题。

教学过程

一、创设情境引入主题

最近学校正以“节能环保、从我做起”为主题开展节能减排活动，这让学生深刻体会到节能环保需要从每个人身边力所能及的小事做起，切实加入节能环保的行列中。本课以教室为研究对象，让学生们思考怎样将科技与生活经验相结合，开发能用声音与光线控制的智能灯。

二、小组合作解决问题

1.构思设计
教师组织学生讨论日常生活中开关教室灯的外界环境，分析触发灯开关的必要条件。学生以小组为单位设计创意教室与智能灯的草图，并使用乐高积木完成相关组件的搭建。

2.探究新知
学生将PicoBoard与WeDo套件中的马达与计算机相连，利用Scratch软件观察分析光线传感器、声音传感器的数值与周围环境的关系，判断驱动智能灯开关的大致参数。

3.编程与调试
在前期讨论和观察分析的基础上，学生小组逐步完善Scratch程序编写，通过运用“观察现象—发现问题—分析原因—尝试解决”的方法不断调试，完成符合现实环境下的智能灯设计。

三、展示与评价

教师组织学生以小组为单位进行作品展示，并向全班同学介绍作品特色、设计思路、遇到的问题以及解决方法，由教师和其他小组一起对作品进行演示评价。

四、反思与创新

教师引导学生对本组作品的不足进行反思，鼓励学生继续对作品进行完善和创新。

案例详解

一、关于智能灯触发条件的讨论
1.什么情况不需要开灯？
（1）教室环境光线足够亮；（2）教室环境光线不够亮，但是教室里没人。

2.什么情况需要开灯？
教室环境光线不够亮，并且教室里有人。流程图如图1所示：

图1

二、PicoBoard功能介绍

PicoBoard是一款可以与计算机连接进行编程并控制机器人的传感器板，集成了光线传感器、声音传感器、按钮、滑杆，以及4个电阻传感器插口，可以去识别光线、声音、触摸、电阻变化等信号。（如图2）

图2

将PicoBoard通过USB接口连接到计算机上，启动Scratch 2.0后，在“更多积木”模块中就可以调用PicoBoard扩展模块。（如图3）

图3

三、光线传感器与声音传感器的探究

将PicoBoard连接到计算机上，在Scratch中编写简单程序。（如图4）

反复用手遮挡、放开光线传感器，读取光线传感器的值，可发现其数值范围在0到100之间，且光线越强数值越大，光线越暗数值越小。在声音传感器前反复发出音量不同的声音，读取声音传感器的值，可发现数值范围在0到100之间，且音量越大数值越大，音量越小数值越小。（如图5）

图4     

图5

通过实验探究，学生理解了光线传感器与声音传感器的作用，并且体会到只有合理利用两种传感器设置复合条件，才能有效实现智能灯的自动开关功能。

四、程序设计与调试

1.需求分析
根据之前智能灯触发条件的讨论可知，有3种情况需要判断：（1）当光线传感器的数值高于某个数值时，说明光线足够，不需要开灯；（2）当光线传感器的数值低于某个数值时虽然说明光线过暗，但此时需要结合声音传感器的数值进行判断，如果声音传感器的数值高于某个数值，说明教室里有人，则需要开灯并保持一定时间；（3）如果光线传感器的数值低于某个数值，同时声音传感器的数值也低于某个数值，说明光线过暗且班级里无人，则需要将灯关闭。这样就可以通过自然光与声音的变化实现自动控制教室里灯的开关。

2.程序设计
触发教室里智能灯开关的3种情况可以使用两个“如果……那么……否则”的分支结构进行嵌套，也可以使用三个“如果……那么……”进行单独判断。

要同时满足光线传感器与声音传感器的条件，需要使用运算模块中的运算。

如果开灯的条件成立，则启动马达，设定马达功率、转动方向、启动时间，带动手摇发动机点亮代表教室里灯的小灯泡；如果关灯的条件成立，则关闭马达。

为了保证程序的有效执行，还需要一个“重复执行”的循环结构来帮助光线传感器与声音传感器持续收集周围环境的相关数据。当然具体的数值与传感器在教室中的位置有很大关系，要根据实际情况进行调试。本案例的具体程序如图6。

图6

五、完善创新

作品展示交流后，教师需要给学生一些时间梳理设计思路、完善提升本组作品。如根据季节变化改变传感器监测周围环境的时间段（冬季天黑得较早），增加其他传感器提高监测的准确性，根据光线调整灯的亮度，等等。