袁施春 就职于江苏省南通市通州区实验小学，2017年获得江苏省小学信息技术青年教师教学基本功大赛一等奖，同年被南通市通州区教育局授予“金牌选手”称号。“计算思维理念下重构信息技术课堂”省课题组成员。
 

设计依据

随着人工智能时代的到来，各种功能的机器人设备应运而生，其主要功能从单纯机械地重复一个动作，到模仿人类思考。这些机器人都有一个共同的特征——为人类服务。

本项目希望利用超声波传感器的测距功能，制作一款能够提醒门窗开关情况的设备，充当起“家庭安全卫士”的角色。在这个过程中，让学生感受智能设备的特点，了解创作发明的一般过程，并对超声波传感器的应用有更加深刻的认识。

课例特色

本项目的主要设备是Arduino主控板、超声波传感器、蜂鸣器和电池盒。通过这些简单的设备，实现开门开窗就报警的功能，时刻给予家人安全提醒，起到守护家庭、守护家人的作用：并通过这些简单设备（如图1）制作的小发明，激发学生创造发明的热情，树立善于发现和提出问题的意识，理清创造发明的一般过程，拉近学生与创造发明的距离。

内容呈现

一、创意激发

师：春节是每一个中国人阖家团聚的日子，大家在这个日子里感受温暖。（以浓浓的春节氛围，浓浓的团聚之情引入课堂，让学生感受亲人在一起的温暖）如今，春节早已经结束，大家又开始奔向各自的工作岗位，孩子们也背着书包上学去了，家中唯有老人，是大部分家族的核心和牵绊。对于老人来说，记忆力和听力已经开始慢慢衰退，家中的门窗忘了关是常有的事，这给生活带来了诸多安全隐患。请开动我们的双手和大脑，利用现在的科技去关心家的安全，关心老人的安全。

从人类情感引入，让创意变得更加有意义，在引入的过程中也指出了我们需要做创意设想的对象是检测门窗关闭情况的设备。

教师让学生在课堂的一开始就展开思考，并扩散思维提出自己的创意设想。

二、提出设想

通过表格的形式，教师让学生分析设备主要实现的功能，以及实现这些功能所需要的硬件和软件设备，最后还要明确设备的外形设计和固定方式以及工作原理等。（如下表）

三、制作实践

1.智能设备的硬件连接

教师帮助学生理清设计思路，引导学生选择创作所需的硬件设备，小组合作完成硬件的接线图。（如图2）

根据接线图，小组间开始硬件的连接，教师提醒学生参照图3的连接效果，确保连接正确之后再进行下一步操作。

2.软件编程

在进行软件编程之前，学生要对所持有的设备有一定的了解，比如实验中用的超声波传感器的探测范围是2cm~450cm,精度是0.3mm，还要对程序的编写做一定的梳理。

本课主要应用流程图的方式帮助学生梳理过程。（如图4）

学生在对程序流程进一步了解的基础上，将设备连接电脑，开始利用Ardublock进行编程操作。在教师的引导下，学生打开Arduino软件，并且检查“工具”菜单中的端口是否正确，如果发现不了设备端口，可以重新安装设备驱动后再进行尝试，切记不能直接连接端口就开始编写程序。之后打开“工具”菜单中的Ardublock，进入到Ardublock的编程界面。

教师要提醒学生在编程的时候一定要注意，超声波传感器探测到多远距离的时候才需要蜂鸣器鸣叫。这个值不是凭空想出来的，是在实践中得来的，在操作的时候一定要先在门窗的预安装位置进行距离测量，之后再填写数据，保证数据的相对精确、高效。（程序框架如图5）

3.设备测试与调整

教师在整个创作的最后一定要提醒和引导学生对设备进行测试。本课程主要运用手工测试的方法，让学生在具体应用之后，发现程序的不足，并对程序加以修改。

在测试的过程中教师要提醒学生注意以下几个方面：（1）再次明确组内分工协作，详细完成实验的每一个细节；（2）认真观察测试现象，充分分析后再进行调整；（3）调整以后再次进行测试，并完成每一次记录，直至设备正常运行。

4.设备外形设计

对于一个完整的创作过程来说，外形设计是必不可少的一步，在设计过程中有很多需要学生注意的地方，教师需要提醒学生注意几个方面：（1）外形的大小需要根据设备的大小来设计；（2）制作外形之前需要先绘制草图；（3）外形的设计是否影响设备使用和安装；（4）挑选合适的制作材料。

教师光给予学生相关注意点的提醒还是不够的，尤其是小学生，只是觉得好玩，对外观没有一定的概念，这时教师要给学生部分设计参考，让学生在“地基”之上“搭城堡”。（参考草图如图6）

在外形设计制作出来之后还需要进行装饰，此时教师将美术知识运用于此，让学生进一步体会到创作发明的过程，以及创造发明过程中所需要各学科知识的综合运用。

三、课堂总结

学生们通过作品展示，进一步感受创造发明带来的快乐。教师引导学生回顾创造发明的一般过程，并让学生在这样的活动中，总结创造发明需要哪些方面的知识，让学生在自己的总结中收获方法和兴趣。

四、拓展提升

大发明往往是在小发明上的不断累加，动手试一试，看看加上以下设备后，还能实现怎样的功能？
 

实践反思

对于小学生来说，所涉及的知识并不是非常难，创造发明也并不是由简单或者复杂来决定的，而是由是否能够想到创意点来决定的。同样的超声波传感器，在不同的人手中就能发挥不一样的功能：在汽车设计师手中，超声波传感器可以用来提醒车主碰撞距离；在手机设计师手中，超声波传感器可以用来控制开关屏；在我们手中，超声波传感器可以用来关爱家人，制作报警器。无论知识深浅，只要你敢想敢做，就能够发明创造。

教学点评

教师在设计之初明确本项目定位，充分分析了学生的学习情况，在学生已有的知识基础上，以解决生活实际问题构建真实教学情境，以“关爱他人”贯穿情感主线，以学生为中心展开项目式课堂教学，紧紧围绕STEAM教育理念展开研究性学习。在“关爱他人”的情感主线中激发学生的创作意图和创作思维，从真实的情境，拉近学生与创作的距离，在合作学习中，不断突破重点、难点，培养学生的合作意识和合作能力，从而提高学生的综合能力。（点评人：孙伟，江苏省南通市教育科学研究院教研员）