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第352期 总第5629期 2018年07月13日 星期五
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自制电子抢答器——按钮传感器的综合应用
来源:本站原创 作者:主讲人:章红 发布日期:2018-07-13 08:39:38

章红 江苏省南通市海安县开发区实验学校教师,上湖创客空间负责人。南通市信息技术中心组成员,曾担任江苏省教学新时空嘉宾,参与省级考试命题。2017年江苏省信息技术基本功大赛一等奖,南通市信息技术优课评比、基本功评比、信息化教学能手一等奖。

 

设计依据


深度学习是通向人工智能的重要途径之一,它属于机器学习的一种,具有强大的能动性和灵活性。本项目利用电子器件自制电子抢答器,让学生初步感受机器学习的奥秘,体验计算思维下程序编写的乐趣,养成良好的程序编写习惯。


课例特色


本项目经历项目框架特征规划—策划分组—电子硬件搭建—实现抢答功能—外形封装—总体测试等过程,制作出一款电子抢答器产品,体现了多学科融合教育,可以全方位培养和发展学生的各种技能,特别是动手、动脑和创新思维能力。深度学习通过其他较简单的概念构建复杂的概念,本项目的程序设计中,将复杂的控制程序分解为简单易解决的问题,同时利用流程图,采用循序渐进的方式进行设计,让学生掌握了解决问题的方法,同时对计算思维有自己的理解。


内容呈现


一、创意来源


在一次抢答比赛中,选手几乎同时举手,无法判定谁获得了抢答权,如果有了抢答器就不会有这种烦恼了。这个项目就是利用身边的器材制作一款电子抢答器产品,让学生在完成项目的过程中,体验产品研发的乐趣。


二、框架及特征规划


电子抢答器的制作融合了多学科的知识与运用,通过讨论研究得出这个项目可以分为两个部分:抢答器功能实现和抢答器外形设计。电子抢答器所具有的特征如下:1.实现抢答功能;2.外形要完美,像一个产品。


三、项目制作实践


1.策划分组


根据框架规划,每小组进行了分工:外形设计制作队负责电子抢答器外形的制作,电子实现队负责电子抢答器硬件搭建和程序编写,宣传队负责产品的包装宣传,教师负责指导项目的开展。


2.硬件准备


外形设计制作队的选择分为两类:使用3D打印机打印和利用卡纸、泡沫板设计;电子实现队需要的硬件有:Arduino主控、LED灯模块、按钮传感器和LCD显示屏模块;宣传队需要卡纸进行广告设计。


3.实现电子抢答器功能


(1)理解原理搭建硬件


通过上网查阅资料和已有经验,教师指导学生制作并理解硬件连接原理图(如图1)。



在理解了原理图之后,学生根据硬件连接的线路,搭建硬件系统。为方便程序的编写,指导学生将按钮传感器和LED灯一一对应,有条理地安装在Arduino主控器上。


(2)程序编写


①测试按钮传感器 要使用按钮传感器,首先要了解它的属性。在Ardublock中上传测试程序,测试按钮传感器在按下和未按下状态下的数值,并完成表格(如下表)。

 


经过测试学生知道,未按下时数值是0,按下时数值是1,也就表示未按下时为假,按下时为真。


②实现单个按钮按下灯亮程序设计 在了解了按钮传感器的属性后,先设计单个按钮按下灯亮的程序。分析需达到的功能是:如果按下按钮,那么灯亮,否则继续等待。然后指导学生画出流程图,根据流程图,编写出单个程序(如图2),再编写出另外两个按钮的程序,并测试。



③抢答功能程序设计 现在的程序实现了每个按钮按下都亮灯,可抢答功能是只有第一个按下的才能亮灯,后面按下的无效。经过组织学生讨论得出,当其中某个按钮先按下后,是否可以传递一个信息告诉主控器“我已经取得了抢答权”。教师总结:这里需要引入一个变量flag,当某个按钮按下后,为变量flag赋值为按钮的序号,这样通过判断flag的数值,就可以知道是否已经抢答完毕。flag有两个作用,一是标明抢答完毕,二是标示组名,方便显示屏显示调用。讲解完毕后,让学生思考判断变量flag大小数值语句放置的位置。思考总结出此语句要放置在“开始”下面。接着让学生先完善流程图(如图3),并根据流程图来修改程序。



④加入重置功能 学生调试后发现,现在已经具备了抢答功能,可是只能抢答一次,如果需要进行下一次抢答要关闭电源后再打开,明显不现实。通过已学知识和查阅资料知道可以使用按钮传感器、声音传感器、光感传感器或者蓝牙模块来实现重置,让学生先利用按钮传感器并编写程序实现重置功能。第一步先将第4个按钮传感器接到Arduino主控器上,然后结合流程图,思考这段控制程序放在哪里。再画出流程图,最终编写出重置程序,测试程序。


(3)抢答功能测试


程序编写完成后,小组内进行测试,查找程序是否存在bug并修改。完整程序如图4。

 


4.外形封装设计


(1)设计要求 一个好产品除了能完成其必备功能外,还需要一个好的外形才能吸引顾客。外形封装设计的要求:外形要美观大方,从外面看不到主控器和数据线,同时留有可以打开的部分,方便后期维护升级。


(2)测量数据 各小组对各设备的尺寸进行了测量,测量的数据有:按钮传感器按钮的直径和高度,按钮传感器底板的长和宽;数据线的长度;主控器和LCD显示模块的长、宽、高。


(3)动手设计 外形设计队的学生发挥自己的特长,选好对应的工具设计外形。3D设计的学生利用3D设计软件进行设计,然后通过3D打印机打印出成品。泡沫板和卡纸的学生在泡沫纸上精雕细琢,把按钮和LCD显示屏的位置设计出来,然后利用卡纸进行外表装饰。


四、封装测试


在封装完成后,产品基本定型,接下来就是测试设备的功能是否达到要求和产品稳定性。


实践反思


电子抢答器的制作源自现实抢答中可能出现的不公平性,为解决此问题,学生对简单的开源硬件进行研究,通过理解流程图由简入难设计出复杂的程序,最终通过外形封装完成作品制作。此项目真正实现了小器材大用途,充分展现了STEAM教育的强大魅力,培养和锻炼了发展人工智能所必备的重要品质——算法思维。


教学点评


本项目让学生参与设计制作电子抢答器这一产品,在体验到成功的快乐的同时,让学生了解产品制作的流程,极大地培养了学生的创造力、想象力和主观能动性。在程序编写中,教师着重注意了计算思维的培养,让学生通过分解任务明白由简单到复杂的解决问题的方法,体验机器学习的魅力,感受人工智能的强大,激发其对信息技术的兴趣和热爱,真正让学生敢动手、愿动手、能动手,培养时代需要的人才。(点评人:孙伟,江苏省南通市教育科学研究院信息技术教研员)

 

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