资源简介

课题 1.3 智能垃圾箱我设计
核心素养教学目标
技术素养：学生能够理解智能垃圾箱的基本工作原理和技术应用。 创新思维：鼓励学生思考如何改进现有的垃圾箱，使其更加智能化。 实践操作能力：通过动手制作模型或原型，提高学生的实际操作能力。 环保意识：培养学生对环境保护的认识，理解智能垃圾箱在垃圾分类和资源回收中的作用。 劳动素养：通过劳动过程，分享劳动成果，体验劳动创造美好生活。
教材分析
关于“智能垃圾箱”的内容主要涵盖了其工作原理、设计原理以及在实际生活中的应用。通过详细讲解智能垃圾箱的构造，如传感器如何检测垃圾类型、自动分类系统的运作机制以及压缩技术如何增加垃圾箱的存储效率等，使学生能够全面理解这一技术的核心。此外，教材还包含了一些案例研究，通过对现有智能垃圾箱的优缺点进行分析，帮助学生理解技术的实际应用，并激发他们的创新灵感。
教学重点教学难点
重点：智能垃圾箱的基本功能和技术要求。如何将理论知识与实际操作相结合，设计出既实用又创新的智能垃圾箱。培养学生的环保意识和团队合作精神。 难点：技术实现，学生可能在将理论知识转化为实际操作时遇到困难，特别是在电子电路和编程方面。创新设计，鼓励学生进行创新思维，提出独特的设计方案可能是一个挑战。团队协作，确保每个学生都能在团队中发挥作用，共同完成项目。
教学过程
一、导入新课 讲述投递垃圾时遭遇的尴尬和困难，例如手上东西比较多、垃圾盖比较脏、小孩扔垃圾身高不够等。学生联系生活实际，讨论如何解决这些问题。教师引导学生讨论，引出智能垃圾箱。 二、新授知识 1.明确本课的目标是要实现垃圾箱的自动开盖功能，确定共同的解决办法。 2.教师介绍作品完成所需的电子器材，包括Arduino Uno电路板、HC-SR04超声波传感器模块、SG90舵机、导线若干、废旧纸箱或纸盒模拟垃圾箱（或者带活动盖的垃圾箱）等，并指导学生了解器材基本结构及使用方法。 Arduino是能够用来感应和控制现实物理世界的一套工具。它由一个基于单片机并且开放源代码的硬件平台和一套为Arduino控制板编写程序的开发环境组成。Arduino可以用来开发交互产品，可以控制各式各样的电灯、电机和其他物理设备。其中Uno板是Arduino系列控制板中使用很广泛的一种。 HC-SR04超声波传感器模块可提供2至400厘米的非接触式距离感测功能，测距精度可达到3毫米。模块主要包括超声波发射器、接收器和控制电路。超声波传感器测距时，被测物体的面积不小于0.5平方米且平面尽量平整，否则影响测量的结果。建议测量周期为60毫秒以上，以防发射信号对回响信号的影响。 舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。舵机只是一种通俗的叫法，其实质是一个伺服电机。 3.教师介绍图形化编程软件的基本操作，包括模块分布与拖拽，程序的上传过程等，让学生了解基本的程序界面和编写方法。 图形化编程是指用图形化的编程模块取代以往的代码编程语言，通过拖拽不同的模块，实现相应作品功能。目前，国内外有很多图形化编程软件，它们的使用方法和界面相似，可以根据自己的使用习惯选择。 三、小组实践 1.教师辅助学生连接电路，编写完成与自己实际电路匹配的程序，并上传至板卡。 在搭建电路时，Arduino使用自带的servo函数来控制舵机，舵机的控制线需要接PWM数字口。在我们使用的Arduino Uno控制板上，所有PWM数字口都有“～”标识。可以选择Uno控制板的D9作为舵机的控制接口，即SG90舵机红色导线接电源正极，棕色导线接地，橙色导线接Uno控制板D9口。 HC-SR04超声波传感器模块四个引脚接法如下：VCC引脚接电源正极；GND引脚接电源负极；Trig引脚是传感器触发信号输入引脚，接Uno控制板7号管脚；Echo引脚是传感器测距数据输出引脚，接Uno控制板6号管脚。 具体的接线电路中的AA电池为5V，也可以用标有“5V2.1A”输出参数的移动电源供电。 2.教师辅助学生将连好的电路安装到垃圾箱上合适的位置（注意强调热熔胶枪等工具使用的基本方法和安全事项），尤其是舵机的位置要和程序匹配，能够控制垃圾箱盖的开合。 四、展示分享 1.小组展示分享：邀请部分小组展示作品，分享成功经验、遇到的困难及解决办法等。教师在学生讨论的基础上，进行总结、提炼、点睛。 五、总结拓展 1.总结：智能生活触手可及，智能生活皆是由人的智慧创造的。学生结合自己的感悟，理解本课的核心主题：劳动创造美好生活。 2.拓展：介绍其他传感器的应用。学生思考这些传感器能让垃圾箱哪些部分变得更智能。 传感器（Sensor）是一种检测装置，能感受被测量的信息，并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装置。如果把机器比作人，计算机相当于人的大脑，执行任务的机械相当于人的身体，各种各样的传感器则相当于人的五官和皮肤。我们可以利用烟雾传感器来开发能够感应是否有燃烧的烟头的垃圾箱，也可以利用声音传感器来开发能够用语音控制开合的智能垃圾箱。 六、课后实践 教师提供辅助资源，供学生进行自主探究使用，包括常用传感器的结构和功能介绍、智能垃圾箱的案例介绍等。 七、再次实践：制作更加完善的智能垃圾箱 （一）项目第一阶段：智能垃圾箱模型结构的确立 解决问题：如何制作一款能同时存放多种垃圾的一个垃圾箱的模型结构？ 学生活动： 学生分为几个小组，通过查找相关文献、书籍等参考资料，再通过小组内部讨论，各小组设计出初步方案。 设计意图： 通过让学生查阅资料，教师对学生查阅的资料进行筛选、甄别、整理和分类，培养学生的信息检索能力，让学生体会要解决一个项目需要经历的一般流程，特别是如何合理地分解项目，指导学生学会提出问题，搭好项目的“脚手架”。 在学生设计垃圾桶模型结构的过程中，指导学生经历科学探究的过程：讨论分析，观察质疑，总结解释，发现问题再设计，再分析。在改良探索中激励学生勇于探索、大胆尝试，提升科学思维的论证能力和创新精神。 （二）项目第二阶段：控制电路的编程与电路板的制作 解决问题：如何设计电路来实现选择开关对应不同的功能要求？ 教师活动： 电路制作对于学生而言接触较少，跨度有些大。教师首先对学生进行有关电路及自动控制的培训，指导学生通过相关的培训内容进行设计。电路设计完成后，在电路板的制作方面教师对学生提供技术指导。 学生活动： 小组成员根据方案设计电路，绘制程序框图，并通过应用软件编写程序。学生在搭建智能电路和编写程序的过程中难免遇到问题，可在组内商议，反复实验进行调试与修改，必要时向教师寻求帮助。学生设计出了控制电路并在教师的指导下制作出了电路板。 设计意图： 在电路的设计和分析中，引导与锻炼学生的工程思维。通过对需要实现的功能进行探究讨论，培养学生问题分析及探究的能力。同时利用电路的编程训练，提升学生协作能力以及利用数学思维与编程思维解决问题的能力。 （三）项目第三阶段：材料选择及桶的外形设计 解决问题：如何从环保、美观、经济和实用的角度进行选材和设计？ 教师活动： 生物和化学教师各自通过教学内容，从环保、选材和设计等方面对学生进行指导，并特邀美术教师简单指导学生的手工制作。 学生活动： 小组成员根据化学和生物教师的指导方案，从成本、环保、工程设计和加工等多角度论证和考虑选择材料并设计加工出垃圾桶的筒体。各小组分工协作，小组讨论，经过调整、改进、装饰，最后完成。通过讨论，小组学生主要利用易于环保的、性价比较高的、具有较高机械强度的瓦楞纸板制作垃圾桶外形。同时应用3D打印技术自主设计各个结构部件，并通过画笔等美术材料对垃圾桶原型进行外观设计。 设计意图： 此环节的训练有利于提升学生的空间几何计算能力及动手能力。让学生懂得运用数学工具解决问题。培养学生既要遵从原实验方案的精神，又要有开拓创新精神。在小组合作制作的过程中培养学生实验操作的能力和分工合作的精神，锻炼学生的团队合作过程中的表达沟通能力以及组织管理能力等。

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