资源简介

4.13 硬件搭建垃圾桶——搭建小型系统
教学设计
一、学习内容
本课是制作智能垃圾桶”项目中的第 2 个子项目，旨在将设计阶段的理念转化为实际可操作的模型。在这一子项目中，学生将运用之前学习到的硬件知识和技能，动手实践，将智能垃圾桶的设计方案具体化。学生需要选择合适的开源硬件平台和所需的传感器、执行器等元器件，通过电路连接和物理组装，构建出智能垃圾桶的实体原型。在此过程中，学生不仅能够深化对开源硬件的理解，还能锻炼其工程思维能力和解决实际问题的能力。
二、学习基础
通过上一子项目的学习，学生已经设计出了一个个充满创意的智能垃圾桶，对“过程与控制”的基本概念也有了初步了解，包括系统运行的三个典型环节。此外，学生对开源硬件也有了初步认识，能够识别常见的电子元器件，如传感器和舵机，这些都为本课的学习奠定了基础。但学生还缺乏动手连接电路的实践经验，对于正负极和电路连接的认识还不够清晰，需要老师的引导和帮助。
三、问题梳理
1．素养问题
开源硬件中主控板与传感器的端口如何正确连接？
2．项目问题
超声波传感器和舵机的端口能否与主控板正确连接？功能能否实现？
四、学习目标与重难点
1．学习目标
（1）项目目标
能搭建出一个基于设计方案的智能垃圾桶原型。
素养目标
了解部分开源硬件的安装和使用方法，能根据设计方案搭建出小型系统。
2．学习重点和难点
（1）学习重点
能够根据设计方案，选择正确的端口完成主控板与传感器的连接。
（2）学习难点
理解在搭建过程中，一定要注意杜邦线连接的主控板与传感器的端口要一一对应。
五、学习策略（学习规划、实验规划）
1．项目准备阶段
此阶段有三个学习活动，学习活动一：选择搭建所需器材（回顾学习、教师引导）；学习活动二：了解元器件的端口标识（实物展示、教师引导）；学习活动三：确定搭建智能垃圾桶的步骤（小组合作，集思广益）。
2．项目实施阶段
此阶段有三个学习活动，学习活动一：连接超声波传感器并测试（教师演示、示范指导）；学习活动二：连接舵机并测试（参考导学单、自主尝试）；学习活动三：完善智能垃圾桶（小组合作，教师辅助）。
3．项目小结阶段
此阶段有二个学习活动，学习活动一：展示作品，交流收获（学生自评，师生互评）；学习活动二：交流硬件搭建时的基本注意事项（分组汇报、补充说明）。
4．项目拓展阶段
畅想智能垃圾桶的发展前景。（教师引导，学生设想）
六、环境与资源
教学课件、配套课程资源包、实验导学单、开源硬件器材、垃圾桶材料包、Mind+软件等。
七、学习评价（学习评价方式及标准）
学习过程
学习环节 学生活动 教师指导 设计意图
项目回顾明确目的 回顾上节课完成的智能垃圾桶的优秀设计方案。2．观看视频，思考：如何将“小智”从虚拟世界带到现实。3．明确本节课的学习内容，将动手搭建出一个智能垃圾桶。 1．教师展示上节课学生化身“环保小卫士”设计出的智能垃圾桶的优秀设计方案。2．教师播放智能垃圾桶“小智”从设计图纸跃到屏幕上的自我介绍，引导学生观看视频。3．教师引导学生明确本节课的实验目的，化身“小小工程师”去动手搭建智能垃圾桶。 1．回顾上节课的设计方案，为新课学习做好铺垫。2．通过创设一个智能垃圾桶“小智”的虚拟形象，激发学生动手实践、硬件搭建智能垃圾桶的兴趣。
项目准备选择器材 1．观察图片，思考：这些器材分别属于小型系统运行的哪些环节？2．根据设计方案，结合智能垃圾桶小型系统运行的典型环节，找出相应器材，进行如下分析。输入环节所选器材： 计算环节所选器材： 输出环节所选器材： 外观、造型所选材料： 3．结合实物认识所选元器件的连接端口，以防连接时出错。4．小组讨论，确定搭建步骤。例如，连接超声波传感器→连接舵 机→完善结构搭建 1．教师展示开源硬件和配套器材，辅助学生选择恰当的器材。　2．教师结合实物讲解主控板及元器件的端口标识。3．教师引导学生思考：搭建垃圾桶可以按照哪几个步骤有序进行？ 1．通过让学生选择搭建智能垃圾桶所需的器材，帮助学生理解小型系统运行的输入、计算和输出环节。2．通过探究元器件的端口标识，提高学生的观察力和逻辑思维能力，为后续的搭建步骤打下基础。3．明确搭建步骤，为学生提供清晰的实践操作思路。
项目实施搭建作品 1．参考实验导学单活动一，连接超声波传感器到主控板并检测。（1）用杜邦线将超声波传感器的引脚连接到主控板对应的引脚上。（2）打开Mind+软件，将程序上传到主控板，用手在超声波传感器前方上下移动，观察屏幕数值是否不断变化，检测传感器的运行是否正常。2．参考实验导学单活动二，连接舵机到主控板并检测。（1）用杜邦线将舵机的引脚连接到主 控板对应的引脚上。（2）测试舵机， 确定舵盘的安装位 置，以便通过舵机转动实现垃圾桶盖的开、关。3．完善智能垃圾桶的搭建。参考实验导学单活动三，小组合作组装完成垃圾身体的各部分木板。 1．教师提供微课，演示播放硬件连接的正确方法，提醒学生主控板上的端口要与传感器上相对应的端口正确连接。2．教师提示：要想准确 地弄清舵机的 0度和90度的位置，可先不安装舵盘，等转到0度程序运行完后，再根据使用的最佳位置安装舵盘。3．教师提醒，拼装时要保持耐心和细心，注意安全。 1．引导学生规范、有序地连接开源硬件和元器件。2．在实践操作中掌握接线方法和测试，加深学生对硬件功能和搭建过程的理解，培养学生严谨的科学态度。3．通过亲手将垃圾桶的各部分木板组装起来，学生能够直观地看到自己的劳动成果，增强成就感和自信心。
项目小结 交流收获 1．小组展示并介绍自己搭建的作品，师生互评。2．小组讨论：使用开源硬件搭建小型模拟系统，不能简单地用杜邦线将元器件连接到主控板上，还有很多需要注意的事项，在实验活动报告单“硬件搭建的基本注意事项”中勾选小组讨论的结果：□ 明确元器件引脚的标识□ 确定元器件的工作电压□ 记录元器件连接的端口□ 测试元器件是否可用□ 注意用电安全□ 注意使用工具时的安全我还想到了需要注意的事项有：　　　　　　　 3．学生结合本课动手搭建智能垃圾桶的实践经验，总结搭建小型系统的要点。4．结合硬件搭建的综合表现点亮智慧星。 1．教师组织学生展示交流作品。2．教师组织各小组讨论 搭建注意事项，并进行集体小结。3．教师引导学生总结搭建小型系统的要点。4．教师组织学生完成评价表。 1．通过评价环节，让学生学会客观评价作品，提高自我反思和改进的能力。2．在学生的讨论与小结中，帮助他们形成开源硬件使用的安全意识和规范意识。3．通过知识总结、提炼出搭建小型系统的要点，为系统构建知识积累经验。4．通过反馈，反思教学效果，优化课程设计。
项目延伸 拓展升华 1．观看图片，畅想智能垃圾桶的发展前景。2．思考不同类型的智能垃圾桶，功能实现的可能性。 1．教师引导学生畅想智能垃圾桶的发展前景。2．教师调动学生创造的积极性和主动性，意识到只要敢于想象，勇于探索，一切皆有可能！ 通过畅想智能垃圾桶的发展前景，激发学生的创新思维和想象力，培养学生对科技创新的兴趣和热情，调动他们的创造积极性和主动性。
九、学习反思
在课程设计的初始阶段，我本以为硬件搭建对于学生来说应该不难，因为本课的重点和难点在与能否正确完成传感器和主控板的接线与测试，只要能正确连接，功能就能实现。然而经过多次上课、磨课，我发现学生的动手能力实际上是有所欠缺的，只传感器和舵机的接线与测试至少需要16分钟，而后期的垃圾桶身体部件的组装最少也需要20分钟，按照最初的设想，一节课内根本无法完成任务。因此，我不断调试、改进、优化方案，最终选择了以半成品的方式呈现身体部件的拼装，解决了课上遇到的难题。通过本次实验教学，我认识到在备课时必须充分把握学情，围绕项目目标和内容，活用学生学习手册，巧用教师教学指南，要有自己的思考和判断以及解决问题的思路，要在实践中不断反思、改进，这样才能以不变应万变。

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