控制系統(tǒng)設(shè)計教學(xué)實踐研究 論文

2022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選控制系統(tǒng)設(shè)計教學(xué)實踐研究摘要：隨著《普通通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的發(fā)布，提出了通用技術(shù)的解控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：控制及其設(shè)計、開源硬件項目、教學(xué)設(shè)計一、提出問題的背景。年新修訂教育模式，給課堂注入新鮮的血液。二、控制系統(tǒng)項目設(shè)計教學(xué)的實踐。（一）初級階段，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造的熱情是教學(xué)的關(guān)鍵。1、學(xué)生學(xué)習(xí)主要所面臨的問題。對于控制系統(tǒng)用的開源硬件平臺我們選擇的是Arduino，之所以選擇它，因為這開學(xué)。對Arduino的學(xué)習(xí)主要分兩部分，硬件和軟件兩個方面。在學(xué)習(xí)的過程中需要對燈，色環(huán)電阻、按鍵、有源蜂鳴器、超聲波等傳感器模塊進行學(xué)習(xí)。在編程方面，可使用圖塊化編程工具（如Scratch教學(xué)），Scratch編程不失為教學(xué)12022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選去，選擇的是集成開發(fā)環(huán)境（ArduinoIDE）,類似C、C++語言。主要面臨的問題，一根據(jù)項目，需要選擇不同的硬件連接、組裝，這會使一些不愛動手的學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒。二對于幾乎沒有涉足過編程的高中生而言，在學(xué)習(xí)過程會產(chǎn)Arduino的學(xué)習(xí)沒有興趣與熱情的支持，教學(xué)將難以為繼。2．應(yīng)對的教學(xué)策略。1）強調(diào)整體參與、小組合作學(xué)習(xí)，確保每位學(xué)生參與進來。Arduino對學(xué)習(xí)的結(jié)果影響顯著。為了不讓學(xué)生在初級階段的學(xué)習(xí)產(chǎn)生明顯差異，故在初級學(xué)習(xí)階段，要強調(diào)小組合作學(xué)習(xí)，在每節(jié)課中以共同的合作學(xué)習(xí)成果給全組評價。評價由教師和學(xué)生互評組成，全體成員都獲得同一個分?jǐn)?shù)，用小組成績代替?zhèn)€人成績，促使小組成員的互幫互助，共同進步。2）運用馬斯洛的需要層次理論，培養(yǎng)與維持學(xué)生學(xué)習(xí)與創(chuàng)造的熱情。1943年美國人本主義心理學(xué)家馬斯洛在《人的動機理論》一書中從人體心理結(jié)構(gòu)的角度提出了需要層次理論。根據(jù)其理論，學(xué)生的學(xué)習(xí)必須要在滿足基本的生理、安全、覺，也包括他人對自己的認(rèn)可與尊重。首先，每節(jié)課都要展示幾件優(yōu)秀控制設(shè)計作品，對作品進行細(xì)致的評價，用夸張的言語表達我對作品的贊賞。特別是在編程方面和設(shè)計上表現(xiàn)出的獨特想法和創(chuàng)新的作情。而是讓學(xué)生來充當(dāng)老師的角色帶領(lǐng)全班同學(xué)對舊知識的復(fù)習(xí),并分享自己的發(fā)現(xiàn)。這樣會最大限度地引導(dǎo)學(xué)生參與到教學(xué)活動中，極大地鼓舞了學(xué)生探索和學(xué)習(xí)的熱情，使學(xué)生在分享知識的過程中學(xué)會學(xué)習(xí)。22022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選（二）中級階段學(xué)習(xí)，最重要是為學(xué)生提供個性化的支持與幫助。當(dāng)我們完成初級階段學(xué)習(xí)后，學(xué)生已經(jīng)掌握了一些硬件基礎(chǔ)知識和編程的方法，但在這過程中小組之間的差異就更加明顯的表現(xiàn)出來了。盡管我們有小組之間的互助機空間，我們的做法是：1）將階梯型的學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)習(xí)資源呈現(xiàn)在Web平臺上。學(xué)生可根據(jù)自己的實際出發(fā)來進行相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，做到循序漸進，層層深入。觀看，反復(fù)鞏固學(xué)習(xí)的內(nèi)容。使學(xué)習(xí)的自主性、靈活性、探究性增強。關(guān)的內(nèi)容和經(jīng)典案例。也可以在論壇分享自己的作品和心得等。這些方法解決了因?qū)W生的差異而帶來的問題，還使學(xué)生不僅能夠?qū)W習(xí)相關(guān)的知識，而且還能掌握獲取知識的途徑、方法，培養(yǎng)了學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展能力。（三）高級階段學(xué)習(xí)，學(xué)生通過實踐活動（解決生活中的問題為目的項目實踐），培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。行觀察和思考，發(fā)現(xiàn)適合的控制系統(tǒng)項目。在問題的解決過程中，學(xué)生需要調(diào)查研究、心燈、手勢控制LED燈、智能家居、懶人花架、學(xué)校廁所節(jié)水系統(tǒng)、踩踏鬧鐘、安全問題和解決問題的思想和方法，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。三、基于“體表溫度的自動調(diào)速風(fēng)扇”案例教學(xué)設(shè)計【學(xué)科核心素養(yǎng)】1、創(chuàng)新設(shè)計：強化與提升個體認(rèn)知能力、促進知識創(chuàng)新和學(xué)習(xí)自覺性的特殊價值。2、工程思維：運用控制原理進行簡單的技術(shù)設(shè)計活動，嘗試解決問題。3、物化能力：能使用相關(guān)設(shè)備完成模型或原型的制作。32022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選【學(xué)業(yè)要求】1、知道基于開源硬件進行項目設(shè)計的一般流程，能將其應(yīng)用于實際項目中，根據(jù)事物的特點進行一定的抽象，設(shè)計符合事物特征的系統(tǒng)。2、能利用各種材料、開源硬件與軟件實現(xiàn)所設(shè)計的項目方案，能利用開源硬件的設(shè)計工具、編程語言實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的輸入、處理，利用輸出數(shù)據(jù)驅(qū)動執(zhí)行裝置的運行?！緦W(xué)情分析】高一下學(xué)期，學(xué)生經(jīng)過前期的學(xué)習(xí)，對“Arduino內(nèi)容的學(xué)習(xí)，已經(jīng)初步掌握了ArduinoIDE使用，認(rèn)識了各類電子元器件，對ArduinoArduino高二學(xué)生有數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科知識基礎(chǔ)，具備開展小型綜合性項目研究的基本能力，且他們對項目設(shè)計有著濃厚的學(xué)習(xí)興趣?！窘虒W(xué)目標(biāo)】1、能夠根據(jù)設(shè)計的方案，選擇恰當(dāng)?shù)碾娮悠鞑牧?，借助Arduino2、通過項目實踐，體驗項目設(shè)計的創(chuàng)意、設(shè)計、制作、調(diào)試、展示評價的完整過程；增強動手實踐能力，強化計算思維，提升信息素養(yǎng)?！窘虒W(xué)重難點】Arduino開發(fā)平臺，設(shè)計算法，編寫程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能；體驗項目實踐的過程。教學(xué)難點：制訂設(shè)計方案；程序設(shè)計；搭建結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)項目模型?！窘虒W(xué)策略】學(xué)生雖然初步掌握了ArduinoIDE的使用，認(rèn)識了各種傳感器和電子器件，對ArduinoArduino讀取傳感器的值和控制外圍設(shè)備，但是還沒做過運用已學(xué)的知識來解決現(xiàn)實生活中的問題的項目?；谶@種情況，通過本課題讓學(xué)生了解做項目的流程。整體主要分為：項目背景、創(chuàng)意描述、總體設(shè)計（總體【教學(xué)環(huán)境】1、創(chuàng)客實驗室或計算機網(wǎng)絡(luò)教室2、元器件清單見附件【教學(xué)過程設(shè)計】42022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選（一）情境引入引言：隨著天氣越來越熱，電風(fēng)扇和空調(diào)是我們夏天不可缺少的電器了，而電風(fēng)扇通過學(xué)過的知識來使我們的電風(fēng)扇更加智能、節(jié)能嗎？主題項目活動環(huán)節(jié)一：項目背景（0.5~1課時）小組搜集資料，了解所研究方向的現(xiàn)狀，填寫研究報告的項目背景，如：電風(fēng)扇曾經(jīng)一度被認(rèn)為是空調(diào)產(chǎn)品沖擊下的淘汰品電風(fēng)扇曾經(jīng)一度被認(rèn)為是空調(diào)產(chǎn)品沖擊下的淘汰品其實并非如此經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)家用電風(fēng)扇不但沒有隨著空調(diào)的普及而淡出市場反而出現(xiàn)市場復(fù)蘇的趨勢。造成這種現(xiàn)象的主要原因一是風(fēng)扇和空調(diào)的降溫效果不同，空調(diào)具有強大的制冷功能可以快速降低溫度但風(fēng)力較強相比之下電風(fēng)扇的風(fēng)更強溫和，更適合老人、兒童和體質(zhì)較弱的人群使二是電風(fēng)扇具有價格優(yōu)勢，價格低廉而且相對比較省電，安裝和使用簡單。經(jīng)過查閱資料發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)溫度一直保持在36~37度之間但人體的體溫度比體內(nèi)溫度大約低10度左右。26度是最適合的人體表溫度，大于30度時人們就會感覺非常熱于是產(chǎn)生了設(shè)計一個手環(huán)用更精確的方式來感知人體體表溫度的想法。選擇ArduinoNO和oproini兩種開發(fā)板來實現(xiàn)該風(fēng)扇的兩種模式。環(huán)節(jié)二：創(chuàng)意描述（0.5課時）小組對于產(chǎn)品的所有的特色來一個濃縮的概括，把產(chǎn)品的所有的特色或者亮點表現(xiàn)出來，填寫研究報告的創(chuàng)意描述，如:作為一個科技項目作為一個科技項目它帶了更精確的感應(yīng)溫度的方式不再是通過溫度傳感器去監(jiān)測風(fēng)扇周圍的環(huán)境溫度而是通過自制的手環(huán)去監(jiān)測人體體表的溫度實現(xiàn)基于體表溫度的風(fēng)扇自動調(diào)速，且增加了通過距離來控制風(fēng)速的補償模式。創(chuàng)新藍(lán)牙模式和補償模式可自由切換，藍(lán)牙模主要用于手環(huán)可隨時監(jiān)測人體體表的溫度進行風(fēng)速的調(diào)整補償模根據(jù)人和風(fēng)扇距離來調(diào)整風(fēng)速，近時風(fēng)速較緩，遠(yuǎn)或休息時增加風(fēng)速繼續(xù)保持涼爽。52022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選環(huán)節(jié)三：功能及總體設(shè)計（0.5課時）1、整體框架圖設(shè)計框架圖：系統(tǒng)框架ArduinoUNO板 Arduinomini板HC05藍(lán)牙模塊

SR超聲波測距模塊

SG 電動機驅(qū)動舵機 模塊

HC05藍(lán)牙模塊

DS18B20溫度傳感2、總電路圖設(shè)計小組成員使用fritzing軟件設(shè)計項目總體電路圖：部分環(huán)節(jié)四：模塊介紹（2課時）本項目主要包括以下幾個模塊：、舵機控制模塊、SR04超聲波測距模塊、HC-05藍(lán)牙控制模塊、DS18B20溫度傳感器模塊、電動機控制模塊、1602LCD顯示模塊。1、舵機控制模塊(1) 功能介紹通過按鍵控制舵機由0度到180度轉(zhuǎn)動再由180度到0度轉(zhuǎn)動，從而帶動電動機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)“搖頭”功能。元器件包括：微動開關(guān)、1K電阻、SG90舵機、HRS1繼電器、杜邦線。（2）相關(guān)代碼62022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選Servomyservo; //定義舵機intpos=0;intservoPin=9;intrelay2Pin=3; //繼電器2的端口intbutton2Pin=2;intrelay2State=LOW;intbutton2State;intlastButton2State=LOW;longlastDebounce2Time=0;longdebounceDelay=50;voidsetup(){myservo.attach(9);pinMode(button2Pin,INPUT);pinMode(relay2Pin,OUTPUT);pinMode(9,OUTPUT);digitalWrite(relay2Pin,relay2State);}voidservo() //控制舵機轉(zhuǎn)動角度的函數(shù){for(pos=0;pos<180;pos+=1){delay(5);}for(pos=180;pos>0;pos-=1){delay(5);}}2、超聲波測距模塊（1）功能介紹通過發(fā)射信號到收到回應(yīng)信號的時間間隔可以計算得到距離。元器伯包括：SR04超聲波測距模塊、杜邦線。（2）相關(guān)代碼Voidsetup(){pinMode(TrigPin,OUTPUT);pinMode(EchoPin,INPUT);//要檢測引腳上輸入的脈沖寬度，設(shè)置為輸入狀態(tài)}72022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選voidmode1(){digitalWrite(TrigPin,LOW);delayMicroseconds(2);digitalWrite(TrigPin,HIGH);delayMicroseconds(10);digitalWrite(TrigPin,LOW);distance=pulseIn(EchoPin,HIGH)/58.00;//檢測脈沖，計算距離if(distance>30){rev=255;}else{rev=75;}delay(500);controlMotor(rev);Serial.print("cm");Serial.println();delay(1000);}3、藍(lán)牙模塊（1）功能介紹將兩片藍(lán)牙模塊設(shè)置好主從和匹配后便可以配對?？梢栽赨NO和MINI之間利用串口函數(shù)收發(fā)數(shù)據(jù)實現(xiàn)通信，從而控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。元器件包括：兩片HC-05藍(lán)牙模塊、杜邦線。（2）相關(guān)代碼//從機部分pinMode(AT,OUTPUT);模式中波特率為模式delay(100);Serial.println("AT+PSWD=1234");//設(shè)置配對密碼，如1234delay(100);Serial.println("AT+ROLE=0");//設(shè)置藍(lán)牙模塊為從機delay(100);Serial.println("AT+UART=9600,0,0");//設(shè)置波特率9600delay(100);82022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選//主機部分pinMode(AT,OUTPUT);Serial.begin(38400);模式delay(100);Serial.println("AT+PSWD=1234");//設(shè)置配對密碼，如1234delay(100);Serial.println("AT+ROLE=1");//設(shè)置藍(lán)牙模塊為主機delay(100);Serial.println("AT+UART=9600,0,0");//設(shè)置波特率9600delay(100);Serial.begin(9600);4、溫度傳感器模塊（1）DS18B20可以把芯片感知到時的溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)值放在數(shù)據(jù)寄存器里，進而為藍(lán)牙間的通往提供數(shù)據(jù)。元器件包括：DS18B20溫度傳感器、1K電阻、杜邦線。（2）相關(guān)代碼ds.reset();ds.select(addr);delay(1000);present=ds.reset();ds.select(addr);for(i=0;i<9;i++){//9位模式最低位變化1個數(shù)字溫度變化0.5度，同時轉(zhuǎn)換速度最快data[i]=ds.read();}//將data值轉(zhuǎn)換為溫度unsignedintraw=(data[1]<<8)|data[0];bytecfg=(data[4]&0x60);if(cfg==0x00)raw=raw<<3;//9bit,93.75mselseif(cfg==0x20)raw=raw<<2;//10bit,187.5mselseif(cfg==0x40)raw=raw<<1;//11bit,375ms/*默認(rèn)為12bit，最大的轉(zhuǎn)換時間是750ms。當(dāng)啟動轉(zhuǎn)換后,至少要再等750ms之后才能讀取溫度，否則讀到的溫度有可能是錯誤的值*/celsius=(float)raw/16.0;Serial.println(celsius);if(celsius>hightemp)Serial.println("q");//高溫時Q信號負(fù)責(zé)打開風(fēng)扇92022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選elseSerial.println("a");//低溫時A信號負(fù)責(zé)關(guān)閉風(fēng)扇5、電動機控制模塊（1）功能介紹L298N繼電器、直流電機、扇葉、1K電阻、L298N電動機驅(qū)動模塊。（2）相關(guān)代碼voidcontrolMotor(inta){analogWrite(IN1Pin,a);intreading2=digitalRead(button2Pin);//reading用來存儲buttonPin的數(shù)據(jù)，一旦檢測到數(shù)據(jù)發(fā)生變化，記錄當(dāng)前時間if(reading2!=lastButton2State){lastDebounce2Time=millis();}/*等待50ms，再進行一次判斷，是否和當(dāng)前button狀態(tài)相同，如果和當(dāng)前狀態(tài)不相同，改變button狀態(tài)；同時，如果buttonif((millis()-lastDebounce2Time)>debounceDelay){if(reading2!=button2State){button2State=reading2;if(button2State==HIGH){relay2State=!relay2State;}}}digitalWrite(relay2Pin,relay2State);//改變button前一個狀態(tài)值lastButton2State=reading2;Serial.println(a);}6、顯示屏模塊（1）功能介紹通過顯示屏與ArduinoUNO板之間進行數(shù)據(jù)交互，在顯示屏上顯示風(fēng)扇當(dāng)前的模式以及風(fēng)速大小。元器件包括：1602顯示屏、杜邦線。（2）相關(guān)代碼#include<Wire.h>#include<LiquidCrystal_I2C.h>LiquidCrystal_I2Clcd(0x27,16,2);voidsetup(){102022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選lcd.init();}voidloop(){intmode=digitalRead(ModeButton);if(mode==1){lcd.setCursor(0,1);mode1();}else{lcd.setCursor(0,1);mode2();}環(huán)節(jié)五：結(jié)構(gòu)搭建，實現(xiàn)模型（1課時）可以選擇硬紙盒或亞克板作為外部結(jié)構(gòu)材料，使用切割機切出對應(yīng)的形狀，用玻璃膠粘和固定，做出外部盒子，而后對電路板進行固定封閉。環(huán)節(jié)六：展示評價，活動總結(jié)（0.5課時）優(yōu)良中差成員參與性所有成員都積極參與小組活動至少