金鑫 中國人民大學(xué)附屬中學(xué)豐臺(tái)學(xué)校

● 創(chuàng)新整合點(diǎn)

①利用“交互式電子白板—移動(dòng)白板—移動(dòng)展臺(tái)”相結(jié)合的形式開展教學(xué)，有效提高課堂效率，增加學(xué)生學(xué)習(xí)代入感，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為主的翻轉(zhuǎn)教學(xué)。

②利用Arduino單片機(jī)智能開發(fā)套件引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)功能，使其在真實(shí)勞動(dòng)場景中掌握知識(shí)和技能，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和物化能力。

● 教材分析

《“超聲眼”感知危險(xiǎn)》為中學(xué)通用技術(shù)校本選修課程《為車安上一雙眼》STEAM教學(xué)課例中第二階段第三課時(shí)的教學(xué)內(nèi)容。課程設(shè)計(jì)主要參考地質(zhì)版通用技術(shù)必修模塊“技術(shù)與設(shè)計(jì)1”“計(jì)數(shù)與設(shè)計(jì)2”以及地質(zhì)版通用技術(shù)選擇性必修的相關(guān)內(nèi)容。超聲波傳感器作為生活中常用的測距傳感器被廣泛應(yīng)用，在經(jīng)過第一課時(shí)《認(rèn)識(shí)超聲波傳感器》的學(xué)習(xí)后，學(xué)生對(duì)其機(jī)理和應(yīng)用場景有了大概的認(rèn)知。超聲波傳感器在車輛中也有較多的應(yīng)用，因此本節(jié)課以交通事故為真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生理解傳感器在車輛安全保障中的重要性，認(rèn)識(shí)到多傳感器協(xié)同工作的意義，并能初步使用傳感器解決實(shí)際問題。通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)STEM項(xiàng)目最重要的感知環(huán)節(jié)有了更進(jìn)一步的認(rèn)知，也為后續(xù)基于多超聲波傳感器的車輛智能控制的探索做鋪墊。

● 學(xué)情分析

學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了通用技術(shù)必修一、必修二兩本教材，學(xué)習(xí)了設(shè)計(jì)的一般流程，也學(xué)習(xí)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、流程設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制設(shè)計(jì)、電子控制系統(tǒng)、傳感器、信號(hào)處理，在信息技術(shù)課程上，學(xué)習(xí)了程序撰寫、程序調(diào)試等內(nèi)容，為本課的開展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

筆者在日常教學(xué)中，經(jīng)常組織學(xué)生以小組為單位進(jìn)行單元或者項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和小組團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力，同時(shí)兼顧了檢索、分析、概括、歸納、寫作、演講表達(dá)等能力的訓(xùn)練。

經(jīng)過前置項(xiàng)目《mev小車制作》的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)汽車的構(gòu)造和控制有了初步認(rèn)知，小車搭建的過程吸引學(xué)生想要更加深入地了解社會(huì)問題，提出解決方案并解決問題。經(jīng)過對(duì)智能駕駛技術(shù)的調(diào)研，學(xué)生發(fā)現(xiàn)多傳感器融合技術(shù)作為智能駕駛中的感知中樞，在智能駕駛中至關(guān)重要。其作用可看作人的器官，有眼、耳、鼻等特殊功能，達(dá)到解放人的效果。

因此，本課確定了以人為感知中心，多傳感器融合為輔助感知的智能人車閉環(huán)系統(tǒng)研究的教學(xué)方向。將現(xiàn)實(shí)生活中的真實(shí)問題引入教學(xué)中，在教師的引導(dǎo)下，通過師生、生生間的探討交流達(dá)到對(duì)知識(shí)的理解運(yùn)用。

● 教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能目標(biāo)：通過課堂學(xué)習(xí)，了解自動(dòng)駕駛相關(guān)知識(shí)，了解汽車感知的方式，了解多傳感器融合技術(shù)。能根據(jù)電路圖完成電路搭建，培養(yǎng)物化能力。

過程與方法目標(biāo)：通過觀察和分析多超聲波傳感器融合電路試驗(yàn)的現(xiàn)象，理解多超聲波傳感器融合技術(shù)的使用方法，能進(jìn)行知識(shí)遷移，提升工程思維。

情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：通過對(duì)真實(shí)案例的觀察分析，思考社會(huì)問題，培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任感。

● 教學(xué)環(huán)境與準(zhǔn)備

教學(xué)環(huán)境：多媒體教室，配備如臺(tái)式電腦、多媒體白板、移動(dòng)白板、移動(dòng)展臺(tái)等多媒體設(shè)備。教室能容納4～6組學(xué)生，每組學(xué)生4人，能滿足學(xué)生小組討論及開展活動(dòng)。

教學(xué)準(zhǔn)備：超聲波傳感器、Arduino單片機(jī)、面包板、杜邦線、電源及各類電子電工工具。課堂使用的程序代碼由教師提前燒錄至單片機(jī)中。

● 教學(xué)過程

1.課前自學(xué)

學(xué)生經(jīng)過上一課時(shí)《認(rèn)識(shí)超聲波傳感器》的學(xué)習(xí)，對(duì)超聲波傳感器測距電路有了一定的認(rèn)識(shí)，也引發(fā)了一些思考。教師基于本節(jié)課《“超聲眼”感知危險(xiǎn)》的教學(xué)任務(wù)為學(xué)生提供課前學(xué)習(xí)微課，同時(shí)設(shè)計(jì)課前學(xué)案引導(dǎo)學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)。

設(shè)計(jì)意圖：自主學(xué)習(xí)學(xué)案的設(shè)定依據(jù)是督促學(xué)生完成自主學(xué)習(xí)與小組討論。學(xué)生的自主學(xué)習(xí)學(xué)案完成情況如圖1所示。

圖1 學(xué)生自主學(xué)習(xí)學(xué)案

2.課程導(dǎo)入

活動(dòng)一：調(diào)研分享。

教師展示學(xué)生課前完成的調(diào)研—“交通事故數(shù)據(jù)”，引導(dǎo)學(xué)生分析小事故和大事故的發(fā)生比例。學(xué)生根據(jù)課前查閱的材料進(jìn)行討論分析，得出小事故發(fā)生概率大的結(jié)論。

活動(dòng)二：觀看視頻。

教師利用交互白板播放《汽車小事故集錦》視頻，將學(xué)生帶入真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)交通事故進(jìn)行思考，并提問：小型交通事故產(chǎn)生時(shí)有什么共同特點(diǎn)？學(xué)生觀看視頻并思考，結(jié)合課前學(xué)案分組討論，回答問題。

活動(dòng)三：思考總結(jié)。

教師利用白板展示課前學(xué)生通過信息檢索和整理生成的交通事故新聞詞云圖（如圖2），并引導(dǎo)學(xué)生思考詞云圖的內(nèi)容反映的現(xiàn)狀。學(xué)生觀察并進(jìn)行思考，總結(jié)出問題處理的方法：不僅要治標(biāo)，還需要治本。

圖2 交通事故詞云

設(shè)計(jì)意圖：通過學(xué)生調(diào)研數(shù)據(jù)的展示和分析，能加深學(xué)生對(duì)汽車事故的認(rèn)識(shí)。通過真實(shí)交通事故的視頻集錦，將學(xué)生帶入真實(shí)情境，直觀感受交通事故的特點(diǎn)，引發(fā)學(xué)生思考。通過對(duì)新聞資訊、時(shí)事熱點(diǎn)的反思，讓學(xué)生理解技術(shù)發(fā)展的重要性，更深刻理解技術(shù)發(fā)展人、解放人、保護(hù)人的特點(diǎn)。

3.新課講授

活動(dòng)一：學(xué)案分享。

選取課前調(diào)研較好的自動(dòng)駕駛實(shí)現(xiàn)方法的學(xué)案進(jìn)行展示，并邀請(qǐng)小組成員上臺(tái)分享。學(xué)生利用移動(dòng)展臺(tái)進(jìn)行匯報(bào)展示，引導(dǎo)其他小組找出有用信息并完善自己的課前學(xué)案。

活動(dòng)二：新知?dú)w納。

在學(xué)生匯報(bào)結(jié)束后，教師引導(dǎo)學(xué)生一起歸納總結(jié)自動(dòng)駕駛的方法：攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等，讓學(xué)生了解汽車“眼睛”的類型和安裝位置。然后提出問題：汽車如何能“看清”世界？

活動(dòng)三：小組討論。

教師利用電子白板展示自動(dòng)駕駛車輛的價(jià)格柱狀圖和自動(dòng)駕駛技術(shù)分級(jí)圖，根據(jù)課程導(dǎo)入環(huán)節(jié)得出的小事故較多的情況，引導(dǎo)學(xué)生思考是否需要昂貴復(fù)雜且不成熟的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，學(xué)生圍繞“是否可以設(shè)計(jì)以解決小事故為主的精簡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)”的問題開展小組討論。

活動(dòng)四：新知講授。

教師運(yùn)用電子白板展示超聲波傳感器的不同型號(hào)樣式，介紹“超聲眼”的局限性和可行性，并引導(dǎo)學(xué)生開展討論，分析使用超聲波傳感器制作精簡自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的可能性。

設(shè)計(jì)意圖：整合學(xué)生檢索到的信息并引導(dǎo)學(xué)生匯報(bào)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)成就感。通過回顧和總結(jié)加深學(xué)生對(duì)自動(dòng)駕駛技術(shù)的認(rèn)知。通過對(duì)導(dǎo)入環(huán)節(jié)內(nèi)容的回顧，引導(dǎo)學(xué)生思考，提升學(xué)生的技術(shù)意識(shí)。承接上節(jié)課學(xué)習(xí)的認(rèn)識(shí)超聲波傳感器的內(nèi)容開展新知講授，引發(fā)學(xué)生的方案設(shè)計(jì)。

4.方案探究

教師引導(dǎo)學(xué)生探究汽車的“超聲眼”應(yīng)該如何安裝，才能保障汽車的安全。學(xué)生小組開展討論，并根據(jù)教師提供的課堂學(xué)案進(jìn)行方案設(shè)計(jì)（如圖3），記錄設(shè)計(jì)理由。

圖3 學(xué)生方案設(shè)計(jì)

在學(xué)生完成探究后，教師邀請(qǐng)學(xué)生小組對(duì)自己的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹，并進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。同時(shí)，小組開展互評(píng)，并對(duì)方案提出優(yōu)化建議，小組將優(yōu)化建議進(jìn)行記錄。

教師在小組完成方案介紹后，對(duì)探究環(huán)節(jié)進(jìn)行小結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生回顧所學(xué)的知識(shí)。之后布置課間思考問題：如何實(shí)現(xiàn)自己的“超聲眼”方案？學(xué)生利用課間進(jìn)行思考。

設(shè)計(jì)意圖：通過方案探究，讓學(xué)生回顧課堂內(nèi)容，并結(jié)合自己課前查閱的材料開展設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。通過展示匯報(bào)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成就感，提升學(xué)習(xí)熱情。通過課堂小結(jié)加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的印象。課間思考承上啟下，為第二課時(shí)做準(zhǔn)備。

5.新知講授

教師隨機(jī)提問小組回答課間思考的結(jié)果，學(xué)生基于自己的多傳感器方案回答問題。教師運(yùn)用電子白板播放第二節(jié)課的教學(xué)主題：多傳感器信息融合。

教師在學(xué)生回答后，對(duì)學(xué)生的回答進(jìn)行總結(jié)，并運(yùn)用電子白板展示新知內(nèi)容（如圖4a），闡述多傳感器信息融合技術(shù)的概念并介紹生活中運(yùn)用多傳感器信息融合技術(shù)的案例；接著，以多超聲波傳感器融合電路為例進(jìn)行講解，并向?qū)W生展示材料清單（如圖4b）。學(xué)生根據(jù)電子白板展示的材料清單進(jìn)行材料清點(diǎn)。

圖4 多媒體展示

設(shè)計(jì)意圖：通過對(duì)課間思考的提問，讓學(xué)生快速回歸課堂，進(jìn)入狀態(tài)。以問題導(dǎo)入新知后，對(duì)新知進(jìn)行講解，加深學(xué)生理解。利用多媒體展示電路原理圖，輔助學(xué)生理解并學(xué)會(huì)識(shí)讀多超聲波傳感器融合電路。

6.實(shí)踐探究

活動(dòng)一：電路搭建。

教師組織學(xué)生進(jìn)行小組分工，引導(dǎo)學(xué)生搭建多超聲波傳感器融合電路。學(xué)生以小組為單位進(jìn)行電路搭建，發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行記錄，自行思考解決方案，完成學(xué)案填寫（如下頁圖5）。如實(shí)在無法解決，求助老師。

圖5 電路搭建情況記錄

教師在教室巡視，回答學(xué)生問題，指導(dǎo)學(xué)生按照電路圖完成電路搭建。學(xué)生運(yùn)用移動(dòng)白板查看電路原理圖，可進(jìn)行局部放大、拖拽等操作，方便進(jìn)行電路的搭建及檢查。

若有學(xué)生小組提前完成電路搭建，教師引導(dǎo)小組分享搭建過程中遇到的問題及解決方法。其他小組聽取匯報(bào)小組遇到的問題，及時(shí)規(guī)避錯(cuò)誤。

活動(dòng)二：觀察分析。

在學(xué)生完成電路搭建后，教師引導(dǎo)學(xué)生觀察搭建好的多超聲波傳感器融合電路，及其與三色LED燈的聯(lián)立關(guān)系，并利用學(xué)案記錄觀察到的試驗(yàn)現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)觀察到的試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，繪制系統(tǒng)流程圖。學(xué)生小組使用移動(dòng)白板記錄試驗(yàn)過程圖像，觀察并記錄現(xiàn)象，討論分析，繪制流程圖，完成學(xué)案填寫（如圖6）。

圖6 學(xué)生觀察分析記錄

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生小組展開實(shí)踐，根據(jù)電路圖完成電路搭建，并發(fā)現(xiàn)問題，培養(yǎng)學(xué)生的物化能力。通過生成性問題的及時(shí)反饋和解答，提高學(xué)生的作品完成效率，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。通過觀察分析，總結(jié)出多傳感器融合技術(shù)的使用方法，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和分析能力。

7.展示分享

教師邀請(qǐng)完成質(zhì)量較高的學(xué)生小組運(yùn)用移動(dòng)展臺(tái)給全班同學(xué)展示學(xué)生團(tuán)隊(duì)制作完成的電路，匯報(bào)觀察到的現(xiàn)象及分析得到的結(jié)論并繪制流程圖。其他小組在聽取匯報(bào)的同時(shí)，開展同步討論并進(jìn)行意見補(bǔ)充。

在學(xué)生匯報(bào)完畢后，教師對(duì)學(xué)生在實(shí)踐探究環(huán)節(jié)的表現(xiàn)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，并組織學(xué)生開展小組互評(píng)，記錄意見。

設(shè)計(jì)意圖：通過展示分享，能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成就感，激發(fā)學(xué)生研究的熱情。通過點(diǎn)評(píng)，引導(dǎo)學(xué)生提高在實(shí)踐環(huán)節(jié)的參與度。

8.總結(jié)思考

教師運(yùn)用白板的隱藏功能，將答案隱藏，引導(dǎo)學(xué)生回顧試驗(yàn)過程，與學(xué)生一起總結(jié)本節(jié)課學(xué)習(xí)內(nèi)容，回顧多超聲波傳感器融合電路工作原理及使用方法。

在完成知識(shí)回顧總結(jié)后，教師提出課后思考問題：超聲波傳感器需要裝在車的哪些位置？需要多少個(gè)？如何使用多超聲波傳感器融合電路控制車輛？

學(xué)生小組課后進(jìn)行思考，完成課后學(xué)案，并嘗試根據(jù)自己的方案考慮智能駕駛小車的傳感器布局并繪制小車控制流程圖。

設(shè)計(jì)意圖：通過引導(dǎo)學(xué)生回顧課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容，讓學(xué)生更好地理解多傳感器信息融合技術(shù)，進(jìn)一步掌握超聲波傳感器的原理及使用方法。提出問題，延展課堂，引發(fā)學(xué)生對(duì)超聲波傳感器使用方法的思考，為下節(jié)課做好鋪墊。

● 教學(xué)反思

通過《“超聲眼”感知危險(xiǎn)》課程的教學(xué)，筆者發(fā)現(xiàn)教學(xué)中素材的準(zhǔn)備有待充實(shí)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生了很多生產(chǎn)性問題，但沒有合適的案例進(jìn)行展示講解，學(xué)生對(duì)問題的認(rèn)識(shí)不清晰，容易對(duì)后續(xù)任務(wù)的開展造成干擾。

同時(shí)，在實(shí)踐探究環(huán)節(jié)，教師需要時(shí)刻關(guān)注學(xué)生的行為。通過觀察筆者發(fā)現(xiàn)，某些小組會(huì)出現(xiàn)“一人任務(wù)，其余人打醬油”的情況，造成最終電路完成率不高,所以一定要調(diào)動(dòng)所有學(xué)生的積極性，誰找耗材，誰搭電路，誰記錄問題，誰調(diào)試檢查，通過任務(wù)的分工讓每個(gè)學(xué)生都能找到自己的定位。