智慧生活

胡红素 贵州省赤水市育才学校创客教师，原贵州省第一化工技校专业指导教师，从事过化工工艺、化工原理、物理化学、物理实验教师工作。在育才学校担任科学课教学工作，遵义地区科学课骨干教师培训时担任学习委员。参加过贵州省首届创客嘉年华大赛和第32、33届全国科技创新大赛及第4届青年科技节，参观过三届中国国际大数据产业博览会，对人工智能、STEAM课程和创客教育、无人机接触比较早，对STEAM课程跨学科综合素养训练有比较前沿的认识;调研过北京、成都、重庆、贵阳等城市科技馆发展，关注城乡留守儿童的科普教育。

设计依据

2016年教育部出台的《教育信息化“十三五”规划》中明确指出，积极探索信息技术在“众创空间”、STEAM教育、创客教育等新的教育模式中的应用。2017年国务院正式印发《新一代人工智能发展规划》，提出要利用智能技术加快推动人才培养模式、教学方法改革，构建包含智能学习、交互式学习的新型教育体系。

针对今年疫情的教学情况，学生们争当“抗疫小卫士”，防疫物资——口罩的消毒处理是我们平安校园必须解决的问题。在了解一定的电子传感器和3D设计与打印技术的基础下，本课采用STEAM教育理念，利用Arduino和3D One软件设计了一款“智慧生活——防新冠智能口罩消毒柜”，其外壳采用3D光固化打印技术进行打印。

课例特色

特色1：基于真实情况的项目式学习。

問题一：怎样解决全程无接触自动打开箱门？（“T”技术问题）

问题二：怎样实现箱门的智能关闭和自动消毒？（“S”科学与“T”技术融合）

问题三：含声音提示，用什么办法来提供信号？（提高人机交互性）

问题四：设计一个什么形状的箱体外观？（用3D One软件来处理）

特色2：STEAM+创客=未来教育。

教师和学生、学生与学生间交互式学习，让学生体验完整而科学的未来教育模式。

特色3：用3D技术打印出作品，让学生“天马行空的胡思乱想”得到实现。

运用前沿的3D光固化打印技术及液体状的光敏树脂材料，让学生直接接触最前沿科技。学生以自己的想法为基准，以PBL创新教学法反复讨论出方案并实施，最后得到可以看得见摸得着的实物案例。

教学目标

1.了解科学安全有效地解决口罩消毒问题的必要性。

2.知道可以使用超声波传感器，用编程控制继电器模块。

3.掌握用Mixly编程实现箱门自动打开功能和消毒功能切换的方法。

4.提升学生科学素养、创新思维及防疫意识。

教学重点与难点

教学重点 超声波传感器、舵机、蜂鸣器、继电器模块的编程及变量的使用。

教学难点 Mixly编程实现箱门自动打开功能和消毒功能之间的转换。

教学准备

Arduino主控板、超声波传感器、舵机、蜂鸣器、继电器、LED灯、电阻、针排一排、面包板、公母头导线若干、3D打印外壳的液体材料光敏树脂、3D光固化打印机。

教学过程

一、课程导入

教师先让学生发挥想象，初步拿出智能口罩消毒柜方案，鼓励每个学生都参与，人人皆可设计，画出各式各样的草图。教师从中引导，和有3D One软件学习基础的学生一起来完成3D外观设计，并展示出大家都满意的设计图形，细节问题最后处理。

在设计的过程中，因为要考虑自动打开箱门，学生们都知道用超声波传感器，所以主要考虑的问题是超声波可爱的小眼睛是放在前面还是上面。最后学生达成统一意见：放在上面，有美观大方的效果。

二、储备知识，准备材料

教师引导学生分组讨论前文提到的问题，每组讨论一个问题。学生交流所需的传感器和电子元件，每组自选一个代表发言。

教师引导学生们以小组的形式画出简单的电路草图，并帮助学生理清思路：自动打开箱门需要超声波测距，舵机转动打开，加蜂鸣器声音提示，继电器弱强电转换，强电工作进行消毒，用LED灯来演示紫外线灯消毒。

学生分组画出超声波、舵机、蜂鸣器、继电器与主控板的电路图。

教师讲解Arduino主控板的基本知识点，注意讲解继电器的接法。这些知识属于课前准备，不属于本课内容，所以只说接法，讲简单原理。最后展示正确电路图纸。（所有正极接在一起，所有负极接在一起）

三、讲授详细制作步骤

1.测试元件性能

教师指导学生用主控板单个测试超声波传感器、舵机、蜂鸣器、继电器的性能，学生逐一操作确定并正确使用。这一步不能少，否则可能会影响后期的故障处理和问题排除。（可让每组分别测一种元件）

2.用面包板逐一搭建电路

教师讲解面包板的正确使用方法，学生在面包板上面通过插接导线、电子元件来搭建不同的电路，从而实现相应的功能。（面包板是电路实验中一种常用的具有多孔插座的插件板，因为无需焊接，只需要简单的插接，所以广泛应用于电子制作、单片机的入门学习中）

教师指导学生接线。为了方便起见，蓝线作为GND，红线作为VCC。

3.根据设计思路在Mixly环境中编写程序

（1）程序设计模块一

初始化：一开始箱体处于通电消毒工作状态。（11管脚继电器低电平状态）

问题处理：9号管脚是前电路图中10号，因为实际操作太近而换管脚位置，电路图并无改变;舵机是8号，角度是0°，处于随时待命状态，如图1。

（2）程序设计模块二

当手接近箱体，超声波测距开始工作，检测距离小于或等于10cm时，11号继电器高电平停止工作，舵机转动90°（后调成85°，因重力而自动关闭，微调5°），箱体打开，同时蜂鸣器鸣叫提醒，实现口罩自动回收，紫外线消毒灯安全关闭。

特殊说明：为了避免出现手被夹事故，设计超声波5次测距，反复检测手是否在箱门附近，确认离开后舵机才开始工作，箱门关闭。11号管脚继电器才执行命令重新开始消毒工作，如图2。

（3）程序设计模块三

当超声波检测到人扔口罩后，手没离开消毒柜时，就执行蜂鸣器命令，如图3，发出声音提醒。

4.上传总程序，完成设计目标

实验成功，简化电路，取消面包板，程序上再添加比如预防夹手之类的细节问题，并测试使作品更加完善。

四、使用3D打印技术进行外观设计

用3D光固化打印出迷你型消毒柜，组装时注意活页、舵机的美观实用问题，最后反复调试，发现舵机角度定为85°最佳，让其盖子能利用本身的重力闭合。采用迷你型便于教学和观察，没有放入内胆。本作品可进行科普、环保、实用，外观朴素大方，科技感十足。

作品采用电池供电，便于移动，可直接使用常见的5V电源进行供电。同时，继电器能控制真实的220V紫外线消毒灯管（演示时用一个LED灯代替）。

教学反思

科学问题本就是源于自然中某一现象的问题。“怎么才能给口罩消毒呢？”这就是一个科学的问题;“怎样让箱子自动打开呢？”这源于一个工程技术解决的难题。可见，STEAM教学并不是简单地将科学与工程组合起来，而是在学科之间相互支撑、相互补充、共同发展。STEAM注重培养学生的批判性思维、解决问题能力、协作能力和自主学习能力，更是鼓励学生做出有科技含量的、实用的作品。随着3D One软件的普及，人人皆为创客，为教学场景的扩展带来更多可能，并更好地建立以学生为中心的学习环境，从而推动中国创新教育，培养中国的创新型人才。人工智能在教学中的应用，让学生也认识到将来社会的工作环境将如何变化，要提前做好准备。

（本课件由i3DOne青少年三维创意社区推荐）