“基于传感器学习”的项目设计

罗磊 山东省济宁市第一中学

●项目背景

传感器的学习是人工智能学习的重要组成部分，作为初学者，琳琅满目的传感器会让学生感觉到无所适从。虽然很多传感器根据名字就能知道它的功能，但学生对这些传感器是如何获取数据的，获得数据之后又是如何使用的，怎样对获得的数据进行编程，最后怎样用执行机构（如机器人）执行编写程序，并不十分清楚。因此，“基于传感器学习”项目旨在打开传感器学习的大门，为后续基于人工智能算法的传感器应用打下基础。

该项目以光电传感器为例，多学科融合，深入剖析了光电传感器原理和结构，项目涉及光电传感器的电子元件、物理电路图，以及具体的使用。

●项目规划

通过光控灯实验活动，学习光电传感器的电子原件、物理电路图，以及具体的电路组装。通过测量光敏电阻在光线变化时电阻的变化，学习光敏电阻的电器特征，进而了解光电传感器的实现原理。通过控制器获取光电传感器的数值活动，获得计算机可以识别的数字数据。给定任务，利用控制器对光电传感器获得的数据进行编程，并用机器人平台来执行。

●项目目标

本项目通过光控电路的实验了解光敏电阻的电器特性，利用控制器获取光电传感器的数据，利用获得的数据编程，然后让机器人执行。通过本项目的学习，对其他传感器的学习可以做到举一反三。

●项目实施

1.新课导入

师生观看视频《“神舟十二号载人飞船”发射》。

教师提问：你们知道神舟十二号载人飞船完成了哪些壮举吗？这其中的奥秘是什么？今天，我们一起走进传感器的世界。

设计意图：视频导入，激发学生深入探究传感器的兴趣。该视频导入既科普了我国的航天知识，又增强了爱国主义情感。

2.探究传感器

（1）光控灯实验

①认识光控灯实验器材：光敏电阻、可调电阻、三极管、LED灯、连接装置。

②组装光控灯，并进行实验。

③光控灯的原理是什么？

④电路图讲解（如下页图1）。这里的三极管有两个作用，一个是电流放大，一个是开关。当用作开关时，当B点的电位高于某个数值时，电流就从C点流向E极，灯泡亮，如果想要B点处于高电位，光敏电阻就要处于较高的阻值，此时只有光线弱，才能获得光敏电阻的高电阻值。因此，光强，灯灭；光弱，灯亮。

图1

在光控灯中，光敏电阻是敏感元件，它是一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，能够把光照强弱这个光学量转变成为电阻这个电学量。

设计意图：以生活中常见的光控灯为例，了解传感器中的敏感元件，理解光控灯的原理，了解三极管的作用，学习该电路图的绘制，为下面传感器的学习进行知识铺垫。

（2）认识传感器

传感器是一种能把感知到的被测量信息按一定的规律转换成其他形式可用信号的检测器件或装置。

教师提问：你知道生活中哪些地方用到传感器？

教师总结：所有的自动化测控系统都需要传感器为其提供决策依据。小到光控灯，大到神舟航天器，各个关键部位的控制系统都离不开传感器的使用。但是你知道吗，航天器中的传感器也出现过意外。

设计意图：通过人的五感，对比智能设备的电五官（如图2）。从例子中思考、归纳、总结传感器的定义，有了之前光敏电阻的实验，就能很好地理解传感器的概念。通过提问航天器中的传感器也出现过意外，引出后面环节——获取传感器的数据。

图2

3.获取传感器的数据

（1）观看视频

2010年俄罗斯质子-M火箭发射失败的原因是燃料水平传感器不准确导致加注燃料过量。因此，传感器作为控制器的“感官”和“神经”，要确保数据测得出、测得准，它是确保任务成功率的有效手段，因此传感器数据的准确性尤为重要。

设计意图：观看视频，并思考传感器数据准确可靠的重要性，进而引出传感器数据的获取方法。

（2）检测光敏电阻的数值

实验工具：万用表、双向夹头、光敏电阻。

实验目的：光照强度与光敏电阻阻值变化的关系。

实验要求：①被遮挡时光敏电阻的点阻值。②自然光下光敏电阻的电阻值。

实验结论：光照越强，光敏电阻的阻值越_____。光照越弱，光敏电阻的阻值越_____。

设计意图：通过实践，获得光敏电阻的数值，感受光敏电阻的电气特性。

（3）利用控制器测光电传感器的数值

①工具：可编程控制器、光电传感器。

②光电传感器原理：光电传感器通过向地面发射一束光线，利用地面颜色不同，对光的吸收不同，从而返回光线的量不同这一原理，来感知地面颜色的变化。

③实验要求：光电传感器返回值：黑色_____，白色____，黄色___。影响返回值的因素有____。

活动说明：以小组为单位进行光敏电阻数值的测量，并填写活动实验报告单。

设计意图：使用控制器采集光电传感器感应不同颜色时的返回值，并填写实验报告单。学习控制器与光电传感器的连接和使用。

4.传感器的应用——利用控制器对光电传感器编程

（1）利用控制器对光电传感器编程

任务要求：机器人向前行走，当左右某个光电传感器压黄线时停止。

①光电传感寻线模块的程序分析（如图3）。

图3

②光电传感寻线模块的C语言实现（如图4）。

图4

③根据获取的数值进行光电传感器寻线模块的编程，并使机器人执行。

（2）利用控制器对光电传感器编程

任务要求：机器人向前行走，当左右某个光电传感器压黄线时停止5秒，继续走，当检测到黑线时原地转圈20秒后停止。

设计意图：利用机器人和光电传感器巡线。分组完成编程实验，并展示巡线效果。

5.项目交流与总结

（1）知识梳理（如图5）

图5

（2）项目交流评价（如下页表）

（3）项目总结

本项目以光电传感器为例，涉及了许多电子元件的学习，包括光敏电阻、电容、电阻、三极管等。在学习过程中，需要了解这些元件的基本原理、特性和使用方法，以及它们在电路中的作用和连接方式。在物理电路图方面，学生需要了解电路图的基本符号和表示方法，以及如何根据电路图进行电路分析和计算。在光电传感器的具体使用方面，学生需要了解光电传感器的工作原理、特性和使用方法，以及如何将其与其他元件组合成一个完整的电路，并通过控制器获取传感器数据，进行编程控制。通过这个项目的学习，学生可以深入了解电子元件和物理电路图的基本知识，掌握光电传感器的使用方法和编程控制技能，为其他传感器的学习打下坚实的基础。

苍山点题

义务教育阶段信息科技新课程教学在今年秋季将正式拉开帷幕，一线教学如何在课堂上面对“科”与“技”的融合将成为重点研究的课题之一。尤其是新课标、新课程中的新内容将是对一线教师最大的挑战，虽然各地的教材开始陆续更新，可其内容、方式定位都有差异，如何抓住关键内容谋划全局？这对教学水平尚需提高的教师们来说仍然是长期的困难所在。因此，本期解码提倡教法与内容的密切结合，及时针对关键科技概念要点进行条分缕析，希望在课程推进中能够抓住关键科技去谋划课程全局，做到计算思维倡导的“分解”思维，实现提纲挈领且各个击破。

第一篇文章，在对传感器在义务教育课程标准中的描述及其地位、用途等进行阐述之后，提出了几种不同的教学策略以对应不同的学习内容或学习环境，尤其是对不同的器材情况进行了相应的分析，并给出了具体的科与技融合教学的案例，做到了有原理认知又有实践操作，对一线教师全面掌握传感器的教学非常有意义。当然，教学策略要因人因地设计，如在要装之前先通过模拟系统进行电路、数据模拟与测试，做到既提高认知又节约成本，也非常有效。

第二篇文章，以具体的教学项目设计为范例，详细阐述了传感器的应用场景、技术探究、原理认知以及具体的项目编程等内容，不仅详细、全面地展示了传感器的原理、分类、特点与应用技术，而且结合物理实验进行传感测试等技术实验，具有很强的探究性。并且，适时结合国家航天事业，以宇宙飞船为实例，不仅开拓了学生视野，还使其树立了国家安全观、自主可控观，极具育人价值。

义务教育阶段的信息科技课程已经大踏步地走来，普通高中教育阶段的信息科技课程也将呼之欲出，让我们一起树立新的科技观、教育观和育人观，实现真正的科学与技术教育的全面革新，步入科技强国的新征程吧！