課題1.3智能垃圾箱我設(shè)計(jì)核心素養(yǎng)教學(xué)目標(biāo)技術(shù)素養(yǎng)：學(xué)生能夠理解智能垃圾箱的基本工作原理和技術(shù)應(yīng)用。創(chuàng)新思維：鼓勵學(xué)生思考如何改進(jìn)現(xiàn)有的垃圾箱，使其更加智能化。實(shí)踐操作能力：通過動手制作模型或原型，提高學(xué)生的實(shí)際操作能力。環(huán)保意識：培養(yǎng)學(xué)生對環(huán)境保護(hù)的認(rèn)識，理解智能垃圾箱在垃圾分類和資源回收中的作用。勞動素養(yǎng)：通過勞動過程，分享勞動成果，體驗(yàn)勞動創(chuàng)造美好生活。教材分析關(guān)于“智能垃圾箱”的內(nèi)容主要涵蓋了其工作原理、設(shè)計(jì)原理以及在實(shí)際生活中的應(yīng)用。通過詳細(xì)講解智能垃圾箱的構(gòu)造，如傳感器如何檢測垃圾類型、自動分類系統(tǒng)的運(yùn)作機(jī)制以及壓縮技術(shù)如何增加垃圾箱的存儲效率等，使學(xué)生能夠全面理解這一技術(shù)的核心。此外，教材還包含了一些案例研究，通過對現(xiàn)有智能垃圾箱的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，幫助學(xué)生理解技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，并激發(fā)他們的創(chuàng)新靈感。教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)重點(diǎn)：智能垃圾箱的基本功能和技術(shù)要求。如何將理論知識與實(shí)際操作相結(jié)合，設(shè)計(jì)出既實(shí)用又創(chuàng)新的智能垃圾箱。培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識和團(tuán)隊(duì)合作精神。難點(diǎn)：技術(shù)實(shí)現(xiàn)，學(xué)生可能在將理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)際操作時(shí)遇到困難，特別是在電子電路和編程方面。，鼓勵學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思維，提出獨(dú)特的設(shè)計(jì)方案可能是一個挑戰(zhàn)。團(tuán)隊(duì)協(xié)作，確保每個學(xué)生都能在團(tuán)隊(duì)中發(fā)揮作用，共同完成項(xiàng)目。教學(xué)過程一、導(dǎo)入新課講述投遞垃圾時(shí)遭遇的尷尬和困難，例如手上東西比較多、垃圾蓋比較臟、小孩扔垃圾身高不夠等。學(xué)生聯(lián)系生活實(shí)際，討論如何解決這些問題。教師引導(dǎo)學(xué)生討論，引出智能垃圾箱。二、新授知識1.明確本課的目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)垃圾箱的自動開蓋功能，確定共同的解決辦法。2.教師介紹作品完成所需的電子器材，包括ArduinoUno電路板、HCSR04超聲波傳感器模塊、SG90舵機(jī)、導(dǎo)線若干、廢舊紙箱或紙盒模擬垃圾箱（或者帶活動蓋的垃圾箱）等，并指導(dǎo)學(xué)生了解器材基本結(jié)構(gòu)及使用方法。Arduino是能夠用來感應(yīng)和控制現(xiàn)實(shí)物理世界的一套工具。它由一個基于單片機(jī)并且開放源代碼的硬件平臺和一套為Arduino控制板編寫程序的開發(fā)環(huán)境組成。Arduino可以用來開發(fā)交互產(chǎn)品，可以控制各式各樣的電燈、電機(jī)和其他物理設(shè)備。其中Uno板是Arduino系列控制板中使用很廣泛的一種。HCSR04超聲波傳感器模塊可提供2至400厘米的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)到3毫米。模塊主要包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路。超聲波傳感器測距時(shí)，被測物體的面積不小于0.5平方米且平面盡量平整，否則影響測量的結(jié)果。建議測量周期為60毫秒以上，以防發(fā)射信號對回響信號的影響。舵機(jī)是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。舵機(jī)只是一種通俗的叫法，其實(shí)質(zhì)是一個伺服電機(jī)。3.教師介紹圖形化編程軟件的基本操作，包括模塊分布與拖拽，程序的上傳過程等，讓學(xué)生了解基本的程序界面和編寫方法。圖形化編程是指用圖形化的編程模塊取代以往的代碼編程語言，通過拖拽不同的模塊，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)作品功能。目前，國內(nèi)外有很多圖形化編程軟件，它們的使用方法和界面相似，可以根據(jù)自己的使用習(xí)慣選擇。三、小組實(shí)踐1.教師輔助學(xué)生連接電路，編寫完成與自己實(shí)際電路匹配的程序，并上傳至板卡。在搭建電路時(shí)，Arduino使用自帶的servo函數(shù)來控制舵機(jī)，舵機(jī)的控制線需要接PWM數(shù)字口。在我們使用的ArduinoUno控制板上，所有PWM數(shù)字口都有“～”標(biāo)識?？梢赃x擇Uno控制板的D9作為舵機(jī)的控制接口，即SG90舵機(jī)紅色導(dǎo)線接電源正極，棕色導(dǎo)線接地，橙色導(dǎo)線接Uno控制板D9口。HCSR04超聲波傳感器模塊四個引腳接法如下：VCC引腳接電源正極；GND引腳接電源負(fù)極；Trig引腳是傳感器觸發(fā)信號輸入引腳，接Uno控制板7號管腳；Echo引腳是傳感器測距數(shù)據(jù)輸出引腳，接Uno控制板6號管腳。具體的接線電路中的AA電池為5V，也可以用標(biāo)有“5V2.1A”輸出參數(shù)的移動電源供電。2.教師輔助學(xué)生將連好的電路安裝到垃圾箱上合適的位置（注意強(qiáng)調(diào)熱熔膠槍等工具使用的基本方法和安全事項(xiàng)），尤其是舵機(jī)的位置要和程序匹配，能夠控制垃圾箱蓋的開合。四、展示分享1.小組展示分享：邀請部分小組展示作品，分享成功經(jīng)驗(yàn)、遇到的困難及解決辦法等。教師在學(xué)生討論的基礎(chǔ)上，進(jìn)行總結(jié)、提煉、點(diǎn)睛。五、總結(jié)拓展1.總結(jié)：智能生活觸手可及，智能生活皆是由人的智慧創(chuàng)造的。學(xué)生結(jié)合自己的感悟，理解本課的核心主題：勞動創(chuàng)造美好生活。2.拓展：介紹其他傳感器的應(yīng)用。學(xué)生思考這些傳感器能讓垃圾箱哪些部分變得更智能。傳感器（Sensor）是一種檢測裝置，能感受被測量的信息，并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為有用信號的器件或裝置。如果把機(jī)器比作人，計(jì)算機(jī)相當(dāng)于人的大腦，執(zhí)行任務(wù)的機(jī)械相當(dāng)于人的身體，各種各樣的傳感器則相當(dāng)于人的五官和皮膚。我們可以利用煙霧傳感器來開發(fā)能夠感應(yīng)是否有燃燒的煙頭的垃圾箱，也可以利用聲音傳感器來開發(fā)能夠用語音控制開合的智能垃圾箱。六、課后實(shí)踐教師提供輔助資源，供學(xué)生進(jìn)行自主探究使用，包括常用傳感器的結(jié)構(gòu)和功能介紹、智能垃圾箱的案例介紹等。七、再次實(shí)踐：制作更加完善的智能垃圾箱（一）項(xiàng)目第一階段：智能垃圾箱模型結(jié)構(gòu)的確立解決問題：如何制作一款能同時(shí)存放多種垃圾的一個垃圾箱的模型結(jié)構(gòu)？學(xué)生活動：學(xué)生分為幾個小組，通過查找相關(guān)文獻(xiàn)、書籍等參考資料，再通過小組內(nèi)部討論，各小組設(shè)計(jì)出初步方案。設(shè)計(jì)意圖：通過讓學(xué)生查閱資料，教師對學(xué)生查閱的資料進(jìn)行篩選、甄別、整理和分類，培養(yǎng)學(xué)生的信息檢索能力，讓學(xué)生體會要解決一個項(xiàng)目需要經(jīng)歷的一般流程，特別是如何合理地分解項(xiàng)目，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會提出問題，搭好項(xiàng)目的“腳手架”。在學(xué)生設(shè)計(jì)垃圾桶模型結(jié)構(gòu)的過程中，指導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程：討論分析，觀察質(zhì)疑，總結(jié)解釋，發(fā)現(xiàn)問題再設(shè)計(jì)，再分析。在改良探索中激勵學(xué)生勇于探索、大膽嘗試，提升科學(xué)思維的論證能力和創(chuàng)新精神。（二）項(xiàng)目第二階段：控制電路的編程與電路板的制作解決問題：如何設(shè)計(jì)電路來實(shí)現(xiàn)選擇開關(guān)對應(yīng)不同的功能要求？教師活動：電路制作對于學(xué)生而言接觸較少，跨度有些大。教師首先對學(xué)生進(jìn)行有關(guān)電路及自動控制的培訓(xùn)，指導(dǎo)學(xué)生通過相關(guān)的培訓(xùn)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)。電路設(shè)計(jì)完成后，在電路板的制作方面教師對學(xué)生提供技術(shù)指導(dǎo)。學(xué)生活動：小組成員根據(jù)方案設(shè)計(jì)電路，繪制程序框圖，并通過應(yīng)用軟件編寫程序。學(xué)生在搭建智能電路和編寫程序的過程中難免遇到問題，可在組內(nèi)商議，反復(fù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)試與修改，必要時(shí)向教師尋求幫助。學(xué)生設(shè)計(jì)出了控制電路并在教師的指導(dǎo)下制作出了電路板。設(shè)計(jì)意圖：在電路的設(shè)計(jì)和分析中，引導(dǎo)與鍛煉學(xué)生的工程思維。通過對需要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行探究討論，培養(yǎng)學(xué)生問題分析及探究的能力。同時(shí)利用電路的編程訓(xùn)練，提升學(xué)生協(xié)作能力以及利用數(shù)學(xué)思維與編程思維解決問題的能力。（三）項(xiàng)目第三階段：材料選擇及桶的外形設(shè)計(jì)解決問題：如何從環(huán)保、美觀、經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的角度進(jìn)行選材和設(shè)計(jì)？教師活動：生物和化學(xué)教師各自通過教學(xué)內(nèi)容，從環(huán)保、選材和設(shè)計(jì)等方面對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，并特邀美術(shù)教師簡單指導(dǎo)學(xué)生的手工制作。學(xué)生活動：小組成員根據(jù)化學(xué)和生物教師的指導(dǎo)方案，從成本、環(huán)保、工程設(shè)計(jì)和加工等多角度論證和考慮選擇材料并設(shè)計(jì)加工出垃圾桶的筒體。各小組分工協(xié)作，小組討論，經(jīng)過調(diào)整、改進(jìn)、裝飾，最后完成。通過討論，小組學(xué)生主要利用易于環(huán)保的、性價(jià)比較高的、具有較高機(jī)械強(qiáng)度的瓦楞紙板制作垃圾桶外形。同時(shí)應(yīng)用3D打印技術(shù)自主設(shè)計(jì)各個結(jié)構(gòu)部件