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視頻標(biāo)簽：深圳市初中優(yōu)質(zhì)課
所屬欄目：初中創(chuàng)客教育優(yōu)質(zhì)課
視頻課題：深圳市初中優(yōu)質(zhì)課《無接觸式校園午休防疫機(jī)器人模型制作》
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深圳市初中優(yōu)質(zhì)課《無接觸式校園午休防疫機(jī)器人模型制作》
一、項目背景簡述
2020年初突發(fā)的疫情，使得正常的校園生活受到巨大的沖擊。深圳特有的全市校園午餐午休也必須進(jìn)一步改善以應(yīng)對疫情下的午休要求。在校園午休時，每個教室都要求配備至少一名教師，對學(xué)生進(jìn)行午休前、午休后的測溫與考勤，以降低傳染風(fēng)險。但是教師測溫、考勤也存在接觸風(fēng)險，此外每天中午得不到休息教師也很疲憊。本項目擬解決這一問題，開展項目式學(xué)習(xí)——設(shè)計一款能自行測溫、消毒、考勤的機(jī)器人，既能減少接觸風(fēng)險，又能解放教師,，減少人力物力的浪費(fèi)。
在本項目中，學(xué)生自主探究、設(shè)計、制作一款疫情校園午休管理機(jī)器人，其功能包括體自動化的溫監(jiān)測、消毒、配送等，在校園午休的場景下應(yīng)用，以解決實際問題。在這個過程中學(xué)生將學(xué)習(xí)到Arduino機(jī)器人的搭建，模塊編程的方法，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力、動手能力，將學(xué)到的知識應(yīng)用于實際生活中，提高學(xué)生的社會責(zé)任感。
二、項目實施的環(huán)境和硬件要求
環(huán)境保障：學(xué)校有專門的STEAM教室用于STAEM課程教學(xué)，主教學(xué)場地分為：教學(xué)區(qū)、工業(yè)加工區(qū)、交流互動區(qū)、展示區(qū)、儲藏室區(qū)。室內(nèi)專門配置項目使用的激光切割機(jī)、3D打印機(jī)、CNC機(jī)床、刻紙機(jī)等設(shè)備。強(qiáng)大的硬件條件、經(jīng)費(fèi)和人員保障為我們實施該項目提供強(qiáng)有力的保障。
教學(xué)人員不光是信息教師，多學(xué)科教師共同授課，形成專業(yè)指導(dǎo)。能從更專業(yè)的角度為學(xué)生提供幫助，開拓學(xué)生思維。
實施硬件方面：學(xué)校已有Arduino機(jī)器人創(chuàng)客教育套件、5G通信模塊、ArduinoScratch（V3.21）軟件等硬件，可以供項目開展。
三、學(xué)者特征分析
初中階段的學(xué)生，從年齡段來說是好動、好奇、好表現(xiàn)的時期，應(yīng)采用形象生動、形式多樣的教學(xué)方法讓學(xué)生能夠積極主動參與學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。生理上，學(xué)生好動，注意力易分散，愛發(fā)表見解，希望得到老師的表揚(yáng)，所以在教學(xué)中應(yīng)抓住學(xué)生這一特點，發(fā)揮學(xué)生的主動積極性。從認(rèn)知層面上來看，學(xué)生對對事物的認(rèn)識還停留在表面上，學(xué)生享受著科技進(jìn)步和教育發(fā)展的成果，但對于科技與教育戰(zhàn)略地位的認(rèn)識還有待深化，一部分學(xué)生還存在學(xué)習(xí)目的不明確，學(xué)習(xí)動力不足等問題。依據(jù)課程標(biāo)，學(xué)生應(yīng)該了解我國在科技、教育發(fā)展方面的成就，知道與發(fā)達(dá)國家差距，理解實施科教興國戰(zhàn)略的現(xiàn)實意義，感受科技創(chuàng)新、教育創(chuàng)新的必要性，努力提高自身素質(zhì)。在深圳，中小學(xué)都開設(shè)了創(chuàng)客課程，并且深圳市每年都會舉辦創(chuàng)客節(jié)比賽，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，而我們此次主題的確定，正是符合這一目標(biāo)，提升學(xué)生的科創(chuàng)能力。
本項目適用于深圳市初中階段學(xué)生，在技術(shù)方面，學(xué)生在小學(xué)階段已經(jīng)學(xué)習(xí)過基本的Scratch軟件編程方法，具有一定的基礎(chǔ)，對于機(jī)器人的制作很感興趣，會使用一些基本的編程語句，但是學(xué)生的邏輯思維能力還不是很強(qiáng)，對于稍復(fù)雜的程序語句不能理解，在項目進(jìn)行的過程中，學(xué)生通過對邏輯語句的編寫，可以很好的提升她們的邏輯思維能力。
本項目可以通過編程讓機(jī)器人在午休防疫場景中實現(xiàn)各種活動，既符合實際所需，又能激發(fā)學(xué)生的興趣。除了編程以外，在項目進(jìn)行中還涉及到多方面的知識，如物理的電路的連接、傳感器的使用等。涉及應(yīng)用到的知識較多，對于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)比較全面
四、項目知識圖譜
1.科學(xué)原理（STEAM-S）
(1)物理方面
i.了解測溫巡邏機(jī)器人電路工作原理及相關(guān)知識，能夠正確連接閉合電路
ii.能夠說出紅外線測溫傳感器、紅外線循跡傳感器、紅外線避障等傳感器原理及用途
(2)信息方面
程序的編寫：包括邏輯語句的運(yùn)用、定義變量、簡單的數(shù)字和邏輯運(yùn)算
2.技術(shù)要點與難點(（STEAM-T）)
(1)認(rèn)識AS-board主控板、能夠利用AS進(jìn)行程序編寫與運(yùn)行，并將主控板與裝置進(jìn)行連接，使它能夠進(jìn)行測溫、循跡等功能。
(2)在程序中如何實現(xiàn)：紅外傳感器如何設(shè)置？
3．藝術(shù)應(yīng)用（STEAM-A）
對機(jī)器人的外觀進(jìn)行設(shè)計，學(xué)生利用多種技術(shù)手段實現(xiàn)外形創(chuàng)造，例如激光切割、3D打印等技術(shù)。使其兼具實用性的同時能夠美觀，培養(yǎng)學(xué)生的審美能力。
4.工程支持（STEAM-E）
在項目進(jìn)行的過程中，運(yùn)用到工程項目的設(shè)計流程方法。在這個過程中學(xué)生對自己所設(shè)計的產(chǎn)品不斷進(jìn)行優(yōu)化測試，從而得到最優(yōu)產(chǎn)品。另外，需考慮多功能巡邏機(jī)器人的實用價值，如何改進(jìn)更加智能化，能否推廣到實際生產(chǎn)生活中。
五、項目總?cè)蝿?wù)
本項目旨在疫情的大環(huán)境下，探索智能機(jī)器人在校園午餐午休管理中發(fā)揮的作用。本項目將通過設(shè)計一款測溫循跡機(jī)器人，達(dá)到對午餐午休人員無接觸式測溫、飯前消毒、發(fā)放午餐、午餐考勤與體溫異常報警等目的。學(xué)生需要思考，如何通過搭建機(jī)器人、設(shè)計程序，達(dá)到這些目的。同時，學(xué)生需要根據(jù)疫情的相關(guān)知識，選擇殺菌消毒效果最好的洗手液、消毒液進(jìn)行學(xué)生的餐前消毒。本項目將高效快捷的實現(xiàn)無接觸式校園午餐午休管理，在很大程度上減少人員接觸，解放人力資源。
六、項目總?cè)蝿?wù)拆解后的挑戰(zhàn)任務(wù)
1.學(xué)生需要思考如何搭建一款測溫巡邏機(jī)器人模型，以達(dá)到測溫、巡邏、釋放消毒液的效果。
2.學(xué)生需要將編寫的好的各個功能的子程序，匯總成總程序。
3.學(xué)生計并測試測溫程序，使機(jī)器人能準(zhǔn)確測量人體溫度。
4.學(xué)生需編寫測溫反饋程序，思考如何設(shè)計程序，機(jī)器人才會為體溫正常的同學(xué)釋放洗手消毒液并發(fā)放午餐，對體溫異常的同學(xué)進(jìn)行毒液并啟動報警。
4.學(xué)生需思考，如何結(jié)合學(xué)生座位排列，設(shè)計巡邏軌跡，使機(jī)器人能快捷的路過午餐午休教室的每一位學(xué)生。
5、學(xué)生需思考如何設(shè)計測溫巡跡程序，使機(jī)器人在放餐時間截止后能沿特定軌跡行駛，并按照順序?qū)γ恳粋�學(xué)生進(jìn)行二次測溫，并根據(jù)測溫結(jié)果進(jìn)行體溫正常反饋、體溫異常報警、學(xué)生缺勤反饋。
七、項目需要的課時及具體進(jìn)度（計劃）安排
本項目共分四項任務(wù)：前兩項為先導(dǎo)性任務(wù)，由教師引導(dǎo)學(xué)生小組合作探究完成。第三項為拓展性任務(wù)，由學(xué)生主導(dǎo)研發(fā)設(shè)計，第四項小組競賽最終呈現(xiàn)設(shè)計成果（本項目所有任務(wù)都是分小組合作探究制作完成，每小組4—6人）
| 項目任務(wù)一：機(jī)器人的測溫功能 | |||
| 項目時間 | 項目目標(biāo) | 問題引導(dǎo) | 自主探究 |
| 兩課時（第一課時：機(jī)器人外形、功能設(shè)計；第二課時：ArduinoScrach測溫程序編寫） |
1. 查閱相關(guān)資料鏈接物理相關(guān)基礎(chǔ)知識掌握測溫的原理； 2. 對機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計，自主探究簡易機(jī)器人的搭建方法，并能做到獨(dú)立完成搭建； 3. 學(xué)會用ArduinoScrach對機(jī)器人進(jìn)行程序編寫實現(xiàn)測溫功能。 |
第一課時： 1. 正值新冠疫情特殊時期，中午午餐午休需要進(jìn)行哪些流程？2.上述流程均是如何完成的？存在哪些缺陷？如何解決這些缺陷？ 3.可以運(yùn)用哪些智能設(shè)備解決上述缺陷？ 4.小組合作列舉可能需要用到的硬件來實現(xiàn)本節(jié)課的機(jī)器人測溫。 第二課時： 1. 機(jī)器人硬件安裝完畢后，追問：如何運(yùn)用軟件實現(xiàn)機(jī)器人實時測溫功能？ 2. 如何在Scratch當(dāng)中實現(xiàn)測溫語言編程？ |
第一課時： 1.學(xué)生結(jié)合校園實際情況自主思考并回答實際生活問題； 2.自主查閱相關(guān)智能設(shè)備的運(yùn)用； 3.自主查閱相關(guān)資料了解紅外線物理部分相關(guān)知識，包括紅外線的熱效應(yīng)； 4.小組自主選取所需材料，包括相關(guān)硬件，尤其是主控板和溫度傳感器。 5.小組合作結(jié)合所選取硬件進(jìn)行機(jī)器人的草圖設(shè)計及具體方案流程設(shè)計； 5.小組合作展示交流本組草圖設(shè)計和方案，并在交流基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計的二次優(yōu)化和完善。 第二課時： 1. 小組合作結(jié)合之前所學(xué)Scrach編程方法自主探究ArdinoScrach軟件編程方法； 2. 學(xué)生自主將所編程序輸入機(jī)器人進(jìn)行測溫測試；在教師指導(dǎo)下修改完善學(xué)生自主所編程序； 3. 對程序進(jìn)行二次感溫測試，若蜂鳴器依舊不能報警，則對硬件設(shè)施進(jìn)行故障排查（例如傳感器損壞、蜂鳴器損壞、上傳固件不成功）直到可成功運(yùn)行。 4.有條件的情況下可以放在午餐午休教室測試機(jī)器人的測溫功能運(yùn)行情況并進(jìn)一步使其高效化、智能化。 |
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項目要求&預(yù)期成果 1.學(xué)生需自主查閱紅外線相關(guān)基礎(chǔ)知識，并與本任務(wù)進(jìn)行相關(guān)鏈接設(shè)計機(jī)器人和制作機(jī)器人； 2.學(xué)生需結(jié)合之前所學(xué)Scrach軟件編程方法進(jìn)行ArduinoScrach基本程序編寫，并將程序?qū)氲綑C(jī)器人實現(xiàn)快速測溫； 3.學(xué)生將機(jī)器人帶至午餐午休教室進(jìn)行實地測溫，并進(jìn)行多次優(yōu)化和完善，直到機(jī)器人能進(jìn)行無人監(jiān)測。 |
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工程任務(wù)書（循跡考勤-消毒環(huán)節(jié)） 班級： 姓名： 組別： 【項目名稱】機(jī)機(jī)器人的循跡考勤-消毒功能 |
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【進(jìn)行時間】 三課時 【項目目標(biāo)】 1.機(jī)器人能根據(jù)學(xué)生座位完成午餐教室的循跡 2.機(jī)器人遇到體溫高于37.3度的同學(xué)，會報警并進(jìn)行消毒 3.機(jī)器人能記錄缺勤并計數(shù)（由于計數(shù)器的復(fù)雜程度，本功能選做） 【前置知識】 1.紅外循跡傳感器 它可以自動識別軌跡，實現(xiàn)機(jī)器人自動巡邏的功能——它是可以將顏色深淺轉(zhuǎn)化為電信號的器件。紅外循跡傳感器會檢測地面反射回來的光線強(qiáng)度，并確定其檢測面的顏色深淺，因此，我們要采集仿真環(huán)境下地圖的灰度閾值，灰度閾值的采集本文以黑白兩種顏色來說，分別讀取黑色和白色環(huán)境下紅外循跡傳感器的數(shù)值并記錄。灰度閾值的計算方法就是取兩個數(shù)值的平均數(shù)，即傳感器在黑線上的返回值與白色地面上的返回值相加再除以2。。 2.紅外避障傳感器 它是數(shù)字傳感器，其返回值只胡0和1。0表示沒有障礙物，則機(jī)器人繼續(xù)巡邏，1表示有障礙物，則停下來測量體溫。 |
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【小組成員及分工】
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【項目所需軟硬件】 機(jī)器人制作套件、溫度傳感器、紅外循跡傳感器、ArduinoScrach編程軟件及其他你認(rèn)為可能用到的材料 【項目學(xué)習(xí)】 1. 根據(jù)學(xué)生座位，如何設(shè)計路線，讓機(jī)器人完成午餐教室的循跡？ 2. 機(jī)器人實現(xiàn)循跡考勤程序編寫 3. 機(jī)器人遇到體溫高于37.3度的同學(xué)，報警并進(jìn)行消毒程序的設(shè)計邏輯 4. 機(jī)器人遇體溫異常人員報警行消程序的編寫 5. 機(jī)器人考勤功能的設(shè)計邏輯 6. 機(jī)器考勤功能的程序編寫 7. 將機(jī)器人的循跡考勤-消毒功能進(jìn)行整合 8. 機(jī)器人循跡考勤-消毒功能的測試、問題及修正完善 9. 機(jī)器人循跡考勤-消毒項目綜合評價（包括對項目本身的客觀評價及對自我執(zhí)行項目過程的主觀評價） |
| 評價項目 | 具體內(nèi)容 | 評 價 等 級 | |||
| 完全可以做到 | 大部分可以做到 | 有時可以做到 | 很難做到 | ||
| 情感態(tài)度 | ①活動整體參與度 | ||||
| ②主動提出設(shè)想、建議 | |||||
| ③遇到困難能夠積極想解決的方法 | |||||
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合作交流 |
①主動和同學(xué)配合 | ||||
| ②樂于幫助同學(xué) | |||||
| ③認(rèn)真傾聽同學(xué)的觀點和意見 | |||||
| ④對班級和小組的學(xué)習(xí)作出貢獻(xiàn) | |||||
| 學(xué)習(xí)技能 | ①活動方案構(gòu)思新穎 | ||||
| ②會用多種方法搜集、處理信息 | |||||
| ③實踐方法、方式多樣 | |||||
| 實踐活動 | ①積極動腦、動口、動手參與 | ||||
| ②會與別人合作交流 | |||||
| ③活動有新意 | |||||
| ④關(guān)注社會、關(guān)注環(huán)境的意識 | |||||
| 成果展示 | ①工程報告等 | ||||
| ②表演匯報，講解生動有趣 | |||||
| ③成果能解決學(xué)生午休場景下的測溫、消毒、考勤問題 |
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最強(qiáng)防疫機(jī)器人設(shè)計比賽 一、活動目的 為了更好地檢測學(xué)生學(xué)習(xí)成果，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生在項目過程中的成就感。在項目結(jié)束時開展最強(qiáng)防疫機(jī)器人設(shè)計比賽，包含兩個環(huán)節(jié)：展示環(huán)節(jié)與競賽環(huán)節(jié)。通過這些環(huán)節(jié)，提升學(xué)生表達(dá)能力、團(tuán)隊合作能力。 二、展示要求 學(xué)生在展示的過程中能夠解決以下問題 （1）成員分工與小組協(xié)作的自我評價 （2）設(shè)計產(chǎn)品的理論依據(jù) （3）在實踐過程中遇到的困難與解決方式 （4）本產(chǎn)品最大的優(yōu)勢或亮點 （5）本產(chǎn)品目前存在的局限性 （6）如果要進(jìn)一步提升本產(chǎn)品，還需要什么幫助 （7）除了校園午餐午休的管理，本產(chǎn)品還能稍作修改、應(yīng)用于生活中的其他場景嗎 三、挑戰(zhàn)目標(biāo) 學(xué)生以小組為單位，設(shè)計一款用于午休教室的防疫機(jī)器人。該機(jī)器人啟動后，能自行完成巡跡、測溫、消毒、考勤等所有功能。 四、活動流程 1.匯報展示。學(xué)生以小組為單位，在全班進(jìn)行。匯報展示需要本組的全部人員參與，利用ppt匯報展示產(chǎn)品，每人至少說一個板塊對小組的項目結(jié)果進(jìn)行匯報。學(xué)生需要從小組分工、設(shè)計的理論依據(jù)、實踐過程、產(chǎn)品特色、實用價值等方面介紹本項目的完成情況，并在介紹過程中或結(jié)尾演示測溫巡邏機(jī)器人的運(yùn)作。 2.挑戰(zhàn)競賽。展示結(jié)束后，進(jìn)行機(jī)器人挑戰(zhàn)賽。參賽小組對比賽場地進(jìn)行最后的調(diào)試與熱身。比賽開始，按下啟動按鈕，機(jī)器人自行完成所有項目，得到最終結(jié)果，按照評分標(biāo)準(zhǔn)得出挑戰(zhàn)分?jǐn)?shù)，得出最佳挑戰(zhàn)獎，全部展示完畢后，小組之間相互投票，選擇最佳團(tuán)隊獎，最佳展示獎、最佳設(shè)計獎。 四、項目評選規(guī)則
五、項目總結(jié) 對競賽中表現(xiàn)突出的小組或?qū)W生進(jìn)行表揚(yáng)肯定，對各小組的作品進(jìn)行點評，肯定學(xué)生在過程中的各方面的發(fā)光點。點明主題，升華主題，讓學(xué)生感受到科技在生活中的重要性，并能夠利用在此次項目活動中學(xué)習(xí)到的知識，自主探究自己感興趣的主題，已解決實際生活問題。 |
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校園午餐午休無接觸化項目后測 1.收集午餐午休無接觸化的效果反饋 2.調(diào)查學(xué)生有關(guān)Arduino教育機(jī)器人的了解程度 3.調(diào)查學(xué)生對其他輔助知識的掌握情況
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| 機(jī)器人類型 | 材料名稱 | 數(shù)量 |
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測溫巡邏機(jī)器人 |
溫度傳感器 | 1個 |
| 紅外循跡傳感器 | 1個 | |
| 紅外避障傳感器 | 1個 | |
| ArduinoScratch（V3.21）軟件 | ||
| LED數(shù)碼管 | 1個 | |
| 3P適配線 | 若干根 | |
| 左右電機(jī) | 2個 | |
| As-Board主控板 | 1個 | |
| 機(jī)器人底盤 | 1個 | |
| 螺絲 | 若干個 | |
| 數(shù)據(jù)線 | 1根 | |
| 消毒機(jī)器人 | 消毒水 | 若干ml |
| 蠕動泵 | 2個 |
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