教研成果：Arduino在智能家居应用设计模块教学中的应用研究

Arduino在智能家居应用设计模块教学中的应用研究

  -以“智能创意PVC管音箱”设计制作为例       

(王振强  安徽省阜阳市第三中学 E-mail:wzq0220@qq.com)

摘 要：“智能家居应用设计”是普通高中通用技术课程的选修模块，本模块旨在为学生感受先进技术在家庭生活中的运用，提供一个技术与设计的应用性学习窗口。笔者在教学实践中发现，通过选择适用的项目式教学案例，以专题的形式与通用技术课程教学内容相结合，不仅能提升学生学习的兴趣，也能拓展教学的内容与学生视野，进而培养学生的核心素养。本文以智能创意PVC管音箱为例，讲述如何利用Arduino这个载体开展该模块教学，是一种较好的尝试。

关键词：智能家居；Arduino；核心素养

普通高中技术课程目标是让广大学生通过技术领域的学习，具备适应现代生活的基本技术领域的核心素养。选择具有时代特点的开源硬件技术Arduino平台，以某种特定的形式与课程教学内容结合起来，提高教学效果的同时进一步提升学生素养水平。

一、Arduino应用于“智能家居应用设计模块教学”的分析

1.智能家居应用设计模块简介

智能家居融合了现代建筑材料技术、自动控制技术、物联网技术等先进技术，旨在创设一种高度智能化的、更加怡人的家庭居住环境。普通高中通用技术选修模块是技术领域的专题性教学内容，是关注学生未来职业和生活的需要，是面向所有学生的基础教育内容，而该模块更多是面向未来个人家庭生活的适应性学习，较其它通用技术选修模块更具有开展性的必要性。

2.教学现状分析

通用技术是以设计学习、操作学习为主要特征的课程，它立足于学生的直接经验和亲身经历，立足于“做中学”和“学中做”。目前市场上各家电品牌推出的智能产品，都有自己的软硬件控制平台，相对独立且大多封装好面向家庭使用。不利于学生探究产品组成原理，无法开展技术实践与设计学习，因此选修模块教学实施困难。　

3.Arduino应用优势

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源硬件产品，具有丰富的数字、模拟I/O接口，同时支持串口通信。能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他装置来反馈、影响环境。它没有复杂的单片机底层代码，没有难懂的汇编，只是简单而实用的函数，而且具有简便的编程环境IDE和教育版的ArduBlock是以图形化积木搭建的方式编程的，这样的方式会使编程的可视化和交互性加强，编程门槛降低，降低学习者的学习成本，特别适合学习紧张的高中生学习。此外近些年Arduino在全世界范围内快速的发展普及，使其作为一个开发平台，在机器人教育、创客教育中都得到了广泛的应用，网络中开源的软、硬件资源丰富。通过它开放的设计平台，以软硬件结合的方式，将设计概念进一步深化,构建智能产品原型和应用程序。借助arduino平台可使基于项目式教学的智能居专题教学可行、有效。

二、“智能创意PVC管音箱” 项目设计制作的教学实践

音箱是学生生活中较熟悉的技术事物，但对于音箱各部分组成及各功能普遍缺乏了解，特别是音箱音质的各种影响因素更是陌生。根据前期调查，学生对音箱倒相孔作用、喇叭尺寸与箱体大小关系及高低音共振的处理等专业知识都不清楚。考虑制作周期、加工难度及成本问题，选择较常见的PVC管材料，利用音箱这个主体对象，确定制作项目为智能创意PVC管音箱，即从学生身边的技术事物，向智能家居领域中的智能音箱过渡，让学生亲历这个技术设计制作全过程。在这个过程中，即可以系统学习到音箱专业的原理知识，又能接触Arduino开源软件平台软、硬件的学习。技术实践的学习过程，易于培养了学生学科核心素养。

1.音箱的方案设计

设计方案的制定前期需要经历设计的几个阶段，从问题的发现到明确设计中的技术问题，需要学生收集更多的音箱资料，学习更专业的音箱知识。结合通用技术学科中结构设计、系统设计等相关知识，进行音箱设计。设计中音箱的各功能系统需要明确，如：供电系统、结构主体、控制单元系统等，其中结构主体设计需要考虑的稳定性、强度等因素，这个设计过程很好解决了通用技术学科知识教学的目标。下图为学生设计方案草图和某一部件结构加工图。

通过设计草图、加工图把设计理念较好表达出来，这个过程对于培养学生图样表达、创新能力的核心素养具有重要意义。

2.音箱加工制作过程

PVC管间用内管连接、喇叭安装、功放电路板、Arduino控制板、电源组安装

制作过程要求：不留空隙，不松动，连接处用管封带或胶水进行密封，确保不露气，目的是避免影响音箱共振。学生亲历这个制作过程，一是可以更好的掌握相关音箱知识的运用层面；二是掌握了涉及工具的操作使用方法；三是制作过程中对方案的优化与调整，再亲历构思到图纸的呈现、再到实物加工的全过程，培养了学生良好的物化能力，帮助学生树立了技术设计是需要的不断优化思想。

3.Arduino平台应用音箱的智能化设计

2017版通用技术课标修订中，把“智能家居应用设计”模块内容列为选择性必修，其中课标相关条目明确提出：以软硬件结合为重点，通过开放的设计平台构建智能产品原型和应用程序。初步掌握创意的可视化方法，了解智能产品的感知元件用途、功能及应用。能够利用开发板、扩展板以及常用硬件工具包构建智能产品原型。

目前兼容Arduino平台的电子传感器配件较丰富，功能也较为强大，相关智能家居开发应用层面的软件、硬件资料较多。在教学中都可以方便选用。建议教师可以提前提供带有例子程序及视频教程的学习套件资料，降低学生技术学习入门的门槛，以便于高中学生在有限的课时内，快速学习掌握创意想法实现的方式。     

本文以谢作如老师“Arduino创意机器人”课程资源中的软件平台Arduino IDE和EDUarduino2.3.1插件为例；用到硬件：ArduinoUNO  Dfrobot UNO拓展板，继电器模块，红外测距传感器、多彩LED，触摸开关，按钮开关，蓝牙模块等。

教学设计思路

(1)以对技术理解学习为目的：对传统音箱的各控制单元功能探析。

引导学生分析传统音箱的控制方式(按钮开关、旋钮音量大小)让学生分析技术控制原理，并猜想利用Arduino UNO等零件实现控制的方式，以解决学生对技术事物的理解和各元器件硬件功能的学习；再利用配套元器件构建智能产品原型，解决学生从硬件原型制作到软件编程控制实现，学习全过程，帮助学生掌握了解真实的技术世界中广泛使用技术的方法。例下图按钮控制案例

硬件连接模型：按扭控制灯示意图   ArduBlock教育版可视化编程界面编写控制程序

利用按钮和旋钮的元器件特点，连接好物理线路，通过可视化编程界面编写程序控制LED的亮灭，让学生亲历的全过程，理解控制的实现方式，完成对软、硬件的学习；过程中教师引导对LED灯的深入了解多彩灯的控制等。利用相同的教学策略完成对生活中存在的控制现象进行学习了解。

(2)以培养学生创新意识为目的：引导学生对音箱功能创新设计

引导学生创新设计音箱的控制方式(手势控制、定时控制、人体感应控制等)让学生分析理解智能感知元件的工作原理及应用场景。例下图手势控制案例

实物连接：手势控制继电器       红外测距实现手势在经指定区间内开关控制程序

手势控制原理：测距元件大测到手距离值的变化，Arduino判断后使继电器接通进而实现音箱的开关智能控制。因此，教学设计主要通过对各类元器件应用的场景，引导学生创新思考，并结合生活中真实的技术问题创造性的使用，以达到培养学生创新意识的目的。这里教学可以根据学生的功能设计展开，教师提供较多元器件供学生选择使用，且鼓励学生采用不同的元器件实现相同的功能，目的都是为了实现某个创意的想法或者解决现实中某个问题，同时教师要准备好各类元器件的硬件原理、视频教程、参考示例代码等学习资料，提供给学生学习了解。

(3)以综合应用为目的：引导学生完成较完整的项目的设计与制作。

这个环节的设计从教学的角度是让学生亲历更大的项目制作，跳出之前单纯的技术学习和完成任务。使学生基于自身的意愿主动去学习技术、主动去创造。以本文为例，智能音箱的项目主体对象，在后期会调整基于智能音箱的“智能家居应用设计”，给学生定个创造的方向，但是不限定主体。学生独立设计，学习新的Arduino及周边传感器软、硬件知识，造物的过程中不断优化改进，最终达到亲历智能家居整体家居设计的教学目的。下图为，学生围绕着智能音箱，设计制作了家庭办公小助手，实现了集照明、音乐、手写便签LED彩灯智能提醒等功能的智能装置，后来学生又学习了语音识别模块，增加了语音交互功能。

三、教学实践的思考

1.紧扣新课程标准实施教学

智能家居应用设计是通用技术课程体系下，选择性必修中技术与生活系列的内容，旨在满足学生升学和就业以及个性化发展的需要。为学生感受先进技术在家庭生活中的运用，提供一个技术与设计的应用性学习窗口。其教学策略选择必须是以培养学生核心的素养为主，以运用Arduino平台帮助学生更好的学习技术基础知识、基本技能、基本思想、基本态度的学习和基本经验的积累，形成对技术的亲近感、敏感性、理性精神、责任意识以及对技术的文化感悟。不可偏向单纯Arduino 技术产品开发，教师切不可把网络上侧重技能培训教程直接拿过来运用于教学。

2.关注教学中创新能力的培养

教学中，让学生把创新解决问题的想法实现出来，是非常必要的。Arduino平台在智能家居模块教学中应用价值是帮助学生方便的进入智能控制世界。围绕着来自真实技术世界的问题，利用这个工具，通过进行程序的编写，驱动硬件工作，完成对技术事物的学习与智能造物目的，进而去创造更好的技术世界。

3.加强技术教师自身专业素质提升

教师需要提升对Arduino平台技术掌握情况，只有对Arduino平台周边软、硬件有足够的了解，才能更好的给于学生创意实现的方式上指导；才能根据学生自身的编程基础、动手能力不同，提供更为专业的技术学习建议，才能开设出针对性强的智能家居应用设计课程。