《基于S4A的自动灌溉系统》项目学习教学案例

芦斌

该项目教学研究的是基于S4A在工程实践类教学中的尝试，课程用时较长，一般实施需约4～6个课时来实现，其中大部分时间用于学生自主探究解决问题。为了便于读者阅读，本文将其中主要过程梳理为以下几个主要活动过程。

● 学情分析

我们选取的六年级学生多来自中低收入家庭，部分学生为进城务工子女，该校有以农耕乐园为特色的校本课程，学生大多具备农业种植的基础知识，对于农耕实践动手能力较强，并且对程序的实践应用有较强的敏感度。

所选取的学生已有一学年的Scratch学习经验，在本课项目内容实施前，均在兴趣小组活动课中接触和学习了Arduino及S4A的基本使用方法，了解了指令的运用及硬件的搭建。

● 教学目标

知识与技能目标：了解传感器原理；了解继电器控制原理；了解电磁水阀、毛细滴管等灌溉设备的使用；了解基于传感器的自动化控制原理；学会自行设计组装复杂控制系统、灌溉系统。

过程与方法目标：学会设计控制系统的基本方法；解决实际问题的建模到实施的策略。

情感态度与价值观目标：了解民生，实际体验劳动创造价值；积极地创造性地运用自己所学去改造世界；培养在一个实际项目中克坚除难持之以恒的良好品格。

● 教学过程

引入：什么是自动化？生活中许许多多自动化控制的案例展示（如热水壶、空调、洗衣机、声控灯等）。

讨论：自动化系统有哪些共同特点？

罗列：热水壶：温度感应←→控制器←→加热开关

空调：温度感应←→控制器←→制冷热压缩机开关

洗衣机：重力感应←→控制器←→防水排水开关

声控灯：声音感应←→控制器←→电灯开关

……

提炼出自动化控制的要素：传感设备←→控制器←→外部电器开关。

S4A同样可以实现这些智能的自动化功能，它就是一个最好的控制器，配合外部不同的传感器和开关电路，我们就能实现很多自动化控制的事务。

介绍学校目前正需要对农耕乐园进行智能改造，希望引用自动化灌溉技术实现对草莓种植的自动浇灌。

那具体需要了解哪些技术来实现我们的自动化灌溉，我们将依次通过活动来了解自动化控制的技术与设计方法。

活动一：认识传感器

（1）学生根据教师提供的温度、湿度、光照度传感器，找到能够读取数据的正确接法。（提示：数据稳定在一个很小范围内浮动表示能够读取数值）

总结：老师给大家提供的都是模拟传感器（与之对应的是数字传感器，在Scratch中不易获得数值），它的数值范围是从0～1024，它的接法一般由三根线组成，即一根地线、一根5v电源线、一根信号线，信号线起关键作用，地线有的传感器是可用可不用的。

（2）他们获取的数值都有什么特点。范围在多少之间？是否稳定？

总结：获取的数值都会有些上下浮动，不稳定。如果要用在农业自动化上我们可能需要哪些传感器？你会选择哪种类型的传感器？

（3）学生讨论：土壤相关的传感、空气的温湿度传感、光照度。模拟传感器便于S4A获取数值。

设计意图：通过实例操作、观察分析、拓展应用这三个环节。一方面通过学生自主实践活动加深对模拟传感器的一些特性认识为后续编程做好铺垫，一方面总结出模拟传感器接线的规律便于以后迁移使用其他模拟传感器件，同时拓展学生思路在实际农业自动化项目中我们还需要哪些传感器，为后续自主综合实践项目的开展奠定基础。

活动二：认识开关电路

（1）学生根据教师提供的开关电路接线图，实现S4A控制风扇转动。并找出继电器中哪几个接线是可以控制外部电路的，哪几个接线是对应S4A的信号输出的。

总结：继电器电路需要有数字信号输入（地线、5v电源线、信号线），可以控制电路的开或者关，接法上是中间的必须接，两边的可任选其一，在控制时会出现开关次序相反的效果，即输出“on”信号时，一个会开一个会关。

（2）根据继电器的说明书查看我们可以控制多少范围电压或电流的外部电路。

总结：一些外部电路或器件在设计或使用时要注意它们的适用范围，如果选择错误轻则造成故障重则引起火灾爆炸等，因此必须谨慎对待。

设计意图：通过实际操作认识开关电路的用法，并在体验查看控制范围电压及电流的过程中学会自学设备器件的重要配套资料，便于今后解决实际问题时良好研究习惯的养成。

活动三：认识电磁水阀及水管、滴管、喷头

（1）测试给电磁阀加电，观察电磁水阀的通断水效果，并讨论使用时需要注意的事项。

总结：电磁水阀的进水方向、设计电路时要注意保护避免电路短路。

（2）运用扳手、剪刀、钳子等工具连接水管、滴管、喷头，制作一套喷灌系统实现单一花盆的喷洒效果。

总结：实现不同管子的连接，可以通过各类转接头或者将塑料软管加热后套接，针对不同管材应该选取不同的工具进行加工处理以提高制作效率。

（3）根据农耕园实际植株情况，设计水管排布方案，并简要说明设计理由。

总结：设计原则：①考虑灌溉水压的均匀到达。②考虑管材使用的尽量节俭。③不影响植株生长及人员走动。

设计意图：通过测试实验、组装系统，让学生初步体验小型灌溉系统的设计与施工过程。同时，在这个环节中引出管线的排布设计可以让学生提前做好整体方案的局部设计准备。

活动四：学习自动化控制原理

（1）利用温度传感、开关电路、12v直流电源、12v小风扇实现调温风扇。

总结：利用温度传感获取的数值进行判断，加上反复侦测实现实时侦测效果，当温度高于某数值时启动风扇，反之就停止风扇。endprint

（2）利用土壤湿度传感器、开关电路、电磁水阀及活动三中的喷灌系统，构建基于花盆的自动化花盆喷灌系统。

总结：可以利用同样的控制程序实现效果，但需注意土壤的浮动对于开关电路不稳定的影响如何规避，提示通过增加反复侦测的时间间隔。

设计意图：以一个基础的案例“温控风扇”作为此类控制原理基本范式的学习，让学生在花盆中模拟一个小型的灌溉系统，对后续的现实实践提供一定的参考。

活动五：设计实施自动化灌溉系统

（1）集体设计总体自动化灌溉方案，总结如下图所示。

（2）将任务分三个部分分别交由三个小组（传感侦测组、程序控制组、水利灌溉组）开展独立的项目研究与实施。小组中分工有负责协调统筹的、资料查询的、具体实施的。

项目实施原则：①能够实现功能；②方便安全；③经济节省。

情况分析：学生在实际实践过程中遇到了远比模拟环境中多很多的问题。例如，传感器如何穿越墙体、大棚，传感数值为何会异动，传感数值上下浮动不便于监测控制如何利用程序解决，多少温湿度的数值对应多少输入的数据量，水管如何分布既便于水流快速到位，又节省喷头和滴管数量等问题。

教师指导：问题解决方案的指导，如土壤传感器插入土会出现数据异常问题，如何排除故障，教师指导学生可采用分段排除法确定问题节点，然后运用替换法，一方面在不同的土质结构中测试，另一方面寻找更为合适的土壤传感。

通过近两节课，即两周时间和中间学生自发性的研究时间，兴趣小组整体上实现了农耕乐园中草莓大棚根据土壤湿度、空气温度进行自动化灌溉的控制功能。

设计意图：通过前期的知识与技能准备，学生已有初步的经验可以完成系统的基本雏形，但在实际环境中问题往往不可预料，因此，要在较短时间内完成这样的任务最好采取小组合作的形式，但教师也需要发挥应有作用，尤其是在解决问题的方法策略上多给指导。

活动六：汇报工作反思

各组对自己的工作内容、方法、成果、不足进行反思交流。

设计意图：作为学生总结性评价的一种手段，重点也是帮助学生对于一些复杂系统问题解决时的一些方法技巧的经验交流，便于学生相互学习，相互取长补短。

● 教学反思

本项目课类似一个小型的综合课程，涉足广泛涉猎众多，但它又不完全是严格意义上的课程。通过多次教学后发现，作为小学生而言，他们更多地仅仅是需要知道感性的操作、技巧，而不是长篇的理性原理道理。因此，只有通过不断实践才能让他们更快地掌握一门技术或知识，而在不断实践的过程中，学生会自然而然慢慢悟出其中的道理原理。另外，在整个课程设计上需要注重由简入繁的原则，学生毕竟经验不足，给予充足的基础准备，如抽象出简单模型、规避掉一些复杂外因、分解出部分环节，使得学生能够循序而渐进，在综合实践过程中自然会游刃而有余。endprint