地铁隧道环境监测器

项勇 科创教师，主要教授学生乐高机器人、各类单片机编程课程，并指导学生设计制作科创作品。曾经带领学生获得Micro：bit官方比赛do your：bit全球挑战赛中国区二等奖、上海市青少年创意编程与智能设计大赛三等奖等;本人也曾参加一系列科创比赛，获得2020年童心制物杯上海国际STEAM课程开发者黄金大奖赛三等奖。

教学背景

地铁隧道不仅承担着城市的交通运输作用，还承担着战争时期的人防作用。地铁隧道有其安全的一面，也有其脆弱的一面，而人们往往只看到其安全快捷的一面，所以当大雨来临地面交通无法通行时，人们很自然想到改乘地铁，而忘记地铁隧道容易被洪水灌入、空间密闭、难以处理有害气体泄漏等问题。2021年郑州地铁淹水事件告诉我们，有必要对这一重要城市设施的环境进行全方位有效监测，以防范灾难的发生。前期学生对图像化编程及Micro：bit、传感器等硬件已经有所了解，所以本课笔者带领学生创意设计一个地铁隧道环境监测器，它能全面获得地铁隧道环境的实时信息数据，保证地铁隧道设施及人员的安全。

教学目标

1.学会观察日常生活，能发现问题，并能通过小组合作提出完整的解决方法，经历分解复杂任务为若干简单任务、合理安排任务时间、修改优化作品的全过程。

2.了解各类传感器的原理及使用方法。

3.建立和强化图形化软件编程的知识体系。

4.了解TRIZ发明问题解决理论的常用发明原理，并在本项目中对遇到的问题进行充分实践，培养科学分析问题、解决问题的创新素养。

教学准备

教学课件、Micro：bit、传感器、Micro：bit自然与科学扩展板V2.0、Makecode软件、思维导图軟件等。

教学重点与难点

教学重点 学会从日常社会生活中发现问题的方法;建立完整的作品产出步骤的知识体系;建立图形化软件编程的知识体系;体验真实的项目团队合作及分工，增强团队意识。

教学难点 理解方案的可行性分析;建立编程思维体系;理解科技作品的开发路径;培养小组项目合作的团队默契度。

教学过程

一、情境导入，激发兴趣

师：同学们，夏季雨水多时极易引起水灾，2021年郑州地铁淹水事件造成多人死伤，让人心痛。为了避免这种情况再次发生，其实我们可以设计一个装置来监测地铁隧道环境的全面数据。我们需要获取地铁隧道里面的哪些信息？这些信息需要哪些传感器获取？怎么把信息实时传递出来？请大家分组讨论。

教师协助学生分组，每个小组至少有3种类型的成员，使得各个小组能力均衡。逻辑思维型成员主要带领学生进行方案的头脑风暴、问题解决、编程的规划;空间型成员负责带领学生进行任务路线的设计;语言能力型成员负责带领学生规划设计宣讲PPT及文稿。

学生小组讨论并互相交流。

二、讲授新知，设计方案

师：地铁隧道环境监测器该怎么设计呢？TRIZ发明问题解决理论能帮助我们学会怎样进行发明设计，它成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，着力于澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解。

教师简要介绍TRIZ的40个发明原理，并重点介绍几个常用的发明原理，讲解Makecode软件平台中Micro：bit的编程使用方法。

学生依据TRIZ发明问题解决理论，以小组为单位，进行地铁隧道环境监测器的草图设计，明确功能设计要点及可行性，然后各小组依次进行方案宣讲。

（各小组独立实施，教师观摩记录小组功能设计过程中的问题及优点，必要时给予指导，但不要打扰学生小组的功能设计过程。）

三、画出思维导图，编程开发

教师讲解思维导图软件的简单用法，引导学生使用思维导图软件画出地铁隧道环境监测器的功能设计方案图，然后拆分模块，明确编程思路。

师：同学们，前面我们学习了Makecode的使用方法和技巧，也设计了地铁隧道环境监测器的功能，下面以项目的开发方式正式进行地铁隧道环境监测器的开发。

学生分小组使用Makecode编程，如图1，规划程序整体思路，拆分功能模块任务，再分给具体的人，明确完成时间及任务要求。各负责人按时间节点和任务要求进行编程，然后合并各编程模块，依次测试程序功能、性能，分析可优化的方向。

（各小组独立实施，教师观摩记录小组开发过程中的问题及优点，必要时给予指导，但不要打扰学生小组的开发过程。）

四、小组展示，教师讲评

每个小组派出代表上台演示自己小组的方案，讲解编程思路、代码实现、功能效果，说明本组设计的地铁隧道环境监测器的优点，并着重讲解项目实践过程中遇到了哪些问题，怎样用TRIZ发明问题解决理论或其他方法解决的。

教师对各小组方案进行总结评估，引导学生共同思考，评估方案还有哪些可以优化的地方，还能加上哪些功能。教师评估各个优化方案的可行性，各小组再进行后续优化。

五、样例讲解，课程总结

教师展示事先制作好的样例，如图2，学生对比分析自己的作品。

师：同学们出色地完成了地铁隧道环境监测器的开发、展示、评估，下面老师来讲解一下样例。样例通过开发板上集成的各类传感器（如图3）获取地铁隧道的大气压强、空气温湿度、有害气体、二氧化碳、光线、声音、水温、土壤湿度等全面信息数据，并将数据实时传递到物联网平台EasyIoT，通电后在EasyIoT就可以实时看到地铁隧道环境信息（如图4），保障地铁隧道安全。

师：样例只是一个标准的模板，比较均衡地按项目的开发方式完成了项目的规划、设计、开发，但是大家不要囿于这个框架，在项目的功能设计方面要展开自己的想象，发挥更多创意。

教师总结Makecode软件编程开发、项目开发的详细步骤，并评价各个小组优化后的方案。师生共同评选出优秀小组方案，上传到创客社区，让更多人看到。

师：生活中其实还会遇到很多问题，比如疫情防控、灾难预警等，我们都可以设计相应的装置帮助人们解决困难。同学们打开思路想一想，你还遇到过哪些问题？怎样通过创意设计去改善？请大家课后自己动手实践。

实践反思

本课例基本完成了一个地铁隧道环境监测器的原理模型，能实现对地铁隧道环境的全面监测。通过参与整个项目开发流程，学生了解了图形化编程软件Makecode、物联网平台EasyIoT、思维导图软件的用法，融会贯通信息技术、科学、数学等学科知识，在项目的综合应用中建立了对项目开发的科学认知体系、对编程思维的整体认知，并解决了生活中的实际问题，培养了创新思维。后续还可以继续优化项目，考虑到数据分析存在的风险，可以通过IFTTT平台把数据发送到设定的邮箱里，或者将最终分析的结果发送到各个手机端。

（本课件由DF创客社区推荐）