智能太阳能水冷背包

项勇

教学背景

夏天天气炎热，虽然屋里有空调和风扇，但是难免有需要外出的时候，很多人工作或上学的路上都要背包，尤其是户外工作人员。这时，包背在后背上是非常难受的，特别是双肩包，让人热得不行，很多长时间在户外工作的人员甚至会因此中暑，影响身体健康和人身安全。

本课笔者带领学生设计一个智能太阳能水冷背包，背包使用太阳能板和充电宝超长持续供电，根据手机设定启动温度，让水冷背包在高于设定温度时自动持续给背部进行水冷降温，温度降到指定温度后又自动停止，让背部持续保持凉爽适宜的温度。

教学目标

1.学会观察日常生活，能发现问题，并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DHT11温湿度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，培养科学地分析问题、解决问题的创新素养。

教学准备

教学课件、Beetle-ESP32控制器、半导体制冷片、散热片、散热风扇、DHT11温湿度传感器、继电器、太阳能板、潜水泵、输液管、充电宝、魔术贴、方形塑料瓶、杜邦线、Arduino、思维导图软件等。

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方法的知识体系;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

师：夏日酷暑，背着背包外出时难免汗流浃背。市面上虽然有一些冰袋背心、风扇背心等装置，但从持续性、使用效果、智能化来说都不是很好，怎么解决这个问题呢？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及文字。

学生小组讨论并互相交流。

二、讲授新知，设计方案

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Arduino平台中Beetle-ESP32的编程使用方法，介绍Blynk物联网平台、DHT11温湿度传感器、驱动电机、继电器的用法。

师：根据老师所讲的知识，请同学们想一想，该怎么设计一款智能降温背包？

学生依据TRIZ发明问题解决理论，以小组为单位，完成智能太阳能水冷背包的草图设计，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优点及遇到的问题，必要时给予指导，但不要打扰学生小组的功能设计过程）

师：冷源可以是预制的冰块，也可以让背包自己主动制冷，考虑要保证冷源的持续性，建议使用半导体制冷片主动制冷模式。另外，冷源输送有风扇、水冷等方式。但夏天户外风扇吹来吹去容易把外界热风混入，所以建议用水冷输送，更加快速、均匀，并且损耗小。

三、画出思维导图，搭建连接编程开发

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在小组内积极讨论智能太阳能水冷背包的功能设计。

（学生分小组独立实施，教师轮流到各小组观摩，记录小组功能设计过程中的优点及遇到的问题，必要时给予指导，但不要打扰学生小组的功能设计过程）

各小组派代表上台进行5分钟的发言，讲解本小组的设计方案，说明方案独特的优点。教师依次点评。

学生分小组使用Arduino编程，规划程序整体思路，拆分功能模块任务，再分给具体的负责人，明确完成时间及任务要求。

（如通过手机传送过来的设定温度，如图1，控制继电器的开合、制冷片和水泵的运行;将DHT11温湿度传感器测定的温度、湿度在手机端显示）

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。

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，说明本组设计的智能太阳能水冷背包的优点，并着重讲解项目实践过程中碰到了哪些问题，怎么用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，引导学生共同进行头脑风暴，评估方案还有哪些可以优化的地方，还能加上哪些功能。教师评价各个小组优化后的方案，并评选出优秀小组方案上传至创客网站让更多人看到。

五、样例讲解，课程总结

师：同学们，大家出色地完成了智能太阳能水冷背包的开发、展示、评估，下面老师来讲解一下我做的样例。通过手机上安装的Blynk App来设定水冷背包的启动温度，用DHT11温湿度传感器持续检测冷水循环罐温度。当温度高于设定温度时，自动开启循环水泵和半导体制冷片对冷水循环罐制冷，并通过降温水管循环水流，降温水管布设在背包后面，从而给人体进行降温。整个设备使用太阳能板和充电宝持续供电。

教师讲解样例制作过程。首先是冷水循环罐的制作，在潜水泵上接一根输液管，放到方形塑料瓶里面，瓶口开三个口，一个进水口、一个出水口、一个电源线孔，如图2。这样通电后，水能在管子里面反复循环流动。

将杜邦线对半剪开，把Beetle-ESP32控制器上要用的引脚焊接上，方便插拔及反复使用。D2接DHT11温湿度传感器、D3接继电器输入，继电器输出接半导体制冷片的散热风扇、半导体制冷片的电源线以及水泵的电源线，然后通过接线柱接到充电宝。

使用充电宝给主控板、半导体制冷片、散热风扇、水泵供电，太阳能板给充电宝充电。太阳能板使用时可以用挂钩挂在背包前面。

温湿度传感器可以用双面胶粘在冷水循环罐外，再用双面胶将半导体制冷片的制冷金属片粘在冷水循环罐上。制冷水管用魔术贴粘在背包上。其中，输液管选用粗长的塑料管可能效果更好，潜水泵也尽可能选用马力大的，这样循环更快。

教师展示事先制作好的样例，如图3，测试智能太阳能水冷背包的制冷效果，学生对比分析自己的作品。

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。生活中大家可能还会遇到别的问题，其实我们都可以设计相应的装置帮助人们解决困難。请大家课后根据自己遇到的问题，动手实践，制作出属于自己的智能创意作品。

实践反思

本课例以夏日外出背包肩背闷热易出汗的问题为引，激发学生创意制造一个智能太阳能水冷背包来防暑降温。学生学会使用TRIZ发明问题解决理论的常用发明原理发现问题、提出解决方法，并参与分解复杂任务、合理安排任务时间、完成复杂任务、测试优化作品等过程。通过参与整个项目开发流程，学生了解了Arduino、Blynk App、思维导图软件的用法，融会贯通信息技术、科学、数学、物理等学科知识，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。

（本课件由DF创客社区推荐）