《“超声眼”感知危险》教学设计

金鑫 中国人民大学附属中学丰台学校

● 创新整合点

①利用“交互式电子白板—移动白板—移动展台”相结合的形式开展教学，有效提高课堂效率，增加学生学习代入感，实现以学生为主的翻转教学。

②利用Arduino单片机智能开发套件引导学生实现功能，使其在真实劳动场景中掌握知识和技能，培养学生的工程思维和物化能力。

● 教材分析

《“超声眼”感知危险》为中学通用技术校本选修课程《为车安上一双眼》STEAM教学课例中第二阶段第三课时的教学内容。课程设计主要参考地质版通用技术必修模块“技术与设计1”“计数与设计2”以及地质版通用技术选择性必修的相关内容。超声波传感器作为生活中常用的测距传感器被广泛应用，在经过第一课时《认识超声波传感器》的学习后，学生对其机理和应用场景有了大概的认知。超声波传感器在车辆中也有较多的应用，因此本节课以交通事故为真实情境，引导学生理解传感器在车辆安全保障中的重要性，认识到多传感器协同工作的意义，并能初步使用传感器解决实际问题。通过课程学习，学生对STEM项目最重要的感知环节有了更进一步的认知，也为后续基于多超声波传感器的车辆智能控制的探索做铺垫。

● 学情分析

学生已经学习了通用技术必修一、必修二两本教材，学习了设计的一般流程，也学习了结构设计、流程设计、系统设计、控制设计、电子控制系统、传感器、信号处理，在信息技术课程上，学习了程序撰写、程序调试等内容，为本课的开展奠定了坚实的基础。

笔者在日常教学中，经常组织学生以小组为单位进行单元或者项目式学习，培养了学生的自主学习能力和小组团队协作的能力，同时兼顾了检索、分析、概括、归纳、写作、演讲表达等能力的训练。

经过前置项目《mev小车制作》的学习，学生对汽车的构造和控制有了初步认知，小车搭建的过程吸引学生想要更加深入地了解社会问题，提出解决方案并解决问题。经过对智能驾驶技术的调研，学生发现多传感器融合技术作为智能驾驶中的感知中枢，在智能驾驶中至关重要。其作用可看作人的器官，有眼、耳、鼻等特殊功能，达到解放人的效果。

因此，本课确定了以人为感知中心，多传感器融合为辅助感知的智能人车闭环系统研究的教学方向。将现实生活中的真实问题引入教学中，在教师的引导下，通过师生、生生间的探讨交流达到对知识的理解运用。

● 教学目标

知识与技能目标：通过课堂学习，了解自动驾驶相关知识，了解汽车感知的方式，了解多传感器融合技术。能根据电路图完成电路搭建，培养物化能力。

过程与方法目标：通过观察和分析多超声波传感器融合电路试验的现象，理解多超声波传感器融合技术的使用方法，能进行知识迁移，提升工程思维。

情感态度与价值观目标：通过对真实案例的观察分析，思考社会问题，培养社会责任感。

● 教学环境与准备

教学环境：多媒体教室，配备如台式电脑、多媒体白板、移动白板、移动展台等多媒体设备。教室能容纳4～6组学生，每组学生4人，能满足学生小组讨论及开展活动。

教学准备：超声波传感器、Arduino单片机、面包板、杜邦线、电源及各类电子电工工具。课堂使用的程序代码由教师提前烧录至单片机中。

● 教学过程

1.课前自学

学生经过上一课时《认识超声波传感器》的学习，对超声波传感器测距电路有了一定的认识，也引发了一些思考。教师基于本节课《“超声眼”感知危险》的教学任务为学生提供课前学习微课，同时设计课前学案引导学生开展自主学习。

设计意图：自主学习学案的设定依据是督促学生完成自主学习与小组讨论。学生的自主学习学案完成情况如图1所示。

图1 学生自主学习学案

2.课程导入

活动一：调研分享。

教师展示学生课前完成的调研—“交通事故数据”，引导学生分析小事故和大事故的发生比例。学生根据课前查阅的材料进行讨论分析，得出小事故发生概率大的结论。

活动二：观看视频。

教师利用交互白板播放《汽车小事故集锦》视频，将学生带入真实情境，引导学生对交通事故进行思考，并提问：小型交通事故产生时有什么共同特点？学生观看视频并思考，结合课前学案分组讨论，回答问题。

活动三：思考总结。

教师利用白板展示课前学生通过信息检索和整理生成的交通事故新闻词云图（如图2），并引导学生思考词云图的内容反映的现状。学生观察并进行思考，总结出问题处理的方法：不仅要治标，还需要治本。

图2 交通事故词云

设计意图：通过学生调研数据的展示和分析，能加深学生对汽车事故的认识。通过真实交通事故的视频集锦，将学生带入真实情境，直观感受交通事故的特点，引发学生思考。通过对新闻资讯、时事热点的反思，让学生理解技术发展的重要性，更深刻理解技术发展人、解放人、保护人的特点。

3.新课讲授

活动一：学案分享。

选取课前调研较好的自动驾驶实现方法的学案进行展示，并邀请小组成员上台分享。学生利用移动展台进行汇报展示，引导其他小组找出有用信息并完善自己的课前学案。

活动二：新知归纳。

在学生汇报结束后，教师引导学生一起归纳总结自动驾驶的方法：摄像头、激光雷达、毫米波雷达等，让学生了解汽车“眼睛”的类型和安装位置。然后提出问题：汽车如何能“看清”世界？

活动三：小组讨论。

教师利用电子白板展示自动驾驶车辆的价格柱状图和自动驾驶技术分级图，根据课程导入环节得出的小事故较多的情况，引导学生思考是否需要昂贵复杂且不成熟的自动驾驶系统，学生围绕“是否可以设计以解决小事故为主的精简自动驾驶系统”的问题开展小组讨论。

活动四：新知讲授。

教师运用电子白板展示超声波传感器的不同型号样式，介绍“超声眼”的局限性和可行性，并引导学生开展讨论，分析使用超声波传感器制作精简自动驾驶系统的可能性。

设计意图：整合学生检索到的信息并引导学生汇报，提高学生学习成就感。通过回顾和总结加深学生对自动驾驶技术的认知。通过对导入环节内容的回顾，引导学生思考，提升学生的技术意识。承接上节课学习的认识超声波传感器的内容开展新知讲授，引发学生的方案设计。

4.方案探究

教师引导学生探究汽车的“超声眼”应该如何安装，才能保障汽车的安全。学生小组开展讨论，并根据教师提供的课堂学案进行方案设计（如图3），记录设计理由。

图3 学生方案设计

在学生完成探究后，教师邀请学生小组对自己的设计方案进行介绍，并进行点评。同时，小组开展互评，并对方案提出优化建议，小组将优化建议进行记录。

教师在小组完成方案介绍后，对探究环节进行小结，引导学生回顾所学的知识。之后布置课间思考问题：如何实现自己的“超声眼”方案？学生利用课间进行思考。

设计意图：通过方案探究，让学生回顾课堂内容，并结合自己课前查阅的材料开展设计，培养学生的工程思维。通过展示汇报，提高学生的学习成就感，提升学习热情。通过课堂小结加深学生对知识点的印象。课间思考承上启下，为第二课时做准备。

5.新知讲授

教师随机提问小组回答课间思考的结果，学生基于自己的多传感器方案回答问题。教师运用电子白板播放第二节课的教学主题：多传感器信息融合。

教师在学生回答后，对学生的回答进行总结，并运用电子白板展示新知内容（如图4a），阐述多传感器信息融合技术的概念并介绍生活中运用多传感器信息融合技术的案例；接着，以多超声波传感器融合电路为例进行讲解，并向学生展示材料清单（如图4b）。学生根据电子白板展示的材料清单进行材料清点。

图4 多媒体展示

设计意图：通过对课间思考的提问，让学生快速回归课堂，进入状态。以问题导入新知后，对新知进行讲解，加深学生理解。利用多媒体展示电路原理图，辅助学生理解并学会识读多超声波传感器融合电路。

6.实践探究

活动一：电路搭建。

教师组织学生进行小组分工，引导学生搭建多超声波传感器融合电路。学生以小组为单位进行电路搭建，发现问题并进行记录，自行思考解决方案，完成学案填写（如下页图5）。如实在无法解决，求助老师。

图5 电路搭建情况记录

教师在教室巡视，回答学生问题，指导学生按照电路图完成电路搭建。学生运用移动白板查看电路原理图，可进行局部放大、拖拽等操作，方便进行电路的搭建及检查。

若有学生小组提前完成电路搭建，教师引导小组分享搭建过程中遇到的问题及解决方法。其他小组听取汇报小组遇到的问题，及时规避错误。

活动二：观察分析。

在学生完成电路搭建后，教师引导学生观察搭建好的多超声波传感器融合电路，及其与三色LED灯的联立关系，并利用学案记录观察到的试验现象，同时对观察到的试验现象进行分析，绘制系统流程图。学生小组使用移动白板记录试验过程图像，观察并记录现象，讨论分析，绘制流程图，完成学案填写（如图6）。

图6 学生观察分析记录

设计意图：引导学生小组展开实践，根据电路图完成电路搭建，并发现问题，培养学生的物化能力。通过生成性问题的及时反馈和解答，提高学生的作品完成效率，培养学生的工程思维。通过观察分析，总结出多传感器融合技术的使用方法，培养学生的观察能力和分析能力。

7.展示分享

教师邀请完成质量较高的学生小组运用移动展台给全班同学展示学生团队制作完成的电路，汇报观察到的现象及分析得到的结论并绘制流程图。其他小组在听取汇报的同时，开展同步讨论并进行意见补充。

在学生汇报完毕后，教师对学生在实践探究环节的表现进行点评，并组织学生开展小组互评，记录意见。

设计意图：通过展示分享，能有效提高学生的学习成就感，激发学生研究的热情。通过点评，引导学生提高在实践环节的参与度。

8.总结思考

教师运用白板的隐藏功能，将答案隐藏，引导学生回顾试验过程，与学生一起总结本节课学习内容，回顾多超声波传感器融合电路工作原理及使用方法。

在完成知识回顾总结后，教师提出课后思考问题：超声波传感器需要装在车的哪些位置？需要多少个？如何使用多超声波传感器融合电路控制车辆？

学生小组课后进行思考，完成课后学案，并尝试根据自己的方案考虑智能驾驶小车的传感器布局并绘制小车控制流程图。

设计意图：通过引导学生回顾课堂学习内容，让学生更好地理解多传感器信息融合技术，进一步掌握超声波传感器的原理及使用方法。提出问题，延展课堂，引发学生对超声波传感器使用方法的思考，为下节课做好铺垫。

● 教学反思

通过《“超声眼”感知危险》课程的教学，笔者发现教学中素材的准备有待充实。学生在学习过程中产生了很多生产性问题，但没有合适的案例进行展示讲解，学生对问题的认识不清晰，容易对后续任务的开展造成干扰。

同时，在实践探究环节，教师需要时刻关注学生的行为。通过观察笔者发现，某些小组会出现“一人任务，其余人打酱油”的情况，造成最终电路完成率不高,所以一定要调动所有学生的积极性，谁找耗材，谁搭电路，谁记录问题，谁调试检查，通过任务的分工让每个学生都能找到自己的定位。