《第二節(jié) 光敏傳感器及其應(yīng)用》名師教案

學(xué)而優(yōu)教有方第二節(jié)光敏傳感器及其應(yīng)用一、教材分析（一）內(nèi)容分析本節(jié)先從光敏（亮度）傳感器物理元器件及工作原理入手，讓學(xué)生對(duì)此傳感器有所認(rèn)知，讓學(xué)生懂得其物理特征及工作原理。接下來(lái)，介紹了如何在程序中使用“亮度檢測(cè)”模塊來(lái)采集光敏（亮度）傳感器的值，采用流程圖程序與代碼程序?qū)Ρ鹊姆绞竭M(jìn)行介紹。在此基礎(chǔ)上學(xué)會(huì)使用“亮度檢測(cè)”模塊進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，讓機(jī)器人完成追光任務(wù)。機(jī)器人追光程序的設(shè)計(jì)，用到的是機(jī)器人的“亮度檢測(cè)”模塊（光敏傳感器），但是在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，如果真用亮度傳感器追光，就要求實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境處于全黑狀態(tài)，這給人們組織競(jìng)賽帶來(lái)極大不便。為了方便教學(xué)和競(jìng)賽工作，現(xiàn)實(shí)中常常采用紅外線接收傳感器來(lái)取代光敏傳感器，這樣就可以在具有冷光源（如日光燈）照明的室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行追光實(shí)驗(yàn)研究，以及比賽了。在VJC1.5仿真版軟件中沒(méi)有配置紅外線接收傳感器，配備的是亮度（光敏）傳感器。對(duì)于仿真環(huán)境，紅外線傳感器與亮度傳感器對(duì)研究追光是沒(méi)有多大差別的。（二）教學(xué)目標(biāo)（1）通過(guò)“亮度檢測(cè)”模塊的功能與設(shè)置、會(huì)追光的機(jī)器人程序算法的活動(dòng)，讓學(xué)生掌握“亮度檢測(cè)”模塊在程序設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及參數(shù)設(shè)置方法，學(xué)會(huì)運(yùn)用“地面檢測(cè)”模塊設(shè)計(jì)程序。（2）通過(guò)光敏（亮度）傳感器物理元器件及工作原理的介紹，讓學(xué)生理解光敏（亮度）傳感器是如何工作的。正確理解亮度的概念及光敏傳感器的工作原理，讓學(xué)生知其然還知道其所以然。（3）本節(jié)通過(guò)讀懂代碼程序，了解JC語(yǔ)言代碼的含義，并會(huì)在程序設(shè)計(jì)中讀懂代碼并通過(guò)代碼程序來(lái)設(shè)置流程圖程序中的參數(shù)。（三）教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)1.教學(xué)重點(diǎn)（1）光敏（亮度）傳感器原理。（2）“亮度檢測(cè)”模塊功能與設(shè)置。（3）使用“亮度檢測(cè)”模塊進(jìn)行追光程序設(shè)計(jì)。2.教學(xué)難點(diǎn)（1）追光程序中的左前、正前、右前三個(gè)方向的兩個(gè)“亮度檢測(cè)”模塊的設(shè)置。（2）“練習(xí)提升”第1題程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試。二、學(xué)情分析在上節(jié)地面灰度傳感器的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)本節(jié)光敏（亮度）傳感器原理、“亮度檢測(cè)”模塊功能與設(shè)置，從學(xué)生的認(rèn)知水平上看不存在認(rèn)知障礙。但是，本節(jié)要完成機(jī)器人追光程序的設(shè)計(jì)，有一定的難度。學(xué)生在給亮度變量賦值時(shí)，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，常常把左、右亮度傳感器采集的數(shù)值都賦給“亮度變量一”，導(dǎo)致機(jī)器人無(wú)法追光。因此，教學(xué)中需要加強(qiáng)對(duì)學(xué)生在這一方面的指導(dǎo)。三、教學(xué)建議（一）課前準(zhǔn)備設(shè)備：多媒體教學(xué)設(shè)備，提前安裝好VJC1.5仿真版軟件。學(xué)生：預(yù)習(xí)亮度傳感器及其工作原理，了解會(huì)追光機(jī)器人算法思路。教師：設(shè)計(jì)機(jī)器人追光程序，下載本節(jié)所用的機(jī)器人仿真場(chǎng)地，即機(jī)器人追光場(chǎng)地和練習(xí)提升第1題的場(chǎng)地；準(zhǔn)備帶有光敏傳感器的機(jī)器人實(shí)物或圖片；網(wǎng)上下載或自己錄制機(jī)器人滅火比賽視頻，供創(chuàng)設(shè)情境、導(dǎo)入新課用；準(zhǔn)備好課堂競(jìng)賽獎(jiǎng)品，如紅紙喜報(bào)、小小獎(jiǎng)品等，用于充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。（二）過(guò)程設(shè)計(jì)1.創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課教師可以用機(jī)器人滅火比賽的短視頻，創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課。通過(guò)真實(shí)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)追光激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，產(chǎn)生對(duì)追光原理探索的欲望。機(jī)器人滅火比賽中的追光是在平面上的追光。在軍事應(yīng)用上紅外制導(dǎo)的導(dǎo)彈追蹤飛機(jī)，運(yùn)用的也是這種追光原理。導(dǎo)彈前方的紅外線接收傳感器感知的是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輻射出的紅外線，是把機(jī)器人二維追光變?yōu)槿S空間的追蹤。2.光敏傳感器原理教材介紹得比較詳細(xì)，先展示光敏電阻元件，再介紹光敏傳感器及其原理。因?yàn)閷W(xué)生對(duì)這一部分知識(shí)比較欠缺，所以教師在實(shí)際教學(xué)中要使用實(shí)物傳感器與機(jī)器人的課堂教具，讓學(xué)生親眼看到傳感器的實(shí)物。3.“亮度檢測(cè)”模塊功能與設(shè)置“亮度檢測(cè)”模塊在設(shè)計(jì)程序中有兩種運(yùn)用方式：一種是單功能的，圖標(biāo)是平行四邊形，此時(shí)僅僅是采集光敏傳感器的數(shù)據(jù)；另一種是帶判斷功能的程序模塊，圖標(biāo)是菱形，實(shí)際上此時(shí)本模塊除了進(jìn)行光敏傳感器數(shù)據(jù)采集外，還進(jìn)行了數(shù)據(jù)的分析與判斷。4.實(shí)踐活動(dòng)1本“實(shí)踐活動(dòng)”主要是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)“亮度檢測(cè)”模塊和變量的引用方法進(jìn)行研究探索。設(shè)計(jì)完程序后，進(jìn)入仿真場(chǎng)地，觀察機(jī)器人在場(chǎng)地中不同位置時(shí)，光敏傳感器采集到的亮度變量的值與光線強(qiáng)弱之間的關(guān)系。5.會(huì)追光的機(jī)器人程序算法讓學(xué)生運(yùn)用“亮度檢測(cè)”模塊進(jìn)行追光研究探索，也就是從三個(gè)方向，即左前方、正前方、右前方有光源的情況下，觀察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況，看是否能正常進(jìn)行追光，若三個(gè)方位都能正常追光，說(shuō)明程序調(diào)試成功。6.練習(xí)提升（1）“練習(xí)提升”第1題程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試是本節(jié)中程序設(shè)計(jì)的一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)。在教學(xué)策略上可采用分散難點(diǎn)的方法，分別調(diào)試程序。程序的第一部分模塊的調(diào)試：機(jī)器人直行時(shí)，當(dāng)?shù)孛婊叶葌鞲衅鞲兄降孛鎴D帶，機(jī)器人右轉(zhuǎn)90°。這部分程序模塊調(diào)試好后，把這一部分程序模塊移到流程線旁邊，再設(shè)計(jì)下面的程序模塊。程序的第二部分模塊的調(diào)試：機(jī)器人直行時(shí)，當(dāng)亮度傳感器感知到光源，機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)，啟動(dòng)電機(jī)3用風(fēng)扇熄滅蠟燭。在機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，先通過(guò)仿真場(chǎng)地下方的“角度”按鈕，讓機(jī)器人右轉(zhuǎn)90°，再進(jìn)行場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)。第二部分調(diào)試完成后，把兩部分程序合在一起，再進(jìn)行最終的調(diào)試。（2）“練習(xí)提升”第2題主要目的是發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力，自己動(dòng)腦、動(dòng)手設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人滅火場(chǎng)地。四、實(shí)踐活動(dòng)指導(dǎo)（1）實(shí)踐活動(dòng)1用光敏傳感器（“亮度檢測(cè)”模塊）設(shè)計(jì)程序，測(cè)試環(huán)境光線的亮度值，在屏幕上顯示左邊和右邊光敏傳感器的值。在仿真場(chǎng)地中添加光源，調(diào)整機(jī)器人與光源的距離，觀察其值的大小與光源遠(yuǎn)近的關(guān)系。解析：本活動(dòng)是為了讓學(xué)生建立環(huán)境光線的亮度值與光敏傳感器值之間的關(guān)系而設(shè)計(jì)的?？稍诮處煹闹笇?dǎo)下，按照教材中流程圖程序設(shè)計(jì)完成程序，參考JC語(yǔ)言代碼程序完成流程圖程序的參數(shù)設(shè)置，之后將其在VJC1.5仿真版軟件中打開(kāi)的JC代碼程序與教材中的代碼相對(duì)照，逐行檢查有無(wú)錯(cuò)誤（即不一致）的參數(shù)代碼。（2）實(shí)踐活動(dòng)2如圖4-2-3所示，場(chǎng)地中有一處光，把機(jī)器人分別放在左、中、右三個(gè)彩色圓形圖帶處，讓機(jī)器人能夠自動(dòng)進(jìn)行追光，碰倒蠟燭表示任務(wù)完成。解析：本活動(dòng)，教材已給出程序設(shè)計(jì)思路、流程圖程序和JC語(yǔ)言代碼程序。教師把程序設(shè)計(jì)思路講清后，可讓學(xué)生參照流程圖程序自己設(shè)計(jì)流程圖程序，然后對(duì)照教材中的JC語(yǔ)言代碼程序設(shè)置參數(shù)即可。五、思考與探索參考答案第1題：觀察在沒(méi)有光源的情況下“亮度檢測(cè)”模塊中測(cè)得的光敏傳感器的值是多少。解析：把機(jī)器人放在沒(méi)有光源的場(chǎng)地或遠(yuǎn)離光源的場(chǎng)地中，在最暗的環(huán)境場(chǎng)地中觀測(cè)亮度傳感器檢測(cè)出來(lái)的返回值，正確測(cè)試值應(yīng)該是255。第2題：把機(jī)器人靠近光源，研究、觀察有光源時(shí)“亮度檢測(cè)”模塊中測(cè)得的光敏傳感器的值是多少。它與環(huán)境的明暗之間有何關(guān)系？解析：當(dāng)機(jī)器人靠近光源時(shí)，觀測(cè)亮度傳感器檢測(cè)出來(lái)的返回值在逐漸變小，貼近光源最近處值為0。亮度傳感器的返回值與環(huán)境的明暗程度有直接關(guān)系，環(huán)境光線越明亮，亮度傳感器的返回值就越小，最小時(shí)為0；環(huán)境光線越暗，亮度傳感器的返回值就越大，最大值為255。第3題：當(dāng)光源在機(jī)器人正前方、左前方、右前方時(shí)，測(cè)出的左、右光敏傳感器的值分別是多少。有何規(guī)律？解析：光源在機(jī)器人的正前方時(shí)，左、右方亮度傳感器的返回值是相等的；當(dāng)蠟燭在機(jī)器人的左前方時(shí)，左方亮度傳感器的返回值小于右方亮度傳感器的返回值；當(dāng)蠟燭在機(jī)器人的右前方時(shí)，右方亮度傳感器的返回值小于左方亮度傳感器的返回值。六、練習(xí)提升參考答案第1題：完成下面的程序設(shè)計(jì)任務(wù)：把機(jī)器人放在白色圓形圖帶處，讓機(jī)器人向屏幕上方直行，當(dāng)發(fā)現(xiàn)路口時(shí)右轉(zhuǎn)90°，前進(jìn)；當(dāng)機(jī)器人接近光源時(shí)，停止運(yùn)動(dòng)，啟動(dòng)擴(kuò)展電機(jī)，熄滅蠟燭火焰。如圖4-2-4所示。解析：（1）編程策略。機(jī)器人在直行過(guò)程中檢測(cè)地面灰度的值，當(dāng)?shù)扔谛枰D(zhuǎn)向時(shí)的地面灰度值170時(shí)，機(jī)器人右轉(zhuǎn)90°，再繼續(xù)直行，在直行過(guò)程中檢測(cè)是不是前方有火焰，亮度傳感器的值小于255表明檢測(cè)到有火焰。機(jī)器人越靠近火焰，亮度傳感器的值越小，當(dāng)其值小到某一個(gè)值（如150）時(shí)，說(shuō)明機(jī)器靠近火焰，這時(shí)，停止運(yùn)動(dòng)，啟動(dòng)滅火電機(jī)（電機(jī)3）并延時(shí)一定的時(shí)間，讓風(fēng)扇熄滅火焰。（2）參考程序如下。參考流程圖程序如圖4.2.1所示。圖4.2.1“練習(xí)提升”第1題的流程圖程序參考JC語(yǔ)言代碼程序如下。（3）機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4.2.2所示。圖4.2.2“練習(xí)提升”第1題機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡七、教師知識(shí)延伸1.機(jī)器人滅火比賽現(xiàn)在，機(jī)器人滅火比賽已發(fā)展成為世界上較為普及且具影響力的比賽。比賽中設(shè)有四個(gè)房間，點(diǎn)燃的蠟燭放在房間里表示這個(gè)房間有火災(zāi)，由選手抓鬮決定蠟燭放哪個(gè)房間。比賽時(shí)，機(jī)器人一旦啟動(dòng)，必須在沒(méi)有參賽選手干預(yù)的情況下自動(dòng)控制，即機(jī)器人必須是由計(jì)算機(jī)程序控制，而非人工現(xiàn)場(chǎng)控制。機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中可以碰撞或接觸墻壁，但是不能故意標(biāo)記和破壞墻壁。機(jī)器人經(jīng)過(guò)比賽場(chǎng)地時(shí)不能把任何東西留在后面，并且不能在比賽場(chǎng)地留下任何可以幫助它運(yùn)行的標(biāo)記。如果裁判認(rèn)為機(jī)器人故意破壞了比賽場(chǎng)地（包括墻壁），該機(jī)器人將被取消參賽資格或比賽成績(jī)。機(jī)器人在撲滅蠟燭前，必須已經(jīng)主動(dòng)尋找到了蠟燭火焰，而不是碰巧噴出CO2熄滅了蠟燭火焰。2.光敏傳感器的應(yīng)用光敏傳感器中使用的電子器件是光敏電阻，它能感應(yīng)光線的明暗變化，并輸出微弱的電信號(hào)，通過(guò)電子線路放大處理后，可以控制LED燈具的開(kāi)關(guān)。因此，它在自動(dòng)控制、家用電器等方面得到廣泛的應(yīng)用，例如：在電視機(jī)中作亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)，在照相機(jī)中作自動(dòng)曝光，另外，用于路燈、航標(biāo)等自動(dòng)控制電路，卷帶自停裝置及防盜報(bào)警裝置中等。光敏傳感器主要應(yīng)用于太陽(yáng)能草坪燈、光控小夜燈、照相機(jī)、監(jiān)控器、光控玩具、聲光控開(kāi)關(guān)、攝像頭、防盜錢包、光控音樂(lè)盒、生日音樂(lè)蠟燭、音樂(lè)杯、人體感應(yīng)燈、人體感應(yīng)開(kāi)關(guān)等電子產(chǎn)品的光自動(dòng)控制領(lǐng)域。3.智能路燈控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)城市綠色節(jié)能路燈智能控制系統(tǒng)深受人們的青睞，人們對(duì)路燈系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能？如何操作？照明+互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)路燈管理智能化據(jù)國(guó)際氣候組織(TheClimateGroup)統(tǒng)計(jì)，全球路燈的保有量約為3.04億盞，在2025年將達(dá)到3.52億盞。城市中的夜晚景觀照明、路燈照明及隧道照明，雖照亮了人們的生活，但巨大的能耗和高昂的維護(hù)費(fèi)用一直是城市管理者一直想解決的問(wèn)題。早期自動(dòng)化路燈節(jié)能控制采用光控節(jié)能方案（采用光敏電阻的亮度傳感器檢測(cè)環(huán)境的光線強(qiáng)弱），路燈系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境光線的明暗情況，當(dāng)光敏傳感器監(jiān)測(cè)到光線變暗，需要路燈照明時(shí)，路燈自動(dòng)化控制設(shè)備自動(dòng)點(diǎn)亮路燈。近年來(lái)在國(guó)家政策的指引下，提出綠色照明新理念，特別是智慧城市的建設(shè)中，部分城市已經(jīng)開(kāi)啟了智慧路燈的示范應(yīng)用，推動(dòng)道路照明走向智能化發(fā)展。照明+互聯(lián)網(wǎng)的模式為管理者實(shí)現(xiàn)路燈遠(yuǎn)程統(tǒng)一管控、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)節(jié)能化，使路燈照明管理水平上升了一個(gè)臺(tái)階。路燈智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能目前更為先進(jìn)的路燈智能控制系統(tǒng)采用電力線載波通信（PLC）技術(shù)，無(wú)需布線，通過(guò)現(xiàn)有路燈，供電電力線對(duì)每盞路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能化管理，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程單燈控制、節(jié)能和智慧管理功能，延長(zhǎng)燈具壽命，符合高效節(jié)能、安全、環(huán)保、舒適的綠色照明理念。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，路燈智能控制系統(tǒng)由硬件及軟件組成。通過(guò)現(xiàn)有的路燈電力線，在燈具上安裝路燈節(jié)點(diǎn)控制器（單燈/雙燈控制器）；在配電箱中安裝路燈集中器；在辦公區(qū)或監(jiān)控中心安裝軟件后臺(tái)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，只需要?jiǎng)觿?dòng)手指，便可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每盞燈具的用電情況；在確保燈具能夠正常工作的條件下，調(diào)整燈具的亮度，減少由于視覺(jué)疲勞所造成的照明眩光，使燈光所發(fā)出的光線更加柔