传感器与感知系统

一、教材分析

本课内容隶属于“项目5：体验生活中的智能感知”，涉及3个项目活动。首先，依托“项目活动1：体验生活中的智能应用”，通过日常生活中的智能感应门铃体验和超声波探测介绍，分别学习红外探测器和超声波传感器，认识感知设备的探测特点及作用方式。

其次，依托“项目活动2：设计简易智能楼道灯”，以“实践园”的形式，学以致用，运用所学知识解决真实场景中的实际问题，通过对场景问题的剖析，建立问题解决与感知技术之间的关联。这是本课的重心所在。

最后，依托“项目活动3：了解和认识服务机器人”，通过服务机器人的复杂场景，认识到信息感知的复杂性，需要多传感器技术的融合形成感知系统。

通过本课在最后安排的“探究屋”，进一步认识传感器的特点，强调问题与技术的解决之道，理解在物联网中感知“物”的信息是基础，最终目的是实现对“物”的智能控制和应用。

二、学情分析

学生之前已经学习过机器人，对红外传感器有一定的认知，在此基础上学习超声波传感器难度会有所降低，学生对机器人编程也已经有一些基础，对新鲜事物会更勇于尝试，所以智能楼道灯方案的设计与搭建较易于操作。

三、教学目标与要求

（1）通过传感器实现对“物”的感知，了解问题解决与传感设备的关系。

（2）认识红外探测器、超声波传感器特点和作用方式，体会传感器科技的重要与强大。

（3）了解在智能应用中的多传感技术融合感知系统。

（4）通过动手尝试，使学生获得成功体验，激发后续学习的强烈欲望。

四、教学重点与难点

1. 重点：常见传感器及其在物联网中的作用。

2. 难点：建立问题解决与传感设备的对应关系。

五、教学方法与手段

本课采用讨论法、任务驱动法、实验法、小组合作等教学方法。

六、课时安排

建议安排1课时。

七、教学准备

传感器应用视频、智能红外感应门铃、物联网实验器材。

八、教学过程

1. 项目活动准备

教师：前面一节课我们已经初步认识了物联网，物联网中“物”就好像人类的感官一样，非常聪明。我们看到在生活中的智能应用也越来越多，那么物联网的“物”是如何全面感知“物”的信息的呢？同学们来看一段视频。看：

（播放全自动感应水龙头，火车站红外热成像体温监测系统的视频。）

教师提问：从视频中发现了什么？设备具备哪些功能，解决了哪些问题？这些设备对我们的生活有什么作用呢？它又是怎样工作的呢？

学生交流：它们都使用了哪些技术？

（传感技术。传感器就相当于我们人类的感觉器官，传感器通常由敏感元件和转换元件组成。）

教师：今天，我们就来一起学习《传感器与感知系统》。

【设计意图】以形象生动的视频引入课堂，创设了科技生活的教学情境，激发学生对科技的求知欲望，调动了学生的探究积极性，为充分学习传感器与感知系统做了铺垫。

2. 项目活动实施

活动实施一 体验生活中的智能应用

（1）认识红外探测器

教师：老师这里有智能红外感应门铃，大家试试看，它是如何工作的？

学生讨论。

教师：在智能红外感应门铃中装有探测人体红外线的器件，若有人进入红外探测范围内，感应门铃自动报出欢迎语音，起到了礼貌问候，从而做到提醒店员有人进店和迎宾的作用。

总结：能够探测红外线并转化成电信号的电子器件叫作红外探测器。

（出示图片：红外探测器及装有红外探测器的红外感应门铃。）

教师提问：红外探测器是如何感知人的？

学生讨论、交流。

（出示图片：红外线。）

教师：一般物体都在发出红外线，红外线是一种肉眼看不见的光。红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种。在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。红外探测器是利用红外辐射与物体相互作用的物理效应进行探测的传感器。正常人体能发出特定波长的红外线，当人体发出的红外线进入红外传感器的感知范围内，人就被探测到了。红外感应门铃就是运用了这一原理。

（出示图片：红外感应门铃工作原理图。）

教师提问：现在你能够说说红外感应开关与普通开关相比有何特别之处？

师生交流：红外探测器进行探测时，与被探测物体无须直接接触，且具有灵敏度高、反应快等优点。红外探测器是红外系统的核心，在生产和生活领域得到了广泛应用。

（出示图片：红外探测器进行探测时，与被探测物体无须直接接触，且具有灵敏度高、反应快等优点。）

教师：关于红外探测器，根据探测方式分为两类：一是主动式红外探测器。它由发射、接收装置两部分组成，发射装置向一定距离之外的接收装置发射红外线，若接收装置没有接收到则触发。另一类是被动式红外探测器。它被动接收、探测来自环境的红外辐射，若接收到则触发。请同学们看一看：

（出示图片：主动式红外探测器和被动式红外探测器工作原理。）

【设计意图】采用直观的图片对比，辅以详尽地讲解，清晰说明了被动与主动这两种分类，更深入地理解了两者工作的相同点与不同点。

（2）认识超声波传感器

讨论：前些日子，小明的妈妈拿着一张医院B超检验单对小明说，未出生的五个月大的小妹妹已经会用嘴巴吸拇指了。对于这一现象，小明觉得很奇怪。妹妹还没出生，妈妈是怎么看见的呢？同学们，你们认为这是怎么回事呢？

（出示图片：B超图。）

学生交流。

教师：B超是一种医用超声诊断仪，它安装了超声波传感器。什么是超声波呢？人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20 赫兹～20 000赫兹范围内，超过20 000赫兹称为超声波，低于20 赫兹称为次声波。超声波是指频率高于20 000赫兹，人类无法听到的声波，它具有方向性好，穿透能力强的特点。通常用于医学诊断的超声波频率为1×10⁶赫兹～5×10⁶赫兹。

（出示图片：超声波概念。）

【设计意图】以家庭生活中的实例引入超声波概念，拓宽学生的知识面，使学生树立学以致用的观念。

医学超声波检查的工作原理与声呐有一定的相似性，即将超声波发射到人体内，当它在体内遇到界面时会发生反射及折射，并且在人体组织中可能被吸收而衰减。因为人体各种组织的形态与结构是不相同的，因此其反射与折射以及吸收超声波的程度也就不同，医生正是通过仪器所反映出的波型、曲线，或影像的特征来辨别它们。

（出示图片：超声波工作原理。）

教师：超声波传感器具有定向发射、强度易控制且与被测量物体无须直接接触等优点。所以小明的妈妈看到了小明未出生的小妹妹用嘴巴吸拇指的一幕，真是有趣啊！

【设计意图】通过分析医学超声波工作原理，将科技改变生活的理念深入到学生的内心，科技的进步让生活更美好，增强了学生学习知识的动力。

延伸：在一些人们无法操作的工作中，超声波起到相当大的作用，比如，

（出示图片：超声波传感器4种应用场景。）

①超声波传感器可以对集装箱状态如满、空或半满进行探测。

②超声波传感器可用于检测透明物体。

③超声波传感器可以应用于食品加工。  

④超声波传感器可用于探测液位等，也可用于流程监控以提高产品质量、检测缺陷等方面。

总结：可见，根据被检测对象的体积、材质以及是否可移动等特征，超声波传感器采用的检测方式有所不同。

活动实施二 设计简易智能楼道灯

教师：智能楼道灯系统是我们生活中一个的物联网设备，我们来用物联网实验器材来搭建一个吧。

实验器材主要包括：传感板、扩展板、人体红外传感器、超声波传感器、LED灯、连接线等。

明确任务要求：选择楼道所处的具体场景（居民楼宇、校园教学区楼道），根据场景分析其环境特点（灯具数量，人员出入时段、频率等等），思考存在的主要问题。

学生讨论：你使用了什么器材？如何设计程序？

学生小组合作，搭建系统。

展示、交流作品：在制作中遇到哪些问题，怎么解决的？

【设计意图】机器人编程搭建这一任务为学生营造了一个生动的学习氛围，鼓励学生创新，使学生有了最佳的求知态度，能积极主动把兴趣、注意力投入到学习中，并对后面的学习起到促进作用。

活动实施三 了解和认识服务机器人

教师：同学的创作非常实用，传感器的应用真是极大地方便了我们的生活。   随着居民生活水平的提高及相关技术的推动，在银行、宾馆、餐厅等服务类行业中，服务机器人开始走进人们的视野。我们一起来看一看，思考服务机器人服务过程中可能遇到的主要问题以及解决问题所需的感知技术等。

讨论交流。

教师：服务机器人的感知系统运用了多传感器融合技术，一般包括摄像机、语音传感器、超声波传感器、激光测距仪和雷达定位传感器等，它们对提高机器

人的人机对话、障碍物识别、避障、环境建模等功能具有重要的作用。（播放视频）

随着科技的发展，传感器正逐步实现微型化、智能化、网络化。它正经历着从传统传感器转向智能传感器、单一传感器转向网络传感器的发展过程。

【设计意图】通过视频，展现了机器人与人类社会的生产、生活密不可分的现实，同时，让学生充分认识到服务机器人作为与人类接触最为频繁的机器人，它的未来将由人类来决定。

3. 项目活动延伸

请同学们课后实地考察校园内的生活用水场景。结合日常使用情况和真实体验，分析其中可能存在的主要问题。

（1）探讨：运用传感技术，设计针对关键问题的智能化改进解决方案。

（2）思考：假如校园水龙头全部接入物联网，将会带来怎样的改变？

【设计意图】课后的思考与探索可以让学生养成积极主动的学习态度，充分激发学生的探究欲，可以挖掘学生的内在潜力，既巩固了课堂所学，又能够很好地培养学生的个性化思维。