小鸡孵化装置课堂教学及反思 张丽芳1，谢作如2，钟柏昌3 （1,3.南京师范大学教育科学学院，210009；2.浙江省温州中学，325014） 摘要：Arduino机器人平台可以成为一个很好地开展STEM教育的载体，让学生在一个综合应用环境下，提高STEM素养以及动手能力、团队合作能力。本课题以Arduino为平台，利用DHT11传感器、继电器插座等硬件设备，与生物学科中的小鸡孵化知识进行了整合，制作了小鸡孵化装置，并利用该小鸡孵化装置完成了一轮小鸡孵化任务。 关键词：arduino1stem1小鸡孵化 机器人是一门涉及运动学、动力学、系统结构、传感技术、控制技术等多领域的交叉学科。学习机器人的设计与开发，不仅可以获得机器人的技术知识，而且可以促进学生所学科学、技术、工程、数学即STEM相关领域知识的整合。STEM是科学（science）、技术（technology）、工程（engineering）和数学（mathematics）首字母的缩写，当前，STEM教育正在成为世界教育的一种潮流。然而，反思我国中小学的机器人教育，往往局限于机器人技术本位知识的学习，很少关注机器人所涉及的其他学科内容。据此，本课题另辟蹊径，将机器人课程与生物学科进行了整合，制作了小鸡孵化的装置恒温恒湿箱，并利用制作的装置完成了一轮小鸡孵化任务。 一、选题背景 在基础教育领域，机器人课程可以与信息技术课程整合，也可以与通用技术课程整合，还可以与物理、生物、化学等相关课程整合，这种整合并不是要把与机器人有关的学科知识转移到机器人课程上讲授,而是要在机器人课堂上使学生应用和理解这些学科知识，并培养学生的STEM素养。以数学学科为例，机器人课程与数学学科的整合，学生不仅能掌握机器人的知识和技术，还可以在机器人课堂上应用一定的数学建模知识，创造性地运用数学思想、方法和知识解决实际问题；通过机器人项目体验数学与日常生活及其他学科的联系，感受数学的实用价值，增强应用意识，提高实践能力等。因此，在了解学生已有学科知识水平的基础上，教师可以充分挖掘机器人与其他学科知识的相关性，设计有针对性的教学活动，激发学生在解决问题的过程中综合贯通相关学科知识。本课题在讲授DHT11温度传感器和1602液晶显示屏时与学生关于小鸡孵化知识的研究性学习进行了整合，制作了小鸡孵化装置，不仅可以帮助学生学习机器人的知识和技术，理解和应用小鸡孵化的知识，还可以帮助学生顺利地开展小鸡孵化的研究性学习。 小鸡孵化研究性学习课题源于城市学生对小鸡孵化过程的好奇，但是对于城市学生而言，并不方便去农家观察小鸡孵化过程。即便有去农家观察的条件，也不能监控小鸡孵化的完整过程及孵化过程中的环境指标，自然难以真正探究小鸡孵化的过程与知识。况且此类观察活动，学生能做的事情很少，参与性低，也不能有效激发学生的探究欲望。因此，让学生在实验室内搭建孵化装置开展孵化实验是一种更为有效的办法。目前国内外的研究者已经开发出了多种基于不同微处理器的小鸡孵化装置，常见的有基于PLC、FPGA、DSP等控制的小鸡孵化装置。不过，由于这些装置不仅技术复杂，且价格昂贵，而中小学通常经费紧张，不太可能为学生购买类似的装置让学生亲身体验小鸡孵化的整个过程。值得高兴的是，Arduino开源平台正好弥补了这一空缺，使用它完全可以自己制作一个小鸡孵化装置，不仅可以帮助学生理解和应用所学的机器人知识和技术，而且还渗透了小鸡孵化等生物知识的运用，真正培养了学生自主探究学习的意识和能力。 二、方案设计 首先笔者对学生情况进行了分析并确定了本课的教学目标，然后搜集并了有关小鸡孵化的相关资料，最后初步设计了小鸡孵化装置的方案。 （一）学生情况分析 本节课的教学对象是高一学生，学生对Arduino机器人已经有了浓厚的兴趣。通过前面几节课的学习，已经理解了Arduino机器人的输入、输出，掌握了传感器的一般使用方法，能够正确使用串口监视器，掌握了库的调用，具备了一定的编程能力。另外，通过之前的积累，学生已经认识到机器人课程和物理、信息技术等课程有一定的关联，对Arduino机器人的创意设计也有了更多的个人想法。 （二）教学目标 1.掌握Arduino机器人中DHT11及LCD1602液晶显示屏的使用。 2.通过自主浏览网页搜集有关小鸡孵化的相关资料，提高观察、分析、判断的思维能力，掌握收集有效信息的方法；通过模仿制作出小鸡孵化装置，初步掌握LCD显示屏和DHT11传感器的一般使用方法。 3.体验Arduino机器人在现实生活中带来的乐趣，激发学习兴趣和制作智能人造物的欲望。 （三）教学重点和难点通过前面几节课的学习，学生已经掌握了传感器的一般使用方法以及库函数的调用，但是DHT11传感器与前面的单一功能的检测声音、光线等信号的声音传感器、光线传感器等有所不同。它具有双重功能，不仅可以检测温度还可以检测湿度，所以DHT11传感器的使用是本节课教学的重点之一。1602(LCD显示屏是学生第一次接触，它采用了IIC接口，需要接在Romeo控制器的IIC口或者支持IIC口的针脚上面。此外，该显示屏也有库函数，库函数里面有很多不同功能的子函数，如初始化显示屏、清屏等。为此，1602(LCD显示屏与Romeo控制器的连接、1602(LCD函数的调用也是本节课教学的重点之一，还是本节课教学的难点。 （四）小鸡孵化装置的可选方案的设计与选择 1.(小鸡孵化条件的保障。 （1）受精。孵化的鸡蛋一定要受精，否则无法孵化。 （2）温度。温度是胚胎发育的首要条件，也是决定孵化成败的关键。一般来说，119天适宜温度为37.8，2021天适宜温度为37.337.5。 （3）湿度。孵化对湿度要求并不高，一般“两头高，中间低”，即孵化17天的相对湿度为65%；818天的相对湿度为50%55%，1921天的相对湿度为65%。 （4）通风换气。胚胎对氧气的需要量随胚龄的增大而加大，所以随着天数的增加，孵化箱的通风口越来越大。 （5）翻蛋。翻蛋的目的是使鸡蛋改变位置，受温均匀，防止胚胎和壳膜粘连，促进胚胎运动，保证胎位正常；正常翻蛋时转动角度为45，每小时转动一次。 2.孵化期间操作。 （1）照蛋。在小鸡孵化的过程中，需要对鸡蛋进行照光操作，剔除无精蛋、破蛋，同时观察小鸡的孵化现象，注意保持记录。 （2）出壳。小鸡在2021天的时候一般会啄壳而出，小鸡在出壳的时候要注意保持湿度，而且温度要降低一些。 3.(雏鸡处理。 （1）拣鸡。在看到小鸡已经出壳时，保证小鸡在恒温箱里不超过12小时，等小鸡的绒毛烘干后，将小鸡拣出来。 （2）消毒。要对刚出壳的小鸡进行消毒操作。 （3）保管。刚出生的雏鸡，在第一个7天内，恒温箱的温度控制在3033之间，以后每周降低两度。 4.=可选方案的设计与选择。 基于以上小鸡孵化条件，笔者初步预设了两个方案，分别是温、湿度控制装置和温、湿度监视装置方案。 备注：除了表中列出的核心器材，还有一些器材也是要用到的，如USB数据线、3P线等。 （1）温、湿度控制装置。 温度是小鸡孵化的首要条件，大约是3738，所以需要一个温、湿度控制装置，该装置需要用到的硬件设备如表1所示。当温度小于37时，电暖器打开，提高箱内温度；当温度大于38时，电暖器关闭。根据搜集到的资料，小鸡孵化对湿度的要求不是很高，所以本次教学时对湿度的控制采取了手动加水控制，即箱内放入一个标有刻度的塑料盒，当盒内水位低于一定高度时，采取手动加水方法。 （2）温、湿度监视装置。 为了便于观察孵化箱内温、湿度的情况、电暖气的状态等，还需要增加一个温、湿度监控装置，笔者初步提供了两种方案（如表2）。 综合以上两种方案的不同特点和功能，本节课最终采用方案一作为教学基本内容，主要因为： 第一，从硬件的角度来看，方案一只涉及本次课需要用到的硬件设施，而方案二还涉及网络扩展板等，学生对这些硬件设施还未接触。 第二，从程序的角度来看，方案一涉及的编写程序的知识是比较简单的选择结构、库的调用，而方案二的程序还涉及比较繁琐的语法和复杂的代码，不易理解与实现。 第三，从学生的角度来看，方案二涉及物联网、计算机网络等知识和技术，尽管本节课的目的是将机器人课程与其他学科进行关联，但是学校并未开设这类课程，大部分学生对这些知识和技术仅停留在知道层面，显然方案一符合我们的教学需求。 除了上述两种装置外，还需要制作一个小鸡孵化箱，并将完成的两种装置放在箱中合适的位置。在本次教学中，笔者选取了一个纸箱作为小鸡孵化箱，并对其进行了改造。这里要提醒的是孵化箱不能是封闭的，要能随时打开，便于照蛋、拣鸡、通风、翻蛋等。小鸡孵化箱用到的器材如表3所示。 三、硬件搭建 小鸡孵化用到的硬件器材有Romeo控制器（1）、DHT11传感器（2）、继电器插座、USB数据线以及3P线等。 （一）核心配件 1.9DHT11传感器。 本课采用的温、湿度传感器是DFRobot出品的DHT11数字温、湿度传感器，用于检测所处环境的温、湿度。它是一款含有已校准数字信号输出的温、湿度复合传感器，使用了专用的数字模块采集技术和温、湿度传感技术，使其产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。该传感器包括一个电阻式感湿元器件和一个NTC测温元器件，并与一个高性能的8位单片机相连接，具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。更重要的是，该传感器含有库文件。调用库，可以很轻松地读出当前环境的温、湿度。 2.继电器插座。 所谓继电器插座就是对普通的插座进行改造，将继电器元器件接入插座里面，继电器是一种电子控制元器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 3.LCD1602显示屏。 本课采用的显示屏是DFRobot出品的IIC#LCD1602显示屏。与普通的LCD#1602显示屏相比，该显示屏不需要为繁琐复杂的电路连线而头疼，而是采用了IIC接口。在接线时直接接到Romeo控制器的IIC接口即可（如果控制器没有IIC端口，可以将LCD显示屏的四根针脚分别对应接到GND、VCC、A4和A5上面，其中SDA对应的是模拟针脚的A4，SCL对应的是模拟针脚A5），无需再占用其他数字口或者模拟口。它可以显示两行内容，每行十六个字符，同DHT11传感器一样，它也有相应的库文件，调用库后只需几行，Arduino代码就可以完成LCD显示的功能。 （二）硬件搭建 1.#将两个DHT11数字温、湿度传感器分别接在Romeo控制器的数字口，同时记录连接到扩展板的数字针脚号。如两个传感器分别接到数字针脚3、4上面，如图1所示。2.#将继电器插座里面的继电器接在控制器的数字口，并记录其针脚号，如继电器接在了数字针脚上面，如图1所示。 3.#将LCD1602显示屏接在Romeo控制器的IIC端口，在接线时，要注意显示屏的针脚与控制器的端口相对应，如图1所示。3.#通过USB数据线将Romeo控制器、UNO控制器和电脑连接起来，正确选择板卡型号UNO和端口号。 四、程序编写 硬件搭建好之后，接下来就需要编写程序了。本课采用的是文本式的编程环境Arduino#IDE。Arduino文本式的编程环境是为不熟悉软件开发的人设计的。它包