宋秀双

河北省张家口市涿鹿县信息技术教师，曾荣获张家口市信息技术教学新星、张家口市学科带头人等称号。所做课程荣获河北省优秀示范课，辅导的学生曾获“童创未来”全国青少年人工智能创新挑战赛金奖、河北省第五届中小学教育机器人暨创客竞赛创客项目高中组一等奖。

教学背景

电鱼也称“绝户”捕捞，捕鱼者使用的电捕鱼器需要使用两台以上蓄电池带动，其瞬间释放的电压可达上千伏，使大鱼小鱼瞬间被通杀。电鱼导致河道鱼类成片死亡，一些大鱼即使幸存，也大多丧失繁殖能力；同时也导致水中微生物、昆虫、螺蚌、虾蟹以及蝌蚪等受到极大伤害。这些水中生物共同营造了河水中的生态平衡，一旦平衡遭到破坏，就会导致生物链断裂，严重影响湿地生态平衡。本节课将利用Arduino主控板控制探针检测水中的电压值变化，来判断是否有电鱼行为，并通过灯光和语音进行警告。  

教学目标

了解串联电阻的电阻分压原理；会通过模拟引脚模块读取探针测到的电压值；掌握语音合成模块使用方法；能运用物联网模块向Easy IoT物联网平台发送“警报信息”；能够将信息技术与物理学科相结合来解决生活中的实际问题。

教学重点与难点

教学重点 语音合成模块和物联网模块的使用方法。

教学难点 电阻分压原理及电路设计。

教学过程

一、情境导入

师：同学们通过系列科普视频应该了解到国家严厉打击电鱼行为的力度以及电鱼的危害，我们应避免这种破坏生态环境的行为发生。大家想想我们除了进行环保宣传，还有什么办法可以阻止或发现后及时发出警报？

生1：可以在重点位置设立警示牌，也可以派人在河边巡查。

生2：可以在河边设置防护栏或者安装检测报警装置。

师：大家讨论得都很好，今天我们将一起学习通过Arduino主控板控制探针检测水中电压值的变化来判断是否有电鱼行为，利用灯光和语音进行警告，并通过物联网进行“报警”。

二、项目设计

1.知识前提

电鱼使用的电鱼机是将低电压大电流变换成高电压的瞬间大电流。高压（1000V左右）大电流存在操作风险，所以对项目作品测试时，使用两种常见低压5V和19.5V进行测试。

2.模拟测试

Arduino板的A0、A1、A2等接口为模拟信号输入口，Arduino板通过测得A0接口的电势来产生A0接口的数据，测压的范围是0~5V，产生的数值范围为0~1023。

使用Arduino板测电压的核心思想：（1）Arduino板模拟输入的读电压功能。（2）串联电阻的电阻分压。（3）将模拟输入数值经计算得到电压值。

因课堂上测试使用的是自来水，电阻大，所测得的电压值一般不会太大。同时，串联电阻的各电阻分压比与电阻比成正比，所以我们可以计算出从原本的5V量程放大了多少倍。

师：（原理讲解）电子电路中，电阻分压器是应用最为广泛的电路。在串联电路中，各电阻上的电流相等，各电阻两端的电压之和等于电路总电压。所谓分压公式，就是计算串联的各个电阻如何去分总电压，以及分到多少电压的公式。

分电压计算：占总电阻的百分比，就是分电压的百分比。

公式：U=（R/R总）×U源

通俗地来讲，两个电阻串联，电阻大的分得的电压就大，电阻小的分得的电压就小，是按其中一个电阻和总电阻的比例来确定分压值的大小的。

三、探针制作过程

检测装置要有导电的探针深入“河水”中，教师向学生提供一种利用铅笔制作“探针”的简单方法（如图1）。学生们也可以利用身边的导电物品进行制作。

四、测压电路实物连接图

教师进行实物展示，并指导学生将测压电路与Arduino板A0引脚及GND引脚连接。（如图2）

五、智能报警器连接图

教师提供完整的电路连接图，指导学生将语音合成模块、物联网模块、七珠灯带与Arduino板连接。（如图3）

物联网模块接在Arduino板串口，T：RX，R：TX，+：VCC，-：GND，语音合成模块接Arduino板I2C接口，灯带接Arduino板引脚A4。

六、程序编写

登录Easy IoT物联网平台（http://iot.dfrobot.com.cn/）完成用户注册及设备添加。设备“非法电鱼报警”分配了消息上限为6000，用于接收警报信息。同时需要记录Topic、Iot_id、Iot_pwd处的值（后续编写程序中会使用到）。（如图4）

程序初始化代码中进行物联网模块参数设置，其中Wi-Fi参数根据当下环境中实际Wi-Fi进行设置，物联网平台参数根据上一步的记录信息进行对应填写。

演示测试程序初始化后，从A0引脚读取电压模拟量，经过计算得到实际电压值，与设定的阈值1V进行判断，当大于1V时，则认为有电鱼行为发生，并利用系统运行时间实现每1秒灯带循环移动闪烁一次，每5秒语音报警并向物联平台Easy IoT发送“报警”信息，主程序如图5。

学生小组根据教师的程序展示，进行个性程序编写，可修改“警告提示语”、灯带闪烁形式及间隔时间、物联网警报信息等。

七、实际测试

学生分组实验，通过在“河水”中使用不同的电压（5V、12V、19.5V）模拟电鱼行为；通过逐步添加食盐的量模拟不同的水质；改变两“探针”的间距，测试装置的灵敏性。

八、拓展与提升

当发现电鱼行为后，我们进行了声光警示，并且向Easy IoT物联网平台发送了信息，但我们不可能一直守在电脑前查看。学生们可以相互讨论：我们如何通过MIT App Inventor与Easy IoT相结合，开发出一个手机App软件，实时接收“警报”信息呢？学生可以课下进行拓展。

教学反思

本项目教师通过非法电鱼智能报警器的制作过程，带领学生将信息技术与物理学科电学知识相结合，通过创设生活中监测电鱼行为保护生态的情境，引导学生进行探究式学习，能够提升学生的学习兴趣，理解物理学科的价值。学生在项目学习过程中提升了学科素养和创新素养的同时，也培养了保护生态环境的良好意识。