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姚成民:《探月工程中的信息技术》教学设计

(2020-08-27 18:09:43)
标签:

教学设计

信息技术

控制技术

传感技术

通信技术

分类: 信息技术教学设计

2019年江苏省小学信息技术优质课评比活动一等奖,原载于《中国信息技术教育》2020年第17

姚成民  江苏省滨海县淤尖实验学校

单企一  江苏省滨海县东坎实验小学

曹恒来 江苏省盐城市教育科学研究院

 

一、学习内容分析

我国的探月工程分为”“”“三步。信息技术广泛应用于探月工程的各个环节,如通过拍照设备收集图像,通过传感器收集月面环境数据,并把获取的信息传输回地球,以及数据存储与分析、月球车的控制等等。本课仅选取其中控制技术、传感技术、通信技术等几个方面,进行普及化”“儿童化加工,以远程控制月球车行走、采集月面环境数据数据中继传输等技术为着力点,帮助学生了解探月工程中的信息技术,感受信息技术的价值。

二、学习者分析

本课的学习者是四年级学生,他们比较容易接纳、体验新事物,对于“探月”主题有着较强的好奇心与探究欲,且他们在日常生活中已积累了许多应用信息技术的经验,如操作遥控飞机或汽车、家庭或公共场所的声控灯、手机“信号”的强弱等,为理解探月中的远程控制技术、信息获取技术与信息传输技术打下了一定的基础。

本节课的学习任务挑战性比较强,仅凭学生个体学习可能无法较好完成,这就需要与同学组成小组来共同完成。由于学生平时较少使用合作学习的方式,缺少必要的合作与沟通的技能,这就需要教师尽可能收集学生能力方面的信息,合理设定任务分工,使每个成员都能担当一定的角色,以确保合作学习的顺利进行。

三、学习目标

1)通过控制月球车的行走,归纳测控的基本工作过程。

2)通过采集月面环境数据,推断传感器的基本作用。

3)使用中继通信技术解决有障碍遮挡情况下的数据传输问题。

四、教学过程

(一)分析探月项目,明确探月任务

自古以来,有很多关于月亮的故事,比如嫦娥奔月、水中捞月、天狗食月等,可以看出人们一直对月亮充满了好奇。我国 探月工程已经开展多年,关于探月工程中的信息技术,同学们一定有所了解,却又很难描述清楚,这节课让就让我们一起模拟探月,进一步了解探月工程中的信息技术。

活动1:明确探月任务。

1)观看关于月球车的微视频,思考:月球车主要有哪些功能?

2月球车降落到了预定区域虹湾,需要对月面进行巡视,探测月面的环境数据。月球车需要完成哪些工作?

小结:由于月球车已经在月面着陆,要完成巡视勘察工作,首先必须行走到目的地,再采集月面的环境数据,并及时将数据传输回来。

设计意图:在探月这一模拟情境中,学生以小组为单位开展自己的探月活动,由于是现实世界中的问题,使得知识更具情境性,可以有效激发学生的学习兴趣,充分调动学生学习的内驱力。在明确任务的基础上,将问题做合理的分解,为后续环节活动奠定基础。

(二)使用控制技术,控制月球车驶往目的地

活动2控制月球车从降落点行驶到目的地。

1成立探月小组,明确分工。

岗位名称

工程师姓名

任务分工

使用设备

组长(1人)

 

招募人员、协调任务分工、组织讨论,参与操控

分工表

监控中心(2人)

 

利用监控平台,提供路径规划

监控平台、信息接收设备

控制中心(1人)


操控月球车行走

操控平台

观察记录员(1人)

 

记录探月过程、记录获得的数据

活动记录单

2)监控中心使用月球车摄像头观察周围环境,规划月球车行驶路径。

3)控制中心使用控制平台控制月球车驶往目的地。

小结:月球车通过摄像头获取周围环境图像,传回监控中心分析后,规划行驶路径,操作人员进行路径规划和移动控制,按制月球车到达目的地。

这种通过对现实世界物理量进行测量,再经处理后得到控制量对执行机构进行控制的过程,就称为测控。控制技术正是信息技术的基本技术之一。

设计意图:学生在教师引导下,通过摄像头获取周围环境图像,规划月球车的行驶路径,控制月球车行驶,在此基础上,归纳出测控的基本工作过程。由于月球车的控制需要多人协同进行,为保证“探月”任务的顺利进行,使用分工表标明每个岗位的工作责任,以保证每位成员都能参与到小组活动,这样的环境也为学生提供了一个平台,使得他们可以学习到团队工作的技能和社会交往技巧。

(三)运用传感器,采集月面环境数据

月球车行驶到目的地后,又该如何收集月球表面环境数据呢?

活动3采集月球月面温度、光照等环境数据。

1)观察月球车搭载了哪些数据采集设备?

姚成民:《探月工程中的信息技术》教学设计

数据采集设备

2)运用传感器,采集环境温度和光照数据。

运用 温度传感器 光照传感器 检测温度数据,检测到的温度大小是:           摄氏度。

运用 温度传感器 光照传感器 检测光照数据;检测到的光照强度是:           勒克斯。

3)与人的眼睛和耳朵相比较,说一说温度传感器和光照传感器的作用是什么?

小结:传感器相当于人的眼睛、耳朵等感觉器官,它将从外界获取的信息翻译成电信号,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。以传感器代表的传感技术是现代信息技术的支柱内容。

设计意图:传感器的知识对四年级学生而言还比较生涩难懂,但因其在生活中的应用广泛,从作用入手,更贴近学生的生活!先通过观察粘贴在信息采集设备上的标签,认识传感器,然后动手运用传感器获取环境数据,在实践中辨别传感器的作用,再通过与眼睛、耳朵、鼻子等人体器官的类比,让学生在过程中感悟,在感悟中建构!这样获得的知识更有效更有意义!

(四)发射中继星,把数据传回地球

20191月,我国的探月工程又进了一步,玉兔二号降落到月球背面探测了。由于无线电信号无法穿透月球球体,玉兔二号是如何把数据实时传送回地球的呢?

活动4利用中继设备,实现数据顺利传输

1在学生与月球车中间增加金属挡板,观察信号传输状态。

2)找到合适的位置,使用中继设备恢复信号传输。

思考:沿直线传播的无线电信号,如何改变它的传输路径使信号恢复传输?

交流:如何在信息采集设备与信息接收设备之间建立 “桥梁”?

实践:小组测试安装中继设备,找出不同的安装位置!


姚成民:《探月工程中的信息技术》教学设计

信号中继设备

3)师生共同分析探月工程中中继星鹊桥的作用。

姚成民:《探月工程中的信息技术》教学设计

 

探月工程中的中继星

小结:由于无线电信号无法穿透月球球体,在月球背面着陆的月球车与地球上的测控中心之间,需要中继星的帮助来实现数据传输,完成地面测控任务。这种利用中继卫星作为中转,实现地月通信支持的技术就是中继通信技术。

设计意图:通信技术是信息技术的另一个基本技术,四年级学生对通信的认识还是以直观经验为主。通过设置信号中继这个情境,学生从数据传输中断,如何解决这一问题开始思考,经历了问题的发现、提出、探究、解决的全过程,既体会到解决问题的成就感,又能激发学生敢于多想多问,善思善问,促进学生形成良好的学习品质。

(五)回顾与展望

总结:回顾今天的探月之旅,我们通过控制“月球车”行走、运用传感器获取环境数据、解决信号传输问题学习了控制技术、传感技术以及通信技术。探月是一个庞大的系统过程,其每个环节都离不开信息技术的支持,根据计划我国即将开展“绕”“落”“回”三个阶段中的“回”,这又将是一个伟大的壮举,在我们为祖国自豪的同时,我们还要继续发展各项技术,包括信息技术,为人类的未来开创更多的可能!

设计意图:通过回顾与总结,重现探月过程,突出信息技术。在总结时,对未来深空探测进行展望,相机进行情感渗透,激发学生科学探究精神,培养学生正确的世界观、价值观。

五、教学反思

探月工程的每个方面都离不开信息技术的支持。但对四年级学生而言显得既接近又遥远!接近是因为探月影响重大、家喻户晓,遥远是因为技术太过复杂,学生难以理解!为此,结合他们的生活经验,确定从控制技术、传感技术、通信技术三个方面入手,通过问题解决一起来经历探月,在“探月”的过程中理解和运用信息技术。

考虑到四年级学生对遥控操作玩具汽车有一定的经验,但是直接让学生操作遥控汽车,并不能理解探月中的远程控制技术,为此,通过模拟“月面”环境,让学生在无法直接观察的环境中,通过摄像头获取周围环境信息,在分析“月面”路况的基础上规划行走路径,控制小车行走至目的地!在这个过程中,首先要通过测量获取环境信息,然后才能发出控制信号,较好的建构起测控的概念。由于活动中的任务较多,不同的任务对学生的操作能力、观察能力等有着不同的而要求,因此在分析学生个体差异的情况下,合理的调配小组成员,因生而宜、力所能及,通过分工表引导学生进行合理分工,各个小组的月球车均较好地完成了行走任务。

但是,同样的小组合作中,在对通信技术概念进行意义建构的过程中,却有了不一样的效果。部分小组一味追求解决问题的速度,而忽视分析思考的过程,导致最后对信号传输状态都难以识别,看似轰轰烈烈,实则对问题解决毫无帮助。

 

评析:这是一节参加江苏省2019年小学信息技术优质课评比活动的比赛课,课题由专家根据省课程纲要跳出教材而命制,有点类似于“命题作文”,这就给学习内容的确定带来了较大的挑战,需要仔细的推敲才能合理的确定学习内容的深度和广度。“探月工程”这个话题学生并不“陌生”,也容易产生情感的共鸣,信息技术课程的总体目标是培养学生的信息素养,这就规定了本节课的学习内容应是关于信息技术的基础知识,“探月”只是限定了技术学习的情境。信息技术广泛应用于探月工程的各个环节,但并不是其中所有的技术知识都是适合学生学习的内容,必须仔细选择,并对确定的内容进行“课程化”和“教学化”处理。例如,目前月球车采用的导航控制技术主要有三种,一种是遥操作技术;第二种是局部自主加遥操作;第三种则是双目立体视觉技术。虽然教学中使用的遥操作技术效率不高,但是学生能够完整的参与到获取信息、路径规划、发出指令等控制月球车行走的全过程,从而更好的感受信息技术的价值。

信息技术的范畴非常广泛,本节课在仔细分析的基础上,选择了控制技术、传感技术和通信技术三个关键概念,在学习和运用关键概念的基础上,进而迁移到更普遍的领域。但是,如果概念学习只是停留在概念定义的描述上,学生最多只能识记概念,也就谈不上理解和掌握。本课创设了模拟探月的问题情境,学生在教师的引导下开展解决问题为导向的概念学习。例如,由于无线电信号无法穿透月球球体,为了解决月球背面的通信问题,就要发射一颗“中继星”作为月球车与地球间的“通信站”。姚老师的教学中,通过在学生与月球车中间增加金属挡板来再现“月球自身遮挡”这个关键场景,在这个模拟的场景中,不断调整 “中继星”的位置来避开障碍,恢复传输,帮助学生理解中继星在数据传输中的作用,学生既获得了生动、形象的例证,又充分经历了概念建构的过程。

使用遥操作控制月球车行走,这个活动中任务较多,仅靠学生个体是无法完成的,需要与多个同伴组成小组合作完成。要确保小组成员都能参与其中并取得成功,教师需要通过认真的管理和组织设计来支持合作的行为。活动2中的小组分工表,具体设定了每个岗位的使用设备和任务内容,大大减少角色分配所耗费的时间,学生在参与合作时就会清楚的知道如何担当角色,有效避免了搭便车的现象。但是,到了活动4却出现了问题,实际上,除了姚老师在反思中提到分析引导缺失等因素之外,或许还与角色不明有关系,活动2中的设定的岗位并不能延续到活动4之中,学生并不清楚如何与他人一起活动,导致了过程的混乱。因而,合作学习需要花时间做好预先的设计,只是简单的对学生说:要合作、一起活动、互相帮助,这通常是不够的。

(点评人:江苏省盐城市教育科学研究院  曹恒来)

本文系江苏省教育科学十二五规划2015年度课题基于活动理论的信息技术教学设计研究(项目编号:D/2015/02/405)研究成果。

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