《智能樓道燈——紅外線傳感器》教學(xué)設(shè)計

秦曉蘭

教材分析

《智能樓道燈——紅外線傳感器》是蘇科版（2013年修訂）小學(xué)六年級《信息技術(shù)》第2課的內(nèi)容，主要介紹了紅外線傳感器及其應(yīng)用，重點體現(xiàn)了信息的感知。在物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)中，信息感知是基礎(chǔ)。只有全面感知信息，才能安全傳輸信息，并最終實現(xiàn)智能應(yīng)用。而傳感器技術(shù)是感知層的重要技術(shù)手段，紅外線傳感器也是眾多傳感器技術(shù)中最常見的。正確認識紅外線傳感器及其應(yīng)用，可加深學(xué)生對信息感知的理解，為后續(xù)的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。

學(xué)情分析

本節(jié)課的教學(xué)對象是小學(xué)六年級的學(xué)生。通過前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)具備了一定的信息素養(yǎng)；通過第1課《物聯(lián)網(wǎng)就在身邊——初識物聯(lián)網(wǎng)》的學(xué)習(xí)，已經(jīng)了解了物聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用的相關(guān)知識。這些都為本節(jié)課的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。然而，六年級的學(xué)生對于生活中諸多物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，往往是“知其然，不知其所以然”。所以，消除學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)的神秘感，幫助學(xué)生完成建構(gòu)較為完善的知識結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)圖，是教學(xué)設(shè)計的重點。

教學(xué)目標

知識與技能目標：了解紅外線，知道人體能發(fā)出特定波長的紅外線；認識紅外線傳感器，能辨認常見的紅外線傳感器；了解紅外線傳感器的特點，能夠列舉紅外線傳感器的常見應(yīng)用；了解“智能樓道燈”系統(tǒng)的工作過程。

過程與方法目標：通過對“智能樓道燈”系統(tǒng)的分析與建模，體驗分析問題、解決問題的一般過程；通過對“紅外線傳感器探測范圍”的探究實驗，體驗較為科學(xué)的實驗研究方法；通過討論、評價日常生活中“紅外線傳感器”的典型應(yīng)用，學(xué)會評價它們的特點及其與實際生活的關(guān)系。

情感態(tài)度與價值觀目標：通過情境設(shè)置與視頻觀察，發(fā)現(xiàn)生活中的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用；通過建模體驗與探究實驗，產(chǎn)生保持學(xué)習(xí)與使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興趣；通過討論交流與展示同齡人的新發(fā)明，促進創(chuàng)新思維，激發(fā)創(chuàng)新意識。

教學(xué)重點、難點

重點：認識紅外線傳感器，能描述它的特點及探測范圍；通過對“智能樓道燈”系統(tǒng)的分析建模，體會信息的感知及物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)。

難點：紅外線傳感器及其特點；“智能樓道燈”系統(tǒng)的工作過程。

教學(xué)過程

1.情境導(dǎo)入，激發(fā)興趣

課前事先在機房門口放置“紅外線迎賓器”（如圖1），當學(xué)生進入教室的時候，會自動發(fā)出“歡迎光臨”的問候語。以“迎賓器”的“自動感應(yīng)”聯(lián)想生活中類似的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如自動門、感應(yīng)龍頭、烘手器、樓道燈等，并播放《校園內(nèi)的自動感應(yīng)樓道燈》視頻。教師和學(xué)生通過對生活中自動感應(yīng)現(xiàn)象的羅列與梳理，提出問題：以上物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，物與物是如何相聯(lián)的，即“物”如何感知“物”的信息，經(jīng)過信息傳輸，最終實現(xiàn)對“物”的自動控制？引出課題——“智能樓道燈”，即以智能樓道燈系統(tǒng)為例，探究這些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用背后的科技之光。

設(shè)計意圖：第一環(huán)節(jié)關(guān)鍵詞——發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)生活中與紅外線傳感器相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。以生活中的情境、生活化的問題導(dǎo)入新課，激發(fā)興趣，引起求知欲，令學(xué)生注意力集中。人性化的迎賓器，舒緩氣氛，拉近與學(xué)生的距離，也是課堂的懸念。

2.分析架構(gòu)，凸顯核心

（1）分析：“感知信息”的設(shè)備是什么？①提出問題：教師設(shè)問人和燈之間是否存在另一個設(shè)備在起作用？②大膽猜測：學(xué)生仔細觀察“智能樓道燈”系統(tǒng)圖（如圖2），大膽猜測，并嘗試在圖2上指出該設(shè)備。③小心求證：通過視頻求證。教師繼續(xù)播放《校園內(nèi)的自動感應(yīng)樓道燈》視頻，學(xué)生觀看視頻，最后視頻的畫面定格在“紅外線感應(yīng)開關(guān)”上，由此驗證了前面猜測的正確性。

（2）分析：人體的哪種“信息”被感知？①提出問題：教師設(shè)問人有哪些信息可能被感知？它（指紅外線感應(yīng)開關(guān)）是不是看到了什么，或聽到了什么？②大膽猜測：學(xué)生大膽猜測，多個學(xué)生輪流補充回答，人體可能被感知的信息，如“外貌、聲音；身高、體重；指紋、虹膜”等。③小心求證：通過課本求證。學(xué)生閱讀課本P4～5，用“一句話概括”回答下列問題：什么是紅外線？人體會發(fā)出紅外線嗎？什么是紅外線傳感器？學(xué)生閱讀課本獲得關(guān)于紅外線、紅外線傳感器的文字描述，初步體驗。教師通過課件給出關(guān)于紅外線、紅外線成像的圖片描述，再以小組為單位提供給學(xué)生紅外線傳感器的實物，讓學(xué)生近距離觀察紅外線傳感器的外觀，體會紅外線傳感器的小身材，大用途；同時拆開迎賓器，讓學(xué)生指出迎賓器中紅外線傳感器的位置，加強學(xué)生的體驗。

（3）小結(jié)：①在智能樓道燈系統(tǒng)中，是“物的信息”被感知，而非“物”本身，即感知了人體發(fā)出的紅外線。②“紅外線感應(yīng)開關(guān)”里的奧秘：里面必定包含有“紅外線傳感器”。

設(shè)計意圖：第二環(huán)節(jié)關(guān)鍵詞——分析。以“提出問題—大膽猜測—小心求證”的學(xué)習(xí)模式，師生共同就“智能樓道燈”系統(tǒng)的兩個問題展開分析：①感知信息的設(shè)備是什么？②人體的哪種信息被感知？同時，滲透學(xué)習(xí)方法，即由問題出發(fā)，先提出假設(shè)，再科學(xué)求證。

3.搭建模型，解讀原理

紅外線傳感器是如何探測紅外線，并轉(zhuǎn)換成電信號，最終實現(xiàn)對燈的自動控制？為了更好地認知它的工作過程，教師現(xiàn)場演示利用實驗器材搭建“智能樓道燈”的系統(tǒng)模型。通過讓部分學(xué)生實踐體驗，其余學(xué)生觀察體會，解讀“智能樓道燈”系統(tǒng)中紅外線傳感器的工作過程，并由此提煉出物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)。

（1）教師介紹實驗器材，紅外模塊（如圖3），里面包含有紅外線傳感器和一盞普通的電燈（如圖4）。

（2）教師演示將普通電燈接入電源，并驗證：僅有電燈接入電源不能實現(xiàn)自動控制燈的開關(guān)。教師演示同時接入一個紅外線傳感器，并驗證：當接入紅外線傳感器以后，可以實現(xiàn)自動控制燈的開關(guān)。

（3）1～2位學(xué)生上講臺前現(xiàn)場體驗自動控制燈開關(guān)的過程，其余學(xué)生觀察并思考：在這個過程中，誰在發(fā)出紅外線？誰感應(yīng)到了人體發(fā)出的紅外線？教師和學(xué)生通過對回答的總結(jié)與梳理，提煉物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)：感知—傳輸—應(yīng)用。endprint

（4）討論坊：這樣的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)給我們的生活帶來了什么？具體來說，紅外線感應(yīng)開關(guān)和普通開關(guān)相比有什么好處？學(xué)生回答，梳理：非接觸、反應(yīng)快；安全、衛(wèi)生；節(jié)能、人性化；……

設(shè)計意圖：第三環(huán)節(jié)關(guān)鍵詞——建模。通過建立模型，解讀“智能樓道燈”系統(tǒng)中紅外線傳感器的工作過程，提煉物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)。教師現(xiàn)場建模，目的是為了充分抓住學(xué)生的眼球，讓學(xué)生覺得就像變魔術(shù)一樣，是“見證奇跡的時刻”?，F(xiàn)場建模有利于激發(fā)和保持學(xué)生思維的火花，調(diào)動學(xué)生參與的熱情，令學(xué)生在注意力集中的狀態(tài)下觀察得更仔細。現(xiàn)場建模在認清了紅外線傳感器工作過程的同時，也為第四環(huán)節(jié)學(xué)生動手實驗做足了鋪墊。從分析架構(gòu)到搭建模型，由感性認識上升到理性認識，幫助學(xué)生順利完成知識的建構(gòu)。

4.深入探究，科學(xué)實驗

學(xué)生分組實驗，協(xié)作探究紅外線傳感器的探測范圍，填寫實驗報告單。

（1）介紹實驗內(nèi)容。因探測范圍有兩個參數(shù)——距離和角度，所以實驗設(shè)有兩方面的內(nèi)容：①角度固定，距離變化；②距離固定，角度變化。同時滲透科學(xué)研究方法：控制變量法，即要研究一個量，把其他量先固定起來的方法。

（2）介紹實驗器材。紅外模塊和手持終端（如圖5），其中紅外模塊中包含有紅外線傳感器，手持終端可以自動識別紅外模塊。

（3）介紹實驗分工。全班分成5個小組，4名學(xué)生為一組。組長負責(zé)整個實驗的分工與協(xié)調(diào)；測試員負責(zé)測試不同的位置；觀察員負責(zé)觀察手持終端；記錄員負責(zé)記錄實驗數(shù)據(jù)。學(xué)生討論分工，確保每位學(xué)生在實驗開始前都能明確自己的實驗任務(wù)和在實驗中的位置，以避免無關(guān)的實驗干擾。

（4）介紹實驗方法。教師課前預(yù)先在實驗場地標出距離（如圖6）和角度（如圖7）。學(xué)生完成兩組實驗，填寫相應(yīng)的實驗報告單。

（5）學(xué)生分組實驗。

（6）交流實驗結(jié)論。學(xué)生回答，梳理：紅外線傳感器的探測范圍有一定的距離和角度，同時教師提供“紅外線傳感器探測范圍示意圖”（如圖8）。示意圖再次有力地說明了智能樓道燈系統(tǒng)的實現(xiàn)原理。回到課堂剛開始時所提到的“自動感應(yīng)現(xiàn)象”，說說迎賓器、自動門、水龍頭、烘手器等的實現(xiàn)原理，首尾呼應(yīng)。

設(shè)計意圖：第四環(huán)節(jié)關(guān)鍵詞——探究。通過探究實驗，用數(shù)據(jù)說話，讓學(xué)生親身體驗紅外線傳感器的探測范圍有一定的距離和角度，從而使學(xué)生能夠正確地操控、辯證地認識紅外線傳感器，并且在這個過程中體驗較為科學(xué)嚴謹?shù)难芯糠椒?。實驗結(jié)論，又回到了課堂一開始提到的物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用上，首尾呼應(yīng)。

5.評價總結(jié)，拓展延伸

（1）知識梳理。以知識結(jié)構(gòu)圖（如圖9）的形式，幫助學(xué)生梳理本堂課的知識點，建構(gòu)完整的知識網(wǎng)絡(luò)體系。知識結(jié)構(gòu)圖涵蓋兩個層面：一是學(xué)習(xí)的內(nèi)容，即物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)，核心是感知外界信息的設(shè)備——紅外線傳感器；二是學(xué)習(xí)的方法，即由個性到共性，由現(xiàn)象到本質(zhì)，這也正是我們分析解決問題的一般方法。

（2）學(xué)以致用。發(fā)揮想象力，嘗試設(shè)計富有創(chuàng)意的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方案。

①通過小組討論、全班交流，碰撞思維的火花，打開創(chuàng)新的大門。②欣賞同齡人設(shè)計的紅外線傳感器控制下的《智慧小車》。小車的車身裝有紅外線傳感器，靠近行人的時候會自動后退或轉(zhuǎn)彎，大大減少車禍的發(fā)生。③欣賞視頻《紅外線傳感器在現(xiàn)代智能生活中的應(yīng)用》，如有新的點子，可與老師課后交流。

結(jié)束語：安全、舒適、智能、環(huán)保、節(jié)能，這就是紅外線傳感器給我們帶來的智能生活。事實上，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，感知信息的設(shè)備除了“紅外線傳感器”，還有“溫度傳感器”、“運動傳感器”、“稱重傳感器”等，在后續(xù)的課堂中還會陸續(xù)學(xué)習(xí)。正因為有了這些感知技術(shù)的存在，人與物、物與物才得以相聯(lián)，人們才得以與燈溝通、與水龍頭對話、與自然萬物交流，才得以開啟智能生活的新篇章。

設(shè)計意圖：第五環(huán)節(jié)關(guān)鍵詞——創(chuàng)新。學(xué)習(xí)的最終意義是學(xué)以致用。這個環(huán)節(jié)主要是通過討論交流與展示同齡人的新發(fā)明，促進學(xué)生的創(chuàng)新思維，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。課堂的最后留有一些空白設(shè)計的形式：如課后與教師交流、與教師發(fā)E-mail，都具有積極的導(dǎo)向和意義，都是為了促進學(xué)生的興趣與進一步探討。

教后反思

本節(jié)課我在組織和指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動時，嘗試引導(dǎo)學(xué)生通過對“智能樓道燈”系統(tǒng)進行分析、建模、探究、評價的過程，獲取科學(xué)思維、體驗科學(xué)研究方法，在今后的學(xué)習(xí)生活中能主動發(fā)現(xiàn)生活中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，并能觸類旁通，發(fā)掘其他類似的應(yīng)用，且有意識地去思考探究其本質(zhì)，不斷實踐與創(chuàng)新。

結(jié)構(gòu)較嚴謹。本節(jié)課從生活中常見的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用入手，通過“情境導(dǎo)入—分析架構(gòu)—搭建模型—深入探究—評價總結(jié)—拓展延伸”等教學(xué)環(huán)節(jié)，層層遞進，深入淺出，幫助學(xué)生分析解構(gòu)、合理推理，最終揭開了智能樓道燈系統(tǒng)的核心器件——紅外線傳感器的廬山真面目，并由此體驗了物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)，重點體會了信息的感知，啟發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。

課堂最后有一位學(xué)生提到：在家門口安裝紅外線傳感器，可以實現(xiàn)當人還未進入家門時，便自動打開家中的空調(diào)，這樣就可以更舒適。另一位學(xué)生提到：現(xiàn)在新聞里常有報道電梯扶手夾手事件，如果在電梯扶手上安裝紅外線傳感器，那么萬一有小孩子的手碰到電梯扶手，電梯立即停止運行，這樣就可以更安全。這樣的金點子，是課堂動態(tài)的生成，也是課堂上學(xué)生思維狀態(tài)的價值體現(xiàn)。

實驗有創(chuàng)新。教材的實驗設(shè)計有兩方面的內(nèi)容：①角度固定，距離變化；②距離固定，角度變化。在學(xué)生實際實驗的時候，有一組學(xué)生走到教室外面，探究紅外線傳感器隔著墻壁是否可以探測紅外線；有一組學(xué)生將紅外線傳感器背向放置，探究紅外線傳感器的背面是否可以探測紅外線。新課程所倡導(dǎo)的探索與創(chuàng)新，不正是需要學(xué)生有這樣打破常規(guī)的思維和實踐的勇氣嗎？

由于對實驗器材的精度和實驗過程中出現(xiàn)的意外情況估計不足，實驗的效果還有待改進和提高。一方面對實驗器材要適當降低精度以適應(yīng)課堂上教學(xué)實驗的設(shè)計需求，另一方面對實驗過程教師要做出更為有效的調(diào)控，如對實驗干擾因素的盡量避免、對學(xué)生實驗注意事項的事先說明和對學(xué)生實驗過程的有效指導(dǎo)等。endprint