《探月工程中的信息技術(shù)》教學(xué)設(shè)計(jì)

姚成民 單企一 曹恒來

學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

我國的探月工程分為“繞”“落”“回”三步。信息技術(shù)廣泛應(yīng)用于探月工程的各個(gè)環(huán)節(jié)，如通過拍照設(shè)備收集圖像，通過傳感器收集月面環(huán)境數(shù)據(jù)，并把獲取的信息傳輸回地球，以及數(shù)據(jù)存儲與分析、月球車的控制等等。本課僅選取其中的控制技術(shù)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)等幾個(gè)方面，進(jìn)行“普及化”“兒童化”加工，以“遠(yuǎn)程控制月球車行走”“采集月面環(huán)境數(shù)據(jù)”“數(shù)據(jù)中繼傳輸”等技術(shù)為著力點(diǎn)，幫助學(xué)生了解探月工程中的信息技術(shù)，感受信息技術(shù)的價(jià)值。

學(xué)習(xí)者分析

本課的學(xué)習(xí)者是四年級學(xué)生，他們比較容易接納、體驗(yàn)新事物，對“探月”主題有著較強(qiáng)的好奇心與探究欲，且他們在日常生活中已積累了許多應(yīng)用信息技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，如操作遙控飛機(jī)或汽車、家庭或公共場所的聲控?zé)?、手機(jī)“信號”的強(qiáng)弱等，為理解探月中的遠(yuǎn)程控制技術(shù)、信息獲取技術(shù)與信息傳輸技術(shù)打下了一定的基礎(chǔ)。

本節(jié)課的學(xué)習(xí)任務(wù)挑戰(zhàn)性比較強(qiáng)，僅憑學(xué)生個(gè)體學(xué)習(xí)可能無法較好地完成，這就需要與同學(xué)組成小組來共同完成。由于學(xué)生平時(shí)較少使用合作學(xué)習(xí)的方式，缺少必要的合作與溝通技能，這就需要教師盡可能收集學(xué)生能力方面的信息，合理設(shè)定任務(wù)分工，使每個(gè)成員都能擔(dān)當(dāng)一定的角色，以確保合作學(xué)習(xí)的順利進(jìn)行。

學(xué)習(xí)目標(biāo)

①通過控制月球車的行走，歸納測控的基本工作過程。②通過采集月面環(huán)境數(shù)據(jù)，推斷傳感器的基本作用。③使用中繼通信技術(shù)解決有障礙遮擋情況下的數(shù)據(jù)傳輸問題。

教學(xué)過程

1.分析探月項(xiàng)目，明確探月任務(wù)

自古以來，有很多關(guān)于月亮的故事，如嫦娥奔月、水中撈月、天狗食月等，可以看出人們一直對月亮充滿了好奇。我國探月工程已經(jīng)開展多年，關(guān)于探月工程中的信息技術(shù)，同學(xué)們一定有所了解，卻又很難描述清楚，這節(jié)課就讓我們一起模擬“探月”，進(jìn)一步了解探月工程中的信息技術(shù)。

活動(dòng)1：明確探月任務(wù)。

（1）觀看關(guān)于月球車的微視頻，思考：月球車主要有哪些功能？

（2）月球車降落到了預(yù)定區(qū)域虹灣，需要對月面進(jìn)行巡視，探測月面的環(huán)境數(shù)據(jù)。月球車需要完成哪些工作？

小結(jié)：由于月球車已經(jīng)在月面著陸，要完成巡視勘察工作，首先必須行走到目的地，再采集月面的環(huán)境數(shù)據(jù)，并及時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸回來。

設(shè)計(jì)意圖：在“探月”這一模擬情境中，學(xué)生以小組為單位開展自己的探月活動(dòng)，由于是現(xiàn)實(shí)世界中的問題，知識更具情境性，可以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力。在明確任務(wù)的基礎(chǔ)上，將問題進(jìn)行合理的分解，為后續(xù)環(huán)節(jié)活動(dòng)奠定基礎(chǔ)。

2.使用控制技術(shù)，控制月球車駛往目的地

活動(dòng)2：控制月球車從降落點(diǎn)行駛到目的地。

（1）成立探月小組，明確分工（如下表）。

（2）監(jiān)控中心使用月球車攝像頭觀察周圍環(huán)境，規(guī)劃月球車行駛路徑。

（3）控制中心使用控制平臺控制月球車駛往目的地。

小結(jié)：月球車通過攝像頭獲取周圍環(huán)境圖像，傳回監(jiān)控中心分析后，規(guī)劃行駛路徑，操作人員進(jìn)行路徑規(guī)劃和移動(dòng)控制，控制月球車到達(dá)目的地。

這種通過對現(xiàn)實(shí)世界物理量進(jìn)行測量，再經(jīng)處理后得到控制量對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制的過程，就稱為測控?？刂萍夹g(shù)正是信息技術(shù)的基本技術(shù)之一。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，通過攝像頭獲取周圍環(huán)境圖像，規(guī)劃月球車的行駛路徑，控制月球車行駛，在此基礎(chǔ)上，歸納出測控的基本工作過程。由于月球車的控制需要多人協(xié)同進(jìn)行，為保證“探月”任務(wù)的順利進(jìn)行，使用分工表標(biāo)明每個(gè)崗位的工作責(zé)任，以保證每位成員都能參與到小組活動(dòng)，這樣的環(huán)境也為學(xué)生提供了一個(gè)平臺，使得他們可以學(xué)習(xí)到團(tuán)隊(duì)工作的技能和社會交往技巧。

3.運(yùn)用傳感器，采集月面環(huán)境數(shù)據(jù)

月球車行駛到目的地后，又該如何收集月球表面環(huán)境數(shù)據(jù)呢？

活動(dòng)3：采集月球月面溫度、光照等環(huán)境數(shù)據(jù)。

（1）觀察月球車搭載了哪些數(shù)據(jù)采集設(shè)備？

（2）運(yùn)用傳感器，采集環(huán)境溫度和光照數(shù)據(jù)。

運(yùn)用 □溫度傳感器 □光照傳感器 檢測溫度數(shù)據(jù)，檢測到的溫度大小是：————————攝氏度。

運(yùn)用 □溫度傳感器 □光照傳感器 檢測光照數(shù)據(jù)，檢測到的光照強(qiáng)度是：————————勒克斯。

（3）與人的眼睛和耳朵相比較，說一說溫度傳感器和光照傳感器的作用是什么？

小結(jié)：傳感器相當(dāng)于人的眼睛、耳朵等感覺器官，它將從外界獲取的信息“翻譯”成電信號，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。以傳感器代表的傳感技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的支柱內(nèi)容。

設(shè)計(jì)意圖：傳感器的知識對四年級學(xué)生而言還比較生澀難懂，但因其在生活中的應(yīng)用廣泛，從作用入手，更貼近學(xué)生的生活。先通過觀察粘貼在信息采集設(shè)備上的標(biāo)簽，認(rèn)識傳感器，然后動(dòng)手運(yùn)用傳感器獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，在實(shí)踐中辨別傳感器的作用，再通過與眼睛、耳朵、鼻子等人體器官的類比，讓學(xué)生在過程中感悟，在感悟中建構(gòu)，這樣獲得的知識更有效更有意義。

4.發(fā)射中繼星，把數(shù)據(jù)傳回地球

2019年1月，我國的探月工程又進(jìn)了一步，玉兔二號降落到月球背面探測了。由于無線電信號無法穿透月球球體，玉兔二號是如何把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送回地球的呢？

活動(dòng)4：利用中繼設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)順利傳輸。

（1）在學(xué)生與月球車中間增加金屬擋板，觀察信號傳輸狀態(tài)。

（2）找到合適的位置，使用中繼設(shè)備恢復(fù)信號傳輸。

思考：沿直線傳播的無線電信號，如何改變它的傳輸路徑使信號恢復(fù)傳輸？

交流：如何在信息采集設(shè)備與信息接收設(shè)備之間建立“橋梁”？

實(shí)踐：小組測試安裝中繼設(shè)備，找出不同的安裝位置。

（3）師生共同分析探月工程中中繼星“鵲橋”的作用。

小結(jié)：由于無線電信號無法穿透月球球體，在月球背面著陸的月球車與地球上的測控中心之間，需要中繼星的幫助來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，完成地面測控任務(wù)。這種利用中繼衛(wèi)星作為中轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)地月通信支持的技術(shù)就是中繼通信技術(shù)。

設(shè)計(jì)意圖：通信技術(shù)是信息技術(shù)的另一個(gè)基本技術(shù)，四年級學(xué)生對通信的認(rèn)識還是以直觀經(jīng)驗(yàn)為主。通過設(shè)置信號“中繼”這個(gè)情境，學(xué)生從數(shù)據(jù)傳輸中斷，如何解決這一問題開始思考，經(jīng)歷了問題的發(fā)現(xiàn)、提出、探究、解決的全過程，既體會到解決問題的成就感，又激發(fā)了自信心敢于多想多問，善思善問，形成良好的學(xué)習(xí)品質(zhì)。

5.回顧與展望

總結(jié)：回顧今天的探月之旅，我們通過控制“月球車”行走、運(yùn)用傳感器獲取環(huán)境數(shù)據(jù)、解決信號傳輸問題學(xué)習(xí)了控制技術(shù)、傳感技術(shù)以及通信技術(shù)。探月是一個(gè)龐大的系統(tǒng)過程，其每個(gè)環(huán)節(jié)都離不開信息技術(shù)的支持，根據(jù)計(jì)劃我國即將開展“繞”“落”“回”三個(gè)階段中的“回”，這又將是一個(gè)偉大的壯舉，我們在為祖國自豪的同時(shí)，還要繼續(xù)發(fā)展各項(xiàng)技術(shù)，包括信息技術(shù)，為人類的未來開創(chuàng)更多的可能！

設(shè)計(jì)意圖：通過回顧與總結(jié)，重現(xiàn)探月過程，突出信息技術(shù)。在總結(jié)時(shí)，對未來深空探測進(jìn)行展望，相機(jī)進(jìn)行情感滲透，激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究精神，培養(yǎng)學(xué)生正確的世界觀、價(jià)值觀。

教學(xué)反思

探月工程的每個(gè)方面都離不開信息技術(shù)的支持。但這對四年級學(xué)生而言顯得既接近又遙遠(yuǎn)，接近是因?yàn)樘皆掠绊懼卮?，家喻戶曉，遙遠(yuǎn)是因?yàn)榧夹g(shù)太過復(fù)雜，學(xué)生難以理解！為此，結(jié)合他們的生活經(jīng)驗(yàn)，筆者確定從控制技術(shù)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)三個(gè)方面入手，通過問題解決一起來經(jīng)歷探月，在“探月”的過程中理解和運(yùn)用信息技術(shù)。

考慮到四年級學(xué)生對遙控操作玩具汽車有一定的經(jīng)驗(yàn)，但是直接讓學(xué)生操作遙控汽車，并不能讓其理解探月中的遠(yuǎn)程控制技術(shù)，為此，筆者通過模擬“月面”環(huán)境，讓學(xué)生在無法直接觀察的環(huán)境中，通過攝像頭獲取周圍環(huán)境信息，在分析“月面”路況的基礎(chǔ)上規(guī)劃行走路徑，控制小車行走至目的地。在這個(gè)過程中，首先要通過測量獲取環(huán)境信息，然后才能發(fā)出控制信號，較好地建構(gòu)起測控的概念。由于活動(dòng)中的任務(wù)較多，不同的任務(wù)對學(xué)生的操作能力、觀察能力等有著不同的而要求，因此筆者在分析學(xué)生個(gè)體差異的基礎(chǔ)上，合理調(diào)配小組成員，通過分工表引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行合理分工，各個(gè)小組的月球車均較好地完成了行走任務(wù)。

但是，同樣是小組合作，在對通信技術(shù)概念進(jìn)行意義建構(gòu)的過程中，卻有了不一樣的效果。部分小組一味追求解決問題的速度，而忽視分析思考的過程，導(dǎo)致最后對信號傳輸狀態(tài)都難以識別，看似轟轟烈烈，實(shí)則對問題解決毫無幫助。

點(diǎn)? 評

這是一節(jié)參加江蘇省2019年小學(xué)信息技術(shù)優(yōu)質(zhì)課評比活動(dòng)的比賽課，課題由專家根據(jù)省課程綱要跳出教材而命制，有點(diǎn)類似于“命題作文”，這就給學(xué)習(xí)內(nèi)容的確定帶來了較大的挑戰(zhàn)，需要仔細(xì)推敲才能合理地確定學(xué)習(xí)內(nèi)容的深度和廣度。對“探月工程”這個(gè)話題學(xué)生并不“陌生”，也容易產(chǎn)生情感的共鳴，信息技術(shù)課程的總體目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)，這就規(guī)定了本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容應(yīng)是關(guān)于信息技術(shù)的基礎(chǔ)知識，“探月”只是限定了技術(shù)學(xué)習(xí)的情境。信息技術(shù)廣泛應(yīng)用于探月工程的各個(gè)環(huán)節(jié)，但并不是其中所有的技術(shù)知識都是適合學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容，必須仔細(xì)選擇，并對確定的內(nèi)容進(jìn)行“課程化”和“教學(xué)化”處理。例如，目前月球車采用的導(dǎo)航控制技術(shù)主要有三種：第一種是遙操作技術(shù);第二種是局部自主加遙操作;第三種是雙目立體視覺技術(shù)。雖然教學(xué)中使用的遙操作技術(shù)效率不高，但是學(xué)生能夠完整地參與到獲取信息、路徑規(guī)劃、發(fā)出指令等控制月球車行走的全過程，從而更好地感受信息技術(shù)的價(jià)值。

信息技術(shù)的范圍非常廣泛，本節(jié)課在仔細(xì)分析的基礎(chǔ)上，選擇了控制技術(shù)、傳感技術(shù)和通信技術(shù)三個(gè)關(guān)鍵概念，在學(xué)習(xí)和運(yùn)用關(guān)鍵概念的基礎(chǔ)上，進(jìn)行更知識的遷移。但是，如果概念學(xué)習(xí)只是停留在概念定義的描述上，學(xué)生最多只能識記概念，根本談不上理解和掌握。本節(jié)課創(chuàng)設(shè)了模擬探月的問題情境，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下開展解決問題為導(dǎo)向的概念學(xué)習(xí)。例如，由于無線電信號無法穿透月球球體，為了解決月球背面的通信問題，就要發(fā)射一顆“中繼星”作為月球車與地球間的“通信站”。姚教師的教學(xué)中，通過在學(xué)生與月球車中間增加金屬擋板來再現(xiàn)“月球自身遮擋”這個(gè)關(guān)鍵場景，在這個(gè)模擬的場景中，不斷調(diào)整“中繼星”的位置來避開障礙，恢復(fù)傳輸，幫助學(xué)生理解中繼星在數(shù)據(jù)傳輸中的作用，學(xué)生既獲得了生動(dòng)、形象的例證，又充分經(jīng)歷了概念建構(gòu)的過程。

在使用遙操作控制月球車行走這個(gè)活動(dòng)中，任務(wù)較多，僅靠學(xué)生個(gè)體是無法完成的，需要與多個(gè)同伴組成小組合作完成。要確保小組成員都能參與其中并取得成功，教師需要通過認(rèn)真的管理和組織設(shè)計(jì)來支持合作的行為?；顒?dòng)2中的小組分工表，具體設(shè)定了每個(gè)崗位的使用設(shè)備和任務(wù)內(nèi)容，大大減少了角色分配所耗費(fèi)的時(shí)間，學(xué)生在參與合作時(shí)就會清楚地知道如何擔(dān)當(dāng)角色，有效避免了搭便車的現(xiàn)象。但是，到了活動(dòng)4卻出現(xiàn)了問題，實(shí)際上，除了姚教師在反思中提到分析引導(dǎo)缺失等因素之外，這或許還與角色不明有關(guān)系，活動(dòng)2中設(shè)定的崗位并不能延續(xù)到活動(dòng)4中，學(xué)生并不清楚如何與他人一起活動(dòng)，導(dǎo)致了過程的混亂。因而，合作學(xué)習(xí)需要花時(shí)間做好預(yù)先的設(shè)計(jì)，只是簡單地對學(xué)生說“要合作、一起活動(dòng)、互相幫助”這是不夠的。

（點(diǎn)評人：江蘇省鹽城市教育科學(xué)研究院信息技術(shù)教研員? 曹恒來）