《探月工程中的信息技术》教学设计

    姚成民 单企一 曹恒来

    

    学习内容分析

    我国的探月工程分为“绕”“落”“回”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。本课仅选取其中的控制技术、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。

    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“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地完成，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。

    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。

    教学过程

    1.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，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，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，将问题进行合理的分解，为后续环节活动奠定基础。

    2.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（如下表）。

    （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，控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：学生在教师的引導下，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。

    3.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？

    （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。

    4.发射中继星，把数据传回地球

    2019年1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。

    （3）师生共同分析探月工程中中继星“鹊桥”的作用。

    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，又激发了自信心敢于多想多问，善思善问，形成良好的学习品质。

    5.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，我们在为祖国自豪的同时，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。

    教学反思

    探月工程的每个方面都离不开信息技术的支持。但这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，笔者确定从控制技术、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，并不能让其理解探月中的远程控制技术，为此，笔者通过模拟“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，较好地建构起测控的概念。由于活动中的任务较多，不同的任务对学生的操作能力、觀察能力等有着不同的而要求，因此笔者在分析学生个体差异的基础上，合理调配小组成员，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，同样是小组合作，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。

    点? 评

    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，需要仔细推敲才能合理地确定学习内容的深度和广度。对“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：第一种是遥操作技术;第二种是局部自主加遥操作;第三种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，但是学生能够完整地参与到获取信息、路径规划、发出指令等控制月球车行走的全过程，从而更好地感受信息技术的价值。

    信息技术的范围非常广泛，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，进行更知识的迁移。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，根本谈不上理解和掌握。本节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”。姚教师的教学中，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。

    在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，大大减少了角色分配所耗费的时间，学生在参与合作时就会清楚地知道如何担当角色，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，除了姚教师在反思中提到分析引导缺失等因素之外，这或许还与角色不明有关系，活动2中设定的岗位并不能延续到活动4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，只是简单地对学生说“要合作、一起活动、互相帮助”这是不够的。

    （点评人：江苏省盐城市教育科学研究院信息技术教研员? 曹恒来）