资源简介

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“神奇的光控灯”单元教学设计
（一）单元基本信息
学科 信息科技 实施年级 六年级上册 设计者
《课程标准》模块 过程与控制（反馈与优化）
单元名称 神奇的光控灯
单元课时 共6课时
（二）单元教学规划
1.主题概述 1.1核心概念 本单元属于“过程与控制”模块中的第二部分 “反馈与优化”，对应《课程标准》“过程与控制”模块内容要求（3）、（4）、（5）。 (3)通过分析具体案例，了解反馈是过程与控制中的重要手段，初步了解反馈对系统优化的作用。 (4)通过分析具体过程与控制系统的实例，了解系统的输入与输出可以是开关量或连续量，了解连续量可以经由阈值判断形成开关量，掌握开关量的简单逻辑运算。 (5)通过分析典型应用场景，了解计算机可用于实现过程与控制，能在实验系统中通过编程等手段验证过程与控制系统的设计。 1.1.1开环控制与闭环控制 控制系统是为使被控制对象达到预定的理想状态，实现一定控制目的而构成的系统。按照控制方式，控制系统可分为开环控制和闭环控制。开环控制，指不将控制的结果反馈回来影响当前控制的系统。例如，打开灯的开关，按下开关后的一瞬间控制活动就已结束，灯的亮灭对按开关这个活动没有影响。而闭环控制，指可以将控制的结果反馈回来与设定值比较，并根据它们的误差调整控制的系统。例如，空调的温度调节、热水器的温度调节等，需要将现有温度与设定值进行比较，不断调节形成一个反馈闭环控制。了解和区分开环控制与闭环控制，并理解其特点，可以为后面学习反馈奠定基础。 1.1.2反馈 反馈是过程与控制系统典型的环节，学生要知道反馈的概念，了解控制系统中如何增加反馈形成环路，并能分析出控制系统中的环路。这部分内容可以结合生活中的反馈系统，通过生活中不同类型的反馈系统实例，使学生能够区分生活中的闭环反馈系统，并分析反馈系统的环路。有了控制系统中反馈的概念，就可以借助反馈信号实现控制系统的优化。因此，本部分内容重在学习和理解阈值、开关量、连续量的概念与作用。 1.1.3阈值 又称临界值，是指一个效应能够产生的最低值或最高值，在自动控制系统中能产生一个校正动作的最小输入值，如冰箱的控温系统。如果将冰箱冷藏室温度设定为5℃，当冰箱内的温度达到或者超过这个临界值，无法满足冷藏需求时，冰箱就会自动制冷，以满足设定的阈值要求。 1.1.4开关量 指控制系统的量只有两种，如开关的导通和断开、继电器的闭合和打开、电磁阀的通和断等。1.1.5连续量 控制系统量的大小是一个在一定范围内变化的连续数值。例如，温度 0~100 ℃、压力0~10 MPa、液位1~5等，这些量都是模拟连续量。 连续量可以经由阈值判断形成开关量。 1.1.6优化 反馈之后，控制系统可结合反馈实现优化。本部分要求学生掌握优化的概念，理解反馈的作用是对系统进行优化，最终借助计算机实现完整的过程与控制，如智能光控灯等。 1.2内容结构 1.3教学过程图示 1.4育人价值 通过计算机及各类数字化设备实现过程与控制中的反馈与优化，从而发现计算机和程序在过程与控制中的作用，理解计算机实现过程与控制的优势，知道自主可控的系统在解决安全问题时起到的重要作用。例如，通过智能光控灯控制系统的设计和实现，学生能深切地感受到数字化设备控制的精确和其他优势，也能体会到其中逻辑运算的精妙，从而激发其学习和探究信息科技的兴趣与热情。在自主可控上，控制系统的反馈与优化一般都需要借助芯片进行高速计算和控制。过去，我国的半导体行业较落后，只能高价购买其他国家的芯片。不仅西方国家从我国赚取了巨额的费用，而且我国的信息安全也无法得到保证。改革开放以来，我国的科学技术和经济虽然取得了巨大成就，但是离世界先进水平还有一定距离。随着全球化进程的加快，创新和技术的国际竞争越来越激烈。只有提高自主创新能力，掌握大量自主知识产权，才能提高国家核心竞争力。自主可控是国家信息安全的基础，只有大力发展自主可控技术，才能扭转信息科技长期受制于人的格局，保卫国家信息安全。只有解决国家信息安全的核心问题，信息安全的根基才会稳固。通过本单元的学习，特别是从普通光控灯到智能光控灯的优化，学生通过手脑并用的探究、设计与制作，可以让学生切身感受到自主可控的系统在解决安全问题时起到的重要作用。
2.主题学情分析 在前面的学习中，学生已经掌握了系统与模块的知识，并且结合开源硬件设备，使用计算机编程实现了简单的过程与控制作品，但是对于过程与控制中的反馈与优化，却没有深入的认识和理解。6年级的学生有一定的获取信息能力，也很乐意与同伴分享自己获取和学习到的知识。学生对于计算机编程，结合开源硬件设备设计制作智能作品非常感兴趣。
3.教学环境 硬件：教学配套开源硬件；软件：MLblock；计算机接入互联网。
4.单元教学目标 了解开环控制系统和闭环控制系统的区别，了解闭环控制系统有反馈，掌握反馈的概念。 通过生活中的反馈系统，理解阈值、开关量和连续量的概念，知道连续量可以经由阈值判断形成开关量。 通过生活中的反馈系统，了解反馈的作用是对系统进行优化。 在实验系统中通过编程等手段验证过程与控制系统的设计，理解用计算机实现过程与控制的优势。
5.教学过程
课时（包括课名） 任务序号 教学主要任务
第5课时 探秘光控灯 任务1 了解光敏传感器
任务2 组装用于实验的开源硬件；学习用开源硬件及内置程序测试光照强度；通过实验改变进入光敏传感器的光线（改变环境照度），观测不用光照强度下灯的亮灭状态。
任务3 反思实验、分析数据，理解开关量和连续量。
任务4 会用配套开源硬件测试光照强度；会辨别开关量和连续量。
第6课时 揭秘光控灯 任务1 实验：利用开源硬件和软件平台中对应的例子程序，通过改变填写的数值，观察并记录开源硬件屏幕上显示的对应“环境照度”值。
任务2 小组讨论：填写的数值在什么情况下灯会亮/灭。
任务3 回顾反思实验，理解阈值。
任务4 结合阈值及实验，理解光控灯的原理。
任务5 在完成本课时练一练的基础上，完成探一探。
第7课时 体验智能光控灯 任务1 实验：利用配套开源硬件及内置程序，观察并记录环境照度与灯亮灭的关系；以及亮灯后环境照度与灯的照度改变的关系、实际照度和设定照度的关系。
任务2 对比智能光控灯和光控灯的系统框图，直观感知智能光控灯系统中的环路。
任务3 对比智能光控灯和光控灯的系统框图，找出二者的外显区别。
任务4 在完成本课时练一练。鼓励学有余力的学生完成探一探。
第8课时 探秘智能光控灯 任务1 回顾或再现智能光控灯实验，思考：为什么智能光控灯亮灯后，无论环境照度如何变，实际照度都会等于设定照度？借此理解反馈的概念。
任务2 通过对比无反馈的光控灯和有反馈的智能光控灯，了解反馈对系统的优化作用。
任务3 结合日常生活中的反馈案例（调节水龙头出水量）加深对反馈的理解，并进一步熟悉系统框图。
任务4 在完成本课时练一练的基础上，完成探一探。
第9课时 定制智能光控灯 任务1 根据实验现象分析智能光控灯的工作过程，并按照工作过程绘制流程图。思考1：在程序中如何实现灯的照度随着环境照度的改变而改变？思考2：程序在过程与控制中的作用是什么？属于哪个输入计算输出中的哪个过程？
任务2 结合流程图学习相关新的程序指令，并利用指令编写程序。
任务3 下载程序并按照实验方法测试灯光效果，看看灯的点亮情况是否符合智能光控灯要求。
任务4 培养计算思维，鼓励完成探一探内容。根据探究内容引导总结信息安全和系统安全的重要性。
第10课时 优化智能光控灯 任务1 回顾本单元学习制作智能光控灯的过程，总结并掌握设计与制作硬件作品的一般步骤。
任务2 根据硬件设计步骤思考智能光控灯的改进方式，鼓励创新及实践能力。
任务3 完成优化的智能光控灯，学会融会贯通、综合运用所学知识。引导学生上台展示创新成果。
任务4 完成练一练，分组探究并陈述对自主可控的理解。培养学生的爱国情怀，种下科技的种子。
任务5 完成单元评价，引导优秀学生尝试完成探一探内容。
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6.评价建议
需评价的任务 评价建议
第5课时任务4 评价内容：会辨别开关量和连续量。 评价标准：能正确完成配套练习题2. 评价方法：观察判断连线是否正确。 赋值方法：练习题2的4个连线题全部正确为合格。
第6课时任务5 评价内容：理解阈值，完成：1.本课时练一练。2.本课时探一探。 评价标准：是否能正确完成练一练或探一探。 评价方法：抽问答题。 赋值方法：能完成练一练为合格。能完成探一探为优秀。
第7课时任务3 评价内容：了解开环控制系统和闭环控制系统的区别，完成本课时练一练或探一探。 评价标准：在了解家用电冰箱工作过程的基础上，结合其系统框图能否辨别其控制系统是开环控制系统还是闭环控制系统。 评价方法：抽问答题。 赋值方法：能完成练一练为合格，能完成探一探为优秀。
第8课时任务4 评价内容：能运用反馈的知识，将普通电热水壶完善为沸腾后可维持设定水温的电热水壶；并能借助《体验智能光控灯》的“信息窗”，完善本课时练一练的系统框图。 评价标准：是否知道通过增加温度传感器检测电热水壶内的水温并和设定水温作比较，进而通过主控器控制加热盘是否加热，即增加反馈环节。 评价方法：学生绘图，教师观察；抽问说理由。 赋值方法：知道给电热水壶增加温度传感器检测壶内实时水温，并和设定水温作比较，再根据比较结果控制加热盘是否加热，为合格；能正确完善系统框图为优秀。
第9课时任务1和2 评价内容：了解程序在过程与控制中的作用，能够绘制智能光控灯流程图并根据流程图编写程序。 评价标准：是否能够实现练一练，即智能光控灯的功能。 评价方法：实验验证，上台展示。 赋值方法：能够完成练一练为合格，能实践探一探为优秀。
第10课时任务3和4 评价内容：能够根据硬件制作步骤将智能光控灯和语音功能相结合，敢于尝试创新，能够说出自己对自主可控的理解。 评价标准：能够完成至少一个创新改进方法，完成练一练。 评价方法：任务3为实验展示，任务4为提问回答。 赋值方法：能够完成任务3和4为合格，能够设计智能浇花系统为优秀。

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