《智能樓道燈——紅外線傳感器》教學設計

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）小學六年級《信息技術》第2課的內容，主要介紹了紅外線傳感器及其應用，重點體現了信息的感知。在物聯網的體系架構中，信息感知是基礎。只有全面感知信息，才能安全傳輸信息，并最終實現智能應用。而傳感器技術是感知層的重要技術手段，紅外線傳感器也是眾多傳感器技術中最常見的。正確認識紅外線傳感器及其應用，可加深學生對信息感知的理解，為后續的學習打下堅實的基礎。

學情分析

本節課的教學對象是小學六年級的學生。通過前面的學習，學生已經具備了一定的信息素養；通過第1課《物聯網就在身邊——初識物聯網》的學習，已經了解了物聯網及其應用的相關知識。這些都為本節課的學習打下了良好的基礎。然而，六年級的學生對于生活中諸多物聯網技術的應用，往往是“知其然，不知其所以然”。所以，消除學生對物聯網的神秘感，幫助學生完成建構較為完善的知識結構網絡圖，是教學設計的重點。

教學目標

知識與技能目標：了解紅外線，知道人體能發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用；了解“智能樓道燈”系統的工作過程。

過程與方法目標：通過對“智能樓道燈”系統的分析與建模，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”的典型應用，學會評價它們的特點及其與實際生活的關系。

情感態度與價值觀目標：通過情境設置與視頻觀察，發現生活中的物聯網應用；通過建模體驗與探究實驗，產生保持學習與使用物聯網技術的興趣；通過討論交流與展示同齡人的新發明，促進創新思維，激發創新意識。

教學重點、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”系統的分析建模，體會信息的感知及物聯網的體系架構。

難點：紅外線傳感器及其特點；“智能樓道燈”系統的工作過程。

教學過程

1.情境導入，激發興趣

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

設計意圖：第一環節關鍵詞——發現。發現生活中與紅外線傳感器相關的物聯網應用。以生活中的情境、生活化的問題導入新課，激發興趣，引起求知欲，令學生注意力集中。人性化的迎賓器，舒緩氣氛，拉近與學生的距離，也是課堂的懸念。

2.分析架構，凸顯核心

（1）分析：“感知信息”的設備是什么？①提出問題：教師設問人和燈之間是否存在另一個設備在起作用？②大膽猜測：學生仔細觀察“智能樓道燈”系統圖（如圖2），大膽猜測，并嘗試在圖2上指出該設備。③小心求證：通過視頻求證。教師繼續播放《校園內的自動感應樓道燈》視頻，學生觀看視頻，最后視頻的畫面定格在“紅外線感應開關”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：教師設問人有哪些信息可能被感知？它（指紅外線感應開關）是不是看到了什么，或聽到了什么？②大膽猜測：學生大膽猜測，多個學生輪流補充回答，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？人體會發出紅外線嗎？什么是紅外線傳感器？學生閱讀課本獲得關于紅外線、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生紅外線傳感器的實物，讓學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，讓學生指出迎賓器中紅外線傳感器的位置，加強學生的體驗。

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

設計意圖：第二環節關鍵詞——分析。以“提出問題—大膽猜測—小心求證”的學習模式，師生共同就“智能樓道燈”系統的兩個問題展開分析：①感知信息的設備是什么？②人體的哪種信息被感知？同時，滲透學習方法，即由問題出發，先提出假設，再科學求證。

3.搭建模型，解讀原理

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

（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自動控制燈的開關。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，可以實現自動控制燈的開關。

（3）1～2位學生上講臺前現場體驗自動控制燈開關的過程，其余學生觀察并思考：在這個過程中，誰在發出紅外線？誰感應到了人體發出的紅外線？教師和學生通過對回答的總結與梳理，提煉物聯網的體系架構：感知—傳輸—應用。endprint

（4）討論坊：這樣的物聯網系統給我們的生活帶來了什么？具體來說，紅外線感應開關和普通開關相比有什么好處？學生回答，梳理：非接觸、反應快；安全、衛生；節能、人性化；……

設計意圖：第三環節關鍵詞——建模。通過建立模型，解讀“智能樓道燈”系統中紅外線傳感器的工作過程，提煉物聯網的體系架構。教師現場建模，目的是為了充分抓住學生的眼球，讓學生覺得就像變魔術一樣，是“見證奇跡的時刻”。現場建模有利于激發和保持學生思維的火花，調動學生參與的熱情，令學生在注意力集中的狀態下觀察得更仔細。現場建模在認清了紅外線傳感器工作過程的同時，也為第四環節學生動手實驗做足了鋪墊。從分析架構到搭建模型，由感性認識上升到理性認識，幫助學生順利完成知識的建構。

4.深入探究，科學實驗

學生分組實驗，協作探究紅外線傳感器的探測范圍，填寫實驗報告單。

（1）介紹實驗內容。因探測范圍有兩個參數——距離和角度，所以實驗設有兩方面的內容：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名學生為一組。組長負責整個實驗的分工與協調；測試員負責測試不同的位置；觀察員負責觀察手持終端；記錄員負責記錄實驗數據。學生討論分工，確保每位學生在實驗開始前都能明確自己的實驗任務和在實驗中的位置，以避免無關的實驗干擾。

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

（5）學生分組實驗。

（6）交流實驗結論。學生回答，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的實現原理。回到課堂剛開始時所提到的“自動感應現象”，說說迎賓器、自動門、水龍頭、烘手器等的實現原理，首尾呼應。

設計意圖：第四環節關鍵詞——探究。通過探究實驗，用數據說話，讓學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嚴謹的研究方法。實驗結論，又回到了課堂一開始提到的物聯網的應用上，首尾呼應。

5.評價總結，拓展延伸

（1）知識梳理。以知識結構圖（如圖9）的形式，幫助學生梳理本堂課的知識點，建構完整的知識網絡體系。知識結構圖涵蓋兩個層面：一是學習的內容，即物聯網的體系架構，核心是感知外界信息的設備——紅外線傳感器；二是學習的方法，即由個性到共性，由現象到本質，這也正是我們分析解決問題的一般方法。

（2）學以致用。發揮想象力，嘗試設計富有創意的物聯網應用方案。

①通過小組討論、全班交流，碰撞思維的火花，打開創新的大門。②欣賞同齡人設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彎，大大減少車禍的發生。③欣賞視頻《紅外線傳感器在現代智能生活中的應用》，如有新的點子，可與老師課后交流。

結束語：安全、舒適、智能、環保、節能，這就是紅外線傳感器給我們帶來的智能生活。事實上，物聯網系統中，感知信息的設備除了“紅外線傳感器”，還有“溫度傳感器”、“運動傳感器”、“稱重傳感器”等，在后續的課堂中還會陸續學習。正因為有了這些感知技術的存在，人與物、物與物才得以相聯，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。

設計意圖：第五環節關鍵詞——創新。學習的最終意義是學以致用。這個環節主要是通過討論交流與展示同齡人的新發明，促進學生的創新思維，激發學生的創新意識。課堂的最后留有一些空白設計的形式：如課后與教師交流、與教師發E-mail，都具有積極的導向和意義，都是為了促進學生的興趣與進一步探討。

教后反思

本節課我在組織和指導學生的學習活動時，嘗試引導學生通過對“智能樓道燈”系統進行分析、建模、探究、評價的過程，獲取科學思維、體驗科學研究方法，在今后的學習生活中能主動發現生活中物聯網技術的應用，并能觸類旁通，發掘其他類似的應用，且有意識地去思考探究其本質，不斷實踐與創新。

結構較嚴謹。本節課從生活中常見的物聯網應用入手，通過“情境導入—分析架構—搭建模型—深入探究—評價總結—拓展延伸”等教學環節，層層遞進，深入淺出，幫助學生分析解構、合理推理，最終揭開了智能樓道燈系統的核心器件——紅外線傳感器的廬山真面目，并由此體驗了物聯網的體系架構，重點體會了信息的感知，啟發了學生的創新思維。

課堂最后有一位學生提到：在家門口安裝紅外線傳感器，可以實現當人還未進入家門時，便自動打開家中的空調，這樣就可以更舒適。另一位學生提到：現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，是課堂動態的生成，也是課堂上學生思維狀態的價值體現。

實驗有創新。教材的實驗設計有兩方面的內容：①角度固定，距離變化；②距離固定，角度變化。在學生實際實驗的時候，有一組學生走到教室外面，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。新課程所倡導的探索與創新，不正是需要學生有這樣打破常規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課堂上教學實驗的設計需求，另一方面對實驗過程教師要做出更為有效的調控，如對實驗干擾因素的盡量避免、對學生實驗注意事項的事先說明和對學生實驗過程的有效指導等。endprint