無(wú)人機(jī)蜂群定位——分布式記賬

彭玉兵 中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué)實(shí)驗(yàn)小學(xué)信息技術(shù)教師，中級(jí)教師。從事教育工作19年，曾榮獲北京市海淀區(qū)“四有教師”“信息技術(shù)學(xué)科骨干教師”等多項(xiàng)稱號(hào)。擅長(zhǎng)創(chuàng)客、人工智能、信息學(xué)等科技項(xiàng)目，獲CCF NOI指導(dǎo)教師資質(zhì)。撰寫(xiě)的科研論文多次獲國(guó)家級(jí)、市級(jí)一、二等獎(jiǎng)。

教學(xué)背景

教育部印發(fā)的《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》指出：創(chuàng)意物化，學(xué)會(huì)運(yùn)用信息技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作有一定創(chuàng)意的數(shù)字作品。區(qū)塊鏈技術(shù)因其數(shù)據(jù)難以篡改、去中心化的特點(diǎn)，贏得了很多人的青睞，并得到了廣泛應(yīng)用。近幾年興起的無(wú)人機(jī)蜂群表演，演示效果非常震撼，絢麗多彩，但也發(fā)生了多起無(wú)人機(jī)非正常墜毀事故。本項(xiàng)目基于小學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式記賬方法，引導(dǎo)學(xué)生逐步探究如何利用分布式記賬解決無(wú)人機(jī)蜂群編隊(duì)飛行表演的穩(wěn)定性問(wèn)題，深刻體會(huì)分布式記賬安全、可靠的特點(diǎn)。

本項(xiàng)目基于開(kāi)源硬件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，有益于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的興趣，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的能力。通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠利用開(kāi)源硬件及相關(guān)資料，完成作品編程設(shè)計(jì)，初步形成以信息技術(shù)學(xué)科方法觀察事物和求解問(wèn)題的能力，提升計(jì)算思維與創(chuàng)新能力。

教學(xué)目標(biāo)

1.理解分布式記賬原理，學(xué)會(huì)使用無(wú)線鍵值對(duì)發(fā)送、接收模塊。

2.完成無(wú)人機(jī)蜂群定位信息收發(fā)任務(wù)。

3.感知分布式記賬安全、可靠的特點(diǎn)，關(guān)注信息傳輸?shù)陌踩耘c可靠性。

4.培養(yǎng)學(xué)生使用編程技術(shù)解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)信息技術(shù)服務(wù)生活的意識(shí)。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 學(xué)會(huì)無(wú)線鍵值對(duì)發(fā)送、接收模塊的使用方法。

教學(xué)難點(diǎn) 理解并學(xué)會(huì)運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式記賬原理。

教學(xué)準(zhǔn)備

PPT課件、Micro：bit開(kāi)發(fā)板及其電池、USB數(shù)據(jù)線、無(wú)人機(jī)教具等。

教學(xué)過(guò)程

一、回顧舊知，引出新知

師：同學(xué)們，我們都看過(guò)無(wú)人機(jī)蜂群表演，它們以夜空為幕、熒光為筆，非常震撼。本節(jié)課我們就來(lái)嘗試設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)蜂群表演程序。

學(xué)生自行分組，3～5人為一組。教師在教室內(nèi)設(shè)置1～20個(gè)無(wú)人機(jī)表演的位置，并發(fā)布任務(wù)：請(qǐng)將本組無(wú)人機(jī)位置信息發(fā)送到地面接收中心，要求為按B鍵即可發(fā)送。

板書(shū)：一對(duì)一單向 磁扣○→○

學(xué)生回顧上節(jié)課知識(shí)，明確發(fā)送任務(wù)：無(wú)人機(jī)發(fā)送位置信息，地面接收中心負(fù)責(zé)接收信息。

教師引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注接收結(jié)果，學(xué)生注意觀察是否成功發(fā)送本組的無(wú)人機(jī)位置信息到地面接收中心。

教師提出問(wèn)題：接收的無(wú)人機(jī)位置信息非常混亂。混亂的原因是發(fā)送、接收的模型已經(jīng)變成了多對(duì)一模型。

板書(shū)：多對(duì)一單向 磁扣○→○←○

學(xué)生用可視化方法移動(dòng)磁扣的擺放位置，擺畫(huà)出多對(duì)一模型。教師趁勢(shì)引出需要增加用于身份識(shí)別的字符串。

學(xué)生思考討論并嘗試解決問(wèn)題。教師提出可以使用行列命名法來(lái)標(biāo)示教室內(nèi)的無(wú)人機(jī)名稱，參考Excel表格位置命名法，A1表示的信息即為第一行第一列的位置。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生先使用熟悉的舊知識(shí)完成無(wú)人機(jī)位置信息的發(fā)送，然后發(fā)現(xiàn)接收中心因?yàn)榻邮招畔y而無(wú)法識(shí)別每臺(tái)無(wú)人機(jī)的位置，產(chǎn)生認(rèn)知沖突。隨后教師引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題，通過(guò)擺畫(huà)磁扣，理解從“一對(duì)一單向”到“多對(duì)一單向”通信的變化，經(jīng)過(guò)討論確定使用行列命名法發(fā)送無(wú)人機(jī)名稱信息。

二、問(wèn)題探究，學(xué)習(xí)新知

師：請(qǐng)大家用行列命名法編寫(xiě)無(wú)人機(jī)名稱信息，再次發(fā)送到地面接收中心，要求使用“字符串”+“數(shù)字”形式完成信息的發(fā)送。

學(xué)生分析任務(wù)，練習(xí)使用行列命名法來(lái)標(biāo)示無(wú)人機(jī)，編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)并演示，如圖1。

教師提出新問(wèn)題：然而不幸的是，近幾年總有無(wú)人機(jī)在表演時(shí)因突發(fā)故障而“炸機(jī)”，有資料顯示無(wú)人機(jī)蜂群是在表演中失去了地面接收中心的控制。原因可能是地面接收中心的信號(hào)受到干擾，影響對(duì)無(wú)人機(jī)的控制。如果要解決這個(gè)弊端，我們?cè)撛趺崔k？

學(xué)生思考并討論。

教師總結(jié)：如果接收中心（即中心節(jié)點(diǎn)）失去連接，就會(huì)造成整個(gè)蜂群位置混亂，有可能互相撞擊墜毀。解決方法為建立多對(duì)多通信系統(tǒng)，生成多個(gè)接收中心，互相備份。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過(guò)思考討論，找出發(fā)送無(wú)人機(jī)“名稱+位置”的方法，學(xué)習(xí)新知識(shí)——無(wú)線發(fā)送“字符串”+“數(shù)字”鍵值對(duì)。教師引入新問(wèn)題，地面接收中心信號(hào)受干擾，造成無(wú)人機(jī)相撞墜落，使學(xué)生認(rèn)知再次產(chǎn)生沖突，由此引導(dǎo)學(xué)生討論一個(gè)接收中心的弊端，引入多對(duì)多通信，生成多個(gè)接收中心，記錄無(wú)人機(jī)蜂群的位置。

三、探究思考，突破難點(diǎn)

教師提出問(wèn)題：請(qǐng)同學(xué)們思考，怎樣改動(dòng)模型生成多個(gè)接收備份中心？

教師指導(dǎo)學(xué)生用磁扣擺畫(huà)出多對(duì)多通信的方法模型，如圖2，完成思維的可視化，強(qiáng)調(diào)安全傳輸無(wú)人機(jī)位置信息的重要性。

學(xué)生了解從“多對(duì)一單向通信”到“多對(duì)多雙向通信”的變化，觀察到接收中心這一節(jié)點(diǎn)消失了，形成了分布式的記賬樣式。

教師發(fā)布新任務(wù)：分組活動(dòng)，將無(wú)人機(jī)飛行到新的位置，然后按B鍵發(fā)送無(wú)人機(jī)名稱及位置信息。

學(xué)生按照任務(wù)要求，修改程序，如圖3，然后小組合作完成無(wú)人機(jī)飛行表演任務(wù)。學(xué)生分別以小組為單位離開(kāi)座位，移動(dòng)到教室內(nèi)的不同位置，到達(dá)位置后發(fā)送自己無(wú)人機(jī)的名稱及位置信息給同伴，填寫(xiě)無(wú)人機(jī)表演位置學(xué)習(xí)單，見(jiàn)右表。

設(shè)計(jì)意圖：經(jīng)過(guò)教師講解、學(xué)生模擬演示等環(huán)節(jié)，學(xué)生完成多對(duì)多通信的程序設(shè)計(jì)，分組進(jìn)行無(wú)人機(jī)多點(diǎn)飛行及發(fā)送、接收信息的任務(wù)，潛移默化地體驗(yàn)多對(duì)多的記錄方法帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，培養(yǎng)解決問(wèn)題的能力和計(jì)算思維。

四、展示交流，總結(jié)提升

師：這種多對(duì)多的記錄方法我們稱為分布式記賬。對(duì)比中心式記賬，你能說(shuō)說(shuō)它們分別具有哪些優(yōu)缺點(diǎn)嗎？

板書(shū)：分布式記賬

教師出示中心式記賬和分布式記賬的模型，如圖4，學(xué)生直觀感受兩種記賬方法的特點(diǎn)。

小組匯報(bào)無(wú)人機(jī)表演學(xué)習(xí)單，談?wù)勛约簩?duì)分布式記賬安全、可靠等特點(diǎn)的理解。安全——信息發(fā)送和接收過(guò)程由多個(gè)無(wú)人機(jī)共同參與，即便個(gè)別無(wú)人機(jī)存儲(chǔ)的信息被破壞，仍然會(huì)被其他無(wú)人機(jī)成功校驗(yàn)。可靠——多個(gè)小組都記錄了同一個(gè)無(wú)人機(jī)發(fā)送的位置消息，更可信。

教師總結(jié)：信息技術(shù)是我們生活中的好助手，應(yīng)用分布式記賬這一新的信息技術(shù)可以增強(qiáng)無(wú)人機(jī)的表演穩(wěn)定性，也方便了我們的生活。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)對(duì)比分析，讓學(xué)生理解了分布式記賬與中心式記賬的優(yōu)缺點(diǎn)。再通過(guò)學(xué)習(xí)單的匯報(bào)驗(yàn)證，以事實(shí)證明分布式記賬安全、可靠的特點(diǎn)，加深學(xué)生對(duì)“多對(duì)多雙向通信”優(yōu)勢(shì)的理解，體驗(yàn)信息技術(shù)服務(wù)于生活所帶來(lái)的便利。

實(shí)踐反思

本課基于真實(shí)情境，由學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出解決方案、優(yōu)化解決方案，整個(gè)過(guò)程都是在探究發(fā)現(xiàn)中展開(kāi)。通過(guò)層層遞進(jìn)的任務(wù)引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，并體會(huì)到分布式記賬的優(yōu)勢(shì)。最后教師引導(dǎo)學(xué)生辯證思考，辨析兩種記賬方式的優(yōu)缺點(diǎn)，關(guān)注信息的安全性和可靠性。

課中注重培養(yǎng)學(xué)生的高階思維和計(jì)算思維，從導(dǎo)入到實(shí)踐再到課堂總結(jié)，體現(xiàn)了項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的連貫性，以及學(xué)習(xí)活動(dòng)難度的螺旋上升、逐步深入的邏輯特點(diǎn)。由于小學(xué)生對(duì)抽象知識(shí)難以理解，必須對(duì)區(qū)塊鏈這種新技術(shù)追本溯源，所以筆者特意設(shè)計(jì)容易理解的分布式記賬場(chǎng)景和方法幫助學(xué)生理解接受。整節(jié)課學(xué)習(xí)思路清晰，依次按一對(duì)一、多對(duì)一、多對(duì)多通信的知識(shí)點(diǎn)層層遞進(jìn)，突破重難點(diǎn)，完整地體現(xiàn)了在探究中學(xué)技術(shù)的合理性。另外，課中開(kāi)展小組合作學(xué)習(xí)，提升了學(xué)生的組織能力和團(tuán)結(jié)協(xié)作能力。