優(yōu)化完善教室照明反饋系統(tǒng)項目設(shè)計-教學(xué)設(shè)計

《保護視力我做主一一設(shè)計與制作教室照明反饋系統(tǒng)》項目

第4課：優(yōu)化完善教室照明反饋系統(tǒng)一、項目背景學(xué)校教室照明環(huán)境受到各種因素的影響，不同樓層、不同的天氣教室照明環(huán)境不同，比如陰天的時候教室內(nèi)光線較暗，而陽光強烈的時候坐在窗邊的學(xué)生又會覺得刺眼，教室里燈的亮度是不變的，不同位置的學(xué)生會受到燈光亮度的影響。因此學(xué)生提出設(shè)計與制作反饋系統(tǒng)來改進教室的照明燈，讓教室的照明燈更加智能、健康。二、內(nèi)容分析：經(jīng)過前面課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了過程與控制可以分為“輸入一計算一輸出”三個典型環(huán)節(jié)，并了解反饋的基本特征（連續(xù)量和閉環(huán)）。學(xué)生有意識地運用反饋優(yōu)化解決問題，第2節(jié)課學(xué)生已經(jīng)設(shè)計出能夠自動調(diào)節(jié)亮度的教室照明反饋系統(tǒng)框圖。根據(jù)第2節(jié)課的設(shè)計方案，第3節(jié)課已經(jīng)使用硬件和程序編程，搭建出了自動調(diào)節(jié)亮度的教室照明系統(tǒng)。第3節(jié)課中，學(xué)生在展示作品的時候，發(fā)現(xiàn)初步搭建的教室照明系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)明暗功能，但是仍然存在問題，燈帶所在的中間區(qū)域比較亮，四周比較暗，存在燈光分布不均勻的問題。第4節(jié)課在第3節(jié)課的基礎(chǔ)上，進行優(yōu)化完善，教室燈光達到均勻分布效果，實現(xiàn)更加智能、節(jié)能、健康的照明目標。三、學(xué)情分析六年級的學(xué)生具備一定的算法基礎(chǔ)、圖形化編程基礎(chǔ)、動手實操能力，學(xué)生能根據(jù)真實教室照明環(huán)境出現(xiàn)的實際情況，提出問題、分析問題、設(shè)計優(yōu)化方案，并動手實操。學(xué)生的年齡特征：六年級的學(xué)生思考、愛探索、求知欲強，但運用反饋優(yōu)化來解決問題的意識薄弱。四、學(xué)習(xí)目標:1有意識地運用多傳感器的分散反饋方法，優(yōu)化燈光亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，解決教室照明不均勻的問題。（信息意識）.將單傳感器的整體反饋分解成多傳感器的分散式反饋，通過測量數(shù)據(jù)驗證分散反饋系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)光照信息精準采集，燈光均勻分布。（計算思維）.利用光敏傳感器、控制器、燈帶等硬件和mind+軟件，搭建精準調(diào)光的教室照明反饋系統(tǒng)。（數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）.知道自主可控的系統(tǒng)在解決安全問題時起到的重要作用（融入的系統(tǒng)安全）。（信息社會責(zé)任）四、課時重難點重點：采用分散式布局，使用光敏傳感器、燈帶、控制器搭建教室照明反饋系統(tǒng)的硬件環(huán)境，通過修改程序、迭代測試，最終實現(xiàn)優(yōu)化效果。難點：采用合理的布局方式，精準采集各個區(qū)域的光線強度，控制燈光達到均勻分布的目的。實現(xiàn)教室照明系統(tǒng)更節(jié)能更健康。五、素材資源準備軟件：Inind+圖形化編程軟件程序：分散反饋程序半成品，學(xué)生根據(jù)需求個性化修改數(shù)量即可硬件：光敏傳感器、燈帶、控制器、教室模型、測光儀六、學(xué)習(xí)策略：項目學(xué)習(xí)、實驗探究法。七、教學(xué)過程環(huán)節(jié)教師活動學(xué)生活動設(shè)計意圖（一）呈現(xiàn)問題，確定主題。1.同學(xué)們發(fā)現(xiàn)上節(jié)課的教室照明反饋系統(tǒng)的燈光存在分布不均勻的情況，眼見真的為實呢？同學(xué)們有沒有方法來驗證一下？.學(xué)生匯報：上節(jié)課的反饋控制照明系統(tǒng)存在的問題：燈光分布不均勻，中間亮四周暗。.小組討論：可以使用測光的工具來測量。學(xué)生在真實情境發(fā)現(xiàn)的真實中間亮，四周暗。激發(fā)學(xué)生進一步優(yōu)化教室照明燈反饋系統(tǒng)。確定項目主題。2.老師給大家推薦使用專業(yè)的測光儀進行光照數(shù)據(jù)采集。3.請同學(xué)們使用測光儀，測量模型四周和中央?yún)^(qū)域的光線亮度值，并將其記錄在學(xué)習(xí)活動手冊的表格中。4.教師將各組的記錄表拍照上傳到大屏，并請各小組的代表上臺講解分析。數(shù)據(jù)分析得出實驗結(jié)論，確定主題為：優(yōu)化完善教室照明反饋系統(tǒng)。1.教師提問為什么燈光會不均勻？3.分工測量：各小組記錄教室區(qū)域燈光數(shù)值。4.小組匯報：測量的數(shù)據(jù)，中間的數(shù)值大，四周的數(shù)值小。實驗結(jié)論：教室確實四周暗，中間亮，燈光分布不均勻。1.學(xué)生回答：一條燈帶集中在教室中間區(qū)域。主觀判斷+客觀測量相結(jié)合，形成結(jié)論，為問題解決提供數(shù)值基礎(chǔ)。將燈帶的布局，由中間整體照明布局優(yōu)化成各區(qū)域的分散式照明布局。。項目2.教室繼續(xù)追問那你覺得應(yīng)該怎么優(yōu)化和完善燈帶的位置呢？2.學(xué)生提出：應(yīng)該將燈帶進行分分析，設(shè)計散安裝在教室的四周區(qū)域。布局。3.請各小組在組內(nèi)討論，并畫一畫燈帶的位置。3.各小組討論，分散式燈帶的擺教師巡視指導(dǎo)。放位置在教室中應(yīng)該是怎樣的。4.教師拍照上傳學(xué)生方案到大屏。5.方案分析對比，4燈布局和5燈布局都是合理方案，那么哪個更佳呢？我們來把實物搭建好后進行驗證光照是否均勻。4.各小組展示燈帶布局的優(yōu)化方案并闡述設(shè)計理由。方案一：根據(jù)問題形成新的規(guī)劃思路，培養(yǎng)問題解決意識、規(guī)劃設(shè)計的意識；順利引出分散式控制反饋系統(tǒng)6.上節(jié)課我們使用了一個光敏傳感器采集光照信息給控制器，并控制一條燈帶?，F(xiàn)在有的小組設(shè)計了多個分散式安裝的燈帶，那么一個傳感器采集光照信息傳給控制器，控制多個燈帶保持一定的亮度是否合理？并說出理由。方案二:5.學(xué)生回答：不合理學(xué)生1：一個光敏傳感器采集的信息是局部的，不精準的，不能代表每個區(qū)域的亮度情況。學(xué)生2：一個傳感器是無法采集多個區(qū)域光照亮度給控制器，因此控制器無法控制多個燈。學(xué)生3：一個傳感器采集的信息太多了，可能會容易壞。引導(dǎo)學(xué)生知道光敏傳感器數(shù)量和燈的安裝數(shù)量應(yīng)當(dāng)??對應(yīng)。.教師追問：那么你認為教室中需要多少個傳感器比較合理？小組討論并匯報。.引導(dǎo)學(xué)生知道，不是燈越多越好，在達到光照閾值標準后，還應(yīng)該考慮器材成本因素。.教師對學(xué)生的回答予以肯定。并且階段性小結(jié)形成方案：一個傳感器無法精準采集光照信息，可以增加傳感器的數(shù)量，并和燈的數(shù)量一一對應(yīng)。6.小組代表回答：小組1：需要四個傳感器，因為教室可以劃分成和上圖一樣的四個區(qū)域，四個區(qū)域就用四個傳感器。小組2：應(yīng)該有多少燈就用多少個傳感器，滿足傳感器數(shù)量和燈數(shù)量 對應(yīng)。在項目方案設(shè)計時，應(yīng)該綜合考慮多方因素，如硬件成本因素等。。項目分析，設(shè)計流程。1.教師講解，整體控制反饋系統(tǒng)如何優(yōu)化成分散式反饋控制系統(tǒng)4 反饋.觀看分散式反饋控制流程視頻。.填一填完成分散式教室照明反饋系統(tǒng)流程圖，理解分散式流程圖的意義?！鰧W(xué)生明白用分散布局來優(yōu)化照明燈反饋系統(tǒng)。檢測理解情況幫助學(xué)生理解分散反饋控制原理。反饋21;控:棄■■一題卜 反饋-S→（,-≡→∣）「■工→c>-ti→∣）I BI I2.播放分散式反饋系統(tǒng)原理視頻。（三）項目實施：動手探究。1.【搭一搭】請各小組選擇硬件，并將光敏傳感器、燈帶的引腳一一對應(yīng)，正確連接到控制器上。燈帶：ws2812b1.各小組在組內(nèi)合理分工，將光敏傳感器和小的燈帶合理分布在教室的上方，動手將各個區(qū)域的光敏傳感器、燈帶，連接到控制器對應(yīng)的引腳。允許學(xué)生試錯，修改。

iMmjM特點：小巧靈活.【改一改】硬件改造好，還不能實現(xiàn)想要的效果，還需要對程序進行簡單的修改。誰來讀一讀上節(jié)課程序指令的意義。讓學(xué)生明白動手搭建調(diào)試測試也是對方案的驗證。.引導(dǎo)學(xué)生理解，一個光敏傳感器檢測信息輸入給控制器，控制器控制整條燈帶。到每個區(qū)域一個光敏傳感器檢測每個區(qū)域光線數(shù)值輸入給控制器，控制器輸出指令給對應(yīng)區(qū)域的照明燈。在程序上是光敏傳感器是由1變成4o4各小組將程序植入控制控制器，測試效果的過程，教師加強巡視指導(dǎo)，注意引導(dǎo)學(xué)生對應(yīng)引腳的正確接入。.【測一測】請各小組完成作品后，使用測光儀測量各區(qū)域的數(shù)值并記錄到表格中。.學(xué)生讀一讀程序指令的意義。.各小組修改程序。.各小組將程序植入控制控制器，測試效果。如果測試不成功，檢查接口的連接是否緊密，程序數(shù)值是否正確,如果有問題再次調(diào)試直到測試成功。微調(diào)程序?qū)崿F(xiàn)功能，助力學(xué)生聚焦教學(xué)重難點。利用數(shù)據(jù)驗證實驗效果；iMmjM特點：小巧靈活.【改一改】硬件改造好，還不能實現(xiàn)想要的效果，還需要對程序進行簡單的修改。誰來讀一讀上節(jié)課程序指令的意義。讓學(xué)生明白動手搭建調(diào)試測試也是對方案的驗證。.引導(dǎo)學(xué)生理解，一個光敏傳感器檢測信息輸入給控制器，控制器控制整條燈帶。到每個區(qū)域一個光敏傳感器檢測每個區(qū)域光線數(shù)值輸入給控制器，控制器輸出指令給對應(yīng)區(qū)域的照明燈。在程序上是光敏傳感器是由1變成4o4各小組將程序植入控制控制器，測試效果的過程，教師加強巡視指導(dǎo)，注意引導(dǎo)學(xué)生對應(yīng)引腳的正確接入。.【測一測】請各小組完成作品后，使用測光儀測量各區(qū)域的數(shù)值并記錄到表格中。.學(xué)生讀一讀程序指令的意義。.各小組修改程序。.各小組將程序植入控制控制器，測試效果。如果測試不成功，檢查接口的連接是否緊密，程序數(shù)值是否正確,如果有問題再次調(diào)試直到測試成功。微調(diào)程序?qū)崿F(xiàn)功能，助力學(xué)生聚焦教學(xué)重難點。利用數(shù)據(jù)驗證實驗效果；前后數(shù)據(jù)對比，體現(xiàn)修改前后光照變化培養(yǎng)學(xué)生迭代改進的思維。（四）、項目成果展示評價1.請小組展示匯報成果。其他小組仔細傾聽。2.引導(dǎo)學(xué)生：4燈布局和5燈布局的都可以實現(xiàn)比較好的均勻照明效果，實際的環(huán)境中能夠達到最佳效果的前提下，器材成本越小越好。.小組匯報員匯報介紹，測試員配合展示測試效果。.呈現(xiàn)光照數(shù)據(jù)記錄表。方案1：4燈布局數(shù)值記錄表在動手實踐的過程中一次不能完成可4f1?Mι尤膿K1g1己饌?cè)?8S 784≡i“斗 7GZ：以多次反復(fù)嘗試，直到實現(xiàn)最終的效果。方案2:5燈布局數(shù)值記錄表用數(shù)據(jù)證明，分散反饋控制5-光解數(shù)侑記K表燈光均勻分布。 q叫g(shù)得.針對各小組的作品和合作方式評一評做的比較好的地方和需要改進的地方。.從多個維度完成自評表。小組成員配合：分區(qū)域模擬光線亮度過暗，過亮，燈的亮度自動調(diào)節(jié)。且各區(qū)域互不干擾。.評一評各小組的作品和合作方式等。.完成自評表。體現(xiàn)“教-學(xué)-評”一體化的理念。（五）項目總結(jié)，拓展延伸。1.總結(jié)分散式反饋系統(tǒng)的優(yōu)點。2.遷移反饋系統(tǒng)的其他應(yīng)用：色溫并且講述色溫的優(yōu)點。冷色的色溫讓人沉著冷靜3.自主可控的燈光秀，就是運用了燈的亮度和色溫調(diào)節(jié)，共同構(gòu)成壯美的城市場景。合肥市是一座科技城市，擁有很多重大發(fā)明，努力學(xué)習(xí)成為優(yōu)秀的科技工作者。1.各小組總結(jié)整個項目過程的收獲。知道分散式反饋系統(tǒng)的優(yōu)勢。2.優(yōu)化不止是亮度，還有其他的方方面面。3.觀看合肥城市燈光秀，知道我們已經(jīng)掌握自主可控。學(xué)生明白除了燈光的明亮度的反饋系統(tǒng)改善教室照明燈，還可以同過色溫調(diào)節(jié)的反饋系統(tǒng)滿足不同教室的色溫需求。優(yōu)化永無止境知道自主可控的系統(tǒng)在解決安全問題時起到的重要作用（融入的系統(tǒng)安全）融入德育，培養(yǎng)學(xué)生的愛國熱愛家鄉(xiāng)的情感，合肥是一做科技之都，鼓勵學(xué)生努力學(xué)習(xí)成為科技工作者。.解決真實問題：核心問題的產(chǎn)生源于學(xué)生真實學(xué)習(xí)情境中，以學(xué)生為