优化完善教室照明反馈系统（项目设计） 教学设计

《保护视力我做主——设计与制作教室照明反馈系统》项目第4课：优化完善教室照明反馈系统一、项目背景学校教室照明环境受到各种因素的影响，不同楼层、不同的天气教室照明环境不同，比如阴天的时候教室内光线较暗，而阳光强烈的时候坐在窗边的学生又会觉得刺眼，教室里灯的亮度是不变的，不同位置的学生会受到灯光亮度的影响。因此学生提出设计与制作反馈系统来改进教室的照明灯，让教室的照明灯更加智能、健康。二、内容分析：经过前面课程的学习，学生已经掌握了过程与控制可以分为“输入—计算—输出”三个典型环节，并了解反馈的基本特征（连续量和闭环）。学生有意识地运用反馈优化解决问题，第2节课学生已经设计出能够自动调节亮度的教室照明反馈系统框图。根据第2节课的设计方案，第3节课已经使用硬件和程序编程，搭建出了自动调节亮度的教室照明系统。第3节课中，学生在展示作品的时候，发现初步搭建的教室照明系统可以实现自动调节明暗功能，但是仍然存在问题，灯带所在的中间区域比较亮，四周比较暗，存在灯光分布不均匀的问题。第4节课在第3节课的基础上，进行优化完善，教室灯光达到均匀分布效果，实现更加智能、节能、健康的照明目标。三、学情分析六年级的学生具备一定的算法基础、图形化编程基础、动手实操能力，学生能根据真实教室照明环境出现的实际情况，提出问题、分析问题、设计优化方案，并动手实操。学生的年龄特征：六年级的学生思考、爱探索、求知欲强，但运用反馈优化来解决问题的意识薄弱。学习目标：1.有意识地运用多传感器的分散反馈方法，优化灯光亮度调节系统，解决教室照明不均匀的问题。（信息意识）2.将单传感器的整体反馈分解成多传感器的分散式反馈，通过测量数据验证分散反馈系统能够实现光照信息精准采集，灯光均匀分布。（计算思维）3.利用光敏传感器、控制器、灯带等硬件和mind+软件，搭建精准调光的教室照明反馈系统。（数字化学习与创新）4.知道自主可控的系统在解决安全问题时起到的重要作用（融入的系统安全）。（信息社会责任）课时重难点重点：采用分散式布局，使用光敏传感器、灯带、控制器搭建教室照明反馈系统的硬件环境，通过修改程序、迭代测试，最终实现优化效果。难点：采用合理的布局方式，精准采集各个区域的光线强度，控制灯光达到均匀分布的目的。实现教室照明系统更节能更健康。素材资源准备软件：mind+图形化编程软件程序：分散反馈程序半成品，学生根据需求个性化修改数量即可硬件：光敏传感器、灯带、控制器、教室模型、测光仪学习策略：项目学习、实验探究法。七、教学过程环节教师活动学生活动设计意图（一）呈现问题，确定主题。1.同学们发现上节课的教室照明反馈系统的灯光存在分布不均匀的情况，眼见真的为实呢？同学们有没有方法来验证一下？2.老师给大家推荐使用专业的测光仪进行光照数据采集。3.请同学们使用测光仪，测量模型四周和中央区域的光线亮度值，并将其记录在学习活动手册的表格中。4.教师将各组的记录表拍照上传到大屏，并请各小组的代表上台讲解分析。数据分析得出实验结论，确定主题为：优化完善教室照明反馈系统。1.学生汇报：上节课的反馈控制照明系统存在的问题：灯光分布不均匀，中间亮四周暗。2.小组讨论：可以使用测光的工具来测量。3.分工测量：各小组记录教室区域灯光数值。4.小组汇报：测量的数据，中间的数值大，四周的数值小。实验结论：教室确实四周暗，中间亮，灯光分布不均匀。学生在真实情境发现的真实中间亮，四周暗。激发学生进一步优化教室照明灯反馈系统。确定项目主题。主观判断+客观测量相结合，形成结论，为问题解决提供数值基础。（二）项目分析，设计布局。1.教师提问为什么灯光会不均匀?2.教室继续追问那你觉得应该怎么优化和完善灯带的位置呢？3.请各小组在组内讨论，并画一画灯带的位置。教师巡视指导。4.教师拍照上传学生方案到大屏。5.方案分析对比，4灯布局和5灯布局都是合理方案，那么哪个更佳呢？我们来把实物搭建好后进行验证光照是否均匀。6.上节课我们使用了一个光敏传感器采集光照信息给控制器，并控制一条灯带。现在有的小组设计了多个分散式安装的灯带，那么一个传感器采集光照信息传给控制器，控制多个灯带保持一定的亮度是否合理？并说出理由。7.教师追问：那么你认为教室中需要多少个传感器比较合理？小组讨论并汇报。8.引导学生知道，不是灯越多越好，在达到光照阈值标准后，还应该考虑器材成本因素。9.教师对学生的回答予以肯定。并且阶段性小结形成方案：一个传感器无法精准采集光照信息，可以增加传感器的数量，并和灯的数量一一对应。1.学生回答：一条灯带集中在教室中间区域。2.学生提出：应该将灯带进行分散安装在教室的四周区域。3.各小组讨论，分散式灯带的摆放位置在教室中应该是怎样的。4.各小组展示灯带布局的优化方案并阐述设计理由。方案一：方案二：5.学生回答：不合理学生1：一个光敏传感器采集的信息是局部的，不精准的，不能代表每个区域的亮度情况。学生2：一个传感器是无法采集多个区域光照亮度给控制器，因此控制器无法控制多个灯。学生3：一个传感器采集的信息太多了，可能会容易坏。6.小组代表回答：小组1：需要四个传感器，因为教室可以划分成和上图一样的四个区域，四个区域就用四个传感器。小组2：应该有多少灯就用多少个传感器，满足传感器数量和灯数量一一对应。将灯带的布局，由中间整体照明布局优化成各区域的分散式照明布局。根据问题形成新的规划思路，培养问题解决意识、规划设计的意识；顺利引出分散式控制反馈系统引导学生知道光敏传感器数量和灯的安装数量应当一一对应。在项目方案设计时，应该综合考虑多方因素，如硬件成本因素等。（二）项目分析，设计流程。教师讲解，整体控制反馈系统如何优化成分散式反馈控制系统控制控制反馈控制控制控制反馈反馈2.播放分散式反馈系统原理视频。观看分散式反馈控制流程视频。2.填一填完成分散式教室照明反馈系统流程图，理解分散式流程图的意义。学生明白用分散布局来优化照明灯反馈系统。检测理解情况帮助学生理解分散反馈控制原理。（三）项目实施：动手探究。【搭一搭】请各小组选择硬件，并将光敏传感器、灯带的引脚一一对应，正确连接到控制器上。灯带：ws2812b特点：小巧灵活2.【改一改】硬件改造好，还不能实现想要的效果，还需要对程序进行简单的修改。谁来读一读上节课程序指令的意义。3.引导学生理解，一个光敏传感器检测信息输入给控制器，控制器控制整条灯带。到每个区域一个光敏传感器检测每个区域光线数值输入给控制器，控制器输出指令给对应区域的照明灯。在程序上是光敏传感器是由1变成4。4各小组将程序植入控制控制器，测试效果的过程，教师加强巡视指导，注意引导学生对应引脚的正确接入。5.【测一测】请各小组完成作品后，使用测光仪测量各区域的数值并记录到表格中。各小组在组内合理分工，将光敏传感器和小的灯带合理分布在教室的上方，动手将各个区域的光敏传感器、灯带，连接到控制器对应的引脚。学生读一读程序指令的意义。各小组修改程序。各小组将程序植入控制控制器，测试效果。如果测试不成功，检查接口的连接是否紧密，程序数值是否正确，如果有问题再次调试直到测试成功。5.各小组使用测光仪测量优化后各区域的光照数值并记录在表格中。允许学生试错，修改。让学生明白动手搭建调试测试也是对方案的验证。微调程序实现功能，助力学生聚焦教学重难点。利用数据验证实验效果；前后数据对比，体现修改前后光照变化培养学生迭代改进的思维。（四）、项目成果展示评价1.请小组展示汇报成果。其他小组仔细倾听。引导学生：4灯布局和5灯布局的都可以实现比较好的均匀照明效果，实际的环境中能够达到最佳效果的前提下，器材成本越小越好。在动手实践的过程中一次不能完成可以多次反复尝试，直到实现最终的效果。3.针对各小组的作品和合作方式评一评做的比较好的地方和需要改进的地方。4.从多个维度完成自评表。小组汇报员汇报介绍，测试员配合展示测试效果。2.呈现光照数据记录表。方案1:4灯布局数值记录表方案2:5灯布局数值记录表小组成员配合：分区域模拟光线亮度过暗，过亮，灯的亮度自动调节。且各区域互不干扰。3.评一评各小组的作品和合作方式等。4.完成自评表。用数据证明，分散反馈控制灯光均匀分布。体现“教-学-评”一体化的理念。（五）项目总结，拓展延伸。总结分散式反馈系统的优点。迁移反馈系统的其他应用：色温并且讲述色温的优点。温暖的色温让人心情愉悦冷色的色温让人沉着冷静自主可控的灯光秀，就是运用了灯的亮度和色温调节，共同构成壮美的城市场景。合肥市是一座科技城市，拥有很多重大发明，努力学习成为优秀的科技工作者。1.各小组总结整个项目过程的收获。知道分散式反馈系统的优势。2.优化不止是亮度，还有其他的方方面面。3.观看合肥城市灯光秀，知道我们已经掌握自主可控。学生明白除了灯光的明亮度的反馈系统改善教室照明灯，还可以同过色温调节的反馈系统满足不同教室的色温需求。优化永无止境知道自主可控的系统在解决安全问题时起到的重要作用（融入的系统安全）融入德育，培养学生的爱国热爱家乡的情感，合肥是一做科技之都，鼓励学生努力学习成为科技工作者。教学反思1.解决真实问题：核心问题的产生源于学生真实学习情境中，以学生为学习中心，用分散式布局的思想突破本课的重难点，解决真