探秘无人驾驶的“眼睛”：智能传感器（小学六年级信息技术）

探秘无人驾驶的“眼睛”：智能传感器（小学六年级信息技术）一、教学内容分析  本课隶属于“信息技术与社会”模块，是六年级下册“智能系统初探”单元的核心课例。依据《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》，本课旨在引导学生认识身边的人工智能，理解信息科技在赋能社会创新发展中的重要作用。知识图谱上，学生在前期已初步了解计算机的基本工作原理与信息处理流程，本节课将聚焦“感知”这一信息处理的首要环节，深入探究无人驾驶系统中环境感知技术的实现原理——即各种传感器如何充当汽车的“眼睛”。认知要求从对技术的“感性认知”提升到“原理理解”与“初步的系统分析”，为后续学习“决策与控制”奠定逻辑基础。过程方法上，本课强调“计算思维”的培养，通过将复杂的无人驾驶感知系统分解为具体的传感器功能模块，并抽象出其“输入处理输出”的通用模型，引导学生像工程师一样思考系统构成。素养价值方面，本课不仅是技术原理的学习，更是对“科技伦理”与“社会责任感”的启蒙渗透。通过探讨传感器的局限性与行车安全的关系，引导学生辩证看待技术，树立“技术应为人类福祉服务”的正确价值观，实现知识技能与态度修养的同步生长。  六年级学生正处于具体运算思维向形式运算思维过渡的关键期。他们的已有基础是：对无人驾驶汽车充满好奇，日常生活中接触过智能手机的指纹识别、语音助手等传感器应用，具备初步的观察与类比能力。可能的认知障碍在于：容易将传感器的“感知”功能拟人化，认为它像人眼一样“看见并理解”世界，难以理解其背后是物理信号到数字信号的转化过程。同时，对多种传感器如何协同工作可能感到困惑。基于此，教学评估将贯穿始终：在导入环节通过提问探查前概念；在新授环节通过小组任务观察学生的分解与建模能力；在巩固环节通过分层练习诊断理解深度。教学调适策略上，为具象思维主导的学生提供丰富的实物观察与动画模拟支持；为抽象思维较强的学生设计更具挑战性的系统设计与伦理辨析任务，确保所有学生都能在“最近发展区”内获得成长。二、教学目标  知识目标：学生能够准确说出无人驾驶汽车中至少三种核心传感器（如摄像头、激光雷达、毫米波雷达）的名称，并运用“信号采集转换传输”的框架，解释其基本工作原理，理解不同传感器在探测距离、精度、环境适应性上的特点，构建起“多传感器融合”提升感知可靠性的初步认知。  能力目标：学生能够通过类比（如将雷达比作蝙蝠回声定位）和生活实例分析，将抽象的传感器原理具体化；在给定的简化场景下，能像系统分析师一样，为一辆“模型无人车”合理选择和搭配传感器，并阐述其配置理由，初步发展系统设计与决策分析能力。  情感态度与价值观目标：在探究传感器强大功能的同时，能主动关注其技术局限（如恶劣天气影响），形成对人工智能技术“既怀抱期待，又审慎看待”的辩证态度，在小组讨论安全与隐私议题时，能表现出初步的科技伦理意识与社会责任感。  科学（学科）思维目标：重点发展“系统思维”与“计算思维”。通过将无人驾驶感知系统分解为单个传感器子系统，再综合评估其整体性能，体验“分解综合”的系统分析方法。同时，经历将真实世界的感知需求“抽象”为技术参数，并尝试“建模”（设计解决方案）的思维过程。  评价与元认知目标：能够依据清晰的标准（如：原理阐述是否清晰、方案匹配度、理由是否充分），对同伴设计的传感器方案进行简单评价；课后能通过知识清单，反思自己对于“信号转换”这一核心概念的理解程度，识别尚未完全掌握的环节。三、教学重点与难点  教学重点：本节课的重点在于引导学生理解不同传感器的工作原理及其在无人驾驶系统中的应用特点，并初步建立“多传感器信息融合”以提升系统可靠性的系统观念。确立此为重点，源于课标对“理解智能终端的基本工作原理”及“认识信息系统的组成与功能”的要求，这直接关联“信息意识”与“计算思维”两大核心素养。从知识结构看，清晰理解各类“眼睛”如何工作是后续分析智能车如何“思考”（决策）和“行动”（控制）的逻辑前提，是整个单元知识链的基石。  教学难点：本课的难点主要有二。其一，是理解传感器将物理世界信号（光、波、压力等）转换为计算机可处理数字信号这一抽象过程。其成因在于学生的认知需从直观的“功能体验”跨越到不可见的“原理层面”。其二，是理解为何需要以及如何实现多传感器协同工作。这涉及对单一传感器局限性的认知和对系统冗余设计思想的初步接触，思维复杂度较高。预设依据来自学生常见的认知误区，如“一个高级摄像头就够了”。突破方向在于：利用类比动画将抽象信号转化过程可视化；通过设计“极端天气下如何保证安全”的冲突情境，让学生在解决问题中自然领悟协同的必要性。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：教学课件（含无人驾驶实景视频、传感器工作原理动画）；超声波传感器、光敏电阻等简易传感器实物；小组实验套材（含模拟不同传感器功能的卡片、任务场景图）。1.2学习材料：分层学习任务单（基础版与挑战版）；课堂巩固练习卡片（分A、B、C三层）；学生互评量规表。2.学生准备2.1课前预热：观察家中或上学路上的“智能设备”（如自动门、扫地机器人），思考它们如何感知环境。2.2课堂用品：铅笔、彩笔。3.环境布置3.1座位安排：四人异质小组围坐，便于合作探究。3.2板书记划：预留核心概念区、原理示意图区及学生成果展示区。五、教学过程第一、导入环节  1.情境创设（认知冲突）：“同学们，我们先来看一段未来城市的通勤短片。”播放一段炫酷的无人驾驶汽车在复杂路况中平稳行驶的视频。“如果这辆车里真的没有司机，它凭什么能避开行人、识别红绿灯、稳稳地停在站台呢？它是不是像科幻片里一样，有了一双‘超级眼睛’？”  1.1问题提出（驱动性问题）：“今天，我们就化身小小汽车工程师，一起来探秘这双‘眼睛’的真实面目。我们的核心问题是：无人驾驶汽车究竟如何‘感知’周围的世界？”稍作停顿，让学生自由发表一两个猜想。“大家的想法很有趣，有的说靠摄像头，有的说靠雷达。但一双‘眼睛’真的够用吗？它和我们人的眼睛看世界，方式一样吗？”  1.2路径明晰（勾勒路线）：“别急，我们的探秘之旅分三步走：第一步，认识几种关键的‘眼睛’——传感器；第二步，搞懂它们各自是怎么‘看’的；第三步，也是最酷的一步，看看它们如何联手，打造一个‘超级视觉系统’。让我们从最熟悉的一种‘眼睛’开始吧。”第二、新授环节任务一：从生活走进科技——初识传感器教师活动：首先，举起一个常见的自动感应水龙头或展示其图片。“谁能让这个水龙头出水？……对，伸手。那它怎么知道你的手来了呢？”引导学生思考“感应”背后有东西。然后出示实物光敏电阻和超声波传感器模块。“其实，在这些设备里，就藏着一些‘小器官’，它们能像我们的皮肤、耳朵一样，感知光线、距离等变化。在科技领域，我们给这类‘小器官’起个统一的名字——传感器。它的核心任务就三个字：‘感’、‘变’、‘传’。感，就是感知外界信号；变，就是把各种物理信号变成电信号；传，就是把信号传给‘大脑’去处理。来，摸摸看，这些‘小眼睛’是不是冷冰冰但又很神奇？”学生活动：观察教师展示的实物和现象，积极回应关于自动水龙头的问题。亲手触摸或近距离观察传感器实物，对其形态有初步印象。在教师引导下，尝试用“感、变、传”三个字概括传感器的核心工作流程。即时评价标准：1.能否从生活实例中准确指出“感应”的发生点。2.能否在触摸观察后，用语言描述传感器的外观特征。3.能否在教师提示下，复述或理解“感、变、传”三个核心步骤。形成知识、思维、方法清单：★传感器定义：能感受规定的被测量（如光、热、力）并按照一定规律转换成可用输出信号（通常是电信号）的器件或装置。（教学提示：避免复杂定义，紧扣“感觉器官的延伸”这一比喻。）▲工作三部曲：感（采集）>变（转换）>传（输出）。这是理解所有传感器的通用思维模型。（认知说明：此模型是后续分析具体传感器的主线。）●生活无处不在：智能手机（光线、距离传感器）、智能家居（温湿度传感器）、汽车（胎压传感器）等都大量使用传感器。（教学提示：建立科技与生活的紧密联系，消除距离感。）任务二：解构无人车的“视觉系统”——辨识三类核心传感器教师活动：“现在，让我们把这些‘小眼睛’装到无人驾驶汽车上。它需要的‘视力’可复杂多了：要看得远，要看得清，还要不怕风雨。”利用动态图解，依次介绍三种核心传感器：1.“彩色相机”——摄像头：“这最像我们的眼睛，能识别颜色、纹理、形状。所以，交通标志、红绿灯、行人的衣服，主要靠它。”展示摄像头在白天清晰识别物体的画面，再切换到夜晚模糊的画面。“但是，晚上或者大雾天，它的‘视力’就大幅下降，成了‘近视眼’。”2.“激光尺”——激光雷达（LiDAR）：“为了解决‘看不清’和测距问题，工程师请来了‘激光尺’。它通过发射激光并测量反射时间，能生成周围环境的精确三维点云图。”播放激光雷达扫描建筑生成3D模型的动画。“它的优点是精度极高，连一根细杆都能‘看见’。但大家想想，如果下大雨、漫天大雪，激光束会被大量干扰，这时候它可能就‘失灵’了。”3.“全天候哨兵”——毫米波雷达：“有没有一种‘眼睛’风雨无阻呢？有的，那就是毫米波雷达。它利用无线电波，穿透雨、雾、灰尘的能力很强，能稳定探测前方物体的距离和速度。”比喻它为“忠诚的哨兵”。学生活动：观看动画图解，聆听教师讲解与比喻。跟随教师的设问进行思考，如“摄像头怕什么？”“激光雷达在什么天气会‘不好使’？”尝试用自己的话对比三种“眼睛”的看家本领和短板。即时评价标准：1.能否将传感器名称与其主要功能（如：摄像头识别颜色与形状）正确关联。2.能否根据模拟情境（如“大雾天”），初步判断哪种传感器可能失效或仍有效。3.在小组讨论中，能否列举出至少一个传感器的优缺点。形成知识、思维、方法清单：★三类核心传感器：1.摄像头：模仿人眼，获取二维彩色图像信息，擅长目标识别与分类（如是什么物体）。弱点：受光照、天气影响大。2.激光雷达：发射激光，通过飞行时间原理，获取高精度三维位置信息（物体在哪里，形状如何）。弱点：成本高，恶劣天气性能下降。3.毫米波雷达：发射无线电波，探测目标的距离和速度，穿透性强，全天候工作稳定。弱点：成像精度和细节识别能力较差。▲对比分析法：认识复杂系统时，将整体分解为部分，通过对比其原理、优势、局限，能更深刻地理解为何需要组合使用。（思维提炼：这是重要的科学分析方法。）任务三：协同作战的奥秘——初探多传感器融合教师活动：创设一个冲突情境：“现在，假设我们的无人车正行驶在黄昏时分的高速路上，前方突然出现一个穿着灰黑色衣服的推车人。摄像头可能因为光线昏暗把他和背景混在一起；激光雷达能发现障碍物但可能无法快速判断是不是行人；毫米波雷达能测到有物体且速度很慢。如果只依赖一种‘眼睛’，可能会出现什么后果？”组织小组讨论。“所以，真正的智慧是什么？”总结：“不是追求某一只‘超级眼睛’，而是让不同的眼睛各展所长、互相验证、取长补短。这就叫‘多传感器信息融合’。”用一个简单图示展示三种传感器的信息如何汇集到“中央大脑”，做出更可靠决策的过程。学生活动：积极参与情境讨论，设想单一传感器可能导致的误判或漏判风险。在小组内交流，理解“协同”与“融合”的必要性。观看融合示意图，理解信息汇聚增强可靠性的概念。即时评价标准：1.能否在情境分析中指出单一传感器的潜在风险。2.能否说出“多传感器融合”至少一个好处（如：更安全、更可靠）。3.能否理解融合是为了让“大脑”获得更全面、准确的信息做判断。形成知识、思维、方法清单：★多传感器融合：无人驾驶系统通过算法，综合处理来自不同传感器的数据，形成对环境更全面、更准确、更可靠的感知。（核心概念：这是实现高等级自动驾驶的关键技术理念。）●系统思维（综合）：在分解认识各部分后，必须回到整体系统性能的视角。系统设计追求“1+1>2”的整体优化，而非单个部件的极致。（素养指向：这是本课系统思维培养的落脚点。）▲冗余设计：关键功能由多个部件共同承担，即使一个部分失效，系统仍能基本运行，这提升了安全性和鲁棒性。（认知说明：这是一个重要的工程思想启蒙。）第三、当堂巩固训练  （分层任务，小组协作）  基础层（A卡）：请为以下无人驾驶的功能找到最依赖的传感器，连线匹配。功能包括：①识别道路上的限速标志；②在暴雨天探测前方车辆的距离；③绘制出停车场精确的三维地图。  综合层（B卡）：请为一座计划开通无人驾驶公交的滨海城市设计传感器方案。这座城市特点是：多雾、沿海道路弯曲、游客多。请从三种核心传感器中选择，并说明你的组合理由。（提供选择提示卡片）  挑战层（C卡）：思考与辩论：传感器的“眼睛”虽然厉害，但它收集的海量道路、行人数据可能涉及隐私。你认为如何在利用技术保障出行安全的同时，保护好个人隐私？提出一两点你的小建议。  反馈机制：A卡答案通过课件快速核对，强化基本认知。B卡任务由小组合作完成，教师巡视指导，选取有代表性的方案（如注重全天候性能的方案vs.注重高精度识别的方案）上台用实物投影简要展示，并引导全班从“匹配度”和“理由阐述”两个角度进行同伴互评。C卡作为思维拓展，不追求统一答案，邀请有想法的学生分享观点，教师给予肯定并引导“技术发展应遵循伦理规范”的共识。第四、课堂小结  “同学们，我们的探秘之旅即将到站。谁能用一幅简单的思维导图或者几句话，为我们梳理一下，无人驾驶的‘眼睛’到底是什么，它们又是怎样工作的？”请12位学生尝试总结，其他学生补充。教师在此基础上，用板书结构进行系统化梳理，强调从“单个传感器原理”到“多传感器融合系统”的认知提升。“今天，我们不仅认识了科技的‘眼睛’，更重要的是，我们学会了像系统工程师一样去思考：分解问题、对比优劣、综合优化。技术从来不是完美的，正因如此，才需要更智慧的设计和更负责任的应用。”  作业布置：1.【必做】当一回“家庭传感器侦查员”，找出家中5种使用了传感器的设备，并尝试判断它属于哪种感知类型（如：感光、感热、感应距离等）。2.【选做】想象并画出一款未来智能交通工具（如无人配送车、校园巡逻车），并为你设计的交通工具标注出它可能需要安装的“眼睛”（传感器）及位置，附上简短设计说明。六、作业设计  基础性作业（全体必做）：完成学习任务单上的基础练习题，内容包括：填写三种核心传感器的名称及主要功能；根据“感、变、传”模型，描述一个生活常见传感器（如声控灯）的工作过程。目的是巩固课堂所学最核心的概念与模型。  拓展性作业（鼓励完成）：完成“【必做】”项的“家庭传感器侦查员”调研，并以表格或图画形式记录在作业本上。在此基础上，选择其中一个设备，通过查阅资料或询问家长，深入了解其传感器的工作原理给生活带来的具体便利。此作业旨在促进知识的生活化迁移和应用。  探究性/创造性作业（学有余力选做）：完成“【选做】”项的智能交通工具设计图。评价标准不仅看设计的创意和传感器的合理性，更关注其“设计说明”中体现出的系统思考（如为何在此处安装某种传感器，考虑了何种环境因素）。也可针对课堂C卡辩论题，撰写一篇200字左右的微短文，阐述自己的观点。此作业服务于学生的个性化深度发展和批判性思维培养。七、本节知识清单及拓展  ★1.传感器：设备的“感觉器官”，负责采集环境信息（如光、声、热、力），并将其转换为电信号传输给处理中心。核心模型：感>变>传。  ★2.无人驾驶三大核心传感器：  ●摄像头：获取二维图像，擅长识别颜色、纹理、形状（是什么）。弱点：光照、天气影响大。  ●激光雷达(LiDAR)：发射激光，通过测量反射时间获取高精度三维点云（在哪里，什么形状）。弱点：恶劣天气性能下降，成本高。  ●毫米波雷达：发射无线电波，探测距离和速度，穿透性强，全天候工作稳定。弱点：成像细节识别能力弱。  ★3.多传感器融合：无人驾驶系统的关键技术。通过算法综合处理不同传感器的数据，取长补短，形成更全面、可靠的环境感知，实现“1+1>2”的系统效果。  ▲4.系统思维方法：分析复杂技术系统时，常用“分解综合”法。先分解研究各组成部分（如单个传感器），再综合思考它们如何协作达成整体目标（安全行驶）。  ▲5.冗余设计思想：为保证关键功能（如感知）的可靠性，系统会设计备份或并行的部件。即使部分失效，整体功能仍可维持，这是工程上提升安全性的重要手段。  ●6.科技伦理思考：任何强大技术都伴生新的挑战。传感器在收集环境数据时，可能涉及个人隐私与公共安全的平衡问题。技术的发展和应用需要法律、伦理和公众监督的共同约束。  ▲7.拓展了解——其他传感器：无人驾驶还可能使用超声波传感器（近距离泊车）、惯性测量单元(IMU)（感知自身运动状态）、GPS/北斗（全局定位）等，共同构成完整的感知网络。八、教学反思  （一）目标达成度分析：从课堂反馈和巩固练习情况看，“辨识三类传感器及其特点”的知识目标达成度较高，学生能准确完成匹配连线。“用‘感变传’模型解释原理”的能力目标，约70%的学生能在提示下完成，但独立、完整表述仍有困难，说明该抽象建模能力需持续培养。“多传感器融合”的系统观念在B卡方案设计中得到较好体现，多数小组能给出合理的组合理由。情感目标在C卡讨论中初见端倪，部分学生能主动提及“不能全靠机器”、“数据要保护”。  （二）环节有效性评估：实物传感器导入成功激发了兴趣，有效搭建了生活与科技的桥梁。任务二的三段式讲解配合对比动画，是突破重点的关键，动态可视化降低了理解门槛。任务三的冲突情境设计是点睛之笔，它自然引出了融合的必要性，避免了