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物联网创新设计

发布时间:2017-09-19  |  发文作者:  |  点击数:[]

徐州市王杰中学国防教育校本课程·教材

 

 

物联网创新设计

 


 

 

     

徐州市王杰中学


课程名称:物联网创新设计

开课学科

高中信息技术

开课教师

 

课程设计思路:

   本教材作为高中信息技术国防教育拓展课程,从五大模块为学生设计了物联网创新设计的学习内容。教材采用项目学习的方式,通过“构思(C)——设计(D)——实施(I)——评价(E)”四个环节推进学习过程。 

课程目标:

知识与技能

1.        认识常用传感器,能使用传感器组合实现特定功能,培养发现问题、分析问题、解决问题的能力。

2.        知道程序的三种基本结构,能基于Scratch环境编写简单程序,实现对传感器的侦测,培养信息获取、加工、处理的能力,提升数字化生存的能力。

3.        学会学习、学会合作、懂得分享。

过程与方法

1.        绪论、认识传感器、算法设计、3D模型设计、分享交流五大模块,让学生在“电子模块搭建”——“算法设计”——“外型创作”——“分享交流”的作品成型过程中,学习物联网知识。

2.        通过设计创意小故事、设计物体控测设备、设计3D模型等项目活动,让学生在“C——D——I——E”过程中感受创作的乐趣,培养实践创新的能力。

3.        通过项目学习活动评价、课程学习结果评价,使学生领悟团队的力量,培养团队合作的意识与能力。

情感态度价值观

1.        运用“C——D——I——E”模式,培养学生进行科学探究的“工匠精神”。

2.        基于国防教育题材的项目活动设计,引发对“和平时代下的战争”的思考,培养家国情怀,发展有正确人生方向,珍爱生命、健康生活,有高效优质生活品质的人。

3.        学生在团队合作中,发现自身价值、挖掘自身价值,形成互助乐助、主动作为、勇于承担的优秀品质。

                         

      

      

      

学时

模块一绪论

1.感知物联网

2.形成团队合作意识

设计创意小故事——未来战争

2

模块二认识传感器

1.认识常用传感器

2.运用传感器实现特定功能

设计一种物体探测设备

3

模块三算法设计

1.算法基础知识

2.程序的三种基本结构

设计一辆智能战车

3

模块四  3D模型设计

1.3D打印的基本原理

2.设计制作3D模型

设计智能战车3D模型

2

模块五分享交流

1.学会合作

2.懂得分享

组间作品鉴赏、交流、分享

2

课程评价方式:

1.物联网创意作品制作。

2.物联网创意作品鉴赏、交流、分享。

 


   

 ... 1

模块一  绪论... 2

知识导航... 2

实践活动... 3

模块二  认识传感器... 5

知识导航... 5

实践活动... 6

模块三  算法设计... 8

知识导航... 8

实践活动... 9

模块四  外型设计... 11

知识导航... 11

实践活动... 12

模块五  分享交流... 14

知识导航... 14

实践活动... 15

 ... 16

高中国防教育课堂教学评价表... 16

参考文献... 17


  

      20世纪90年代末,计算机开始走进家庭。到今天为止,短短的20年,计算机由一开始的娱乐消费品转变为人们日常工作生活中必不可少的信息处理工具。科学技术的迅猛发展每天都在促使我们生活的世界产生着巨变。

      在现代文明中,没有哪一个领域像科学一样拥有崇高的地位和权威。科学使人认识了从微小的基本粒子到浩瀚的宇宙,从简单的细胞到复杂的生命系统,从现实的社会到虚拟的世界。科学成果还改变了人们的生活:生物技术提高了人们的健康水平;纳米技术给人类提供了新型材料;信息技术通过网络把世界各地连在一起,使地球变成了——地球村。作为互联网技术基础上的延伸和扩展——物联网技术更是给我们的生活带来了很多新奇的体验,如智慧学校、智能家居、机器人“小胖”。通过学习本课程,不仅可以改变我们对世界的认知,更可以改变我们的思想观念和生活方式。 

      本教材作为国防教育校本课程的一部分,为学生设计了物联网技术的学习内容,同时渗透了国防教育的理念和相关知识。教材采用项目学习的方式,将与物联网相关的传感、计算、控制、通信等知识通过一个个军事题材的项目深入浅出地进行组织,学生在“构思”(C)、“设计”(D)、“实施”(I)、“评价”(E)四个环节,对现实问题进行需要分析,再抽象成设计目标,并按规划完成相关设计制作,最终在评价中使多方面能力得到提升。 

      物联网创新设计课程其核心在“联”和“创”。“联”实现物理世界与虚拟世界的互联,实现控制命令与执行目标的互联,实现人与系统的互联。“创”反映了教学理念的创新、教学方式的创新、教学目标的创新。能过“物联网创新设计”课程,希望能够培养关于观察、重视事实、逻辑清晰的人,培养讲究规则、善于合作、勇于面对困难的人,培养具有批判质疑精神和创新精神,能独立思考的人。 

 

 

 

                                                          

                                                     20169

 


模块一绪论 

知识导航 

一、           物联网

      信息技术的发展催生了一个新的概念——物联网(TheInternet of Things,简称IOT)。这个概念近些年来受到了一些具有战略眼光的国家政府官员和企业家的密切关注,比如美国总统奥巴马提出的“智慧地球”、我国总理温家宝提出的“感知中国”等。那么,物联网究竟是什么?它的出现又将给我们的生活带来怎样的变化呢?相信很多人都会有类似这样的疑问。作为未来信息科技发展的方向,物联网将融入我们每一个人的日常生活,所以我们每个人都有必要去了解物联网。 

      到目前为止,物联网还没有形成一个为大家所公认的定义。通俗的讲,物联网就是“物物相连的互联网”;从技术上来说,物联网可以定义为“通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。” 

 

二、           创新活动的“C-D-I-E

      “构思(C)——设计(D)——实施(I)——评价(E)”是国际认可的创新人才培养模式,关注了全新思维的多方面发展。 

      本课程的项目将以此模式开展。 

      1.构思(Conceive)。构思是以抽象思维为主导,包括形象思维、潜意识思维和灵感思维等的心理活动。一切人类活动都需要“构思”这一生命的光华。而创造性,更是构思的灵魂所在,是最显著的特性。

      在物联网创新活动中,明确了任务后,希望大家能够“海阔天空”地去想象、去思考,与团队的成员进行思维的激辩。 

      2.设计(Design)。设计是把一种计划、规划或设想,通过视觉的形式传达出来的活动过程。

      在物联网创新活动中,通常需要大家用语言文字将构思中的“内容”描述出来,草图、框图、简单说明等都是常用的工具和方法。 

      3.实施(Implement)。实施是将设计的作品变成实物,实现思维到物质转化的过程,要动手,也要动脑,是提升观察能力,培养发现问题、解决问题能力不可缺失的途径。

      每一个物联网创新活动项目都会创作自己独有的作品,有所创新的作品既需要根据设计的方案构建,又需要不断地运行、调试和修改。实施过程中需要仔细观察、动脑分析,从而发现问题并解决问题。而这也是创新活动中提升能力取得乐趣的关键。 

      4.评价(Evaluate)。评价就是对一定的想法、方法、材料和作品等做出的价值判断的过程。它是一个运用标准对事物的准确性、实效性、经济性及满意度等方面进行评估的过程。

      构思、设计、实施环节中的交流都是一种评价或潜在的评价,都是促进创新意识和实践动手能力发展的途径,而最后的评价环节更是放大了的、集中的、拐进多方面能力的平台。演讲、表演更是促进性格改变发展不可缺少的“因素”。 

实践活动 

(一)项目任务

      讲述一个“物联网”的故事。 

      在完成这个任务的过程中: 

1.了解什么是“物联网”,什么是“概念时代”需要的六种基本能力。

2.初步体验和同学共同讨论问题、合作完成任务的过程。

3.体验创新活动的“C——D——I——E”模式。

(二)项目实施

      活动流程: 

1.上网搜索并学习物联网的知识。

2.构思故事的内容。

3.组织团队。

4.团队合作,确定故事的内容和演讲的方式。

5.进行演讲。

      (一)构思 

      1.什么是物联网?

 

 

      2.未来的战争会是怎样的场景?

 

 

 

      (二)设计 

      1.故事的设计

 

 

      2.寻找组员

 

 

      3.完成项目的过程

 

 

      4.记录的手段和工具

 

 

      (三)实施 

      1.充分的知识、思维准备。

      2.小组集思广益的讨论,班级的交流。

      3.观察、记录活动的过程。

 

 

      (四)评价 

      1.我们小组的故事有没有给同学们留下深刻的印象?创意在哪里?

 

 

 

      2.在初次小组合作中,我们小组:

  

       

A

比较融洽,全都热情投入。

B

有点松散,但还是完成了项目。

C

不太理想,个别同学游离在活动外。

 


模块二认识传感器 

知识导航 

一、传感器

      传感器是一种能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息按一定规律变换成电信号或其他所需形式信号的器件或装置。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 

      人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。但是,单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律以及生产活动时,它们的功能就远远不够了。为了满足这些需求,就需要使用传感器。传感器目前涉及工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程,以及文物保护等极其广泛的领域。毫不夸张地说,传感器已渗透到我们现代生产的方方面面。 

      人们常将传感器的功能与人类五大感觉器官相比拟:光敏传感器——视觉;声敏传感器——听觉;气敏传感器——嗅觉;化学传感器——味觉;压敏、温敏、流体传感器——触觉。传感器技术目前正处于高速发展的阶段,新型传感器不断涌现,功能也越来越多,如生物免疫传感器、超导传感器等。 

二、红外探测模块

      红外探测模块包含两种器件:红外发射管和红外接收管,如图2-1所示。

      红外发射管可以发出红外线,红外线在遇到障碍后反射回来,红外接收管接收到被反射回来的红外线以后,发出电信号给信号处理器(主控板),这样就能“感知”前面有物体了。红外接收管和红外发射管要朝着同一个水平方向才能可靠工作。 

三、           超声波传感器

      超声波传感器由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成,换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成,换能器接收波产生机械振动,将其变换成电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超声波进行检测。超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

      超声波是振动频率高于20KHz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大,尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波,碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波应用有三种基本类型,透射型用于遥控器,防盗报警器、自动门、接近开关等;分离式反射型用于测距、液位或料位;反射型用于材料探伤、测厚等。 

 

实践活动 

一、项目任务

      制作能可靠工作的物体探测器。 

      在完成这个任务的过程中: 

      1.了解红外传感器的基本原理;

      2.在合作完成任务的过程中能发挥特长,积极承担任务,善于提出自己的观点

二、项目实施

      (一)构思 

      1.仔细观察,日常生活中用到了哪些传感器?它们的工作原理是怎样的?在战场上能发挥怎样的作用?

 

 

 

      2.哪些传感器可以用来进行物体探测?

 

 

 

      3.探测到周围有物体,可以采取哪些措施?为什么?这种物体探测设备适用于哪些场合?

 

 

 

      (二)设计 

      1.物体探测设备的结构组成。

 

 

 

      2.物体探测设备可以搭载在哪些国防军事设施上使用,可以实现什么用途?

 

 

 

      (三)实施 

      1.搭建物体探测设备

      2.运行观察,记录数据,分析数据

      3.修改完善设备

      4.物体探测设备外形搭建

      5.物体控制设备的实际用途

      (四)评价 

      1.小组的作品成功了吗?碰到了哪些问题?是如何解决的?你有哪些收获?

 

 

 

      2.在这个项目中,别人对我的评价

  

        

A

积极主动,贡献很大

B

有一定作用

C

没起到什么作用

 


模块三算法设计 

知识导航 

一、算法

      简单地说,算法(Algorithm)就是解决问题的方法和步骤。其实,我们日常生活中也经常使用算法,只是没意识到罢了。例如,我们到超市购物,首先确定要购买的东西,然后进行挑选、比较,最后到收银台付款,这一系列活动实际上就包含着算法。解决问题的过程,就是实现算法的过程。 

      算法具有以下特征:有穷性、确定性、可行性、输入性(有零个或多个输入)、输出性(至少产生一个输出)。 

      算法是程序设计的“灵魂”,世界著名计算机科学家尼克劳斯·沃思(N.Wirth)指出:算法+数据结构=程序,可见,算法在程序设计中具有多么重要的地位。 

      算法独立于任何具体的程序设计语言,一个算法可以用多种程序设计语言来实现。解决同一个问题可能有多种算法,算法有优劣之分。 

二、程序的基本结构

      程序可以分为三种基本结构:顺序结构、选择结构和循环结构。 

      顺序结构的程序在运行时由上到下逐行执行,如图3-1所示。 

      选择结构(分支结构)的程序在运行时会根据不同的条件决定程序的走向,如图3-2所示。 

      循环结构的程序在运行时会重复执行某一段程序代码,如图3-3所示。 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


实践活动 

一、项目任务

      制作一辆智能小车——雷霆号,并进行交流、展示。 

      在完成这个任务的过程中: 

      1.设计“雷霆号”智能车的基本功能和控制方法。

      2.掌握“观察现象——发现问题——分析原因——尝试解决”的程序调试方法,提高解决问题能力。

      3.在合作完成任务的过程中能发挥特长,积极承担任务,善于提出自己的观点,并能和组员友好相处。

二、项目实施

      (一)构思 

      1.什么是智能战车?

 

 

      2.你心中的智能战车是怎样的呢?

 

 

      3.画出你心目中智能战车的外型。

 

 

      4.智能战车在能发挥怎样的作用?为你的小车起一个更响亮的名字吧。

 

 

 

      (二)设计 

      1.设计智能战车的功能组件。

      2.搭建智能战车外型及电子模块。

      3.为智能战车设计算法及执行程序。

      (三)实施 

      1.用万向轮可以解决转向问题,万向轮放在前面和后面是否有区别?尝试多种实施方案,并在实施过程中找出最佳方案。

 

 

 

      2.观察智能战车能否可靠实现预期功能,如有问题,分析原因,尝试修改。

 

 

 

(四)评价

      1.小组制作的智能战车创意点在哪里?

 

 

 

      2.在活动中,遇到了什么问题?是怎样解决的?

 

 

 

      3.在小组合作中:

  

       

A

造型设计上有较大分歧

B

战车造型的设计很容易统一想法

C

制作小车时大家动手,速度很快

D

制作小车多数人插不上手


模块四外型设计 

知识导航 

一、        设计的一般原则


(一)             创新原则

(二)             实用原则

(三)             经济原则

(四)             美观原则

(五)             道德原则

(六)             技术规范原则

(七)             可持续发展原则


二、3D打印机

     点的连续移动形成线,线的平面叠加形成面,面的叠加形成体。3D打印机就是根据事先生成的文件不断地按需要打印出0.1mm左右的薄面,粘合叠加,生成立体的实物。 

     3D打印的过程:先用计算机的相应软件建模,把生成的3D(三维)模型切片(分成逐层的截面,就像做CT,分层扫描),再让打印机逐层打印。

     打印机的喷头可以在两根导轨上移动,有色塑料线(也可以是金属、陶瓷等)经过加热的喷头,变成细小的、热溶解的塑料粒子按需要再粘合凝固一成为一薄层实物。 

     3D打印机可以生产大到房子,小到人体内部的“零件”,任何复杂开关的设计几乎都可以用3D打印机来实现。3D打印机生产的物品可以是塑料、金属和陶瓷,也可以是橡胶。在创新活动中,3D打印机是实现想象和创意设计的好工具。

 

实践活动 

一、项目任务

      设计制作智能战车3D作品。 

      在完成这个任务的过程中: 

(一)了解3D打印的基本原理。

(二)体验建模软件实现想象的过程。

二、           项目实施

      (一)构思 

      1.小组讨论未来智能战车的功能,可以运用怎样的外观结构来实现。

 

 

      2.绘制未来智能战车草图。

 

 

      (二)设计 

      1.使用3Done家庭版还原草图,为未来智能战车建模。

 

 

 

      2.草图构思是否能实现,如果不能,有什么解决方案。

 

 

 

      (三)实施 

      1.在打印建模过程中仔细观察,评估设计误差。

 

 

 

      2.使用3D打印机打印未来智能战车。

 

 

 

      (四)评价 

      1.在这项活动中,遇到了什么问题?是怎样解决的?

 

 

 

 

      2.在创造作品中:

  

        

A

有新颖的外观

B

应用有新意

C

是按已经有的物品在做

D

为今后的创造性活动开了头

E

创造性比较差


模块五分享交流 

知识导航 

一、懂得分享

      分享,是一种智慧的表现。将自己的快乐分享给他人,你就会收获两份快乐,将自己的忧愁告诉他人,你就会减少一半的忧愁。分享与付出一样,会得到回报,这回报可能是物质,也可能是精神的分享。重要的是,我们应该懂得分享。懂得分享的智慧。在学校里,当有同学问你请教问题时,我们应该积极地帮助,将自己所懂得的知识分享给他。他明白了知识,懂得了道理;你的知识更加扎实,你的道理更加明晰。温故而知新,不亦乐乎!  

      分享,是一种胸襟的坦露。分享,需要有一个阔达的胸襟,不许较得失,不在意是否有回报。心胸狭隘的人不懂得分享,因为他们总在意自己的得失,在意自己的分享是否有物质的回报。他们不愿“舍”,却整日想着“得”。“舍得”有舍才有得,只有胸襟豁达的人才能做到“舍得”懂得分享。在学校,有些同学总是担心别人的成绩超过自己,当有人向他们求教时,也会假装不知道,他们自以为守住了知识,守住了自已的“阵地”。殊不知在他们窃窃自喜时,他们失去坦荡为人的境界,失去了了助人为乐的快乐,失去了与人切磋的机会,到头来自己反而失去得更多。所以,分享,是一种胸襟的坦露。狭隘者不能体会。 

      分享,是一种心灵的交融。陶渊明的“奇文共赏析,疑义相与析”是一种文人间精神的分享。居里夫人把她的发现无保留地奉献给整个世界,是科学家与整个人类的共享。我们与同学谈论时事,品读美文,探究问题,我们在分享我们的所学所得所感。我们与朋友探讨人性,关注生态,互诉心曲,我们在分享我们的生活。因为分享我们的心灵得以交融。 

       “赠人玫瑰,手有余香”,懂得分享很重要,学会分享更是一门重要的课程。因为分享,是一种智慧的体现,分享,是一种胸襟的坦露;分享,更是一种心灵的交融。 

二、如何做分享

      (一)内容的准备 

      选材的形式可以是一部影片、一本书、一段文字,甚至是一句话,但是要拓展开来,往深处挖掘,结合自己在日常生活中的一些经验、经历和感想,引发大家的思考。从表面上来看,分享的仅仅是一部电影、一本书、一段文字,实际上在我们往素材中融入了自己的思考和想法之后,这个分享本身是对自己价值观、人生观的一种分享。 

      (二)内容的展示形式 

      视频+PPT讲解+生活中的实例分析 

实践活动 

一、项目任务

      分享学习成果及本组的物联网创意作品 

      在完成这个任务的过程中: 

(一)你知道什么是“开源”吗?

 

(二)思考“分享”、“交流”在设计中的重要作用。

 

三、           项目实施

      (一)构思 

      1.选择一种做分享的形式,如讲故事、看视频短片、演小品等

 

      (二)设计 

      1.创作、细划分享过程

 

 

      (三)实施 

      1.学习其他小组的分享形式,思考分享的内容组成与技巧,并进行记录。

 

 

      2.将小组的分享形成作品,可以是多种形式,如演讲稿、视频短片、创意小品。

 

 

      (四)评价 

      在物联网创新设计课程中,我收获了什么?(100字小短文) 


  

高中国防教育课堂教学评价表 

课题名称___________   讲课人________   日期______     评课人_________

评价项目

       

合计

60

教师

素质

6

能熟练运用数字化工具组织教学,语言运用得体、规范。

2

教学基本功扎实,教学技能娴熟;课堂调控能力强。

2

教态亲切自然;教师有较强的感染力。

2

教学

目标

4

目标明确,符合学生实际和教学要求。注重对学生情感态度、学习方法的培养。

4

教学

设计

8

教学没计能根据学生实际,创造性地开发和使用教材

3

课堂设计有层次,能为不同学生的发展提供空间,难度适合学生水平,可操作性强。(具体教师教案)

5

 

 

34

 

课堂活动以学生为中心,注意创设民主、平等、积极的自主学习氛围,在整个教与学的过程中扮演好不同的角色

 

6

关注学生学习过程和学生的个体差异,尊重学生的学习结果和独特的情感体验

6

能不断鼓励学生参与积极的、有意义的创新实践活动

6

教学方法恰当有效,活动形式有趣、多样,能在具体的

创新实践活动中进行各项目标能力的培养

6

教学思路清晰,教学疏密适度,过渡自然,符合学生的认知规律

5

能有效运用多种教学媒体进行教学

5

教学

效果

特色

8

不同层次的学生都有收获,教学实效高,学生身心愉悦

6

教学在某个方面有独到之处

2

40

 

自主

15

积极、主动的参与学习全过程,思维活跃,活动时情绪高涨

15

合作

10

积极参与小组活动,乐于与同学合作,乐于帮助并懂得寻求帮助

10

探究

15

善于思考,勇于进行语言实践,能主动表达自己的不同看法,有进一步学习的愿望

15

等级

建议

注:A 100-85    B 84-75     C 74-60   D60以下


参考文献

1. 应丹辉主编. 科技创新课程.物联网:初中版[M].上海:上海科学技术出版社,2016.1

2.陈少华主编.物联网+STEAM未来教育[M].宁波:宁波出版社,2016.8

3.张海霞编著.奇思妙想的物联网:2012年中国大学生物联网创新创业大赛获奖作品[M].北京大学出版社,2013.6

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校本课程
物联网创新设计
2017-09-19 |  | []

徐州市王杰中学国防教育校本课程·教材

 

 

物联网创新设计

 


 

 

     

徐州市王杰中学


课程名称:物联网创新设计

开课学科

高中信息技术

开课教师

 

课程设计思路:

   本教材作为高中信息技术国防教育拓展课程,从五大模块为学生设计了物联网创新设计的学习内容。教材采用项目学习的方式,通过“构思(C)——设计(D)——实施(I)——评价(E)”四个环节推进学习过程。 

课程目标:

知识与技能

1.        认识常用传感器,能使用传感器组合实现特定功能,培养发现问题、分析问题、解决问题的能力。

2.        知道程序的三种基本结构,能基于Scratch环境编写简单程序,实现对传感器的侦测,培养信息获取、加工、处理的能力,提升数字化生存的能力。

3.        学会学习、学会合作、懂得分享。

过程与方法

1.        绪论、认识传感器、算法设计、3D模型设计、分享交流五大模块,让学生在“电子模块搭建”——“算法设计”——“外型创作”——“分享交流”的作品成型过程中,学习物联网知识。

2.        通过设计创意小故事、设计物体控测设备、设计3D模型等项目活动,让学生在“C——D——I——E”过程中感受创作的乐趣,培养实践创新的能力。

3.        通过项目学习活动评价、课程学习结果评价,使学生领悟团队的力量,培养团队合作的意识与能力。

情感态度价值观

1.        运用“C——D——I——E”模式,培养学生进行科学探究的“工匠精神”。

2.        基于国防教育题材的项目活动设计,引发对“和平时代下的战争”的思考,培养家国情怀,发展有正确人生方向,珍爱生命、健康生活,有高效优质生活品质的人。

3.        学生在团队合作中,发现自身价值、挖掘自身价值,形成互助乐助、主动作为、勇于承担的优秀品质。

                         

      

      

      

学时

模块一绪论

1.感知物联网

2.形成团队合作意识

设计创意小故事——未来战争

2

模块二认识传感器

1.认识常用传感器

2.运用传感器实现特定功能

设计一种物体探测设备

3

模块三算法设计

1.算法基础知识

2.程序的三种基本结构

设计一辆智能战车

3

模块四  3D模型设计

1.3D打印的基本原理

2.设计制作3D模型

设计智能战车3D模型

2

模块五分享交流

1.学会合作

2.懂得分享

组间作品鉴赏、交流、分享

2

课程评价方式:

1.物联网创意作品制作。

2.物联网创意作品鉴赏、交流、分享。

 


   

 ... 1

模块一  绪论... 2

知识导航... 2

实践活动... 3

模块二  认识传感器... 5

知识导航... 5

实践活动... 6

模块三  算法设计... 8

知识导航... 8

实践活动... 9

模块四  外型设计... 11

知识导航... 11

实践活动... 12

模块五  分享交流... 14

知识导航... 14

实践活动... 15

 ... 16

高中国防教育课堂教学评价表... 16

参考文献... 17


  

      20世纪90年代末,计算机开始走进家庭。到今天为止,短短的20年,计算机由一开始的娱乐消费品转变为人们日常工作生活中必不可少的信息处理工具。科学技术的迅猛发展每天都在促使我们生活的世界产生着巨变。

      在现代文明中,没有哪一个领域像科学一样拥有崇高的地位和权威。科学使人认识了从微小的基本粒子到浩瀚的宇宙,从简单的细胞到复杂的生命系统,从现实的社会到虚拟的世界。科学成果还改变了人们的生活:生物技术提高了人们的健康水平;纳米技术给人类提供了新型材料;信息技术通过网络把世界各地连在一起,使地球变成了——地球村。作为互联网技术基础上的延伸和扩展——物联网技术更是给我们的生活带来了很多新奇的体验,如智慧学校、智能家居、机器人“小胖”。通过学习本课程,不仅可以改变我们对世界的认知,更可以改变我们的思想观念和生活方式。 

      本教材作为国防教育校本课程的一部分,为学生设计了物联网技术的学习内容,同时渗透了国防教育的理念和相关知识。教材采用项目学习的方式,将与物联网相关的传感、计算、控制、通信等知识通过一个个军事题材的项目深入浅出地进行组织,学生在“构思”(C)、“设计”(D)、“实施”(I)、“评价”(E)四个环节,对现实问题进行需要分析,再抽象成设计目标,并按规划完成相关设计制作,最终在评价中使多方面能力得到提升。 

      物联网创新设计课程其核心在“联”和“创”。“联”实现物理世界与虚拟世界的互联,实现控制命令与执行目标的互联,实现人与系统的互联。“创”反映了教学理念的创新、教学方式的创新、教学目标的创新。能过“物联网创新设计”课程,希望能够培养关于观察、重视事实、逻辑清晰的人,培养讲究规则、善于合作、勇于面对困难的人,培养具有批判质疑精神和创新精神,能独立思考的人。 

 

 

 

                                                          

                                                     20169

 


模块一绪论 

知识导航 

一、           物联网

      信息技术的发展催生了一个新的概念——物联网(TheInternet of Things,简称IOT)。这个概念近些年来受到了一些具有战略眼光的国家政府官员和企业家的密切关注,比如美国总统奥巴马提出的“智慧地球”、我国总理温家宝提出的“感知中国”等。那么,物联网究竟是什么?它的出现又将给我们的生活带来怎样的变化呢?相信很多人都会有类似这样的疑问。作为未来信息科技发展的方向,物联网将融入我们每一个人的日常生活,所以我们每个人都有必要去了解物联网。 

      到目前为止,物联网还没有形成一个为大家所公认的定义。通俗的讲,物联网就是“物物相连的互联网”;从技术上来说,物联网可以定义为“通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。” 

 

二、           创新活动的“C-D-I-E

      “构思(C)——设计(D)——实施(I)——评价(E)”是国际认可的创新人才培养模式,关注了全新思维的多方面发展。 

      本课程的项目将以此模式开展。 

      1.构思(Conceive)。构思是以抽象思维为主导,包括形象思维、潜意识思维和灵感思维等的心理活动。一切人类活动都需要“构思”这一生命的光华。而创造性,更是构思的灵魂所在,是最显著的特性。

      在物联网创新活动中,明确了任务后,希望大家能够“海阔天空”地去想象、去思考,与团队的成员进行思维的激辩。 

      2.设计(Design)。设计是把一种计划、规划或设想,通过视觉的形式传达出来的活动过程。

      在物联网创新活动中,通常需要大家用语言文字将构思中的“内容”描述出来,草图、框图、简单说明等都是常用的工具和方法。 

      3.实施(Implement)。实施是将设计的作品变成实物,实现思维到物质转化的过程,要动手,也要动脑,是提升观察能力,培养发现问题、解决问题能力不可缺失的途径。

      每一个物联网创新活动项目都会创作自己独有的作品,有所创新的作品既需要根据设计的方案构建,又需要不断地运行、调试和修改。实施过程中需要仔细观察、动脑分析,从而发现问题并解决问题。而这也是创新活动中提升能力取得乐趣的关键。 

      4.评价(Evaluate)。评价就是对一定的想法、方法、材料和作品等做出的价值判断的过程。它是一个运用标准对事物的准确性、实效性、经济性及满意度等方面进行评估的过程。

      构思、设计、实施环节中的交流都是一种评价或潜在的评价,都是促进创新意识和实践动手能力发展的途径,而最后的评价环节更是放大了的、集中的、拐进多方面能力的平台。演讲、表演更是促进性格改变发展不可缺少的“因素”。 

实践活动 

(一)项目任务

      讲述一个“物联网”的故事。 

      在完成这个任务的过程中: 

1.了解什么是“物联网”,什么是“概念时代”需要的六种基本能力。

2.初步体验和同学共同讨论问题、合作完成任务的过程。

3.体验创新活动的“C——D——I——E”模式。

(二)项目实施

      活动流程: 

1.上网搜索并学习物联网的知识。

2.构思故事的内容。

3.组织团队。

4.团队合作,确定故事的内容和演讲的方式。

5.进行演讲。

      (一)构思 

      1.什么是物联网?

 

 

      2.未来的战争会是怎样的场景?

 

 

 

      (二)设计 

      1.故事的设计

 

 

      2.寻找组员

 

 

      3.完成项目的过程

 

 

      4.记录的手段和工具

 

 

      (三)实施 

      1.充分的知识、思维准备。

      2.小组集思广益的讨论,班级的交流。

      3.观察、记录活动的过程。

 

 

      (四)评价 

      1.我们小组的故事有没有给同学们留下深刻的印象?创意在哪里?

 

 

 

      2.在初次小组合作中,我们小组:

  

       

A

比较融洽,全都热情投入。

B

有点松散,但还是完成了项目。

C

不太理想,个别同学游离在活动外。

 


模块二认识传感器 

知识导航 

一、传感器

      传感器是一种能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息按一定规律变换成电信号或其他所需形式信号的器件或装置。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 

      人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。但是,单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律以及生产活动时,它们的功能就远远不够了。为了满足这些需求,就需要使用传感器。传感器目前涉及工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程,以及文物保护等极其广泛的领域。毫不夸张地说,传感器已渗透到我们现代生产的方方面面。 

      人们常将传感器的功能与人类五大感觉器官相比拟:光敏传感器——视觉;声敏传感器——听觉;气敏传感器——嗅觉;化学传感器——味觉;压敏、温敏、流体传感器——触觉。传感器技术目前正处于高速发展的阶段,新型传感器不断涌现,功能也越来越多,如生物免疫传感器、超导传感器等。 

二、红外探测模块

      红外探测模块包含两种器件:红外发射管和红外接收管,如图2-1所示。

      红外发射管可以发出红外线,红外线在遇到障碍后反射回来,红外接收管接收到被反射回来的红外线以后,发出电信号给信号处理器(主控板),这样就能“感知”前面有物体了。红外接收管和红外发射管要朝着同一个水平方向才能可靠工作。 

三、           超声波传感器

      超声波传感器由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成,换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成,换能器接收波产生机械振动,将其变换成电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超声波进行检测。超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

      超声波是振动频率高于20KHz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大,尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波,碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波应用有三种基本类型,透射型用于遥控器,防盗报警器、自动门、接近开关等;分离式反射型用于测距、液位或料位;反射型用于材料探伤、测厚等。 

 

实践活动 

一、项目任务

      制作能可靠工作的物体探测器。 

      在完成这个任务的过程中: 

      1.了解红外传感器的基本原理;

      2.在合作完成任务的过程中能发挥特长,积极承担任务,善于提出自己的观点

二、项目实施

      (一)构思 

      1.仔细观察,日常生活中用到了哪些传感器?它们的工作原理是怎样的?在战场上能发挥怎样的作用?

 

 

 

      2.哪些传感器可以用来进行物体探测?

 

 

 

      3.探测到周围有物体,可以采取哪些措施?为什么?这种物体探测设备适用于哪些场合?

 

 

 

      (二)设计 

      1.物体探测设备的结构组成。

 

 

 

      2.物体探测设备可以搭载在哪些国防军事设施上使用,可以实现什么用途?

 

 

 

      (三)实施 

      1.搭建物体探测设备

      2.运行观察,记录数据,分析数据

      3.修改完善设备

      4.物体探测设备外形搭建

      5.物体控制设备的实际用途

      (四)评价 

      1.小组的作品成功了吗?碰到了哪些问题?是如何解决的?你有哪些收获?

 

 

 

      2.在这个项目中,别人对我的评价

  

        

A

积极主动,贡献很大

B

有一定作用

C

没起到什么作用

 


模块三算法设计 

知识导航 

一、算法

      简单地说,算法(Algorithm)就是解决问题的方法和步骤。其实,我们日常生活中也经常使用算法,只是没意识到罢了。例如,我们到超市购物,首先确定要购买的东西,然后进行挑选、比较,最后到收银台付款,这一系列活动实际上就包含着算法。解决问题的过程,就是实现算法的过程。 

      算法具有以下特征:有穷性、确定性、可行性、输入性(有零个或多个输入)、输出性(至少产生一个输出)。 

      算法是程序设计的“灵魂”,世界著名计算机科学家尼克劳斯·沃思(N.Wirth)指出:算法+数据结构=程序,可见,算法在程序设计中具有多么重要的地位。 

      算法独立于任何具体的程序设计语言,一个算法可以用多种程序设计语言来实现。解决同一个问题可能有多种算法,算法有优劣之分。 

二、程序的基本结构

      程序可以分为三种基本结构:顺序结构、选择结构和循环结构。 

      顺序结构的程序在运行时由上到下逐行执行,如图3-1所示。 

      选择结构(分支结构)的程序在运行时会根据不同的条件决定程序的走向,如图3-2所示。 

      循环结构的程序在运行时会重复执行某一段程序代码,如图3-3所示。 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


实践活动 

一、项目任务

      制作一辆智能小车——雷霆号,并进行交流、展示。 

      在完成这个任务的过程中: 

      1.设计“雷霆号”智能车的基本功能和控制方法。

      2.掌握“观察现象——发现问题——分析原因——尝试解决”的程序调试方法,提高解决问题能力。

      3.在合作完成任务的过程中能发挥特长,积极承担任务,善于提出自己的观点,并能和组员友好相处。

二、项目实施

      (一)构思 

      1.什么是智能战车?

 

 

      2.你心中的智能战车是怎样的呢?

 

 

      3.画出你心目中智能战车的外型。

 

 

      4.智能战车在能发挥怎样的作用?为你的小车起一个更响亮的名字吧。

 

 

 

      (二)设计 

      1.设计智能战车的功能组件。

      2.搭建智能战车外型及电子模块。

      3.为智能战车设计算法及执行程序。

      (三)实施 

      1.用万向轮可以解决转向问题,万向轮放在前面和后面是否有区别?尝试多种实施方案,并在实施过程中找出最佳方案。

 

 

 

      2.观察智能战车能否可靠实现预期功能,如有问题,分析原因,尝试修改。

 

 

 

(四)评价

      1.小组制作的智能战车创意点在哪里?

 

 

 

      2.在活动中,遇到了什么问题?是怎样解决的?

 

 

 

      3.在小组合作中:

  

       

A

造型设计上有较大分歧

B

战车造型的设计很容易统一想法

C

制作小车时大家动手,速度很快

D

制作小车多数人插不上手


模块四外型设计 

知识导航 

一、        设计的一般原则


(一)             创新原则

(二)             实用原则

(三)             经济原则

(四)             美观原则

(五)             道德原则

(六)             技术规范原则

(七)             可持续发展原则


二、3D打印机

     点的连续移动形成线,线的平面叠加形成面,面的叠加形成体。3D打印机就是根据事先生成的文件不断地按需要打印出0.1mm左右的薄面,粘合叠加,生成立体的实物。 

     3D打印的过程:先用计算机的相应软件建模,把生成的3D(三维)模型切片(分成逐层的截面,就像做CT,分层扫描),再让打印机逐层打印。

     打印机的喷头可以在两根导轨上移动,有色塑料线(也可以是金属、陶瓷等)经过加热的喷头,变成细小的、热溶解的塑料粒子按需要再粘合凝固一成为一薄层实物。 

     3D打印机可以生产大到房子,小到人体内部的“零件”,任何复杂开关的设计几乎都可以用3D打印机来实现。3D打印机生产的物品可以是塑料、金属和陶瓷,也可以是橡胶。在创新活动中,3D打印机是实现想象和创意设计的好工具。

 

实践活动 

一、项目任务

      设计制作智能战车3D作品。 

      在完成这个任务的过程中: 

(一)了解3D打印的基本原理。

(二)体验建模软件实现想象的过程。

二、           项目实施

      (一)构思 

      1.小组讨论未来智能战车的功能,可以运用怎样的外观结构来实现。

 

 

      2.绘制未来智能战车草图。

 

 

      (二)设计 

      1.使用3Done家庭版还原草图,为未来智能战车建模。

 

 

 

      2.草图构思是否能实现,如果不能,有什么解决方案。

 

 

 

      (三)实施 

      1.在打印建模过程中仔细观察,评估设计误差。

 

 

 

      2.使用3D打印机打印未来智能战车。

 

 

 

      (四)评价 

      1.在这项活动中,遇到了什么问题?是怎样解决的?

 

 

 

 

      2.在创造作品中:

  

        

A

有新颖的外观

B

应用有新意

C

是按已经有的物品在做

D

为今后的创造性活动开了头

E

创造性比较差


模块五分享交流 

知识导航 

一、懂得分享

      分享,是一种智慧的表现。将自己的快乐分享给他人,你就会收获两份快乐,将自己的忧愁告诉他人,你就会减少一半的忧愁。分享与付出一样,会得到回报,这回报可能是物质,也可能是精神的分享。重要的是,我们应该懂得分享。懂得分享的智慧。在学校里,当有同学问你请教问题时,我们应该积极地帮助,将自己所懂得的知识分享给他。他明白了知识,懂得了道理;你的知识更加扎实,你的道理更加明晰。温故而知新,不亦乐乎!  

      分享,是一种胸襟的坦露。分享,需要有一个阔达的胸襟,不许较得失,不在意是否有回报。心胸狭隘的人不懂得分享,因为他们总在意自己的得失,在意自己的分享是否有物质的回报。他们不愿“舍”,却整日想着“得”。“舍得”有舍才有得,只有胸襟豁达的人才能做到“舍得”懂得分享。在学校,有些同学总是担心别人的成绩超过自己,当有人向他们求教时,也会假装不知道,他们自以为守住了知识,守住了自已的“阵地”。殊不知在他们窃窃自喜时,他们失去坦荡为人的境界,失去了了助人为乐的快乐,失去了与人切磋的机会,到头来自己反而失去得更多。所以,分享,是一种胸襟的坦露。狭隘者不能体会。 

      分享,是一种心灵的交融。陶渊明的“奇文共赏析,疑义相与析”是一种文人间精神的分享。居里夫人把她的发现无保留地奉献给整个世界,是科学家与整个人类的共享。我们与同学谈论时事,品读美文,探究问题,我们在分享我们的所学所得所感。我们与朋友探讨人性,关注生态,互诉心曲,我们在分享我们的生活。因为分享我们的心灵得以交融。 

       “赠人玫瑰,手有余香”,懂得分享很重要,学会分享更是一门重要的课程。因为分享,是一种智慧的体现,分享,是一种胸襟的坦露;分享,更是一种心灵的交融。 

二、如何做分享

      (一)内容的准备 

      选材的形式可以是一部影片、一本书、一段文字,甚至是一句话,但是要拓展开来,往深处挖掘,结合自己在日常生活中的一些经验、经历和感想,引发大家的思考。从表面上来看,分享的仅仅是一部电影、一本书、一段文字,实际上在我们往素材中融入了自己的思考和想法之后,这个分享本身是对自己价值观、人生观的一种分享。 

      (二)内容的展示形式 

      视频+PPT讲解+生活中的实例分析 

实践活动 

一、项目任务

      分享学习成果及本组的物联网创意作品 

      在完成这个任务的过程中: 

(一)你知道什么是“开源”吗?

 

(二)思考“分享”、“交流”在设计中的重要作用。

 

三、           项目实施

      (一)构思 

      1.选择一种做分享的形式,如讲故事、看视频短片、演小品等

 

      (二)设计 

      1.创作、细划分享过程

 

 

      (三)实施 

      1.学习其他小组的分享形式,思考分享的内容组成与技巧,并进行记录。

 

 

      2.将小组的分享形成作品,可以是多种形式,如演讲稿、视频短片、创意小品。

 

 

      (四)评价 

      在物联网创新设计课程中,我收获了什么?(100字小短文) 


  

高中国防教育课堂教学评价表 

课题名称___________   讲课人________   日期______     评课人_________

评价项目

       

合计

60

教师

素质

6

能熟练运用数字化工具组织教学,语言运用得体、规范。

2

教学基本功扎实,教学技能娴熟;课堂调控能力强。

2

教态亲切自然;教师有较强的感染力。

2

教学

目标

4

目标明确,符合学生实际和教学要求。注重对学生情感态度、学习方法的培养。

4

教学

设计

8

教学没计能根据学生实际,创造性地开发和使用教材

3

课堂设计有层次,能为不同学生的发展提供空间,难度适合学生水平,可操作性强。(具体教师教案)

5

 

 

34

 

课堂活动以学生为中心,注意创设民主、平等、积极的自主学习氛围,在整个教与学的过程中扮演好不同的角色

 

6

关注学生学习过程和学生的个体差异,尊重学生的学习结果和独特的情感体验

6

能不断鼓励学生参与积极的、有意义的创新实践活动

6

教学方法恰当有效,活动形式有趣、多样,能在具体的

创新实践活动中进行各项目标能力的培养

6

教学思路清晰,教学疏密适度,过渡自然,符合学生的认知规律

5

能有效运用多种教学媒体进行教学

5

教学

效果

特色

8

不同层次的学生都有收获,教学实效高,学生身心愉悦

6

教学在某个方面有独到之处

2

40

 

自主

15

积极、主动的参与学习全过程,思维活跃,活动时情绪高涨

15

合作

10

积极参与小组活动,乐于与同学合作,乐于帮助并懂得寻求帮助

10

探究

15

善于思考,勇于进行语言实践,能主动表达自己的不同看法,有进一步学习的愿望

15

等级

建议

注:A 100-85    B 84-75     C 74-60   D60以下


参考文献

1. 应丹辉主编. 科技创新课程.物联网:初中版[M].上海:上海科学技术出版社,2016.1

2.陈少华主编.物联网+STEAM未来教育[M].宁波:宁波出版社,2016.8

3.张海霞编著.奇思妙想的物联网:2012年中国大学生物联网创新创业大赛获奖作品[M].北京大学出版社,2013.6

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