無人機蜂群定位——分布式記賬

彭玉兵 中國人民大學附屬中學實驗小學信息技術教師，中級教師。從事教育工作19年，曾榮獲北京市海淀區(qū)“四有教師”“信息技術學科骨干教師”等多項稱號。擅長創(chuàng)客、人工智能、信息學等科技項目，獲CCF NOI指導教師資質。撰寫的科研論文多次獲國家級、市級一、二等獎。

教學背景

教育部印發(fā)的《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》指出：創(chuàng)意物化，學會運用信息技術，設計并制作有一定創(chuàng)意的數(shù)字作品。區(qū)塊鏈技術因其數(shù)據(jù)難以篡改、去中心化的特點，贏得了很多人的青睞，并得到了廣泛應用。近幾年興起的無人機蜂群表演，演示效果非常震撼，絢麗多彩，但也發(fā)生了多起無人機非正常墜毀事故。本項目基于小學生的認知特點，結合區(qū)塊鏈技術的分布式記賬方法，引導學生逐步探究如何利用分布式記賬解決無人機蜂群編隊飛行表演的穩(wěn)定性問題，深刻體會分布式記賬安全、可靠的特點。

本項目基于開源硬件的設計與開發(fā)，有益于激發(fā)學生創(chuàng)新的興趣，培養(yǎng)學生動手實踐的能力。通過學習，學生能夠利用開源硬件及相關資料，完成作品編程設計，初步形成以信息技術學科方法觀察事物和求解問題的能力，提升計算思維與創(chuàng)新能力。

教學目標

1.理解分布式記賬原理，學會使用無線鍵值對發(fā)送、接收模塊。

2.完成無人機蜂群定位信息收發(fā)任務。

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

4.培養(yǎng)學生使用編程技術解決問題的能力，培養(yǎng)信息技術服務生活的意識。

教學重點與難點

教學重點 學會無線鍵值對發(fā)送、接收模塊的使用方法。

教學難點 理解并學會運用區(qū)塊鏈技術的分布式記賬原理。

教學準備

PPT課件、Micro：bit開發(fā)板及其電池、USB數(shù)據(jù)線、無人機教具等。

教學過程

一、回顧舊知，引出新知

師：同學們，我們都看過無人機蜂群表演，它們以夜空為幕、熒光為筆，非常震撼。本節(jié)課我們就來嘗試設計無人機蜂群表演程序。

學生自行分組，3～5人為一組。教師在教室內設置1～20個無人機表演的位置，并發(fā)布任務：請將本組無人機位置信息發(fā)送到地面接收中心，要求為按B鍵即可發(fā)送。

板書：一對一單向 磁扣○→○

學生回顧上節(jié)課知識，明確發(fā)送任務：無人機發(fā)送位置信息，地面接收中心負責接收信息。

教師引導學生關注接收結果，學生注意觀察是否成功發(fā)送本組的無人機位置信息到地面接收中心。

教師提出問題：接收的無人機位置信息非?；靵y?；靵y的原因是發(fā)送、接收的模型已經(jīng)變成了多對一模型。

板書：多對一單向 磁扣○→○←○

學生用可視化方法移動磁扣的擺放位置，擺畫出多對一模型。教師趁勢引出需要增加用于身份識別的字符串。

學生思考討論并嘗試解決問題。教師提出可以使用行列命名法來標示教室內的無人機名稱，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。

設計意圖：學生先使用熟悉的舊知識完成無人機位置信息的發(fā)送，然后發(fā)現(xiàn)接收中心因為接收信息亂而無法識別每臺無人機的位置，產生認知沖突。隨后教師引導學生分析問題，通過擺畫磁扣，理解從“一對一單向”到“多對一單向”通信的變化，經(jīng)過討論確定使用行列命名法發(fā)送無人機名稱信息。

二、問題探究，學習新知

師：請大家用行列命名法編寫無人機名稱信息，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。

學生分析任務，練習使用行列命名法來標示無人機，編寫程序實現(xiàn)并演示，如圖1。

教師提出新問題：然而不幸的是，近幾年總有無人機在表演時因突發(fā)故障而“炸機”，有資料顯示無人機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受到干擾，影響對無人機的控制。如果要解決這個弊端，我們該怎么辦？

學生思考并討論。

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

設計意圖：學生通過思考討論，找出發(fā)送無人機“名稱+位置”的方法，學習新知識——無線發(fā)送“字符串”+“數(shù)字”鍵值對。教師引入新問題，地面接收中心信號受干擾，造成無人機相撞墜落，使學生認知再次產生沖突，由此引導學生討論一個接收中心的弊端，引入多對多通信，生成多個接收中心，記錄無人機蜂群的位置。

三、探究思考，突破難點

教師提出問題：請同學們思考，怎樣改動模型生成多個接收備份中心？

教師指導學生用磁扣擺畫出多對多通信的方法模型，如圖2，完成思維的可視化，強調安全傳輸無人機位置信息的重要性。

學生了解從“多對一單向通信”到“多對多雙向通信”的變化，觀察到接收中心這一節(jié)點消失了，形成了分布式的記賬樣式。

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

學生按照任務要求，修改程序，如圖3，然后小組合作完成無人機飛行表演任務。學生分別以小組為單位離開座位，移動到教室內的不同位置，到達位置后發(fā)送自己無人機的名稱及位置信息給同伴，填寫無人機表演位置學習單，見右表。

設計意圖：經(jīng)過教師講解、學生模擬演示等環(huán)節(jié)，學生完成多對多通信的程序設計，分組進行無人機多點飛行及發(fā)送、接收信息的任務，潛移默化地體驗多對多的記錄方法帶來的優(yōu)勢，培養(yǎng)解決問題的能力和計算思維。

四、展示交流，總結提升

師：這種多對多的記錄方法我們稱為分布式記賬。對比中心式記賬，你能說說它們分別具有哪些優(yōu)缺點嗎？

板書：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，學生直觀感受兩種記賬方法的特點。

小組匯報無人機表演學習單，談談自己對分布式記賬安全、可靠等特點的理解。安全——信息發(fā)送和接收過程由多個無人機共同參與，即便個別無人機存儲的信息被破壞，仍然會被其他無人機成功校驗?？煽俊鄠€小組都記錄了同一個無人機發(fā)送的位置消息，更可信。

教師總結：信息技術是我們生活中的好助手，應用分布式記賬這一新的信息技術可以增強無人機的表演穩(wěn)定性，也方便了我們的生活。

設計意圖：通過對比分析，讓學生理解了分布式記賬與中心式記賬的優(yōu)缺點。再通過學習單的匯報驗證，以事實證明分布式記賬安全、可靠的特點，加深學生對“多對多雙向通信”優(yōu)勢的理解，體驗信息技術服務于生活所帶來的便利。

實踐反思

本課基于真實情境，由學生發(fā)現(xiàn)問題、提出解決方案、優(yōu)化解決方案，整個過程都是在探究發(fā)現(xiàn)中展開。通過層層遞進的任務引發(fā)學生認知沖突，并體會到分布式記賬的優(yōu)勢。最后教師引導學生辯證思考，辨析兩種記賬方式的優(yōu)缺點，關注信息的安全性和可靠性。

課中注重培養(yǎng)學生的高階思維和計算思維，從導入到實踐再到課堂總結，體現(xiàn)了項目式學習的連貫性，以及學習活動難度的螺旋上升、逐步深入的邏輯特點。由于小學生對抽象知識難以理解，必須對區(qū)塊鏈這種新技術追本溯源，所以筆者特意設計容易理解的分布式記賬場景和方法幫助學生理解接受。整節(jié)課學習思路清晰，依次按一對一、多對一、多對多通信的知識點層層遞進，突破重難點，完整地體現(xiàn)了在探究中學技術的合理性。另外，課中開展小組合作學習，提升了學生的組織能力和團結協(xié)作能力。