15.3 现代通信技术及其发展前景 教学设计 2026-2027学年物理北师大版九年级全一册

该初中物理教学设计聚焦现代通信技术及其发展前景，涵盖移动通信、网络通信、光纤通信、卫星中继通信及发展前景等核心内容。通过通信方式演变（古代到数字化）的情境导入，衔接前两节电磁波知识，搭建从生活经验到原理探究的学习支架。 此资料以核心素养为导向，物理观念上解析通信原理，科学思维上通过分类比较（网络通信四类）和推理（“鹊桥”中继星案例）培养能力，科学态度上结合北斗、“墨子号”等成就增强民族自豪感。采用情境教学、合作探究等方法，配合光纤模型等教具，助力学生联系生活实际提升探究能力，为教师提供结构清晰、重难点突出的教学支持。

15.3 现代通信技术及其发展前景 课题 15.3 现代通信技术及其发展前景 课型 新授课 课时 1课时 教材版本 北师大版（2024）九年级全一册 教学方法 讲授法、合作探究法、小组讨论法、情境教学法 教学用具 多媒体课件、光纤实物或模型、通信技术发展时间轴挂图 教材分析：本节是第十五章“电磁波与通信技术”的第三节，前两节已学习了电磁波的产生、传播及其基本特性（波长、频率、波速的关系c=λf），以及电磁波在广播、电视等领域的应用。本节在电磁波基础知识的基础上，系统介绍五大现代通信技术——移动通信、网络通信、光纤通信、卫星中继通信和通信技术的发展前景，使学生认识电磁波在现代信息社会中的核心作用，了解通信技术如何深刻改变人类的生产生活方式。本节知识综合性较强，涉及物理原理与工程应用的结合，体现“从物理走向社会”的课程理念。 学情分析：学生已经学习了电磁波的基本概念（电磁波的产生、波长、频率和波速的关系c=λf），知道电磁波可以在真空中传播且传播速度等于光速，对电磁波在广播和电视中的应用有了初步了解。在日常生活中，学生每天都在使用手机、Wi-Fi、蓝牙等通信工具，但对这些通信技术背后的物理原理缺乏深入认识。学生对本节内容有较强的好奇心和求知欲——“我的手机信号是怎么传到对方手机的？”“光纤为什么比电缆快？”“卫星怎样实现全球通信？”这些贴近生活的问题能够激发学生的学习兴趣。本节课将通过知识讲解、技术分析、对比归纳等方式，帮助学生建立现代通信技术的整体知识框架。 一、核心素养目标 （一）物理观念 理解移动通信的基本工作原理，知道移动台（手机）既是发射机又是接收机，发射功率小，需依靠基地台和交换中心完成通信转接。 了解网络通信按覆盖范围的四种分类方式——个域网（PAN）、局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN），并能举例说明各类网络的应用场景。 理解光纤通信的原理——光作为电磁波在光导纤维内壁多次反射进行传播，知道光纤具有绝缘、不怕雷电高压、抗干扰能力强等特点。 理解卫星中继通信原理——地球静止轨道卫星（赤道上空36000 km的圆形轨道）通过中继方式实现远距离通信，知道用三颗地球同步卫星即可实现全球通信。 （二）科学思维 能通过对比分析移动通信、光纤通信和卫星中继通信的工作原理，归纳不同通信技术的适用场景和技术特点，培养分类比较的科学思维方法。 能根据通信覆盖范围的不同，运用分类思想将网络通信划分为PAN、LAN、MAN、WAN四个层次，理解分类标准与层级关系。 能通过分析“鹊桥“中继星解决月球背面通信问题的案例，推理中继通信在特殊场景中的应用逻辑，培养科学推理能力。 （三）科学探究 通过查阅资料或观看演示视频，探究北斗卫星导航系统的功能及其在国家安全、交通运输、民生消费等领域的应用。 结合生活实例，调查身边的网络通信方式（Wi-Fi、蓝牙、4G/5G等），了解不同通信技术在日常生活中的具体应用。 （四）科学态度与责任 通过了解我国在光纤主干通信网、北斗卫星导航系统、“鹊桥“中继星和“墨子号“量子科学实验卫星等领域取得的重大成就，增强民族自豪感，树立科技报国的意识。 认识到通信技术是推动社会数字化演进的核心驱动力，理解5G、物联网、人工智能等前沿技术对学习、工作和生活方式的深刻影响。 关注量子保密通信等前沿通信技术的发展，体会科学技术对国家信息安全和社会发展的战略意义。 二、教学重难点 教学重点：各类现代通信技术（移动通信、网络通信、光纤通信、卫星中继通信）的工作原理与特点；现代通信技术的发展前景及对社会的影响。 教学难点：移动通信中基地台与交换中心的协作原理；卫星中继通信的中继原理（三颗地球同步卫星覆盖全球）；理解不同通信技术的适用场景及技术优势的差异。 三、教学过程 （一）情境导入——通信方式的演变（约5分钟） [教师活动]同学们，想象一个场景：你在北京给远在纽约的朋友打视频电话——画面清晰、声音同步、几乎没有延迟。从几千年前古人只能用烽火台传递预警信号到今天能用手机实现全球实时视频通信，人类的信息传递方式经历了怎样翻天覆地的变化？我们现在每天使用的这些通信技术，背后究竟蕴含着哪些物理原理？今天这节课，我们就来系统学习现代通信技术及其发展前景。 [学生活动]学生结合自身使用手机、上网等生活经验，思考通信技术的演变过程。 [设计意图]以全球视频通话这一贴近学生生活的场景切入，引出通信技术发展这一主线，激活学生已有的生活经验和好奇心，建立“通信技术演变”的学习框架。 [教师活动]在正式进入现代通信技术的学习之前，我们先来回顾一下人类信息传递方式的演变历程。大家想想——在古代，我们的祖先是怎么传递信息的？ [学生活动]学生讨论回答：烽火台、驿站快马、飞鸽传书、击鼓传声等。 [教师活动]烽火台利用光信号传递信息，这是最古老的光通信方式之一。驿站快马和飞鸽传书则是通过实物的运输来传递文字信息。这些方式的共同局限是什么？ [学生活动]学生回答：速度慢、信息量少、受距离和天气限制。 古代信息传递方式 现代社会传递信息的方式 各种现代通信方式对比 [教师活动]进入现代社会，信息传递方式发生了质的飞跃。最早的现代通信方式是纸张通信——书信和报纸，将文字大量复制和远距离传递。随后出现了有线通信——电话、电报、电视，利用导线传输电信号。再后来是无线通信——收音机、对讲机，利用电磁波在空间中传播信息。到今天，我们进入了数字化通信时代——互联网、数字电视，信息以数字信号的形式高速传输。这四种方式，体现了通信技术从%s模拟到数字%s、从%s有线到无线%s、从%s低速到高速%s的发展脉络。 [学生活动]学生观看图片，梳理通信方式的四个阶段：纸张通信→有线通信→无线通信→数字化通信，理解通信技术的发展方向。 [知识点]信息传递方式的演变：古代（烽火台、驿站、飞鸽传书）→纸张通信（书信、报纸）→有线通信（电话、电报、电视）→无线通信（收音机、对讲机）→数字化通信（互联网、数字电视）。核心趋势：模拟→数字，有线→无线，低速→高速。 [过渡语]在这五种现代通信方式中，和我们日常生活关系最密切的，毫无疑问是手机——也就是移动通信。那么，我们用手机打电话、发信息的时候，信号是怎样从一个手机传到另一个手机的？移动通信系统是怎样工作的？让我们进入第一个知识点。 （二）知识点一：移动通信（约12分钟） 移动通信技术示意图 环节1：电话交换机的发展历程 早期人工交换机 电磁继电器控制交换机 程序控制电话交换机 [教师活动]移动通信是从固定电话通信发展而来的。最早的固定电话通信需要人工接线——大家请看早期的人工交换机：每个电话用户都有一条线路连接到电话局的交换机上，话务员通过插拔线的方式进行人工接续。这种方式的效率非常低，尤其当用户数量增多时，接线工作就变得极其繁重。 [学生活动]学生观察人工交换机图片，理解人工接线方式的局限性——用户越多、接线越复杂。 [教师活动]为了提高效率，人们发明了电话交换机。在电磁继电器控制交换机中，电话用户通过拨号盘发送脉冲信号，交换机中的电磁继电器根据脉冲自动完成线路的接通。这实现了从%s人工接续%s到%s自动交换%s的跨越。再后来，随着计算机技术的发展，出现了程序控制电话交换机——由计算机程序控制线路的接通与断开，交换速度更快、容量更大、功能更丰富。 [学生活动]学生理解电话交换机的三代发展：人工交换机→电磁继电器控制交换机→程序控制电话交换机，体会自动化水平的逐步提高。 [知识点]电话交换机发展：早期人工交换机（话务员手动接续）→电磁继电器控制交换机（拨号脉冲自动接通）→程序控制电话交换机（计算机程序控制，速度更快、容量更大）。 环节2：移动台（手机）的双重身份 移动台（手机）的双重身份示意图 [教师活动]进入移动通信时代，我们的手机——在通信技术中称为%s移动台%s——有什么特殊之处？移动台具有双重身份：它既是发射机，又是接收机。也就是说，手机既能向外发射电磁波信号（发射机功能），也能接收来自基站或其他手机的电磁波信号（接收机功能）。但请大家注意一个关键问题——手机的发射功率很小。这意味着什么？ [学生活动]学生思考后回答：手机本身没有交换能力，不能直接和远处的另一个手机通信，必须依靠基地台和交换中心来转接。 [教师活动]分析得完全正确。手机发射功率小，信号覆盖范围有限，无法直接完成远距离通信。它需要基地台——也就是我们生活中常见的通信基站铁塔——来接收手机的发射信号，再通过交换中心找到通话对象所在的基地台，最终完成信号的传递。手机的“双重身份”和“无交换能力”这两个特性，是理解移动通信工作方式的关键。 [知识点]移动台（手机）：双重身份——既是发射机又是接收机。发射功率小，无交换能力，需依靠基地台和交换中心转接通信。 环节3：移动通信的基本工作过程 移动通信工作过程示意图 [教师活动]我们来梳理移动通信的核心工作过程，一共分为四步。第一步：手机1发射信号，这个信号以电磁波的形式在空间中传播，被离手机1最近的基地台1接收。第二步：基地台1接收到信号后，通过光缆将信号传递到交换中心——交换中心是整个移动通信系统的“大脑“，它负责判断和调度。第三步：交换中心根据被叫号码寻找通话对象手机2所在的位置，确定离手机2最近的基地台2，然后通过光缆将信号传到基地台2。第四步：基地台2将信号以电磁波的形式发射出去，最终传递给手机2。四步完成，一次通话就实现了。 [学生活动]学生跟着教师的讲解，逐步理解移动通信四步工作流程：手机1→基地台1→光缆→交换中心→光缆→基地台2→手机2。 [教师活动]请大家注意这个过程中的两个关键点。第一，手机之间不直接通信——手机只和基地台通信，基地台之间的中转通过光缆和交换中心完成。第二，交换中心的核心功能是%s寻找%s——它要知道被叫手机当前连接到哪个基地台，才能把信号正确地转发过去。这一机制和固定电话的交换原理一脉相承，只不过现在交换的是移动中的手机。 [学生活动]学生在笔记本上绘制移动通信四步工作过程的简易流程图。 [知识点]移动通信基本工作过程（四步）：①手机1发射信号→②最近基地台1接收，经光缆传至交换中心→③交换中心查找手机2，经光缆传至离手机2最近的基地台2→④基地台2将信号传给手机2。手机之间不直接通信，交换中心负责查找和转发。 环节4：生活中常见的移动通信设备 生活中常见的移动通信设备 [教师活动]除了手机以外，生活中还有很多移动通信设备。请大家根据图片和自己的经验举例。 [学生活动]学生列举：智能手机、平板电脑、智能手表、对讲机、车载通信设备、移动Wi-Fi热点等。 [教师活动]这些设备虽然形态各异，功能也不同，但都遵循同一个基本原理——通过发射和接收电磁波来实现信息传递，都属于移动通信的范畴。其中智能手机是功能最全面、使用最广泛的移动通信终端。 [知识点]常见移动通信设备：智能手机、平板电脑、智能手表、对讲机、车载通信设备、移动Wi-Fi热点等。核心原理：通过发射和接收电磁波实现信息传递。 [移动通信核心要点]移动台（手机）双重身份：发射机+接收机。发射功率小→无交换能力→需基地台和交换中心。四步通信流程：手机→基地台→交换中心→基地台→手机。交换中心是“大脑“，负责查找和转发。 [过渡语]移动通信解决的是“点对点”的通话问题——一个手机和一个手机之间的通信。但在我们工作学习的场景中，多台设备之间还需要互相连接、共享资源和信息——这就是网络通信要解决的问题。 （三）知识点二：网络通信（约8分钟） 网络通信示意图 [教师活动]网络通信是指将多台计算机或其他设备通过通信线路连接起来，实现资源共享和信息传递的技术。根据网络覆盖的地理范围不同，网络通信分为四种类型：个域网、局域网、城域网和广域网。这是一个从“近到远”、从“小到大”的分类体系，我们逐一来看。 环节1：个域网（PAN） [教师活动]个域网——英文缩写PAN（Personal Area Network），覆盖范围最小，通常只有几米到十几米。它的作用是连接近距离的个人数字设备。最典型的例子是什么？ [学生活动]学生回答：蓝牙！用蓝牙把手机和电脑连接起来传文件，就是典型的个域网应用。 [教师活动]对。蓝牙耳机连接手机、手机通过蓝牙连接智能手表、手机和笔记本电脑之间的文件传输——这些都是个域网的应用场景。个域网的特点是覆盖范围小、设备数量少、连接方便快捷。 [知识点]个域网（PAN）：覆盖范围最小（几米到十几米），连接近距离个人数字设备。典型应用：蓝牙连接手机和电脑、蓝牙耳机、智能手表。 环节2：局域网（LAN） [教师活动]局域网——英文缩写LAN（Local Area Network），覆盖范围比个域网大，通常覆盖一个建筑物或一个校园。我们学校的计算机教室、教师办公室里的电脑网络就是局域网。局域网通过交换机和服务器来实现设备的连接和管理。交换机负责数据在设备之间的转发，服务器负责提供文件存储、打印、上网等共享服务。 [学生活动]学生思考学校计算机教室的网络结构——所有电脑通过网线连接到交换机，再通过交换机连接到服务器和外部网络。 [教师活动]局域网是我们在学校和工作场景中最常接触到的网络类型。它的优点是传输速度快、安全性高、管理方便。 [知识点]局域网（LAN）：覆盖一个建筑物或校园（较近范围），通过交换机和服务器连接。典型场景：学校计算机教室、办公楼内部网络。 环节3：城域网（MAN） [教师活动]城域网——英文缩写MAN（Metropolitan Area Network），覆盖范围扩展到一个城市或一个地区，是一种高速网络。它的传输速度比局域网更快，覆盖范围比局域网更广。城域网通常由电信运营商建设和管理，为城市范围内的政府机构、企业、学校等提供高速网络接入服务。 [学生活动]学生理解城域网是“城市级“的网络，规模介于局域网和广域网之间。 [知识点]城域网（MAN）：覆盖一个城市或地区的高速网络，由电信运营商建设管理，为城市范围提供网络接入服务。 环节4：广域网（WAN） 广域网拓扑图 [教师活动]广域网——英文缩写WAN（Wide Area Network），覆盖范围最广，可以跨越多个城市、多个国家甚至覆盖全球。大家每天使用的互联网就是最典型的广域网。广域网由无数个局域网和城域网通过通信线路相互连接而成，形成一个覆盖全球的巨型网络。 [学生活动]学生意识到：原来每天都在使用的互联网，本质上就是一个覆盖全球的广域网——无数个局域网和城域网连接在一起的“网络的网络”。 [教师活动]对。互联网这个中文翻译非常贴切——“互”是相互连接，“联”是联结成网，“网”是网络。无数个网络相互联结，形成了覆盖全球的信息基础设施。 [知识点]广域网（WAN）：覆盖多个城市、国家甚至全球。互联网是典型的广域网——无数局域网和城域网相互连接而成的全球性网络。 [网络通信四类对比]PAN（个域网）：几米到十几米，蓝牙连接个人设备。LAN（局域网）：一栋楼或校园，交换机+服务器。MAN（城域网）：一个城市，电信运营商管理的高速网。WAN（广域网）：全球，互联网是典型代表。从PAN→LAN→MAN→WAN，覆盖范围逐级扩大。 [过渡语]网络通信中的信息是靠什么传输的呢？我们刚才在讲移动通信时提到，基地台之间是用光缆连接的。光缆——也就是光纤通信——是现代通信网络的“骨干“。它的传输速度和容量远远超过传统的电缆。那么光纤为什么这么快？它的工作原理是什么？ （四）知识点三：光纤通信（约8分钟） 环节1：光也是一种电磁波 [教师活动]前面我们学过，电磁波包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等。光——无论是我们肉眼能看到的可见光还是看不见的红外线、紫外线——本质上都是电磁波。大家还记不记得电磁波的波长、频率和波速之间的关系？ [学生活动]学生回答：c = λ f，电磁波的波速等于波长乘以频率。 [教师活动]对。可见光的波长只有几百纳米，比无线电波的波长（几米到几千米）要短得多。根据这个关系——波速c是恒定的，波长越短，频率就越高。频率越高意味着什么？ [学生活动]学生回答：频率越高，同样时间内能够变化的次数越多，能携带的信息量就越大。 [教师活动]分析得完全正确。这就是光纤通信的理论基础——被调制的光能够携带比无线电波更多的信息。这个设想很早就被科学家提出了，但直到激光器诞生之后才真正实现。为什么需要激光？因为普通光源发出的光方向杂乱、频率不单一，无法用来传输信息。激光具有方向性好、单色性好（频率单一）、亮度高的特点，是理想的信息载体。 [知识点]光纤通信基本原理：光也是电磁波，可见光波长仅几百纳米，远小于无线电波。波长越短→频率越高→能携带的信息量越大。激光器诞生后，这一设想得以实现——激光方向性好、单色性好、亮度高，是理想的信息载体。 环节2：光纤的特点与工作原理 光纤实物图 光在光纤内全反射传播示意图 [教师活动]光纤——全称光导纤维——是一种非常细的玻璃丝或塑料丝。它的特点是：它是绝缘体，能传输高频光，不怕雷电和高压，抗干扰能力非常强。大家想想，为什么“绝缘体“对光纤来说是一个巨大的优势？ [学生活动]学生回答：因为一般电缆是金属导线，容易受到雷电和高压电的干扰。光纤是绝缘体，电磁干扰对它没有任何影响，所以信号质量特别好。 [教师活动]非常好。我们经常遇到这种情况——使用有线网络时，如果附近有大功率电器开关或者雷电天气，网络就会不稳定甚至断网。但光纤通信不受这些因素的影响。这就是光纤抗干扰能力强的原因。 环节3：光在光纤中的传播——全反射 [教师活动]那么光是如何在光纤中传输的呢？请大家注意——光携带信息，在光导纤维的内壁多次反射进行传播。这里的%s反射%s是一种特殊的反射——全反射。当光从折射率较大的介质（光纤芯）射向折射率较小的介质（光纤包层），且入射角大于临界角时，光不会折射出去，而是全部反射回来，继续在光纤芯中传播。经过无数次全反射，光信号就能沿着光纤传输到很远的地方。 [学生活动]学生在脑海中构建光的全反射传播图像——光在光纤芯中像弹球一样不断反弹前进。 [教师活动]光纤的直径非常细——只有几微米到几十微米，但就是这根细细的玻璃丝，能同时传输几十万路电话信号。一根光纤的通信容量远远超过一根同样粗细的铜电缆——这就是光通信替代电通信的根本原因。 [知识点]光纤传播原理：光携带信息，在光导纤维内壁多次全反射进行传播。光纤直径极细（几微米到几十微米），但容量极大——一根光纤可同时传输几十万路电话信号。 环节4：光缆及其应用 光缆实物图 光缆铺设与应用场景 [教师活动]将若干光纤集成束，外面包上保护层，就成为光缆。光缆一般都铺设在地下管道中，特别适用于远距离通信。大家看这些图片——这是实际的通信光缆，里面有几十甚至上百根光纤。光纤通信的应用非常广泛：长途电话、有线电视、电视会议、互联网等等，都离不开光纤作为信息传输的“高速公路“。 [学生活动]学生了解光缆是光纤集成束加保护层形成的通信干线，铺设在地下管道中。 [教师活动]我国已经建成了以光缆为主体的主干通信网。这意味着我们国家的通信基础设施中，光纤是“主动脉“——全国的信息传输主要依靠光纤网络。这个成就为我国的信息化建设奠定了坚实的基础。 [知识点]光缆：若干光纤集成束，外包保护层。铺设在地下管道中，适用于远距离通信。应用：长途电话、有线电视、电视会议、互联网等。我国已建成以光缆为主体的主干通信网。 [光纤通信核心要点]原理：光（电磁波）波长极短→频率极高→信息容量极大。传播：光在光纤内壁多次全反射。特点：绝缘体，不怕雷电高压，抗干扰极强。光缆：光纤束+保护层，地下管道铺设。我国以光缆为主体建成主干通信网。 [过渡语]光纤通信依靠的是铺设在地下的光缆。但如果两个通信点之间隔着辽阔的海洋或者无法铺设光缆的复杂地形，光纤就无法发挥作用。这时候我们需要什么？我们需要把通信“中继站“搬到天上——这就是卫星中继通信。 （五）知识点四：卫星中继通信（约10分钟） 地球静止轨道卫星示意图 [教师活动]卫星中继通信，简单来说就是用人造卫星作为太空中无线通信的中继站。通信卫星接收地面发射来的微波信号，经过放大后再发回地面，实现远距离通信。那么，卫星要怎样运动才能稳定地作为中继站呢？ 环节1：地球静止轨道卫星 [教师活动]通信卫星需要与地球保持相对静止——也就是说，从地面上看，这颗卫星始终固定在天空中的同一个位置，不会移动。这样的卫星叫作“地球静止轨道卫星”。它需要满足什么条件？第一，发射到赤道上空36000 km的高度。第二，轨道是圆形轨道，与赤道平面共面。第三，卫星绕地球一周的时间与地球自转一周的时间相等——大约24小时——并且方向相同。三个条件同时满足，卫星就能与地球保持相对静止。 [学生活动]学生理解地球静止轨道的三个条件：高度36000 km、赤道平面共面圆形轨道、周期等于地球自转周期且方向相同。 [教师活动]我国发射的“东方红二号“通信卫星就是一颗地球静止轨道卫星。它的成功发射标志着我国具备了自主发射和运营通信卫星的能力。 [知识点]地球静止轨道卫星：赤道上空36000 km、与赤道平面共面的圆形轨道，绕地球一周时间与自转一周时间相等、方向相同，与地球保持相对静止。我国“东方红二号“通信卫星属于此类。 环节2：三颗地球同步卫星实现全球通信 三颗地球同步卫星实现全球通信示意图 [教师活动]一颗地球静止轨道卫星能覆盖地球表面大约三分之一的范围。那么，要覆盖全球需要几颗这样的卫星？ [学生活动]学生根据三分之一的范围推算：大约需要三颗。 [教师活动]对。在地球赤道平面上空均匀分布三颗地球同步卫星，每颗间隔120°，就可以实现全球通信。除了南北两极附近的极小区域，地球上任何一个地方都可以通过这三颗卫星中的至少一颗进行通信。这个方案在实际中得到了广泛应用——国际卫星通信组织就是利用三颗同步卫星建立了覆盖全球的卫星通信系统。 [知识点]用三颗地球同步卫星可以实现全球通信——在赤道平面均匀分布，每颗间隔120°，每颗覆盖地球表面约三分之一。 环节3：卫星中继通信的工作过程 [教师活动]卫星中继通信的具体过程是怎样的呢？假设地面A点要和一个很远的地面C点通信——A点和C点之间距离太远，一颗卫星也覆盖不到C点（C点在第一颗卫星的覆盖范围之外）。这时候就需要中继：第一步，地面A点向卫星1发送微波信号。第二步，卫星1接收信号，经过放大后，一方面向地面B点发送，同时向卫星2转发。第三步，卫星2接收来自卫星1的信号，经过放大后，向地面C点发送。这样，A点的信号就通过%s卫星1→卫星2%s的接力传递，最终到达了远处的C点。 [学生活动]学生跟随教师思路，理解中继通信的“接力“过程：地面A→卫星1→卫星2→地面C。 [教师活动]大家注意到了吗？这种方法类似于接力赛跑——每一棒传递给下一棒，最终跑完全程。所以在通信技术中，这种方式叫作“中继通信”。中继通信的核心就是通过中间节点的转发，延长通信距离。 [知识点]中继通信过程（类似接力赛跑）：①地面A向卫星1发送微波→②卫星1放大后向B点发送并向卫星2转发→③卫星2放大后向C点发送，实现远距离通信。核心：利用中间卫星转发信号，延长通信距离。 环节4：“鹊桥“中继星——月球背面的通信奇迹 [教师活动]卫星中继通信最激动人心的应用之一，是我国的“鹊桥“中继星。同学们想一想：月球总是以同一面朝向地球——我们在地球上永远看不到月球的背面。那么当月球的背面有探测器需要和地球通信时，信号被月球本身挡住了，怎么办？ [学生活动]学生思考：需要在月球背面和地球之间放一个“中转站“。 [教师活动]2018年5月21日，我国发射了“鹊桥“中继星。它运行在地月拉格朗日L2点附近的轨道上，作为地球与月球背面之间的通信“桥梁“。2019年1月3日，在“鹊桥“的支持下，嫦娥四号探测器成功在月球背面着陆——这是人类历史上首次在月球背面实现软着陆。 [教师活动]嫦娥四号还实现了人类首次月背与地球的中继通信，并传回了世界上第一张近距离拍摄的月背影像图。这三大“首次“——首次月背着陆、首次月背通信、首张月背影像——标志着我国迈进了航天强国的行列，是全体中国人的骄傲。 [学生活动]学生感受中国航天的伟大成就，激发民族自豪感和科学兴趣。 [知识点]“鹊桥“中继星（2018年5月21日发射）：解决月球背面与地球的通信问题。嫦娥四号（2019年1月3日）：人类首次月背着陆、首次月背与地球中继通信、首张月背表面影像图——我国迈进航天强国的重要标志。 [卫星中继通信小结]地球静止轨道：赤道上空36000 km，周期=自转周期。三颗卫星覆盖全球（每颗120°间隔）。中继原理：地面→卫星1→卫星2→地面（接力赛跑模式）。“鹊桥“：地月L2点，实现月球背面中继通信。“嫦娥四号“：人类首次月背着陆与中继通信。 [过渡语]前面我们学习了四种具体的现代通信技术——移动通信、网络通信、光纤通信和卫星中继通信。这些技术各自解决不同场景下的通信需求。现在我们把目光拉远，看一看现代通信技术整体的发展前景——未来会走向何方？ （六）知识点五：通信技术的发展前景（约8分钟） 我国通信基础设施建设成就 信息化时代的通信发展 现代通信技术发展前景 环节1：我国通信基础设施建设成就 [教师活动]首先来看我国通信基础设施的建设情况。目前，我国已经建成了以光缆为主体的主干通信网——这是一张覆盖全国的高速信息传输网络。同时，计算机和智能手机已经进入千家万户，计算机技术在通信领域的应用越来越广泛和深入。卫星电视也已经覆盖全国。这三项成就——光缆主干网、计算机和智能手机普及、卫星电视全覆盖——构成了我国信息化社会的基础设施体系。 [学生活动]学生了解我国通信基础设施三大成就：光缆主干网、计算机和智能手机普及、卫星电视全覆盖。 [知识点]我国通信基础设施：①以光缆为主体的主干通信网；②计算机和智能手机进入千家万户，计算机技术在通信领域广泛应用；③卫星电视覆盖全国。 环节2：4G、5G与物联网、人工智能 4G/5G与物联网、人工智能 [教师活动]4G和5G移动通信技术的发展普及，带来了优质的数据传输效率和传输速度，深刻地改变了人们的学习、工作与生活方式。大家有没有想过，5G和4G最大的区别是什么？ [学生活动]学生回答：5G速度更快、延迟更低、连接的设备更多。 [教师活动]对。5G不仅是“更快的4G“，它在三个方面实现了质的飞跃——增强移动宽带（速度是4G的10到100倍）、超高可靠低时延通信（延迟缩短到1毫秒）、海量机器类通信（每平方公里可连接100万台设备）。这三个特性为物联网和人工智能的发展提供了通信基础。 [教师活动]物联网——让万物互联，冰箱、空调、汽车、路灯都能接入网络；人工智能——让机器学会思考和决策，自动驾驶、智能语音助手、智慧医疗。物联网、计算机和人工智能的兴起，正在推动着社会的数字化演进。5G是这场数字化革命的“高速公路“，没有高速、低延迟、大容量的通信网络，物联网和人工智能的很多应用就无法实现。 [学生活动]学生理解5G与4G的核心差异，以及5G对物联网和人工智能的支撑作用。 [知识点]4G/5G：高速数据传输，改变学习工作生活方式。5G三大特性：增强移动宽带（速度10-100倍）、超高可靠低时延（延迟1 ms）、海量机器类通信（每km² 100万台设备）。5G支撑物联网（万物互联）和人工智能（自动驾驶、智能语音、智慧医疗），推动社会数字化演进。 环节3：北斗卫星导航系统 [教师活动]北斗卫星导航系统是我国自主研制、独立运行的全球卫星导航系统。它能在全球范围内、全天候、全天时地提供高精度、高可靠的定位、导航和授时服务。北斗系统与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo并称为全球四大卫星导航系统。 [学生活动]学生认识北斗系统是中国自主研制的全球卫星导航系统。 [教师活动]北斗系统的应用领域极其广泛。在国家安全层面，它为国防建设提供自主可控的时空基准。在国民经济层面，交通运输（车辆导航、船舶定位）、农林渔业（精准农业、渔业管理）、水文监测、气象测报、通信授时、电力调度、救灾减灾、公共安全——这些关系国计民生的关键领域都离不开北斗系统的支撑。 [教师活动]此外，北斗也已经进入了大众消费、共享经济和民生领域——我们手机上的导航定位、共享单车的电子围栏、外卖小哥的配送路线规划，很多都在使用北斗系统提供的服务。北斗正在深刻地改变着我们的生产生活方式。 [学生活动]学生了解北斗系统从国家战略到日常生活的多层次应用，体会中国科技的自立自强。 [知识点]北斗卫星导航系统：我国自主研制、独立运行。全球全天候、全天时提供高精度定位、导航、授时服务。应用：国家安全、交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报、通信授时、电力调度、救灾减灾、公共安全、大众消费、共享经济、民生领域。 环节4：量子保密通信 [教师活动]最后我们来了解一项前沿通信技术——量子保密通信。传统的通信加密是基于数学算法的——理论上只要有足够强大的计算能力，任何数学加密都可以被破解。但量子保密通信不同——它的安全性不是建立在数学难题上，而是建立在量子力学的基本原理上：任何对量子态的测量都会留下痕迹，任何窃听行为都会被发现。这就是量子通信“绝对安全“的物理基础。 [学生活动]学生理解量子保密通信与传统加密的本质区别——安全性来自物理原理而非数学算法。 [教师活动]我国自主研发的“墨子号“量子科学实验卫星，在国际上首次成功实现了数百万米的星地双向量子通信，具备了洲际量子保密通信的能力。这意味着我国在量子通信这一前沿领域走在了世界前列——量子保密通信技术正在从实验室走向产业化，是各国争相追逐的目标。 [学生活动]学生感受中国在前沿科技领域的领先地位，体会科学技术对国家战略安全的重要意义。 [知识点]量子保密通信：安全性基于量子力学基本原理（任何窃听都会留下痕迹），而非数学算法。我国“墨子号“量子科学实验卫星：国际上首次实现数百万米星地双向量子通信，具备洲际量子保密通信能力。我国在量子通信领域走在世界前列。 [通信技术发展前景总结]四大方向——①光缆主干网+智能手机+卫星电视：我国通信基础设施体系。②4G/5G+物联网+人工智能：推动社会数字化演进（5G是支撑基础）。③北斗导航系统：自主研制，全球全天候高精度定位导航授时，服务国家安全、国民经济和大众消费。④量子保密通信（“墨子号“）：我国走在世界前列，量子通信从实验室走向产业化。 [过渡语]我们系统地学习了五大现代通信技术——移动通信、网络通信、光纤通信、卫星中继通信以及通信技术的发展前景。现在通过几道练习题来检验一下我们对这些知识的掌握情况。 （七）课堂练习（约6分钟） [教师活动]练习1：北京时间2024年11月16日2时32分，天舟八号成功对接于空间站天和核心舱后向端口。交会对接完成后，天舟八号将转入组合体飞行段。信息从空间站传回地球，利用的是（　　） A．电磁波　　　　B．光导纤维 C．超声波　　　　D．次声波 [学生活动]选A。解析：空间站在太空中，与地面之间是真空环境。声音不能在真空中传播，因此超声波（C）和次声波（D）都无法在太空和地面之间传输信息。光导纤维（B）是有线传输介质，不能用于天地之间的无线通信。电磁波可以在真空中传播，速度等于光速（c=3×10⁸ m/s），是目前天地通信的唯一手段。天舟八号与地面之间的测控信号、遥测数据、图像等信息都是通过电磁波（无线电波）传输的。 [教师活动]这道题考查的是电磁波的基本特性——可以在真空中传播。太空是真空环境，声波无法传播，光纤是线缆无法在天地间使用，只有电磁波能够胜任天地之间的通信任务。 [教师活动]练习2：如图所示是我国自主研制的隐身战斗机歼-35A，其与地面通信是利用（　　） 歼-35A隐身战斗机——练习2配图 A．电磁波　　　　B．超声波 C．次声波　　　　D．光导纤维 [学生活动]选A。解析：战斗机在空中飞行，与地面指挥中心之间是空气介质。超声波（B）和次声波（C）在空气中传播时衰减很快，传输距离有限，无法满足战斗机远距离通信的需求。光导纤维（D）是有线通信介质，不可能用光纤连接飞行中的战斗机。电磁波可以在空气中远距离传播，且传输速度快、容量大，是现代航空通信的唯一切实可行的手段。歼-35A通过机载无线电通信系统发射和接收特定频率的电磁波，与地面塔台、指挥中心及其他飞机进行通信。 [教师活动]这道题的考点和练习1相同——远距离无线通信的唯一选择是电磁波。区别在于练习1是太空真空环境，练习2是空中大气环境，但结论一致：声波和有线介质都无法胜任，电磁波是唯一答案。 [教师活动]练习3：关于2025年春晚中用到的无线麦克风，下列说法不正确的是（　　） A．将声音信号转换为电信号 B．通过电磁波传输信号 C．传输频率属于可见光波段 D．接收器将电信号还原为声音信号 [学生活动]选C。解析：A选项正确——无线麦克风的核心部件是声电转换器（话筒），将声音的振动转换为变化的电信号。B选项正确——无线麦克风将电信号加载到电磁波上（调制），通过天线将电磁波发射出去，接收器接收电磁波后解调出电信号。C选项错误——无线麦克风使用的电磁波频率通常在UHF频段（300 MHz~3 GHz），属于无线电波中的超高频波段，不属于可见光波段。可见光的频率范围约为4.3×10¹⁴ Hz ~ 7.5×10¹⁴ Hz，远高于无线电波。D选项正确——接收器通过解调电路将接收到的电信号还原为声音信号，再通过扬声器播放出来。因此C选项的说法不正确。 [教师活动]这道题的关键是区分电磁波谱中各波段的位置——无线麦克风用的是无线电波（UHF频段），不是可见光。可见光的频率在百THz量级，远远高于无线电波。这是对电磁波谱知识的综合考查。 [教师活动]练习4：近年来，我国的通信行业蓬勃发展。5G是第五代移动通信技术的简称，5G网络是利用__________波传递信息的；专家预计，到2030年5G网络将和光纤一道成为信息社会最重要的基础设施，其中光纤通信是利用光在光导纤维中多次__________（选填“反射”或“折射”）将信息传到远方的。 [学生活动]答案：电磁；反射。解析：5G网络是无线通信技术，通过电磁波（无线电波中的厘米波或毫米波频段）在基站和移动终端之间传递信息。光纤通信中，光携带信息在光导纤维的内壁多次发生全反射，从而沿光纤传播到远方。光纤通信利用的是光的反射而非折射——如果是折射，光会穿透光纤芯进入包层而损失能量，无法实现长距离传输。 [教师活动]这道填空题考查了两个核心概念——5G利用电磁波传递信息，光纤利用光的反射（全反射）传输信息。这两个概念分别对应无线通信和有线通信的基本物理原理，是本节课的核心知识点。 [设计意图]四道课堂练习题均为PPT原题，覆盖了电磁波通信的基本特性（练习1、练习2）、电磁波谱与波段划分（练习3）、5G和光纤核心概念（练习4）。题型包括选择（3道）和填空（1道），由浅入深，从电磁波基础到通信技术具体应用，难度呈现梯度递进。 （八）课堂小结（约3分钟） [教师活动]今天我们系统学习了五大现代通信技术。第一，移动通信——手机是发射机也是接收机，发射功率小，需依靠基地台和交换中心通过四步流程完成通信。第二，网络通信——按覆盖范围从小到大分为个域网（PAN）、局域网（LAN）、城域网（MAN）和广域网（WAN），互联网是最大的广域网。第三，光纤通信——利用光在光纤内壁多次全反射传播信息，光缆是信息高速公路的骨干，我国已建成以光缆为主体的主干通信网。第四，卫星中继通信——地球静止轨道卫星在赤道上空36000 km处，三颗卫星即可覆盖全球，“鹊桥“中继星解决了月球背面的通信难题，“嫦娥四号“实现了人类首次月背着陆。第五，通信发展前景——5G、物联网和人工智能推动社会数字化演进，北斗导航系统自主可控服务全球，“墨子号“量子卫星引领量子保密通信走向产业化。这些技术共同构成了现代信息社会的基础设施，也代表着我国从通信大国向通信强国迈进的坚实步伐。 [学生活动]学生回顾本节课五大知识板块，对照板书完成知识框架的梳理和笔记整理。 [知识点]知识框架：信息传递方式演变（纸张→有线→无线→数字化）→移动通信（手机双重身份+四步流程）→网络通信（PAN→LAN→MAN→WAN）→光纤通信（光+全反射+大容量）→卫星中继通信（静止轨道+三颗全球+鹊桥嫦娥）→发展前景（5G+物联网+AI+北斗+量子通信）。 [设计意图]课堂小结采用知识框架回顾的方式，将五大知识点串联为一个完整的通信技术知识体系，帮助学生建立整体认知结构。同时通过列举我国在光缆网、北斗、“鹊桥“、“墨子号“等领域的具体成就，落实科学态度与责任维度的素养目标。 四、板书设计 15.3 现代通信技术及其发展前景 一、信息传递方式的演变 古代（烽火台、驿站、飞鸽传书）→纸张通信（书信、报纸）→有线通信（电话、电报、电视）→无线通信（收音机、对讲机）→数字化通信（互联网、数字电视） 核心趋势：模拟→数字，有线→无线，低速→高速 二、移动通信 1. 电话交换机：人工→电磁继电器→程序控制 2. 移动台（手机）：双重身份（发射机+接收机），发射功率小，无交换能力 3. 工作过程：手机1→基地台1→光缆→交换中心→光缆→基地台2→手机2（四步） 三、网络通信（按覆盖范围分类） PAN（个域网）：几米~十几米，蓝牙连接个人设备 LAN（局域网）：一栋楼/校园，交换机+服务器 MAN（城域网）：一个城市，电信运营商高速网 WAN（广域网）：全球，互联网是典型代表 四、光纤通信 原理：光=电磁波，波长极短→频率极高→信息容量大 传播：光在光纤内壁多次全反射 特点：绝缘体、不怕雷电高压、抗干扰强 光缆：光纤束+保护层，地下管道铺设 五、卫星中继通信 地球静止轨道：赤道上空36000 km，周期=自转周期 三颗卫星覆盖全球（120°间隔） 中继原理：地面→卫星1→卫星2→地面（接力赛跑） “鹊桥“+“嫦娥四号“：月背着陆与通信 六、通信技术发展前景 5G+物联网+人工智能→社会数字化演进 北斗导航系统：自主研制，全球全天候定位导航授时 量子保密通信（“墨子号“）：走在世界前列 五、教学反思 1. 学生是否能够清晰地说出移动通信的四步工作流程？对于移动台的“双重身份”和“无交换能力”这两个特性，学生是机械记忆还是能结合信号传递的逻辑进行理解？ 2. 网络通信按覆盖范围分四类的教学效果如何？学生能否准确举例说明PAN（蓝牙）、LAN（学校机房）、MAN（城市宽带）、WAN（互联网）的典型应用场景？是否存在分类混淆的情况？ 3. 光纤通信中“光也是电磁波“这一核心观念是否为学生所接受？波长与频率的关系（c=λf）及其对信息容量的影响，学生是否能运用前两节的知识进行解释？全反射的概念是否需要进一步补充？ 4. 卫星中继通信的“接力赛跑“比喻是否有效地帮助学生理解了中继原理？地球静止轨道三个条件（高度、轨道面、周期）的内容偏多，是否需要让学生通过画图来加深记忆？ 5. “鹊桥“中继星和“嫦娥四号“的案例学生反应如何？是否有效激发了学生的民族自豪感？这一部分是否需要配合视频资料增强教学效果？ 6. 四道课堂练习中，练习3（无线麦克风电磁波波段判断）对学生的电磁波谱知识要求较高，学生是否能准确判断“不属于可见光波段“这个错误选项？如有困难，是否需要在课前增加电磁波谱的复习环节？ 学科网（北京）股份有限公司 $