传感器 教案 义教信息科技“过程与控制教学” 动机·抓手·演绎·迁移——新课标“过程与控制”模块教学路径设计

义教信息科技“过程与控制教学” 动机·抓手·演绎·迁移——新课标“过程与控制”模块教学路径设计

新课标的颁布只是起点，如何实施新课程才是关键。

2023年，我们将就“义务教育信息科技新课程实施”中的重要议题展开系列讨论。

本次将关注新课程过程与控制教学实施面临的挑战和策略。

浙江省宁波市邬技科、叶红霞老师对“过程与控制”模块进行了探索，并在试教实践基础上总结归纳了教学路径。

新数字化环境赋予了信息科技课程新内涵，在《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）指导下，笔者从区域内学生学情出发，针对新课标中的“过程与控制”模块开展了多次讨论学习活动和试教，基于教师、学生的反馈初步积累了一些可行的经验。

“过程与控制”模块教学分析

1、“过程与控制”模块的教学挑战

“过程与控制”是新课标中第三学段（5～6年级）的内容模块，包含“系统与模块”“反馈与优化”“逻辑与运算”三部分内容。本模块中的“控制系统”“回路”“反馈”“优化”等概念在以前的课标及教材中都未曾涉及，因此对教师们来说，本模块的教育教学是一场全新体验。同时，本模块带给学生的物理世界与数字世界的深度融合视野是前所未有的，信息科技的价值以典型控制系统为起点，徐徐展开为一种广阔的控制论、系统观，而在控制系统和控制论中，找到合适的教学着力点带领学生去细微观察、识别、提取、转化，既是未完成的命题，也是寻找核心素养落地点的前提。同时，贯穿于本模块四个核心素养培育过程的是隐藏其中的数据意识暗线和对学生来说所需的自主可控、上手可调的观感这一明线，从未来发展的角度看，要培育的学生在将来需要超越系统分析这一层面，成为带着系统观的自信、自觉、自立的观察者、思考者、设计者。因此，不论采用何种教学着力点，又借由哪条教学设计路径到达学业目标，“过程与控制”模块教学中学生主动性、自信感体验都不可忽略。

2、待解决的教学问题思考

在本模块中，控制系统形态，系统“输入—计算—输出”三个典型环节的抽象，反馈的作用与实现，开关量、连续量及其逻辑运算，计算机控制的系统验证、设计与优化，控制系统中的安全等较为宏观的问题，在新课标中均有明确的内容要求和学业要求对标，此处不再一一罗列。虽然学业目标不尽相同，但是课程实施过程中有着相同的追求和思考——首先希望这个与真实世界密切关联的模块能让学生在“做中学”中自然地推进，能搭建起合适的软硬件支架去托举真实性学习的生发。那么，“做中学”如何推进？搭建什么样的支架？能调动学生主动性、自信感的数据意识和可控观感的教学模样如何构建？笔者在试教中寻找答案。

试教迭代后的“动机·抓手·演绎·迁移”路径

1、典型课程内容教学具体问题提出

综合多方面资料对课程内容简单划分，笔者选取三个典型课程内容案例提出具体问题，反映模块教学的典型问题。

《控制的形态》：问题——如何设计让全体学生体验控制系统且各系统重要环节效果能被学生捕捉到的支架？如何让学生充当控制系统的设计者，让学生在实践中主动发现问题提出新需求？

《开关量的生成》：问题——开关量生成之前的需求怎么由学生挖掘到？有真实感的需要开关量生成的控制系统以什么形式提供给学生？

《开关量的与、或逻辑运算》：问题——“与”“或”逻辑运算的需求产生和支架形式问题。

在笔者初次试教后学生们的部分反馈下如图所示。课堂上师生共同分析了空调恒温控制系统，而风扇控制系统留给学生独立思考。从下图可以看出，不是所有学生都理解了空调恒温控制系统中的“回路”，而且有近一半的学生无法独立分析风扇系统的控制形态。由此可知，一是学生从身边的控制系统中抽取关键特征和环节的模式识别能力应用失败，二是分析每个环节的运作功能，串联归纳完整的过程环节崩溃，“能识别系统中的输入、计算、输出环节”学业目标达成不理想，“问题分解、模式识别迁移”的计算思维未被孵化成功，可以说这是一次失败的试教。

失败的经验是不可或缺且宝贵的，笔者从整体的课程结构上捕捉到了本次教学暴露的问题。控制系统的无“回路”和有“回路”，这两种形态如果让学生从列举的生活中的典型控制系统中去提取，则存在以下问题：

一是从列举到提取“回路”这一过程中概念网络跨度太大，知识网络的中间环节缺失；

二是这个环节停留在纸上谈兵，因为缺乏鲜活的经验支持，新概念无法与学生已有的概念网络产生关联。

而如果能让学生有强烈的动机去体验系统对象的息息相关，体验“回路”的构建、应用“自动控制”的高效，那么学习体验一定会有不一样的提升。换句话说就是，让学生关注技术的“重新发明”，体验技术开发者的计算思维过程，感受开发者的智慧和精神。基于此，笔者迭代设计出了一条“动机·抓手·演绎·迁移”的教学路径（如下图）。

2、案例演绎

案例一：《控制的形态》

①诞生动机，满足智能的需求。要想让学生体验“回路”的“重新发明”，需要设计一个从手动控制系统到自动控制系统的需求升级情境。这个情境要如何选取设计？

一是要有童趣，学生兴趣、注意力和观察力能被协同调动，此为铺垫；

二是在这个情境中，学生能“手动控制”该系统，体会多个系统对象环节之间的运作关联，这时其实已经存在了人作为其中环节的“回路”，此为基础；

三是学生在多次“手动控制”熟悉了该系统控制后，会产生减少脑力或体力或时间的想法，由内而外地意识到系统的改进方向——自动化“回路”，这也是最重要的一点，让学生从自身需求出发，诞生“闭环”的设计意识。

考虑到以上几点要求，笔者创设了模拟“手动控温孵化小鸡”这一与生命主题关联的情境。

②设计抓手，提升感官的体验。在情境确定好之后，为设计全体学生能参与其中的低门槛抓手支架，笔者确定了仿真模拟和开源硬件两个方向，在综合考虑本课的多方面因素后，采用软件交互式设计，以游戏的形式呈现可爱的鸡蛋、鸡宝宝形象，温度过冷或过热时的对应音效，不同控制效果下的不同鸡宝宝孵化成功率等。支架采用学生熟悉的图形化编程工具制作，发布为网页的形式。鸡蛋孵化需要将温度控制在35～40摄氏度之间才能提高成功率，学生在孵化过程中需要时刻观察温度计显示的温度，由此决定打开或关闭水床的加热开关。

考虑到课堂时间有限，孵化时间设置为一分钟，根据控制得到的适宜温度出现的时长，学生将得到四种不同的孵化结果（如下图）。

③表达演绎，生发思维的提升。在实际教学中，笔者给予学生两次体验时间的机会，大部分学生表示第二次孵化成功率上升，且几乎全体学生都有信心和兴趣能够在下一次游戏中将温度控制得更好。由此说明，学生的控制经验已经生成，学生有能力分析该控制系统的环节。接着，让学生动手在“画图”程序中连接各个环节的顺序，并请学生解释连接顺序，促进学生环节识别抽取、顺序计算的计算思维达成，即下图中的“连一连”部分。学生在动手连接以及阐述过程中，可完成各个对象的功能提取，即下图的“功能提取”部分，接着迎接新问题——真实的鸡蛋孵化周期为21天，是否有比手动调节21天更好的办法？提出用温度传感器和比较器来替换人和温度计，再将流程转化为抽象图示，整个过程如下图所示。在问题“为什么能实现自动控制”的引导下，学生看着抽象图示能提出类似“环”“循环”的概念，以此成功引出“回路”这一概念。

在学生完成了有“回路”的控制系统图示抽象后，因为另一种无“回路”的控制系统典型例子生活中并不缺少，所以在前面知识网络的搭建经验基础上，学生已有足够的知识对另一种形态的图示进行独立分析。

④拓展迁移，强化模式的提取。以上环节的设计意图是希望学生主动深入感受两种系统的形态，而非走马观花停留在泛泛而谈的举例和一步登天的图示抽象中。笔者认为，学生要达成本课的学业目标还需要寻找、分析、迁移、应用更多的例子，否则前面环节获得的能力还太过单薄且易遗忘。因此，本环节让学生去分析生活中更多的典型控制系统及其形态，当然，本环节也可以视作反馈的一部分，以评价学生的活学活用能力，教师做好支架的支持。

案例二：《开关量的生成》

在本案例中，笔者创设了盲人出行难的情境。学生头脑风暴后有了设计类似智能拐杖的意识，提出了如下表所示的功能设计。在动机需求驱动下，笔者选择用开源硬件模拟拐杖模型为学生构建学习体验，并选择困境的某一点进行具体分析、演绎、细化，困境1中开关量的生成演绎如下图所示。其他几点的模块设计在开关量生成这一本质上是一致的，是迁移应用的直接实例。

案例三：《开关量的与、或运算》

沿用案例二的情境，添设子情境——盲人摔倒后面临的求助困境，学生能自主提出为智能拐杖设计摔倒检测应急模块的类似想法。这是一个对合理化要求较高的模块设计，综合考量的因素有加速度、速度等条件，如加速度子模块达到符合判定摔倒的条件，这时最好再附加判断一分钟内是否无移动减少误判概率。两个条件的同时满足触发应急措施的响应，即“与”逻辑的成立。类似地，有时拐杖使用者想要主观触发应急措施，应急按钮与上面两个条件组合的逻辑关系便是“或”。考虑到实际学情，加速度子模块教师可以封装好交给学生使用，这其中，从“与”到“或”本质上也是一种迁移。

结束语

笔者认为，在“过程与控制”模块中的其他内容上，“动机·抓手·演绎·迁移”教学路径的迭代设计思路也有迁移、应用的意义。同时，在本次学、思、践、悟中笔者也认识到，在改进过程中始终考虑教学对象的特征，使其由内而外地在情境中生动真实地促进思维的开花是教学的方向和准则。

文章刊登于《中国信息技术教育》2023年第9期

优秀教学设计：电阻应变式传感器及其应用

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