自制智能澆花教具 突破“控制及其設(shè)計(jì)”教學(xué)瓶頸

卓凌穎 叢 敏

（1.福州第七中學(xué)，福建 福州 350012；2.福建教育學(xué)院，福建 福州 350025）

《2061 計(jì)劃》指出：“技術(shù)和科學(xué)、數(shù)學(xué)一樣，已經(jīng)成為當(dāng)代社會(huì)變化的中心，它們引起社會(huì)變化、塑造社會(huì)變化并應(yīng)對(duì)社會(huì)變化，成為今日兒童應(yīng)對(duì)明日世界的基礎(chǔ)?！保?］2019 版普通高中通用技術(shù)（蘇教版）教材依據(jù)《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》，秉承大過(guò)程、大概念、大項(xiàng)目、大綜合理念，倡導(dǎo)情境化教學(xué)、遞進(jìn)式任務(wù)，促進(jìn)學(xué)習(xí)的豐富性、思維的開(kāi)放性、方案的多樣性、評(píng)價(jià)的啟發(fā)性，由簡(jiǎn)單的、機(jī)械的“動(dòng)手做”走向有理念、有深度的“動(dòng)腦做”，落實(shí)核心素養(yǎng)，凸顯技術(shù)課程育人價(jià)值。［2］自制教具體現(xiàn)通用技術(shù)課程的性質(zhì)與特點(diǎn)，通過(guò)近距離觀察、動(dòng)腦設(shè)計(jì)、動(dòng)手實(shí)踐，有效幫助學(xué)生由感性認(rèn)知深入理性運(yùn)用，在主動(dòng)參與、互相合作探究式學(xué)習(xí)中，較長(zhǎng)時(shí)間維持思維活躍度，全面深刻掌握知識(shí)技能，在實(shí)踐中提升核心素養(yǎng)。

一、《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》“控制及其設(shè)計(jì)”的教學(xué)瓶頸

布魯納認(rèn)為“學(xué)生獲取知識(shí)的過(guò)程往往是通過(guò)動(dòng)手操作所獲得的”［3］，僅依靠課本圖文內(nèi)容、聆聽(tīng)教師講解、觀看控制視頻、繪制控制方框圖等方式難以深入理解控制過(guò)程。教具作為輔助教學(xué)的用具，可以使知識(shí)具體、形象，有效幫助學(xué)生由表及里，化繁為簡(jiǎn)，有利于突出教學(xué)重點(diǎn)、突破教學(xué)難點(diǎn)。當(dāng)前2019 年蘇教版通用技術(shù)必修課程《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》的教學(xué)瓶頸在于配套教具不全且價(jià)格昂貴。

（一）新版教材缺少實(shí)用配套教具

《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》新版教材配套教具多由代理公司生產(chǎn)，非一線(xiàn)教師設(shè)計(jì)，部分章節(jié)甚至沒(méi)有對(duì)應(yīng)的教具?！翱刂萍捌湓O(shè)計(jì)”是《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》的難點(diǎn)，開(kāi)環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別與聯(lián)系又是“控制及其設(shè)計(jì)”中的難點(diǎn)，該章節(jié)知識(shí)、概念抽象晦澀。教材中“電熱水器”“空調(diào)及電冰箱溫度控制系統(tǒng)”等溫控案例雖貼近生活，［4］但未有匹配的教具滿(mǎn)足學(xué)生技術(shù)實(shí)踐與探究，缺少學(xué)生親歷情境、親身體驗(yàn)、親手操作的載體，因此亟需自制教具突破教學(xué)難點(diǎn)。

（二）配套教具具有滯后性且價(jià)格昂貴

新版教材配套教具如風(fēng)扇模型、自動(dòng)配貨裝置等因經(jīng)歷開(kāi)發(fā)、研制、生產(chǎn)、優(yōu)化等環(huán)節(jié)需要大量時(shí)間，在實(shí)際教學(xué)中具有明顯滯后性，且不一定符合各地各校教學(xué)實(shí)際。部分配套教具價(jià)格高昂，學(xué)校采購(gòu)負(fù)擔(dān)大，不利于開(kāi)展分組技術(shù)實(shí)踐或探究。自制教具因取材便利、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作容易等特性填補(bǔ)了配套教具不足這一缺口，節(jié)省了采購(gòu)經(jīng)費(fèi)且滿(mǎn)足不同技術(shù)探究需求，得到眾多通用技術(shù)教師青睞。

二、自制智能澆花教具載體的選擇及設(shè)計(jì)

《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》倡導(dǎo)創(chuàng)設(shè)基于生活的真實(shí)情境，強(qiáng)調(diào)學(xué)生通過(guò)合作、探究開(kāi)展深度學(xué)習(xí)，自主構(gòu)建知識(shí)體系。在具有技術(shù)性、真實(shí)性和綜合性的問(wèn)題情境下，學(xué)生更容易開(kāi)展主體性探究活動(dòng)，落實(shí)發(fā)展核心素養(yǎng)。

（一）自制教具有利于提升學(xué)生核心素養(yǎng)

自制教具具有良好的啟發(fā)性，學(xué)生參與自制教具的設(shè)計(jì)與制作，有效落實(shí)新課程理念提出的“做中學(xué)，學(xué)中做”。對(duì)教具的需求、構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制作、優(yōu)化及使用過(guò)程，既是設(shè)計(jì)一般過(guò)程的具象化，也是通用技術(shù)核心素養(yǎng)的具體應(yīng)用。自制教具利于引發(fā)學(xué)習(xí)興趣和思考，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)參與、合作交流。學(xué)生在這過(guò)程中成為課堂的主人，師生在實(shí)踐中共同成長(zhǎng)，工程思維、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、物化能力等核心素養(yǎng)得到提升。

（二）自制智能澆花教具載體的選擇

“控制及其設(shè)計(jì)”重難點(diǎn)之一是學(xué)生通過(guò)技術(shù)體驗(yàn)或探究分析、理解開(kāi)環(huán)及閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程。學(xué)生熟悉的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)有電動(dòng)門(mén)、抽水馬桶水位控制、澆花裝置等，通過(guò)挖掘情境要素，以“澆花裝置”創(chuàng)設(shè)情境，涵蓋手動(dòng)控制與自動(dòng)控制、開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制、反饋與干擾等知識(shí)點(diǎn)。自制智能澆花教具運(yùn)用新理念、新材料、新技術(shù)、新方法，將延時(shí)繼電器模塊、濕度檢測(cè)比較模塊等硬件與傳統(tǒng)澆花裝置有機(jī)融合，模擬主人無(wú)暇照顧植物情況下對(duì)植物進(jìn)行科學(xué)澆水，［5］情境真實(shí)有效。

（三）自制智能澆花系列教具的組成構(gòu)件及功能

三、自制智能澆花教具在教學(xué)中的應(yīng)用

自動(dòng)智能澆花教具根據(jù)3 個(gè)層層遞進(jìn)的情境，使開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)具象化。3 個(gè)系列澆花教具分別滿(mǎn)足不同情況下盆栽無(wú)人照顧時(shí)為植物自動(dòng)、科學(xué)澆水的需求，學(xué)生通過(guò)小組合作探究搭建模型解決真實(shí)問(wèn)題，感受開(kāi)環(huán)與閉環(huán)控制的具體應(yīng)用，培養(yǎng)工程思維、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、物化能力等核心素養(yǎng)。

（一）系列1：定時(shí)自動(dòng)澆花教具

1.情境：暑假將至，教室外綠蘿無(wú)人照料，綠蘿喜濕熱環(huán)境，需保持盆土濕潤(rùn)，否則易引起葉黃和株形不佳，怎么解決暑假為綠蘿澆水問(wèn)題？

2.設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過(guò)對(duì)生活中具體情境中的技術(shù)要求進(jìn)行提煉，辨析手動(dòng)控制、自動(dòng)控制的特點(diǎn)；通過(guò)設(shè)計(jì)、制作定時(shí)自動(dòng)澆花教具技術(shù)體驗(yàn)活動(dòng)，理解控制系統(tǒng)的含義，熟悉簡(jiǎn)單開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成和工作過(guò)程，理解其中控制器、執(zhí)行器等作用，辨析開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的特征。

3.應(yīng)用：傳統(tǒng)人工澆花屬于手動(dòng)控制，學(xué)生通過(guò)頭腦風(fēng)暴，想出虹吸法、液壓法、定時(shí)器自動(dòng)澆灌等自動(dòng)澆花方式，通過(guò)不同方式對(duì)比感受手動(dòng)控制與自動(dòng)控制的區(qū)別與聯(lián)系，理解人工控制需要人的直接與全程參與，自動(dòng)控制也需要人的間接參與。部分小組選擇定時(shí)器自動(dòng)澆灌方式，涉及“5V 多功能延時(shí)繼電器模塊”，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，這是一種未接觸過(guò)的電子設(shè)備，在閱讀說(shuō)明書(shū)、上網(wǎng)查詢(xún)、學(xué)習(xí)使用方法視頻過(guò)程中，學(xué)生的技術(shù)意識(shí)及工程思維得到培養(yǎng)。他們通過(guò)分工合作，分別利用網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)綠蘿需水量，測(cè)定水泵、水管、可調(diào)噴頭連接后的出水量。在不斷試驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生確定最適合的定時(shí)模式為綠蘿澆水，受限于“5V 多功能延時(shí)繼電器模塊”定時(shí)、延時(shí)時(shí)間范圍為0.1 秒～999 分鐘，設(shè)計(jì)上午6：00 通電，澆水25 秒（澆水量約250 毫升），間隔720 分鐘，無(wú)限循環(huán)模式。各小組因水泵出水量不同，設(shè)計(jì)的參數(shù)略有不同，符合新課標(biāo)提倡的自主、合作、探究學(xué)習(xí)方式。學(xué)生繪制連接示意圖，組裝、調(diào)試、定時(shí)自動(dòng)澆花教具，描述定時(shí)澆花的過(guò)程，分析、理解開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成和工作過(guò)程，理解控制器（5V 多功能延時(shí)繼電器模塊）、執(zhí)行器（臥式直流水泵）等作用，辨析開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的特征，提煉出開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)方框圖（如下圖），在突破知識(shí)難點(diǎn)的同時(shí)提升圖樣表達(dá)與物化能力。

（二）系列2：帶濕度檢測(cè)的自動(dòng)澆花教具

1.情境：福州夏天多雨，綠蘿放置在窗外，定時(shí)自動(dòng)澆花裝置無(wú)論晴雨天氣都按照已設(shè)定的時(shí)間定時(shí)澆水，導(dǎo)致雨天盆土積水，容易引起綠蘿爛根、枯葉。如何解決重復(fù)澆水問(wèn)題？

2.設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)、制作帶濕度檢測(cè)的自動(dòng)澆花教具實(shí)踐體驗(yàn)，分析閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成和工作過(guò)程，分析反饋干擾現(xiàn)象及其基本原理，學(xué)會(huì)畫(huà)閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖。

3.應(yīng)用：定時(shí)自動(dòng)澆花教具是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，單線(xiàn)程工作，達(dá)到設(shè)定時(shí)間即開(kāi)始澆水，輸出量不對(duì)系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響，所以在雨天容易造成重復(fù)澆水的現(xiàn)象。為解決這個(gè)問(wèn)題，學(xué)生通過(guò)交流探討，得出需要在原有定時(shí)自動(dòng)澆花教具基礎(chǔ)上加入自動(dòng)檢測(cè)濕度的裝置，根據(jù)土壤濕度情況決定是否澆水（此句為從情境過(guò)渡到后面的實(shí)操）；然后在合作探究中選擇將土壤濕度傳感器配合以LM393 芯片為主控單元的濕度比較器一起使用。學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)適合綠蘿盆土的濕度值，將濕度傳感器插入花盆土壤中，根據(jù)綠蘿的需水量向土壤澆水，澆到土壤濕度合適為止，不同組檢測(cè)到的濕度值可能不同，請(qǐng)學(xué)生分析可能的原因。有的小組觀察細(xì)致，留意到濕度傳感器檢測(cè)深度為38mm，插入土壤部分過(guò)多或過(guò)少可能會(huì)帶來(lái)檢測(cè)的誤差,即來(lái)自外界的干擾。在保證濕度傳感器位置有效的基礎(chǔ)上，用螺絲刀調(diào)節(jié)比較器上靈敏度調(diào)節(jié)電位器直到DO-led 燈暗。當(dāng)陽(yáng)光照射土壤水分蒸發(fā)，土壤濕度低于設(shè)定值，DO-led 燈亮，繼電器吸合，水泵開(kāi)始抽水澆灌，當(dāng)土壤濕度值達(dá)到設(shè)定值，停止?jié)菜?。在試?yàn)與實(shí)踐中，學(xué)生的工程思維及物化能力得到提升。

3.濕度檢測(cè)自動(dòng)澆花教具閉環(huán)控制系統(tǒng)如下圖

學(xué)生在發(fā)現(xiàn)與明確問(wèn)題的基礎(chǔ)上，收集相關(guān)信息，提出符合設(shè)計(jì)原則且具有一定創(chuàng)造性的構(gòu)思方案，組裝、設(shè)置濕度檢測(cè)自動(dòng)澆花教具，分析濕度檢測(cè)自動(dòng)澆花教具閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程，理解輸入信號(hào)是設(shè)定的土壤濕度，濕度傳感器檢測(cè)到土壤濕度信號(hào)返回控制系統(tǒng)的輸入端，通過(guò)具有計(jì)算功能的比較器（濕度檢測(cè)模塊）與給定的濕度值做比較，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，以此控制澆水與否，明晰濕度檢測(cè)模塊在閉環(huán)控制系統(tǒng)中的作用。

（三）系列3：特定時(shí)段濕度檢測(cè)智能澆花教具

1.情境：夏天早晚與中午溫差大，如在中午溫度高時(shí)澆水，植物因蒸騰作用旺盛，易產(chǎn)生生理干旱甚至枯死。如何避免夏天中午高溫但土壤干自動(dòng)澆花裝置啟動(dòng)澆灌的問(wèn)題？

2.設(shè)計(jì)意圖：根據(jù)澆花情境中蘊(yùn)含的問(wèn)題的要求，確定被控量和控制量，能夠根據(jù)問(wèn)題設(shè)計(jì)適宜的自動(dòng)澆花控制系統(tǒng)的方案，搭建一個(gè)控制系統(tǒng)裝置或模型，并對(duì)所搭建的控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行及綜合評(píng)價(jià)。

3.應(yīng)用：學(xué)生查詢(xún)綠植養(yǎng)護(hù)網(wǎng)站，得到“一般情況下，澆花時(shí)水溫和土溫相差5℃左右比較合適”的信息，通過(guò)討論，部分小組嘗試同時(shí)串聯(lián)多功能延時(shí)繼電器模塊和濕度傳感器、濕度比較模塊，組裝“在特定時(shí)段濕度檢測(cè)智能澆花教具”。根據(jù)福州氣候氣象特征，針對(duì)綠蘿這種植物，討論協(xié)商早上6∶00-8∶00，下午6∶00-8∶00 為較為合適的澆灌時(shí)間段，在澆灌時(shí)間段內(nèi)，檢測(cè)到濕度低于設(shè)定值才開(kāi)啟抽水澆灌功能，非澆灌時(shí)間段，無(wú)論濕度如何，不啟動(dòng)澆水，以避免植物在高溫下吸收水分形成生理干旱甚至枯死。該探究過(guò)程是對(duì)開(kāi)環(huán)、閉環(huán)控制系統(tǒng)的綜合利用與拓展延伸，學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象和現(xiàn)有條件制訂解決技術(shù)問(wèn)題的方案，解決現(xiàn)實(shí)生活中澆花問(wèn)題，具有參與技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的愉悅感與解決真實(shí)問(wèn)題的成就感。課后留有拓展作業(yè)，請(qǐng)學(xué)生想想自動(dòng)澆花裝置還可以怎么改進(jìn)？結(jié)合智能家居，能否設(shè)計(jì)一款可遠(yuǎn)程查看植株情況，兼顧手動(dòng)與自動(dòng)控制、提高控制精度的智能澆花控制系統(tǒng)。

四、結(jié)語(yǔ)

陶行知提倡“生活即教育”［6］，瑞士教育家裴斯泰洛齊提出“實(shí)物教學(xué)法”［7］，自制智能澆花裝置讓“控制及其設(shè)計(jì)”中的開(kāi)環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)活起來(lái)，將感性認(rèn)識(shí)與生活實(shí)際結(jié)合在一起，提升知識(shí)技能的運(yùn)用，促進(jìn)核心素養(yǎng)的達(dá)成。