信息技術與通用技術跨學科融合教學設計探究*
——以“控制系統(tǒng)”相關內(nèi)容的教學為例

張鵬峰|浙江省杭州外國語學校

一、信息技術與通用技術跨學科融合教學設計的背景

當前基礎教育界以“學科課程”為中心的劃分法，未考慮不同學科之間的關聯(lián)性，容易造成“經(jīng)驗片段化”和“知識割裂化”。由于生活是非常復雜的，超越任何單一學科所能解決的范圍，也不是不同學科簡單的疊加，因此跨學科和學科統(tǒng)整是大勢所趨［1］。學科統(tǒng)整打破了學科之間的界限，跨學科教學的目的在于探討來源于生活的主題，幫助學生理解和解決真實生活中的問題。因此，教學目標應該是培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，教學內(nèi)容應該是學科知識、跨學科知識和生活知識的有機融合。教學內(nèi)容可以由師生共同構建，以激發(fā)學生的參與熱情，如采用大單元設計教學，教師負責構建項目主題所需的結構性和進階性知識系統(tǒng)，主題可來源于學生的生活，設計的問題可來源于學生的主動觀察和思考。

通用技術和信息技術是兩門實踐性很強的學科，其中有很多相通的概念，如編程、電子控制、機器人和人工智能等。目前，浙江省雖然通過高考將它們“綁”在一起，但教學則是完全獨立的。在強調(diào)大概念引領和深度學習的當下，將課本知識與現(xiàn)實生活結合起來，基于真實情境設計融合這兩門學科的跨學科教學，更有利于核心素養(yǎng)的落實和創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

隨著信息技術的發(fā)展，信息技術課程中講到的開源硬件microbit，通用技術課程中用到的everycircuit 等電路模擬軟件、三維設計軟件，以及大量的網(wǎng)絡數(shù)字資源，為各種智能化項目的順利開展提供了技術支持。下面，筆者以“控制系統(tǒng)”相關內(nèi)容的教學為例，探究信息技術與通用技術跨學科融合教學設計的路徑和實施策略。

二、信息技術與通用技術跨學科融合教學設計的路徑

（一）融合不同學科的核心素養(yǎng)

核心素養(yǎng)有四個維度，即知識維度、實踐維度、思維維度和人格維度，這四個維度是共生的，其中：知識維度包括獲取信息、組織信息以及理解事實和概念上的關系；實踐維度涉及以應用的方式使用所學知識，如設計、制造、生產(chǎn)和評估；思維維度要求通過提問、分析和決策來理解信息；人格維度是與之相適應的世界觀、人生觀等內(nèi)在價值系統(tǒng)［2］。

研究中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)（人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實踐創(chuàng)新），學科核心素養(yǎng)（通用技術：技術意識、工程思維、創(chuàng)新設計、圖樣表達、物化能力；信息技術：信息意識、計算思維、數(shù)字化學習與創(chuàng)新、信息社會責任），以及中國高考評價體系所考核的核心素養(yǎng)（一核四層四翼），筆者發(fā)現(xiàn)這兩門學科的核心素養(yǎng)雖然因結合學科特點在表述上有所不同，但是與中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)和高考評價體系所考核的核心素養(yǎng)一脈相承，都包含了以上四個維度。

（二）整合教學內(nèi)容

基于真實情境的項目式學習，是跨學科課程設計的主要學習形式，課程單元編制以“主題—探究—表達”的方式進行設計。為在落實學生核心素養(yǎng)的同時兼顧學科知識的系統(tǒng)性和連貫性，教師可以設計一系列項目，以項目難度的螺旋上升體現(xiàn)知識的結構性和進階性。

蘇教版普通高中教科書《通用技術》必修2《技術與設計2》第四章的內(nèi)容為控制系統(tǒng)，選擇性必修1《電子控制技術》的內(nèi)容涵蓋控制的概念、控制系統(tǒng)中常用元器件（三極管、邏輯門、傳感器等）的性能，以及用基礎元器件設計控制電路的方法。浙教版普通高中教科書《信息技術》必修2《信息系統(tǒng)與社會》第二、四章也涉及控制系統(tǒng)的概念以及實現(xiàn)設計控制系統(tǒng)所需要的硬件（包含傳感器和microbit等），選擇性必修1《數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)結構》第二、五章則為控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了算法基礎。

筆者以“控制系統(tǒng)”為大概念，系統(tǒng)整合通用技術和信息技術相關內(nèi)容，設計難度呈螺旋狀進階的一系列項目。項目中包含對軟件和硬件的學習，為控制項目的難度，軟件和硬件的內(nèi)容在深度上應層層遞進。依據(jù)難度的遞進邏輯，筆者將項目分為三個梯度。梯度一“基礎控制電路”：特點是元器件單一，程序簡單；目標是理解控制的基本概念，學習microbit和相關編程軟件、程序語句的基本用法，運用電路模擬軟件everycircuit 理解三極管的工作原理。梯度二“智能控制系統(tǒng)”：特點是增加了傳感器，提升了系統(tǒng)與環(huán)境間的交互能力，需運用多個元器件或者復雜程序語句控制電路；目標是理解開環(huán)控制系統(tǒng)的概念，綜合運用microbit 和三極管等元器件設計電路，并通過人機交互和簡單算法的運用，增加控制系統(tǒng)的實用性和趣味性。梯度三“基于真實問題的控制系統(tǒng)”：特點是教學內(nèi)容主要由學生生成；目標是引導學生運用設計思維從生活中發(fā)現(xiàn)問題，并運用工程思維和計算思維解決問題。梯度項目詳細設計如下。

【梯度一】基礎控制電路

［項目1］定時照明燈

內(nèi)容：運用microbit控制燈亮的時間。

目標：（1）理解控制的概念；（2）掌握硬件的使用。

［項目2］交通紅綠燈

內(nèi)容：運用microbit控制多盞燈輪流亮。

目標：理解循環(huán)語句。

［項目3］光控燈

內(nèi)容：（1）運用everycircuit 做探究三極管工作原理的虛擬實驗；（2）運用三極管設計控制電路。

目標：（1）了解光敏電阻的性能；（2）學習everycircuit的用法；（3）理解三極管的工作原理。

【梯度二】智能控制系統(tǒng)

［項目4］人機交互——智能交通燈

內(nèi)容：（1）運用microbit 設計開環(huán)控制系統(tǒng)；（2）利用everycircuit 設計能實現(xiàn)同樣功能的三極管電路。

目標：（1）理解開環(huán)控制原理；（2）理解傳感器的工作原理；（3）通過對比不同控制方式，加深對控制的理解。

［項目5］亮度指示器

內(nèi)容：運用光敏傳感器和microbit 設計控制系統(tǒng)。

目標：（1）理解數(shù)組的概念；（2）掌握循環(huán)和條件語句的運用。

［項目6］智能小車速度、方向控制

內(nèi)容：（1）運用555 芯片和三極管設計控制電路；（2）綜合運用microbit和三極管設計控制系統(tǒng)。

目標：（1）學會運用元器件搭建復雜控制系統(tǒng)的方法；（2）對比不同控制方式的優(yōu)劣。

［項目7］智能馬桶水箱水位控制系統(tǒng)

內(nèi)容：綜合運用傳感器、microbit和三極管等設計控制系統(tǒng)。

目標：理解閉環(huán)控制系統(tǒng)概念。

【梯度三】基于真實問題的控制系統(tǒng)

［項目8］（1）自行選擇生活場景，根據(jù)外界環(huán)境控制顯示屏、電機等裝置；（2）基于生活中的真實場景，通過數(shù)據(jù)收集與分析，自行建模，并設計控制系統(tǒng)的方案

內(nèi)容：綜合運用傳感器、microbit和三極管等設計控制系統(tǒng)。

目標：（1）自主生成學習內(nèi)容，應用知識解決生活中的問題；（2）逐步增加任務的開放性。

（三）實施綜合性評價

鑒于核心素養(yǎng)包含知識、實踐、思維和人格等四個維度，評價不同維度的素養(yǎng)，需要采用與之匹配的評價方式。目前對知識維度的評價以標準化測試為主，對其他維度的評價則以表現(xiàn)性評價為主。表現(xiàn)性評價的三個核心要素是評價目標、表現(xiàn)性任務和評分規(guī)則［3］。評價目標一般要基于課程標準中詮釋的學生應該達到的素養(yǎng)水平和需要掌握的學科核心知識。表現(xiàn)性任務應基于情境中的問題解決和理解的六個側面（解釋、闡明、應用、洞察、神入、自知），設計學生將要經(jīng)歷的認知過程。評分規(guī)則是基于評價目標設計包含評價維度和表現(xiàn)等級的量表。

考核的素養(yǎng)不同，表現(xiàn)性評價的任務設計和量表的評價維度也會不同。如：對人格維度的核心素養(yǎng)，主要從團隊合作與領導能力、管理項目的系統(tǒng)思維能力兩個方面來評價；對學科類核心素養(yǎng)，可以從科學探究能力、解決方案的創(chuàng)新性、工程思維與計算思維、實踐能力四個方面來評價。教師應該明確，傳統(tǒng)評價和新型評價之間是互補的，而不是相互替代，項目化學習的評價應該是多種評價方式有機整合的綜合評價系統(tǒng)［4］。

三、信息技術與通用技術跨學科融合教學設計的實施策略

（一）以教學環(huán)境引導內(nèi)容生成

教學環(huán)境是開放的。有形的教學環(huán)境是有電腦和相關實驗器材的實驗室，課桌布置要便于學生團隊合作。無形的教學環(huán)境指教師提供數(shù)字資源、能引導學生自主探究的思維支架、評價量表，以及活動開展的組織形式。

“控制系統(tǒng)”相關內(nèi)容的教學以學生體驗和探究為主。教師提供資源和支架，以數(shù)字化工具引導學生運用技術手段分析、解決和評估問題，幫助學生理解核心概念、實現(xiàn)思維升級。同時，教師還要研究不同學生的特長，引導其在團隊中學習如何合理地分工與合作，提升合作學習的有效性。

教師要基于真實情境設計生活化的項目，使課本知識與生活實際相結合，并設置合理的項目梯度，使軟硬件的教學有序連接。如整合兩門課的相關知識，運用microbit 設計控制電路，便于學生從整體上理解控制系統(tǒng)的概念，用分立的電子元器件設計電路，便于學生深刻理解元器件的性能。

為了使教學內(nèi)容具有生成性，教師要運用豐富的教學資源和技術手段，給學生更多自主探索的空間。如設計開放的項目，用數(shù)組和循環(huán)語句控制多盞燈的明暗，讓學生自行選擇應用場景和設計內(nèi)容。

（二）以表現(xiàn)性任務規(guī)范實踐活動

研究美國NAEP 網(wǎng)站上給出的素養(yǎng)評估例題，我們可以發(fā)現(xiàn)在技術與工程類課程中，基于核心素養(yǎng)的表現(xiàn)性任務設計有五個特點：一是以問題解決的工程思維流程為主線，設計每個階段的任務，即分析問題、設計解決方案、方案測試評估、方案溝通；二是在分析問題階段，要求運用相關學科知識，進行科學探究；三是在方案設計階段，要求考慮客戶需求和現(xiàn)實各種因素的限制與約束；四是根據(jù)評估反饋對方案進行更新迭代；五是在溝通交流方面，要求運用科學分析、數(shù)學建模、三維設計等手段進行技術交流。

對上述項目5，教師可以在梯度一相關項目的基礎上，增加更為復雜的生活場景，如“城市中某些路燈過于明亮造成能源浪費、影響生態(tài)環(huán)境和人們休息等諸多問題，請設計黑暗友好型智能照明控制系統(tǒng)”，使解決問題的途徑更加多元。表1 是“智能照明控制系統(tǒng)”的表現(xiàn)性任務設計及評價素養(yǎng)目標。

表1 “智能照明控制系統(tǒng)”的表現(xiàn)性任務設計及評價素養(yǎng)目標

（三）以數(shù)字技術落實核心素養(yǎng)

數(shù)字技術的運用使知識變得可視化，如everycircuit可以清晰地顯示電流的流動、電壓的變化，既能增加學生的直觀經(jīng)驗，便于學生進行電路性能的探究，又能減少實物實驗中誤操作、元器件燒壞等問題的出現(xiàn)，節(jié)約實驗時間，提高實驗效率。數(shù)字資源的運用可延伸課程的內(nèi)涵和外延，如學生可通過閱讀文獻，了解科學家的前沿研究、產(chǎn)業(yè)的最新動向、人民的需求等。

基于網(wǎng)絡的課堂，可以真正實現(xiàn)因材施教。教師不再是唯一的知識輸出端，課堂變得多元而立體，由此不同學生在同一堂課上就可以學習不同梯度的內(nèi)容，這賦予有能力的學生自主探究的空間。而數(shù)字技術的運用，則使表現(xiàn)性評價的可操作性越來越強，這些都有利于落實學生的核心素養(yǎng)。

綜上，信息技術相關內(nèi)容的教學為學生設計控制系統(tǒng)提供了工具，通用技術則提供了相應的理論和應用場景，二者的跨學科融合教學設計及數(shù)字手段的運用，使學生“設計控制系統(tǒng)”成為可能。而設計一系列螺旋進階的項目，既能通過項目的進階實現(xiàn)知識的系統(tǒng)化教學，又能利用項目化學習的優(yōu)勢培育學生的核心素養(yǎng)。