義教課標(biāo)視閾下融合技術(shù)的信息科技原理教學(xué)

段勇　王震

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“課標(biāo)”）將課程名稱從信息技術(shù)變?yōu)樾畔⒖萍?。這意味著一線教師不能再按傳統(tǒng)的教學(xué)方式進(jìn)行文字錄入、辦公軟件、編程演示的操作講解，應(yīng)重新建構(gòu)信息科技的教學(xué)方法。而原理教學(xué)正好契合信息科技課程“科”“技”并重的教學(xué)理念。

信息科技原理是指在信息科技實(shí)踐中，為實(shí)現(xiàn)應(yīng)用目的，根據(jù)已有的科學(xué)原理和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，通過創(chuàng)造性思維和技術(shù)實(shí)驗(yàn)所獲得的關(guān)于途徑、手段、方式和方法的理論規(guī)范。從學(xué)科教學(xué)的角度，信息科技原理一般簡化為信息科技背后的技術(shù)思想、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。原理教學(xué)與信息科技實(shí)驗(yàn)操作相結(jié)合，能夠讓學(xué)生深挖操作背后的技術(shù)本質(zhì)和思維方法。為此，筆者設(shè)計(jì)六年級跨學(xué)科項(xiàng)目“智慧家居的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)”?？鐚W(xué)科項(xiàng)目研究需要數(shù)字化教學(xué)環(huán)境的支持，在這方面信息科技教師具備天然的優(yōu)勢，能借助數(shù)字化手段、數(shù)字化平臺，使學(xué)生充分參與、展示、分享、交流、討論，降低項(xiàng)目學(xué)習(xí)的難度，提升原理教學(xué)的有效性，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字素養(yǎng)。

一、對課標(biāo)“過程與控制”模塊的理解

課標(biāo)對于“過程與控制”模塊是這樣表述的：本模塊通過學(xué)習(xí)生活中的過程與控制系統(tǒng)，幫助學(xué)生了解過程與控制的特征及實(shí)現(xiàn)方式，理解利用計(jì)算機(jī)解決問題的手段，進(jìn)一步認(rèn)識過程與控制系統(tǒng)自身的特點(diǎn)和規(guī)律?！斑^程與控制”看似陌生，實(shí)際離我們的生活并不遙遠(yuǎn)，生活中廣泛存在著“輸入—計(jì)算—輸出”的計(jì)算模式。比如商場的旋轉(zhuǎn)門，當(dāng)我們與門的距離小于某個數(shù)值時，旋轉(zhuǎn)門就開始旋轉(zhuǎn)，其背后的原理就是旋轉(zhuǎn)門系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)后，經(jīng)過程序計(jì)算，產(chǎn)生輸出指令，從而控制旋轉(zhuǎn)門的“轉(zhuǎn)”與“不轉(zhuǎn)”。我們應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生理解系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程與控制的原理，進(jìn)而感受信息科技對于生活的影響和價值。在進(jìn)行項(xiàng)目探究時，筆者梳理出原理教學(xué)可遵循的教學(xué)流程（如圖1）：分析探究，感知原理→融合擴(kuò)展，應(yīng)用原理→分工合作，驗(yàn)證原理→通關(guān)認(rèn)證，遷移原理。

二、跨學(xué)科項(xiàng)目設(shè)計(jì)

教師以跨學(xué)科項(xiàng)目“智慧家居的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)”為主題，引導(dǎo)學(xué)生從身邊的控制系統(tǒng)出發(fā)，識別出過程與控制系統(tǒng)是由“輸入—計(jì)算—輸出”三個典型環(huán)節(jié)組成的，并應(yīng)用這個原理構(gòu)建簡易智慧家居系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智慧家居場景。本項(xiàng)目的重點(diǎn)不是認(rèn)識各種傳感器，學(xué)習(xí)對傳感器的編程，完成多個硬件搭建項(xiàng)目，而是理解“輸入—計(jì)算—輸出”的過程和其中的計(jì)算，形成信息科技的思維方式。在本項(xiàng)目中，“智慧家居的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)”是一個大的過程與控制系統(tǒng)，它由系列子系統(tǒng)組成，如智慧照明子系統(tǒng)、智慧掃地機(jī)器人子系統(tǒng)等，在項(xiàng)目難點(diǎn)突破上，教師引導(dǎo)學(xué)生利用智慧掃地機(jī)器人子系統(tǒng)進(jìn)行分析，提煉總結(jié)原理。

（一）項(xiàng)目目標(biāo)

教師依據(jù)課標(biāo)要求，確定本項(xiàng)目的素養(yǎng)目標(biāo)。

1.信息意識

學(xué)生通過探究智慧掃地機(jī)器人的運(yùn)行原理，認(rèn)識到生活中的信息能夠被轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)據(jù)，認(rèn)識到過程與控制普遍存在于生活中，從而增強(qiáng)信息意識。

2.計(jì)算思維

（1）學(xué)生通過對智慧掃地機(jī)器人子系統(tǒng)的分析并抽象建模，理解“輸入—計(jì)算—輸出”的過程，遷移到其他子系統(tǒng)的學(xué)習(xí)中，逐步培養(yǎng)抽象思維能力。（2）學(xué)生通過對過程與控制系統(tǒng)的理解、探索和實(shí)驗(yàn)過程，體驗(yàn)?zāi)M、驗(yàn)證等方式解決問題的過程。

3.數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新

（1）學(xué)生理解用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)過程與控制的優(yōu)勢。（2）學(xué)生通過體驗(yàn)超聲波傳感器、光敏傳感器、溫度傳感器等不同的傳感器，對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)形成基本的認(rèn)知。（3）學(xué)生通過在線共享腦圖實(shí)時編寫方案、在線答題檢測學(xué)習(xí)效果、上網(wǎng)搜索信息、編程搭建進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，體會多樣的數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺給學(xué)習(xí)帶來的便捷。

4.信息社會責(zé)任

（1）學(xué)生通過小組合作學(xué)習(xí)，提升協(xié)作溝通能力。（2）學(xué)生在古今對比中感受科技的飛速發(fā)展正在把神話變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，認(rèn)識到科技創(chuàng)新解鎖了“中國速度”“中國高度”“中國溫度”，提升自主可控意識，培育社會主義核心價值觀。

（二）項(xiàng)目重難點(diǎn)

一是教師要讓學(xué)生通過智慧掃地機(jī)器人子系統(tǒng)的分析，抽象出“輸入—計(jì)算—輸出”的過程，明晰過程與控制系統(tǒng)的三個典型環(huán)節(jié)。

二是教師要通過信息科技實(shí)驗(yàn)室動手實(shí)踐，提升學(xué)生運(yùn)用過程與控制系統(tǒng)原理的能力。

三是學(xué)生能概括抽象原理，并能遷移應(yīng)用到信息科技實(shí)驗(yàn)中，逐步形成計(jì)算思維素養(yǎng)。

（三）項(xiàng)目技術(shù)支持

圖形化編程工具：學(xué)生在分析問題、設(shè)計(jì)算法后，使用計(jì)算機(jī)編寫程序，模擬實(shí)現(xiàn)過程與控制環(huán)節(jié)。

開源硬件設(shè)備：學(xué)生利用圖形化編程工具，根據(jù)問題和算法編寫程序，將編寫的程序下載到開源硬件的控制器中，實(shí)現(xiàn)智慧家居過程與控制場景的模擬。

在線共享腦圖、在線答題平臺：學(xué)生利用在線共享腦圖實(shí)時填寫實(shí)驗(yàn)方案，快速高效；在線答題平臺實(shí)時呈現(xiàn)答題結(jié)果，讓評價一目了然，使“教—學(xué)—評”更便捷直觀。

語音錄入：學(xué)生利用語音輸入技術(shù)手段填寫實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)現(xiàn)高效課堂。

三、跨學(xué)科項(xiàng)目實(shí)施

跨學(xué)科項(xiàng)目實(shí)施遵循原理教學(xué)的“分析探究，感知原理”“融合擴(kuò)展，應(yīng)用原理”“分工合作，驗(yàn)證原理”“通關(guān)認(rèn)證，遷移原理”四個教學(xué)流程，通過創(chuàng)設(shè)不同的真實(shí)問題情境來引導(dǎo)學(xué)生挖掘驗(yàn)證原理。

（一）分析探究，感知原理

上課伊始，教師用民間故事《田螺姑娘》作為話題引入，表達(dá)古人對美好生活的向往，他們希望辛苦勞累一天，回到家就有香味四溢的飯菜和干凈整潔的環(huán)境，于是創(chuàng)造出具有神話色彩的田螺姑娘。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，“田螺姑娘”來到了我們的生活中，在我們未到家時就已經(jīng)把空調(diào)打開，讓我們一進(jìn)門就有舒適的環(huán)境；在我們睡夢中廚具就啟動烹飪程序，讓我們早上一睜眼就能吃上美味的早餐，從而讓學(xué)生直觀感受智慧家居帶給生活的便捷。

【設(shè)計(jì)意圖】利用田螺姑娘民間故事中人們美好的愿景與現(xiàn)代智慧家居功能的相似性巧妙引入教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生明白科技創(chuàng)新可以把古人的心愿變成現(xiàn)實(shí)。

教師帶領(lǐng)學(xué)生探究智慧掃地機(jī)器人的工作原理。學(xué)生首先利用硬件拼裝智慧掃地機(jī)器人模型，初步了解智慧掃地機(jī)器人是由移動系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)組成的。

在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生仔細(xì)觀察智慧掃地機(jī)器人的運(yùn)行過程，探究超聲波傳感器是怎么感知的，并用自然語言描述出來：掃地機(jī)器人不斷地執(zhí)行、不斷地偵測，如果偵測到障礙物小于某個數(shù)值（閾值）就轉(zhuǎn)彎，否則直行。學(xué)生根據(jù)自然語言利用圖形化編程軟件編寫程序（如圖2）。

教師帶領(lǐng)學(xué)生分析程序：超聲波傳感器將讀取的值輸入控制器，利用分支結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷計(jì)算，從而決定機(jī)器人是直行還是轉(zhuǎn)彎。loop表示這一系列的行為是不斷重復(fù)執(zhí)行的。

從中，學(xué)生總結(jié)抽象出掃地機(jī)器人是通過“輸入—計(jì)算—輸出”三個典型環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行（這正是過程與控制系統(tǒng)的三個典型環(huán)節(jié)）的，從而理解了掃地機(jī)器人運(yùn)行原理。

【設(shè)計(jì)意圖】教師將大系統(tǒng)分解為幾個子系統(tǒng)，從智慧掃地機(jī)器人子系統(tǒng)入手，讓學(xué)生探究原理，抽象建模，從而理解“輸入—計(jì)算—輸出”三個典型環(huán)節(jié)就是機(jī)器人的工作原理。

（二）融合擴(kuò)展，應(yīng)用原理

學(xué)生感知明晰原理之后，教師出示古詩《惠崇春江晚景》，讓學(xué)生品讀詩句“竹外桃花三兩枝，春江水暖鴨先知。蔞蒿滿地蘆芽短，正是河豚欲上時”，尋找其中隱藏的原理，進(jìn)而認(rèn)識到自然界中到處存在著“輸入—計(jì)算—輸出”系統(tǒng)。

教師（總結(jié)）：世間萬物雖然沒有時鐘報曉，卻能感知大自然的信號，感知春江水暖的來臨，河豚躍躍欲試迎接生命的復(fù)蘇，桃花你一朵、我一朵從枝頭綻開了笑顏，這就是大自然的過程與控制系統(tǒng)。人們不斷地向大自然學(xué)習(xí)，從而運(yùn)用過程與控制的原理，研制出了服務(wù)于我們生活的各種智慧產(chǎn)品，像智慧掃地機(jī)器人。利用這個原理，聰明的你們還能創(chuàng)造出什么樣的智慧產(chǎn)品呢？請同學(xué)們帶著這個問題，走進(jìn)信息科技實(shí)驗(yàn)室。

【設(shè)計(jì)意圖】從自然界中的案例來理解過程與控制系統(tǒng)，并與古詩融合，讓信息科技課堂不只是冷冰冰的技術(shù)講解，也充滿著詩情畫意，并能引導(dǎo)學(xué)生用計(jì)算機(jī)科學(xué)的視角去分析看待現(xiàn)實(shí)世界。

（三）分工合作，驗(yàn)證原理

信息科技的實(shí)驗(yàn)是連接技術(shù)與素養(yǎng)的重要橋梁。在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，教師利用多種方式提升學(xué)生運(yùn)用過程與控制系統(tǒng)原理的能力。學(xué)生小組合作分工，填寫在線共享腦圖，并完成編程驗(yàn)證和硬件搭建。多樣化的實(shí)驗(yàn)方式，更多地關(guān)注學(xué)生的原理認(rèn)知、計(jì)算思維和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

環(huán)節(jié)一：實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ臀也僮?/p>

教師準(zhǔn)備簡易的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停缰悄芑鹧鎴缶?、智能聲控?zé)舻?，讓學(xué)生思考用什么傳感器控制，運(yùn)行原理是什么。

環(huán)節(jié)二：智慧家居我設(shè)計(jì)

教師繼續(xù)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，檢驗(yàn)學(xué)生對原理的掌握。他拋出問題：“老師家新買了一套房子，你能把它變成智慧之家嗎？”學(xué)生利用剛才學(xué)到的原理繼續(xù)探究。

考慮到智慧家居是一個大系統(tǒng)，為保證各小組都能有所學(xué)、有所獲，同時調(diào)動學(xué)生參與的積極性，教師提前用希沃白板做好砸金蛋游戲。各小組領(lǐng)取探究任務(wù)，如智慧照明系統(tǒng)、智慧煙霧報警系統(tǒng)、智慧窗簾系統(tǒng)、智慧空調(diào)系統(tǒng)，開始分工合作，填寫在線共享腦圖，并上網(wǎng)搜索信息，開始編程驗(yàn)證（如圖3）。

環(huán)節(jié)三：整體系統(tǒng)我認(rèn)識

智慧家居系統(tǒng)是由更多子系統(tǒng)組成的閉環(huán)系統(tǒng)，并不只有傳感器控制，還有語音控制、遠(yuǎn)程控制等技術(shù)手段。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行擴(kuò)展原理學(xué)習(xí)，讓學(xué)生對智慧家居產(chǎn)生更清晰的認(rèn)識。

【設(shè)計(jì)意圖】課標(biāo)要求“學(xué)生能采用計(jì)算機(jī)或各類數(shù)字化設(shè)備編寫程序，實(shí)現(xiàn)過程與控制及其中反饋和優(yōu)化的環(huán)節(jié)，并通過實(shí)驗(yàn)對上述環(huán)節(jié)加以驗(yàn)證”。本環(huán)節(jié)中，教師利用探究家居模型的原理、砸金蛋抽取智慧子系統(tǒng)等多種方式，提升學(xué)生運(yùn)用過程與控制系統(tǒng)原理的能力。

環(huán)節(jié)四：不同場景我會用

教師繼續(xù)拋出問題：“老師的媽媽年齡大了，搬去新家后不熟悉路，竟然忘記了回家的路，在民警的幫助下才回到家，家人非常擔(dān)心。大家能利用今天學(xué)到的原理幫老師出個好點(diǎn)子嗎？”

學(xué)生想到多種金點(diǎn)子：智能手環(huán)、智能拐杖，可以與北斗相連，可以設(shè)定一個活動范圍，超出此范圍就發(fā)出警報。

【設(shè)計(jì)意圖】學(xué)生把本節(jié)課學(xué)到的思維方法遷移到新問題的解決中，培養(yǎng)學(xué)生遷移應(yīng)用的學(xué)習(xí)方法和思維方式，實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維的提升。

（四）通關(guān)認(rèn)證，遷移原理

教師設(shè)計(jì)了智慧工程師認(rèn)證環(huán)節(jié)，并利用答題平臺發(fā)布。學(xué)生選擇正確答案并提交。具體題目如下。

1.如圖4所示，如果室內(nèi)當(dāng)前PM2.5的濃度為36 μg/m，則新風(fēng)系統(tǒng)的狀態(tài)是（????）。

A.開 B.關(guān)

2.小明暑假外出旅行10天，但是他心愛的花沒人澆水，大家根據(jù)所學(xué)知識及土壤濕度表，設(shè)計(jì)了一個智慧澆花系統(tǒng)。如果能自動澆水，圖5中的哪個計(jì)算模塊是正確的？

【設(shè)計(jì)意圖】課堂評價起著重要的作用，是課程目標(biāo)的重要檢測指標(biāo)，也是促進(jìn)學(xué)習(xí)優(yōu)化的推動力。

（五）博古通今，項(xiàng)目總結(jié)

項(xiàng)目結(jié)尾，教師表揚(yáng)大家把民間故事中的田螺姑娘變成了現(xiàn)代版的智慧家居，并進(jìn)行了擴(kuò)展延伸。

教師：我國科學(xué)家把古人的很多心愿，如“孫悟空的一個筋斗云十萬八千里”“嫦娥偷食靈藥得以飛升月宮”通過科技創(chuàng)新都已實(shí)現(xiàn)。C919國產(chǎn)大飛機(jī)讓我們?nèi)招惺f八千里不再是夢；天宮空間站的建成讓我們上九天攬?jiān)虏辉偈强照劇?/p>

【設(shè)計(jì)意圖】科技創(chuàng)新的國際競爭越來越激烈，學(xué)生要樹立自主創(chuàng)新意識，培育社會主義核心價值觀。首尾呼應(yīng)，在古今對比中升華情感，充分認(rèn)識科技創(chuàng)新解鎖“中國速度”“中國高度”“中國溫度”，對國家發(fā)展和人民生活帶來的巨大改變，增強(qiáng)民族自信心和自豪感。

四、跨學(xué)科項(xiàng)目反思

項(xiàng)目設(shè)計(jì)的每個環(huán)節(jié)均應(yīng)遵循課標(biāo)理念，只有找到理論支撐，課程的設(shè)計(jì)才會有根有據(jù)、有血有肉。

（一）原理教學(xué)深挖學(xué)科育人價值

信息科技學(xué)科的原理比較抽象，需要利用深入淺出的方式引導(dǎo)學(xué)生由活動體驗(yàn)引發(fā)深入思考。在感知原理環(huán)節(jié)中，教師利用智慧掃地機(jī)器人這個生活中最常見的模型讓學(xué)生直觀體驗(yàn)其工作模式，并據(jù)此進(jìn)行編程驗(yàn)證，通過建模，總結(jié)歸納原理。而應(yīng)用原理、驗(yàn)證原理、遷移原理環(huán)節(jié)，就是對原理教學(xué)的深入研究。教師引導(dǎo)學(xué)生通過層層解剖、逐級深入，透過機(jī)器人運(yùn)行的表面現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)過程與控制系統(tǒng)的本質(zhì)內(nèi)核，思考技術(shù)背后的原理，從而逐步形成探索求知的意識，養(yǎng)成數(shù)字時代正確的價值觀。

（二）數(shù)字化技術(shù)提升課堂效率

在跨學(xué)科項(xiàng)目實(shí)施過程中，多樣化的數(shù)字技術(shù)的使用讓課堂呈現(xiàn)更便捷和靈動。上網(wǎng)搜索信息、填寫在線腦圖、編程驗(yàn)證、語音錄入，多樣化的技術(shù)手段應(yīng)用讓課堂效率顯著提升，學(xué)生以小組的形式分析探究項(xiàng)目，通過在線方式分派任務(wù)、交流討論、發(fā)表觀點(diǎn)、分享成果，在解決問題過程中體驗(yàn)協(xié)作帶來的效率提升。第一，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境便于學(xué)生在開放的資源中獲取信息與知識，隨時解答遇到的難題，數(shù)字助手讓學(xué)習(xí)更加便捷與豐富；第二，在線腦圖的填寫，充分展現(xiàn)課標(biāo)對在線學(xué)習(xí)、分工協(xié)作的要求，讓學(xué)生的探究成果得以及時呈現(xiàn)，智慧的火花可以隨時碰撞；第三，在線答題平臺能實(shí)時呈現(xiàn)答題結(jié)果，讓學(xué)生隨時掌握學(xué)習(xí)成效，讓評價結(jié)果一目了然；第四，語音錄入技術(shù)讓學(xué)生節(jié)省手動輸入漢字的時間，初步體驗(yàn)了人工智能技術(shù)在生活中的應(yīng)用；第五，希沃白板中的倒計(jì)時器、砸金蛋游戲，讓課堂充滿趣味，學(xué)生更愿意參與其中。

（三）項(xiàng)目學(xué)習(xí)關(guān)注生活情境和生活應(yīng)用

生活情境引導(dǎo)學(xué)生從生活走向?qū)W科，生活應(yīng)用引導(dǎo)學(xué)生從學(xué)科走向生活。生活情境是一種真實(shí)的問題情境，能激發(fā)學(xué)生求知欲，而生活應(yīng)用能幫助學(xué)生在遷移中理解大概念，避免所學(xué)知識成為惰性知識，并活化知識，讓學(xué)生感知到知識價值。智慧家居就在我們的身邊，如何在真實(shí)的生活情境中提煉出過程與控制的原理呢？這就需要教師從生活走進(jìn)學(xué)科，通過智慧掃地機(jī)器人的模型編程進(jìn)行單點(diǎn)突破，引導(dǎo)學(xué)生從中總結(jié)歸納出“輸入—計(jì)算—輸出”的運(yùn)行過程原理。而設(shè)計(jì)智慧家居系統(tǒng)問題，還要從學(xué)科走向生活。智慧照明系統(tǒng)、智慧煙霧報警系統(tǒng)、智慧窗簾系統(tǒng)、智慧空調(diào)系統(tǒng)都用到了智慧掃地機(jī)器人的原理，需要學(xué)生進(jìn)行遷移和活化。

課標(biāo)頒布已一年有余，但與之配套的教材并未發(fā)布，如何落實(shí)課標(biāo)，廣大一線教師都在進(jìn)行著積極探索與實(shí)踐。筆者利用“智慧家居的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)”項(xiàng)目做了原理教學(xué)的初步探究，希望能給課標(biāo)落地提供來自一線的實(shí)踐支撐。

注：本文中的案例獲山東省基礎(chǔ)教育優(yōu)質(zhì)課省級評選“一等獎”。

參考文獻(xiàn)

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[6] 段勇，武小芬.格致貓成長日記——趣味Scratch算法入門[M].北京：清華大學(xué)出版社，2022.

（作者段勇系山東省淄博高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)教研室教研員；王震系山東省淄博高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)第一小學(xué)教師）

責(zé)任編輯：牟艷娜