“科”與“技”并重理念下“過程與控制”模塊教學(xué)初探

摘要：本文以信息科技第三學(xué)段“過程與控制”模塊中的《控制系統(tǒng)中的反饋》一課為例，從生活中的實踐應(yīng)用出發(fā)展開探索，幫助學(xué)生理解科學(xué)原理，為提升學(xué)生知識遷移能力和學(xué)科思維水平提供可借鑒的思路。

關(guān)鍵詞：信息科技；反饋；科學(xué)原理；實踐應(yīng)用

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）22-0000-04

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）的頒布實施，為信息科技學(xué)科教學(xué)提供了科學(xué)指導(dǎo)，改變了以往信息技術(shù)課程重操作技能輕科學(xué)原理的課堂教學(xué)，強調(diào)了“科”與“技”并重的學(xué)科教學(xué)。新課標(biāo)倡導(dǎo)從信息科技實踐應(yīng)用出發(fā)，注重幫助學(xué)生理解基本概念和基本原理，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識信息科技對人類社會的貢獻與挑戰(zhàn)，提升學(xué)生知識遷移能力和學(xué)科思維水平。[1]“過程與控制”模塊是第三學(xué)段的內(nèi)容，由“系統(tǒng)與模塊”“反饋與優(yōu)化”“邏輯與運算”三部分組成。該模塊的教學(xué)難點是科學(xué)原理的理解，以及學(xué)科實踐的探究。那么，如何貫徹新課標(biāo)下“科”與“技”并重的課程理念？如何從生活中的實踐應(yīng)用出發(fā)，幫助學(xué)生理解科學(xué)原理？如何提升學(xué)生的知識遷移能力實現(xiàn)對學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)？針對這些問題，筆者進行了《控制系統(tǒng)中的反饋》一課的案例設(shè)計與實踐探索，從學(xué)科角度進行新課標(biāo)、新教材下“科”與“技”并重的教學(xué)嘗試。

“科”與“技”并重理念下的教學(xué)設(shè)計框架

1.基于學(xué)生學(xué)情，確定教學(xué)主題

新課標(biāo)強調(diào)“科”與“技”并重，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和技術(shù)應(yīng)用能力?！翱啤敝缚茖W(xué)原理，強調(diào)信息科技課程的科學(xué)性，其中包括國家信息科技課程的科學(xué)性和教師實施課程的科學(xué)性?！凹肌敝讣夹g(shù)實踐，強調(diào)信息技術(shù)的應(yīng)用性，用信息技術(shù)解決現(xiàn)實中的問題。本課教學(xué)內(nèi)容是控制系統(tǒng)中的反饋，“反饋”這個概念出自新課標(biāo)中第三學(xué)段“過程與控制”模塊的第二部分“反饋與優(yōu)化”。本課授課對象是六年級的學(xué)生，他們通過原有教材已經(jīng)認(rèn)識了機器人技術(shù)，初步了解了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，已具備一定的圖形化編程基礎(chǔ)，有一定的網(wǎng)絡(luò)獲取信息能力，也樂于和同伴分享自己獲取和學(xué)到的知識。他們是數(shù)字原住民，熟悉一般的智能家用電器，能接觸到各類生活中的控制系統(tǒng)，對生活中的案例與體驗非常感興趣，但是對控制系統(tǒng)的工作過程和蘊含的科學(xué)原理卻并不了解?；诖?，筆者的教學(xué)設(shè)計圍繞科技改變生活，通過“活動線——探秘控制系統(tǒng)中的反饋”展開。

2.強化真實情境，優(yōu)化教學(xué)策略

新課標(biāo)倡導(dǎo)真實性學(xué)習(xí)，鼓勵教師改進教學(xué)方式，從學(xué)生原有的“生活體驗”入手，過渡到“應(yīng)用體驗”，從而實現(xiàn)“解決問題”。筆者從認(rèn)識反饋入手，以學(xué)生比較熟悉的生活中的“燒水方式”為例，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)中存在反饋；以體驗反饋為主線，探究“智能小屋”，理解系統(tǒng)控制的過程，了解反饋在系統(tǒng)控制中的作用；以運用反饋為拓展，帶領(lǐng)學(xué)生運用反饋原理對電燈進行優(yōu)化設(shè)計，初步感知反饋對系統(tǒng)優(yōu)化的作用；以實施反饋為輔助，將系統(tǒng)框圖與程序設(shè)計流程圖建立關(guān)聯(lián)，幫助學(xué)生將課堂新知與原有舊知鏈接，感受計算機程序在控制系統(tǒng)中的重要作用。整個教學(xué)流程如圖1所示。

3.圍繞核心素養(yǎng)，明確教學(xué)目標(biāo)

信息科技課程以信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新以及信息社會責(zé)任等核心素養(yǎng)培養(yǎng)為目的，幫助學(xué)生建立對信息的敏感性，提高鑒別能力，提升數(shù)字素養(yǎng)與技能。本課的教學(xué)設(shè)計在學(xué)科核心素養(yǎng)四個方面的培養(yǎng)為：①知道反饋是過程與控制的典型環(huán)節(jié)，了解其普遍存在于日常生活中（信息意識）。②理解反饋在系統(tǒng)中的作用，分辨輸入與輸出環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)是有反饋還是無反饋（計算思維）。

③通過觀察、實踐與分析，理解反饋在系統(tǒng)中的工作原理，并初步了解反饋如何運用和實施（數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）。④通過實例發(fā)現(xiàn)計算機和程序在過程與控制中的作用，理解計算機實現(xiàn)過程與控制的優(yōu)勢，知道自主可控的系統(tǒng)在解決安全問題時起到了重要作用（信息社會責(zé)任）。教學(xué)目標(biāo)細化為四個具體目標(biāo)：①讓學(xué)生認(rèn)識到控制系統(tǒng)的運行過程中存在反饋，并學(xué)會區(qū)分有反饋還是無反饋的系統(tǒng)；②讓學(xué)生了解常見的傳感器及其功能；③初步理解反饋在控制系統(tǒng)運行中的工作原理和作用；④讓學(xué)生體驗和感受反饋在系統(tǒng)中的實施過程。通過設(shè)置任務(wù)和實驗，將抽象的概念轉(zhuǎn)化為實際操作體驗，促進學(xué)生對科學(xué)原理的深入理解。

4.引入數(shù)字資源，幫助學(xué)生理解

新課標(biāo)強調(diào)合理利用數(shù)字化平臺、工具和資源，為學(xué)生提供多元化的學(xué)習(xí)途徑和手段，鼓勵學(xué)生“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”。本課的教學(xué)設(shè)計通過動畫對比生活中普通水壺、電熱水壺、恒溫水壺的不同燒水模式，引導(dǎo)學(xué)生理解反饋是控制系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。通過分組體驗智慧小屋中的控制系統(tǒng)，讓學(xué)生在真實的情境中進行實踐操作和探究，更加直觀地感受和理解反饋的相關(guān)原理和應(yīng)用，突破教學(xué)重點。通過交互式動畫，引導(dǎo)學(xué)生通過計算機程序驗證系統(tǒng)的反饋，提升發(fā)現(xiàn)、分析、解決生活中真實問題的能力。引入小程序——“小車快跑”游戲進行知識反饋，通過即時反饋答題情況讓學(xué)生體驗反饋在檢驗學(xué)習(xí)成果中的作用。

5.教學(xué)評一體化，落實育人目標(biāo)

教學(xué)評一體化是新課標(biāo)倡導(dǎo)的一種重要的教學(xué)理念，它強調(diào)在教學(xué)過程中，評價應(yīng)與教學(xué)緊密相連，共同服務(wù)于學(xué)科育人目標(biāo)的實現(xiàn)。在教學(xué)過程中，除了傳統(tǒng)的課堂過程性評價外，筆者在每個環(huán)節(jié)都設(shè)置了一句體現(xiàn)“科技改變生活”的小結(jié)，以此承上啟下并評價教學(xué)活動。例如，在對比分析環(huán)節(jié)，教師小結(jié)：水壺的變革從手動控制到自動控制，體現(xiàn)了人類的智慧和科技的發(fā)展，等等。

“科”與“技”并重理念下的教學(xué)實施過程

1.依托表演，導(dǎo)入反饋現(xiàn)象

教學(xué)伊始，通過互動表演，讓學(xué)生猜一猜杯子中裝的是冷水還是熱水，引導(dǎo)學(xué)生初步感知反饋現(xiàn)象，以此引出人體神經(jīng)系統(tǒng)對溫度變化的反應(yīng)，激發(fā)學(xué)生的興趣和注意力。視頻展示：人體的自我調(diào)節(jié)系統(tǒng)在溫度超過一定范圍時會檢測到溫度變化，并通過發(fā)送信號到大腦來調(diào)節(jié)身體的溫度，這一過程是一個反饋過程。通過觀看視頻，學(xué)生了解到許多自然現(xiàn)象和生物過程都蘊含著反饋機制。表演激發(fā)了學(xué)生對反饋的好奇，為后面了解控制系統(tǒng)中的反饋做好鋪墊。

2.對比分析，認(rèn)識反饋原理

運用問題驅(qū)動：如果生活中有一壺水，我們怎樣將它加熱？學(xué)生從已有經(jīng)驗入手，回答出生活中常見的煤氣灶、電熱水壺、恒溫水壺?zé)绞健?/p>

對比分析：煤氣灶、電熱水壺、恒溫水壺三種燒水方式有什么不同？學(xué)生觀察描述：水壺的變革從手動控制，到半自動控制，再到自動控制，體現(xiàn)了人類的智慧和科技的進步。

教師引導(dǎo)：恒溫水壺的工作流程是怎樣的呢？教師和學(xué)生一起回顧并板書，帶領(lǐng)學(xué)生親歷科學(xué)原理的形成過程，理解反饋是控制系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。

對比分析：對照恒溫水壺與普通水壺的系統(tǒng)框圖，指出它們最大的區(qū)別是什么？學(xué)生觀察描述：恒溫水壺的系統(tǒng)框圖有檢測裝置，檢測到在整個過程中，信息流方向是循環(huán)的，實現(xiàn)了自動保溫的效果。最后歸納出自動控制系統(tǒng)中反饋的概念及原理。

對比分析：辨析家電中的反饋。教師提問：在普通電燈、電飯煲、掃地機器人中，哪些有反饋？哪些無反饋？學(xué)生完成表格并進行交流。

舉一反三：你還知道生活中有哪些帶有反饋過程的家用電器呢？學(xué)生討論，提出掃地機器人、空調(diào)、自動感應(yīng)水龍頭等電器設(shè)備具有反饋機制。

3.分組實驗，體驗反饋過程

教師出示一座智能小屋，里面配備了光控?zé)簟⒆詣痈袘?yīng)窗、自動晾衣架、智能風(fēng)扇四個可以自動控制的設(shè)備。這些功能需要通過具有反饋過程的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。學(xué)生通過小屋背后的行空板來觀察系統(tǒng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)。教師演示（自動感應(yīng)窗）：目前窗戶是關(guān)閉的，當(dāng)手靠近超聲波傳感器時，行空板的數(shù)值發(fā)生改變，同時窗戶自動打開。教師引導(dǎo)學(xué)生分組研究智能小屋的其中一個系統(tǒng)。學(xué)生分小組進行實驗操作，在實驗單上記錄各項功能的數(shù)據(jù)變化。隨后各小組派匯報員展示他們的研究成果，教師小結(jié)。通過分組體驗智能小屋的控制系統(tǒng)，學(xué)生從遠處觀望到近身體驗，從初步感知到深度學(xué)習(xí)，進一步了解控制系統(tǒng)中反饋的作用，在實踐探究中豐富經(jīng)歷，加深對科學(xué)原理的理解。

4.流程轉(zhuǎn)化，實施反饋過程

本環(huán)節(jié)圍繞“改造電燈控制系統(tǒng)”任務(wù)，通過課堂新知與原有知識的鏈接，及任務(wù)情境與現(xiàn)實生活的結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生將學(xué)習(xí)成果轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用。教師引導(dǎo)：剛才我們體驗了很多具有反饋的控制系統(tǒng)，能不能用今天所學(xué)的知識，為普通電燈也加入一個反饋的過程，讓它實現(xiàn)自動控制呢？問題驅(qū)動：你想設(shè)計一個怎樣的燈來解決實際生活中的需求？學(xué)生討論設(shè)計方案并填寫系統(tǒng)框圖（如下頁圖2）進行交流。這一設(shè)計任務(wù)不僅考查了學(xué)生對智能技術(shù)的理解和應(yīng)用能力，更體現(xiàn)了科技創(chuàng)新服務(wù)于生活的核心理念。

在實現(xiàn)反饋的過程中，編程至關(guān)重要。問題驅(qū)動：有了這樣一份完整的設(shè)計，是否就能實現(xiàn)自動燈的功能呢？教師引導(dǎo)：我們還要把我們的想法變成計算機語言告訴系統(tǒng)，可以將系統(tǒng)框圖轉(zhuǎn)化為流程圖。課件動態(tài)演示從系統(tǒng)框圖轉(zhuǎn)換為流程圖（如下頁圖3），思維的可視化使學(xué)生產(chǎn)生高階遷移，對照以往學(xué)過的圖形化編程知識來理解并實現(xiàn)這個反饋過程。關(guān)鍵步驟包括選擇合適的模塊，以及使用重復(fù)執(zhí)行指令確保系統(tǒng)能夠持續(xù)接收并處理來自不同子系統(tǒng)的命令。問題驅(qū)動：你能用“如果……那么……否則……”語句來說一說在你設(shè)計的燈中，反饋是怎么實現(xiàn)的嗎？學(xué)生一起探索并小結(jié)。

5.課堂反饋，情感升華

控制系統(tǒng)中的反饋能實現(xiàn)自動控制，課堂中的反饋則可以檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。通過設(shè)計答題系統(tǒng)與游戲化學(xué)習(xí)，有效反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和成果，展現(xiàn)了教學(xué)評的一致性。

學(xué)生活動：打開桌面上的答題游戲——“小車跑得快”。明確游戲規(guī)則：在輸入自己的姓名后開始答題，共五道題，每答對一道題，小車就會自動往前跑，看看誰的小車跑得最快，前3名的學(xué)生可以上臺領(lǐng)取獎品。智能小車答題系統(tǒng)通過編程實現(xiàn)對智能小車的控制，答題系統(tǒng)能自動反饋答題結(jié)果，學(xué)生參與感強。問題驅(qū)動：答題系統(tǒng)中的反饋有沒有用到傳感器呢？引導(dǎo)學(xué)生進行五年級《小貓答題》編程知識的高階遷移。最后得出結(jié)論：傳感器不是唯一的檢測裝置。教師總結(jié)，將課堂知識與古代智慧、現(xiàn)代科技發(fā)展相聯(lián)系，升華主題。

結(jié)束語

在新課標(biāo)背景下，信息科技學(xué)科的實踐形態(tài)是多樣化的，實踐要素可以關(guān)注科學(xué)原理教學(xué)、真實性學(xué)習(xí)、實驗教學(xué)探索等，不局限于具體形態(tài)，但要牢牢把握住要讓信息科技在“做中學(xué)、用中學(xué)、創(chuàng)中學(xué)”，進而領(lǐng)悟科學(xué)原理，實現(xiàn)“科學(xué)原理與實踐應(yīng)用并重”的學(xué)科育人目標(biāo)。[2]“過程與控制”模塊將物理世界與數(shù)字世界相融合，學(xué)習(xí)內(nèi)容具有抽象性和遞進性。本課中智能小屋的設(shè)計及教學(xué)過程實現(xiàn)了動手實踐、思維可視化以及與生活實際的緊密結(jié)合，而課件則經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化，確保每一頁、每一動畫都有其特定目的，旨在通過具體化任務(wù)促進學(xué)生對原理的理解和問題解決能力的提升?？傮w來說，本課的教學(xué)巧妙融合了原理教學(xué)、真實性學(xué)習(xí)、實驗教學(xué)等多種教學(xué)方法，從信息科技實踐應(yīng)用出發(fā)，注重幫助學(xué)生理解基本概念和基本原理，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識信息科技對人類社會的貢獻與挑戰(zhàn)，促進學(xué)生將所學(xué)的科學(xué)原理和技能應(yīng)用到更廣泛、更復(fù)雜的情境中，實現(xiàn)知識的深度遷移和創(chuàng)新應(yīng)用。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

[2]劉向永.義教信息科技課程新教學(xué)：信息科技學(xué)科實踐[J].中國信息技術(shù)教育，2024（09）：4.