鄔技科 葉紅霞

摘要：《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》給出了明確的教學(xué)模塊劃分，新模塊內(nèi)容既是新要求也是新挑戰(zhàn)，作者對(duì)“過程與控制”模塊進(jìn)行了探索，并在試教實(shí)踐基礎(chǔ)上總結(jié)歸納了教學(xué)路徑。

關(guān)鍵詞：過程與控制；逆構(gòu)；仿真模擬；開源硬件；演繹

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2023）09-0014-05

新數(shù)字化環(huán)境賦予了信息科技課程新內(nèi)涵，在《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）指導(dǎo)下，筆者從區(qū)域內(nèi)學(xué)生學(xué)情出發(fā)，針對(duì)新課標(biāo)中的“過程與控制”模塊開展了多次討論學(xué)習(xí)活動(dòng)和試教，基于教師、學(xué)生的反饋初步積累了一些可行的經(jīng)驗(yàn)。

“過程與控制”模塊教學(xué)分析

1.“過程與控制”模塊的教學(xué)挑戰(zhàn)

“過程與控制”是新課標(biāo)中第三學(xué)段（5～6年級(jí)）的內(nèi)容模塊，包含“系統(tǒng)與模塊”“反饋與優(yōu)化”“邏輯與運(yùn)算”三部分內(nèi)容。本模塊中的“控制系統(tǒng)”“回路”“反饋”“優(yōu)化”等概念在以前的課標(biāo)及教材中都未曾涉及，因此對(duì)教師們來說，本模塊的教育教學(xué)是一場(chǎng)全新體驗(yàn)。同時(shí)，本模塊帶給學(xué)生的物理世界與數(shù)字世界的深度融合視野是前所未有的，信息科技的價(jià)值以典型控制系統(tǒng)為起點(diǎn)，徐徐展開為一種廣闊的控制論、系統(tǒng)觀，而在控制系統(tǒng)和控制論中，找到合適的教學(xué)著力點(diǎn)帶領(lǐng)學(xué)生去細(xì)微觀察、識(shí)別、提取、轉(zhuǎn)化，既是未完成的命題，也是尋找核心素養(yǎng)落地點(diǎn)的前提。同時(shí)，貫穿于本模塊四個(gè)核心素養(yǎng)培育過程的是隱藏其中的數(shù)據(jù)意識(shí)暗線和對(duì)學(xué)生來說所需的自主可控、上手可調(diào)的觀感這一明線，從未來發(fā)展的角度看，要培育的學(xué)生在將來需要超越系統(tǒng)分析這一層面，成為帶著系統(tǒng)觀的自信、自覺、自立的觀察者、思考者、設(shè)計(jì)者。因此，不論采用何種教學(xué)著力點(diǎn)，又借由哪條教學(xué)設(shè)計(jì)路徑到達(dá)學(xué)業(yè)目標(biāo)，“過程與控制”模塊教學(xué)中學(xué)生主動(dòng)性、自信感體驗(yàn)都不可忽略。

2.待解決的教學(xué)問題思考

在本模塊中，控制系統(tǒng)形態(tài)，系統(tǒng)“輸入—計(jì)算—輸出”三個(gè)典型環(huán)節(jié)的抽象，反饋的作用與實(shí)現(xiàn)，開關(guān)量、連續(xù)量及其邏輯運(yùn)算，計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)驗(yàn)證、設(shè)計(jì)與優(yōu)化，控制系統(tǒng)中的安全等較為宏觀的問題，在新課標(biāo)中均有明確的內(nèi)容要求和學(xué)業(yè)要求對(duì)標(biāo)，此處不再一一羅列。雖然學(xué)業(yè)目標(biāo)不盡相同，但是課程實(shí)施過程中有著相同的追求和思考——首先希望這個(gè)與真實(shí)世界密切關(guān)聯(lián)的模塊能讓學(xué)生在“做中學(xué)”中自然地推進(jìn)，能搭建起合適的軟硬件支架去托舉真實(shí)性學(xué)習(xí)的生發(fā)。那么，“做中學(xué)”如何推進(jìn)？搭建什么樣的支架？能調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)性、自信感的數(shù)據(jù)意識(shí)和可控觀感的教學(xué)模樣如何構(gòu)建？筆者在試教中尋找答案。

試教迭代后的“動(dòng)機(jī)·抓手·演繹·遷移”路徑

1.典型課程內(nèi)容教學(xué)具體問題提出

綜合多方面資料對(duì)課程內(nèi)容簡(jiǎn)單劃分，筆者選取三個(gè)典型課程內(nèi)容案例提出具體問題，反映模塊教學(xué)的典型問題。

《控制的形態(tài)》：?jiǎn)栴}——如何設(shè)計(jì)讓全體學(xué)生體驗(yàn)控制系統(tǒng)且各系統(tǒng)重要環(huán)節(jié)效果能被學(xué)生捕捉到的支架？如何讓學(xué)生充當(dāng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者，讓學(xué)生在實(shí)踐中主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題提出新需求？

《開關(guān)量的生成》：?jiǎn)栴}——開關(guān)量生成之前的需求怎么由學(xué)生挖掘到？有真實(shí)感的需要開關(guān)量生成的控制系統(tǒng)以什么形式提供給學(xué)生？

《開關(guān)量的與、或邏輯運(yùn)算》：?jiǎn)栴}——“與”“或”邏輯運(yùn)算的需求產(chǎn)生和支架形式問題。

在筆者初次試教后學(xué)生們的部分反饋如圖1所示。課堂上師生共同分析了空調(diào)恒溫控制系統(tǒng)，而風(fēng)扇控制系統(tǒng)留給學(xué)生獨(dú)立思考。從圖1可以看出，不是所有學(xué)生都理解了空調(diào)恒溫控制系統(tǒng)中的“回路”，而且有近一半的學(xué)生無法獨(dú)立分析風(fēng)扇系統(tǒng)的控制形態(tài)。由此可知，一是學(xué)生從身邊的控制系統(tǒng)中抽取關(guān)鍵特征和環(huán)節(jié)的模式識(shí)別能力應(yīng)用失敗，二是分析每個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)作功能，串聯(lián)歸納完整的過程環(huán)節(jié)崩潰，“能識(shí)別系統(tǒng)中的輸入、計(jì)算、輸出環(huán)節(jié)[1]”學(xué)業(yè)目標(biāo)達(dá)成不理想，“問題分解、模式識(shí)別遷移”的計(jì)算思維未被孵化成功，可以說這是一次失敗的試教。

失敗的經(jīng)驗(yàn)是不可或缺且寶貴的，筆者從整體的課程結(jié)構(gòu)上捕捉到了本次教學(xué)暴露的問題?？刂葡到y(tǒng)的無“回路”和有“回路”，這兩種形態(tài)如果讓學(xué)生從列舉的生活中的典型控制系統(tǒng)中去提取，則存在以下問題：一是從列舉到提取“回路”這一過程中概念網(wǎng)絡(luò)跨度太大，知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的中間環(huán)節(jié)缺失；二是這個(gè)環(huán)節(jié)停留在紙上談兵，因?yàn)槿狈︴r活的經(jīng)驗(yàn)支持，新概念無法與學(xué)生已有的概念網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。而如果能讓學(xué)生有強(qiáng)烈的動(dòng)機(jī)去體驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)象的息息相關(guān)，體驗(yàn)“回路”的構(gòu)建、應(yīng)用“自動(dòng)控制”的高效，那么學(xué)習(xí)體驗(yàn)一定會(huì)有不一樣的提升。換句話說就是，讓學(xué)生關(guān)注技術(shù)的“重新發(fā)明”，體驗(yàn)技術(shù)開發(fā)者的計(jì)算思維過程，感受開發(fā)者的智慧和精神。[2]基于此，筆者迭代設(shè)計(jì)出了一條“動(dòng)機(jī)·抓手·演繹·遷移”的教學(xué)路徑（如圖2）。

2.案例演繹

案例一：《控制的形態(tài)》

①誕生動(dòng)機(jī)，滿足智能的需求。要想讓學(xué)生體驗(yàn)“回路”的“重新發(fā)明”，需要設(shè)計(jì)一個(gè)從手動(dòng)控制系統(tǒng)到自動(dòng)控制系統(tǒng)的需求升級(jí)情境。這個(gè)情境要如何選取設(shè)計(jì)？一是要有童趣，學(xué)生興趣、注意力和觀察力能被協(xié)同調(diào)動(dòng)，此為鋪墊；二是在這個(gè)情境中，學(xué)生能“手動(dòng)控制”該系統(tǒng)，體會(huì)多個(gè)系統(tǒng)對(duì)象環(huán)節(jié)之間的運(yùn)作關(guān)聯(lián)，這時(shí)其實(shí)已經(jīng)存在了人作為其中環(huán)節(jié)的“回路”，此為基礎(chǔ)；三是學(xué)生在多次“手動(dòng)控制”熟悉了該系統(tǒng)控制后，會(huì)產(chǎn)生減少腦力或體力或時(shí)間的想法，由內(nèi)而外地意識(shí)到系統(tǒng)的改進(jìn)方向——自動(dòng)化“回路”，這也是最重要的一點(diǎn)，讓學(xué)生從自身需求出發(fā)，誕生“閉環(huán)”的設(shè)計(jì)意識(shí)。考慮到以上幾點(diǎn)要求，筆者創(chuàng)設(shè)了模擬“手動(dòng)控溫孵化小雞”這一與生命主題關(guān)聯(lián)的情境。

②設(shè)計(jì)抓手，提升感官的體驗(yàn)。在情境確定好之后，為設(shè)計(jì)全體學(xué)生能參與其中的低門檻抓手支架，筆者確定了仿真模擬和開源硬件兩個(gè)方向，在綜合考慮本課的多方面因素后，采用軟件交互式設(shè)計(jì)，以游戲的形式呈現(xiàn)可愛的雞蛋、雞寶寶形象，溫度過冷或過熱時(shí)的對(duì)應(yīng)音效，不同控制效果下的不同雞寶寶孵化成功率等。支架采用學(xué)生熟悉的圖形化編程工具制作，發(fā)布為網(wǎng)頁(yè)的形式。雞蛋孵化需要將溫度控制在35～40攝氏度之間才能提高成功率，學(xué)生在孵化過程中需要時(shí)刻觀察溫度計(jì)顯示的溫度，由此決定打開或關(guān)閉水床的加熱開關(guān)。

考慮到課堂時(shí)間有限，孵化時(shí)間設(shè)置為一分鐘，根據(jù)控制得到的適宜溫度出現(xiàn)的時(shí)長(zhǎng)，學(xué)生將得到四種不同的孵化結(jié)果（如下頁(yè)圖3）。

③表達(dá)演繹，生發(fā)思維的提升。在實(shí)際教學(xué)中，筆者給予學(xué)生兩次體驗(yàn)時(shí)間的機(jī)會(huì)，大部分學(xué)生表示第二次孵化成功率上升，且?guī)缀跞w學(xué)生都有信心和興趣能夠在下一次游戲中將溫度控制得更好。由此說明，學(xué)生的控制經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)生成，學(xué)生有能力分析該控制系統(tǒng)的環(huán)節(jié)。接著，讓學(xué)生動(dòng)手在“畫圖”程序中連接各個(gè)環(huán)節(jié)的順序，并請(qǐng)學(xué)生解釋連接順序，促進(jìn)學(xué)生環(huán)節(jié)識(shí)別抽取、順序計(jì)算的計(jì)算思維達(dá)成，即圖4中的“連一連”部分。學(xué)生在動(dòng)手連接以及闡述過程中，可完成各個(gè)對(duì)象的功能提取，即圖4的“功能提取”部分，接著迎接新問題——真實(shí)的雞蛋孵化周期為21天，是否有比手動(dòng)調(diào)節(jié)21天更好的辦法？提出用溫度傳感器和比較器來替換人和溫度計(jì)，再將流程轉(zhuǎn)化為抽象圖示，整個(gè)過程如圖4所示。在問題“為什么能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制”的引導(dǎo)下，學(xué)生看著抽象圖示能提出類似“環(huán)”“循環(huán)”的概念，以此成功引出“回路”這一概念。

在學(xué)生完成了有“回路”的控制系統(tǒng)圖示抽象后，因?yàn)榱硪环N無“回路”的控制系統(tǒng)典型例子生活中并不缺少，所以在前面知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的搭建經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，學(xué)生已有足夠的知識(shí)對(duì)另一種形態(tài)的圖示進(jìn)行獨(dú)立分析。

④拓展遷移，強(qiáng)化模式的提取。以上環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)意圖是希望學(xué)生主動(dòng)深入感受兩種系統(tǒng)的形態(tài)，而非走馬觀花停留在泛泛而談的舉例和一步登天的圖示抽象中。筆者認(rèn)為，學(xué)生要達(dá)成本課的學(xué)業(yè)目標(biāo)還需要尋找、分析、遷移、應(yīng)用更多的例子，否則前面環(huán)節(jié)獲得的能力還太過單薄且易遺忘。因此，本環(huán)節(jié)讓學(xué)生去分析生活中更多的典型控制系統(tǒng)及其形態(tài)，當(dāng)然，本環(huán)節(jié)也可以視作反饋的一部分，以評(píng)價(jià)學(xué)生的活學(xué)活用能力，教師做好支架的支持。

案例二：《開關(guān)量的生成》

在本案例中，筆者創(chuàng)設(shè)了盲人出行難的情境。學(xué)生頭腦風(fēng)暴后有了設(shè)計(jì)類似智能拐杖的意識(shí)，提出了如下頁(yè)表所示的功能設(shè)計(jì)。在動(dòng)機(jī)需求驅(qū)動(dòng)下，筆者選擇用開源硬件模擬拐杖模型為學(xué)生構(gòu)建學(xué)習(xí)體驗(yàn)，并選擇困境的某一點(diǎn)進(jìn)行具體分析、演繹、細(xì)化，困境1中開關(guān)量的生成演繹如下頁(yè)圖5所示。其他幾點(diǎn)的模塊設(shè)計(jì)在開關(guān)量生成這一本質(zhì)上是一致的，是遷移應(yīng)用的直接實(shí)例。

案例三：《開關(guān)量的與、或運(yùn)算》

沿用案例二的情境，添設(shè)子情境——盲人摔倒后面臨的求助困境，學(xué)生能自主提出為智能拐杖設(shè)計(jì)摔倒檢測(cè)應(yīng)急模塊的類似想法。這是一個(gè)對(duì)合理化要求較高的模塊設(shè)計(jì)，綜合考量的因素有加速度、速度等條件，如加速度子模塊達(dá)到符合判定摔倒的條件，這時(shí)最好再附加判斷一分鐘內(nèi)是否無移動(dòng)減少誤判概率。兩個(gè)條件的同時(shí)滿足觸發(fā)應(yīng)急措施的響應(yīng)，即“與”邏輯的成立。類似地，有時(shí)拐杖使用者想要主觀觸發(fā)應(yīng)急措施，應(yīng)急按鈕與上面兩個(gè)條件組合的邏輯關(guān)系便是“或”?？紤]到實(shí)際學(xué)情，加速度子模塊教師可以封裝好交給學(xué)生使用，這其中，從“與”到“或”本質(zhì)上也是一種遷移。

結(jié)束語(yǔ)

筆者認(rèn)為，在“過程與控制”模塊中的其他內(nèi)容上，“動(dòng)機(jī)·抓手·演繹·遷移”教學(xué)路徑的迭代設(shè)計(jì)思路也有遷移、應(yīng)用的意義。同時(shí)，在本次學(xué)、思、踐、悟中筆者也認(rèn)識(shí)到，在改進(jìn)過程中始終考慮教學(xué)對(duì)象的特征，使其由內(nèi)而外地在情境中生動(dòng)真實(shí)地促進(jìn)思維的開花是教學(xué)的方向和準(zhǔn)則。

參考文獻(xiàn)：

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[2]費(fèi)海明.計(jì)算歸簡(jiǎn)，分合衍變——計(jì)算思維內(nèi)涵探析與教學(xué)創(chuàng)意[J].中國(guó)信息技術(shù)教育，2020，344（20）：85-88.