項琴燕

摘要：本文針對現(xiàn)實控制系統(tǒng)中的真實問題，以項目式實驗展開實驗教學(xué)，遵循親歷體驗、問題分析、抽象建模、方案建構(gòu)、實踐探究、優(yōu)化創(chuàng)新、原理解析、融合擴(kuò)展的基本思路，讓計算思維在實驗活動過程中生成、深化、生長。

關(guān)鍵詞：實驗；項目式；問題解決；控制系統(tǒng)；計算思維

中圖分類號：G434 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?論文編號：1674-2117（2024）11-0064-04

《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)”）對“過程與控制”模塊的實驗教學(xué)建議為：“學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，采用實驗套件或自己配置的實驗材料，實現(xiàn)一個簡易的過程與控制系統(tǒng)”。結(jié)合新課標(biāo)要求，筆者以“樓道智能感應(yīng)燈系統(tǒng)設(shè)計”為項目式實驗主題，借助開源硬件，結(jié)合編程軟件，依托素材資源環(huán)境等，創(chuàng)造真實的控制系統(tǒng)，并通過提出問題、方案設(shè)計、環(huán)境搭建、實驗踐行、優(yōu)化創(chuàng)新、原理解析、遷移應(yīng)用等環(huán)節(jié)展開項目實驗探究，實現(xiàn)控制核心環(huán)節(jié)——數(shù)理模型的構(gòu)造和關(guān)鍵計算程序的編寫，從而實現(xiàn)高階思維下的數(shù)字化學(xué)習(xí)。[1]

實境體驗“啟”問題，形成計算思維雛形

在本實驗中，筆者利用掌控板或信息科技實驗板，并結(jié)合編程軟件搭建簡易的樓道聲控?zé)魧嵨锬Ｐ?，模擬當(dāng)聲音強(qiáng)度超過某個數(shù)值時，燈亮，否則燈不亮的過程。同時，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生在觀察、體驗實物模型時聯(lián)結(jié)生活中聲控?zé)舻氖褂酶惺?，發(fā)現(xiàn)其存在的問題：①當(dāng)白天光線很好時，采集到的聲音超過一定分貝，燈會自動亮起，浪費電。②當(dāng)樓道沒人出現(xiàn)但周邊環(huán)境產(chǎn)生較大聲音或光線較暗時，也會自動亮燈，浪費電。③有人出現(xiàn)，但需要故意跺腳或大聲喊出聲音才能亮燈，產(chǎn)生噪音。

要解決上述問題，必須先了解聲控?zé)舻臉?gòu)造和工作的過程，感知其過程與控制的原理。五、六年級的學(xué)生邏輯思維快速發(fā)展，正處于具象思維向抽象思維過渡的階段，并且他們具備一定的分析歸納能力和計算能力，實踐操作的行動力較強(qiáng)，非常適合展開實驗教學(xué)，通過實驗教學(xué)來助推計算思維在學(xué)生心中生根發(fā)芽。

聚焦問題“設(shè)”方案，明晰計算思維導(dǎo)向

1.問題分解

本項目主板為掌控板，集成了多種傳感器。學(xué)生觀察掌控板，將系統(tǒng)總模塊分解為四個功能相對獨立的子模塊，通過學(xué)習(xí)單上的思維導(dǎo)圖（如下頁圖1）了解各模塊的功能和原理，再根據(jù)問題描述，將要解決的復(fù)雜問題分解成獨立的小問題，并與掌控板模塊結(jié)合，完成“問題分解表”（如下頁表1）。

2.抽象建模

從控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理兩個方向來分析，系統(tǒng)的運作可以抽象為輸入、計算和輸出三個典型環(huán)節(jié)，根據(jù)實物模型體驗，教師引導(dǎo)學(xué)生找出輸入來源（光線強(qiáng)度、聲音分貝、是否有人）和控制輸出結(jié)果（是否亮燈），嘗試推測計算過程，并運用邏輯和數(shù)值運算的組合構(gòu)造計算模型，從而實現(xiàn)對控制器的過程控制。根據(jù)上一環(huán)節(jié)的問題分解和模塊分解，初步抽象出影響樓道燈亮的關(guān)鍵因素，并利用表格理清各因素之間的邏輯關(guān)系。

通過分析表2可以發(fā)現(xiàn)，在樓道燈控制系統(tǒng)中，是否有人是最重要的因素，若沒有人不用開燈，有人則只需要滿足一種情況——光線不好。根據(jù)上述分析，再次抽象，去除聲音控制模塊，只需選擇紅外傳感器和光線傳感器來感知是否有人和光線亮暗程度即可，建立邏輯圖示模型（如圖2）。

實驗踐行“解”問題，生成計算思維內(nèi)核

1.探索閾值

在上述模型中，閾值判斷是計算的關(guān)鍵步驟。針對什么是閾值，筆者引導(dǎo)學(xué)生用感應(yīng)燈模型來體驗系統(tǒng)運行的臨界狀態(tài)，感受閾值的作用。

實驗一：教師出示用掌控板搭建的樓道感應(yīng)燈模型，讓學(xué)生體驗用一個黑盒子緩緩靠近光線傳感器（模擬天黑效果），當(dāng)?shù)揭欢ǖ木嚯x時，LED燈亮起，記錄掌控板屏幕上的數(shù)值，然后再緩緩地移開黑盒子，LED燈滅，觀察屏幕上數(shù)值的變化。

結(jié)論：控制LED燈亮起有個臨界數(shù)值，當(dāng)系統(tǒng)運行到臨界狀態(tài)，數(shù)據(jù)大于或小于這個數(shù)值時，就執(zhí)行相應(yīng)的控制動作（燈亮或滅），這個數(shù)值稱之為“閾值”。

閾值可以隨意設(shè)定嗎？樓道感應(yīng)燈亮起的光線強(qiáng)度臨界值設(shè)定為多少合適？筆者引導(dǎo)學(xué)生通過實驗?zāi)M環(huán)境光線變化來探究感應(yīng)燈亮起的閾值。

實驗二：學(xué)生打開Mind+編輯器，連接掌控板，在教師的引導(dǎo)下找到獲取和顯示光線強(qiáng)度的圖形化代碼塊。用黑盒子和光照燈模擬不同的環(huán)境光強(qiáng)度，讀取掌控板屏幕上顯示的數(shù)值，做好實驗記錄（如表3）。

結(jié)論：黑盒子半遮擋時光線較暗需要亮燈，三次數(shù)值的平均值即可作為感應(yīng)燈亮起的臨界值，也就是閾值。

小結(jié)：傳感器能獲取外界環(huán)境信息并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)作為輸入量，提供給控制系統(tǒng)進(jìn)行判斷和決策。

2.生成開關(guān)量

光線強(qiáng)度是可在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的數(shù)據(jù)，是連續(xù)量；感應(yīng)燈設(shè)備的開和關(guān)的狀態(tài)通常用數(shù)字1和0表示，是開關(guān)量。那么，光線強(qiáng)度是如何控制感應(yīng)燈的開和關(guān)呢？這就需要經(jīng)由閾值判斷，將輸入的連續(xù)量計算生成開關(guān)量來實現(xiàn)控制。

實驗分析：由前面抽象建模的邏輯圖示模型可知，感應(yīng)燈亮的條件是檢測到有人，并且環(huán)境光線暗（小于閾值），這兩個條件同時滿足，要用到邏輯“與”運算。通過算法分析，程序采用分支結(jié)構(gòu)，用自然語言“如果……那么……否則……”描述。其中，紅外傳感器通過擴(kuò)展板P11引腳外接，將人體熱能釋放的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號，并進(jìn)行處理，返回1/0的值是開關(guān)量，P11=1代表感應(yīng)到有人。光線強(qiáng)度經(jīng)由閾值判斷（＜300）后生成開關(guān)量，通過邏輯“與”運算，將不同的開關(guān)量進(jìn)行邏輯組合，實現(xiàn)對系統(tǒng)的狀態(tài)判斷和復(fù)雜控制。

實驗記錄：用自然語言將紅外感應(yīng)有人（P11=1）和光線較暗（＜300）兩個開關(guān)量條件進(jìn)行邏輯“與”運算，形成新的開關(guān)量，控制感應(yīng)燈亮滅，還原感應(yīng)燈系統(tǒng)中的過程控制。

小結(jié)：通過連續(xù)量和開關(guān)量的轉(zhuǎn)換，閾值判斷可將連續(xù)量轉(zhuǎn)換為開關(guān)量，邏輯運算可將多個開關(guān)量組合生成新的開關(guān)量，實現(xiàn)對象控制的過程。開關(guān)量數(shù)據(jù)可通過傳感器直接獲得，用于輸入，如有/無，也可通過系統(tǒng)判斷產(chǎn)生，用于輸出，如開/關(guān)、亮/滅等。

3.代碼實現(xiàn)

實驗：學(xué)生根據(jù)自然語言描述框架，回顧算法執(zhí)行流程，在Mind+中將相應(yīng)的代碼用順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)嵌套組合運用，并實時觀察掌控板的LED燈，不斷調(diào)整修改運行程序，直至實現(xiàn)效果——“光線暗，人來燈亮，人走燈滅”（如圖3）。

小結(jié)：整個算法采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，“過程與控制”中不是一次性計算或執(zhí)行，而是循環(huán)往復(fù)、持續(xù)不斷地運行。在這種持續(xù)的運行中，從輸入到輸出的單次計算只是其中一部分，而計算的輸出會以各種方式影響輸入，從而形成連續(xù)的計算，形成閉合環(huán)路，這就是反饋系統(tǒng)。

4.原理解析

通過抽象建模分析、算法設(shè)計、實驗驗證，將聲控?zé)魞?yōu)化改造為感應(yīng)燈，解決了表1中的問題。但實驗完成并不意味著結(jié)束，教師要引導(dǎo)學(xué)生理解系統(tǒng)實現(xiàn)控制的原理，這對于理解生活中廣泛存在的過程與控制系統(tǒng)至關(guān)重要，也有利于遷移應(yīng)用。教師出示感應(yīng)燈的工作原理圖示（如圖4），引導(dǎo)學(xué)生說出步驟，并在學(xué)習(xí)單上填空完成。

遷移應(yīng)用“引”生長，促進(jìn)計算思維迭代

1.實驗遷移

現(xiàn)實生活中的很多場景需要恒溫環(huán)境，如孵化小雞，需要將溫度控制在37～42℃之間，恒溫箱就是解決這類問題的控制系統(tǒng)。實驗過程可用程控加熱模塊、程控風(fēng)扇模塊、微型驅(qū)動模塊及實驗板等，搭建一個簡易的恒溫箱系統(tǒng)。

除了開源硬件，還可以用仿真軟件交互式設(shè)計系統(tǒng)。例如，上述恒溫箱孵化小雞實驗可采用軟件仿真設(shè)計，以游戲動畫的形式直觀呈現(xiàn)雞蛋、雞寶寶形象，并設(shè)置溫度變量，隨著溫度的變化來控制加熱燈照和風(fēng)扇的啟動和關(guān)閉。以圖形化編程工具為制作支架，教師提供部分代碼模塊，學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上完善程序代碼，實現(xiàn)孵化效果，體驗設(shè)計算法解決問題的過程。

2.原理遷移

控制系統(tǒng)一般有多種形態(tài)，有些控制系統(tǒng)的控制過程需要在人為干預(yù)下進(jìn)行，稱為開環(huán)系統(tǒng)，而有些控制系統(tǒng)無需人的參與即可自動實現(xiàn)目標(biāo)，稱為閉環(huán)系統(tǒng)。兩者原理的主要區(qū)別是輸出量能否返回到輸入端，與輸入量進(jìn)行比較，形成閉合的環(huán)路，即是否有反饋機(jī)制。

通過實驗探究，將原理遷移到日常生活設(shè)備應(yīng)用中，讓學(xué)生更清楚地認(rèn)識到普通電風(fēng)扇需人為調(diào)節(jié)風(fēng)速，是開環(huán)系統(tǒng)，而智能空調(diào)能根據(jù)環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)，是閉環(huán)系統(tǒng)。同時讓學(xué)生理解手動控制電燈開關(guān)和智能感應(yīng)燈的區(qū)別等。了解“過程與控制”的原理，能讓學(xué)生更深入地感受到“過程與控制”是廣泛存在于生活中的一種系統(tǒng)模型，它既是常見的電器設(shè)備的運作方式，也是一些經(jīng)濟(jì)事務(wù)的運作原理，是反饋、環(huán)路、優(yōu)化的過程。

評價改進(jìn)“促”優(yōu)化，提升計算思維品質(zhì)

實驗教學(xué)評價包含對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評價和對教師教學(xué)效果的評價[2]，本實驗主要利用學(xué)習(xí)單進(jìn)行教師評價和學(xué)生自評。學(xué)習(xí)單記錄了學(xué)生對實驗設(shè)備的認(rèn)識、實驗步驟的設(shè)計、實驗結(jié)論的分析以及實驗原理的表述等。教師制訂精細(xì)化的評價標(biāo)準(zhǔn)，對照學(xué)習(xí)單進(jìn)行評價，了解學(xué)生對實驗學(xué)習(xí)的整體掌握程度和薄弱環(huán)節(jié)，以便及時調(diào)整教學(xué)策略，做針對性講解，以評促教；學(xué)生則根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)習(xí)單進(jìn)行自評，針對疑難、薄弱點再次學(xué)習(xí)，以評促學(xué)。精細(xì)化的評價標(biāo)準(zhǔn)讓學(xué)生的自評有據(jù)可依，讓教師的反饋有理可據(jù)，真正體現(xiàn)了“教-學(xué)-評”一致性。

本模塊學(xué)習(xí)以項目實驗展開，是計算思維的具體體現(xiàn)和實際應(yīng)用。學(xué)生從真實情境出發(fā)，經(jīng)歷了“發(fā)現(xiàn)問題——系統(tǒng)分解、抽象建模——算法設(shè)計、實驗探究——原理認(rèn)知遷移”的過程，在完成項目實驗的基礎(chǔ)上體驗了問題求解的思維全過程，從而把握了計算本質(zhì)，提升了計算思維的品質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]熊璋，方其桂，許憬，等.義務(wù)教育過程與控制教學(xué)實施眾人談[J].中國信息技術(shù)教育，2023（09）：5-10.

[2]霍麗榮.關(guān)于實驗教學(xué)評價的思考[J].實驗教學(xué)與儀器，2021，38（06）：77-79.