自制智能澆花教具 突破“控制及其設計”教學瓶頸

卓凌穎 叢 敏

（1.福州第七中學，福建 福州 350012；2.福建教育學院，福建 福州 350025）

《2061 計劃》指出：“技術和科學、數學一樣，已經成為當代社會變化的中心，它們引起社會變化、塑造社會變化并應對社會變化，成為今日兒童應對明日世界的基礎。”［1］2019 版普通高中通用技術（蘇教版）教材依據《普通高中通用技術課程標準（2017 年版2020 年修訂）》，秉承大過程、大概念、大項目、大綜合理念，倡導情境化教學、遞進式任務，促進學習的豐富性、思維的開放性、方案的多樣性、評價的啟發性，由簡單的、機械的“動手做”走向有理念、有深度的“動腦做”，落實核心素養，凸顯技術課程育人價值。［2］自制教具體現通用技術課程的性質與特點，通過近距離觀察、動腦設計、動手實踐，有效幫助學生由感性認知深入理性運用，在主動參與、互相合作探究式學習中，較長時間維持思維活躍度，全面深刻掌握知識技能，在實踐中提升核心素養。

一、《技術與設計2》“控制及其設計”的教學瓶頸

布魯納認為“學生獲取知識的過程往往是通過動手操作所獲得的”［3］，僅依靠課本圖文內容、聆聽教師講解、觀看控制視頻、繪制控制方框圖等方式難以深入理解控制過程。教具作為輔助教學的用具，可以使知識具體、形象，有效幫助學生由表及里，化繁為簡，有利于突出教學重點、突破教學難點。當前2019 年蘇教版通用技術必修課程《技術與設計2》的教學瓶頸在于配套教具不全且價格昂貴。

（一）新版教材缺少實用配套教具

《技術與設計2》新版教材配套教具多由代理公司生產，非一線教師設計，部分章節甚至沒有對應的教具。“控制及其設計”是《技術與設計2》的難點，開環與閉環控制系統的區別與聯系又是“控制及其設計”中的難點，該章節知識、概念抽象晦澀。教材中“電熱水器”“空調及電冰箱溫度控制系統”等溫控案例雖貼近生活，［4］但未有匹配的教具滿足學生技術實踐與探究，缺少學生親歷情境、親身體驗、親手操作的載體，因此亟需自制教具突破教學難點。

（二）配套教具具有滯后性且價格昂貴

新版教材配套教具如風扇模型、自動配貨裝置等因經歷開發、研制、生產、優化等環節需要大量時間，在實際教學中具有明顯滯后性，且不一定符合各地各校教學實際。部分配套教具價格高昂，學校采購負擔大，不利于開展分組技術實踐或探究。自制教具因取材便利、結構簡單、制作容易等特性填補了配套教具不足這一缺口，節省了采購經費且滿足不同技術探究需求，得到眾多通用技術教師青睞。

二、自制智能澆花教具載體的選擇及設計

《普通高中通用技術課程標準（2017 年版2020 年修訂）》倡導創設基于生活的真實情境，強調學生通過合作、探究開展深度學習，自主構建知識體系。在具有技術性、真實性和綜合性的問題情境下，學生更容易開展主體性探究活動，落實發展核心素養。

（一）自制教具有利于提升學生核心素養

自制教具具有良好的啟發性，學生參與自制教具的設計與制作，有效落實新課程理念提出的“做中學，學中做”。對教具的需求、構思、設計、制作、優化及使用過程，既是設計一般過程的具象化，也是通用技術核心素養的具體應用。自制教具利于引發學習興趣和思考，促進學生主動參與、合作交流。學生在這過程中成為課堂的主人，師生在實踐中共同成長，工程思維、創新設計、物化能力等核心素養得到提升。

（二）自制智能澆花教具載體的選擇

“控制及其設計”重難點之一是學生通過技術體驗或探究分析、理解開環及閉環控制系統的工作過程。學生熟悉的簡單控制系統有電動門、抽水馬桶水位控制、澆花裝置等，通過挖掘情境要素，以“澆花裝置”創設情境，涵蓋手動控制與自動控制、開環控制與閉環控制、反饋與干擾等知識點。自制智能澆花教具運用新理念、新材料、新技術、新方法，將延時繼電器模塊、濕度檢測比較模塊等硬件與傳統澆花裝置有機融合，模擬主人無暇照顧植物情況下對植物進行科學澆水，［5］情境真實有效。

（三）自制智能澆花系列教具的組成構件及功能

三、自制智能澆花教具在教學中的應用

自動智能澆花教具根據3 個層層遞進的情境，使開環控制系統與閉環控制系統具象化。3 個系列澆花教具分別滿足不同情況下盆栽無人照顧時為植物自動、科學澆水的需求，學生通過小組合作探究搭建模型解決真實問題，感受開環與閉環控制的具體應用，培養工程思維、創新設計、物化能力等核心素養。

（一）系列1：定時自動澆花教具

1.情境：暑假將至，教室外綠蘿無人照料，綠蘿喜濕熱環境，需保持盆土濕潤，否則易引起葉黃和株形不佳，怎么解決暑假為綠蘿澆水問題？

2.設計意圖：學生通過對生活中具體情境中的技術要求進行提煉，辨析手動控制、自動控制的特點；通過設計、制作定時自動澆花教具技術體驗活動，理解控制系統的含義，熟悉簡單開環控制系統的基本組成和工作過程，理解其中控制器、執行器等作用，辨析開環控制系統的特征。

3.應用：傳統人工澆花屬于手動控制，學生通過頭腦風暴，想出虹吸法、液壓法、定時器自動澆灌等自動澆花方式，通過不同方式對比感受手動控制與自動控制的區別與聯系，理解人工控制需要人的直接與全程參與，自動控制也需要人的間接參與。部分小組選擇定時器自動澆灌方式，涉及“5V 多功能延時繼電器模塊”，對于學生來說，這是一種未接觸過的電子設備，在閱讀說明書、上網查詢、學習使用方法視頻過程中，學生的技術意識及工程思維得到培養。他們通過分工合作，分別利用網絡查詢綠蘿需水量，測定水泵、水管、可調噴頭連接后的出水量。在不斷試驗過程中，學生確定最適合的定時模式為綠蘿澆水，受限于“5V 多功能延時繼電器模塊”定時、延時時間范圍為0.1 秒～999 分鐘，設計上午6：00 通電，澆水25 秒（澆水量約250 毫升），間隔720 分鐘，無限循環模式。各小組因水泵出水量不同，設計的參數略有不同，符合新課標提倡的自主、合作、探究學習方式。學生繪制連接示意圖，組裝、調試、定時自動澆花教具，描述定時澆花的過程，分析、理解開環控制系統的基本組成和工作過程，理解控制器（5V 多功能延時繼電器模塊）、執行器（臥式直流水泵）等作用，辨析開環控制系統的特征，提煉出開環控制系統方框圖（如下圖），在突破知識難點的同時提升圖樣表達與物化能力。

（二）系列2：帶濕度檢測的自動澆花教具

1.情境：福州夏天多雨，綠蘿放置在窗外，定時自動澆花裝置無論晴雨天氣都按照已設定的時間定時澆水，導致雨天盆土積水，容易引起綠蘿爛根、枯葉。如何解決重復澆水問題？

2.設計意圖：學生通過設計、制作帶濕度檢測的自動澆花教具實踐體驗，分析閉環控制系統的基本組成和工作過程，分析反饋干擾現象及其基本原理，學會畫閉環控制系統方框圖。

3.應用：定時自動澆花教具是開環控制系統，單線程工作，達到設定時間即開始澆水，輸出量不對系統的控制產生任何影響，所以在雨天容易造成重復澆水的現象。為解決這個問題，學生通過交流探討，得出需要在原有定時自動澆花教具基礎上加入自動檢測濕度的裝置，根據土壤濕度情況決定是否澆水（此句為從情境過渡到后面的實操）；然后在合作探究中選擇將土壤濕度傳感器配合以LM393 芯片為主控單元的濕度比較器一起使用。學生通過網絡查詢適合綠蘿盆土的濕度值，將濕度傳感器插入花盆土壤中，根據綠蘿的需水量向土壤澆水，澆到土壤濕度合適為止，不同組檢測到的濕度值可能不同，請學生分析可能的原因。有的小組觀察細致，留意到濕度傳感器檢測深度為38mm，插入土壤部分過多或過少可能會帶來檢測的誤差,即來自外界的干擾。在保證濕度傳感器位置有效的基礎上，用螺絲刀調節比較器上靈敏度調節電位器直到DO-led 燈暗。當陽光照射土壤水分蒸發，土壤濕度低于設定值，DO-led 燈亮，繼電器吸合，水泵開始抽水澆灌，當土壤濕度值達到設定值，停止澆水。在試驗與實踐中，學生的工程思維及物化能力得到提升。

3.濕度檢測自動澆花教具閉環控制系統如下圖

學生在發現與明確問題的基礎上，收集相關信息，提出符合設計原則且具有一定創造性的構思方案，組裝、設置濕度檢測自動澆花教具，分析濕度檢測自動澆花教具閉環控制系統的工作過程，理解輸入信號是設定的土壤濕度，濕度傳感器檢測到土壤濕度信號返回控制系統的輸入端，通過具有計算功能的比較器（濕度檢測模塊）與給定的濕度值做比較，構成一個閉合回路，以此控制澆水與否，明晰濕度檢測模塊在閉環控制系統中的作用。

（三）系列3：特定時段濕度檢測智能澆花教具

1.情境：夏天早晚與中午溫差大，如在中午溫度高時澆水，植物因蒸騰作用旺盛，易產生生理干旱甚至枯死。如何避免夏天中午高溫但土壤干自動澆花裝置啟動澆灌的問題？

2.設計意圖：根據澆花情境中蘊含的問題的要求，確定被控量和控制量，能夠根據問題設計適宜的自動澆花控制系統的方案，搭建一個控制系統裝置或模型，并對所搭建的控制系統進行調試運行及綜合評價。

3.應用：學生查詢綠植養護網站，得到“一般情況下，澆花時水溫和土溫相差5℃左右比較合適”的信息，通過討論，部分小組嘗試同時串聯多功能延時繼電器模塊和濕度傳感器、濕度比較模塊，組裝“在特定時段濕度檢測智能澆花教具”。根據福州氣候氣象特征，針對綠蘿這種植物，討論協商早上6∶00-8∶00，下午6∶00-8∶00 為較為合適的澆灌時間段，在澆灌時間段內，檢測到濕度低于設定值才開啟抽水澆灌功能，非澆灌時間段，無論濕度如何，不啟動澆水，以避免植物在高溫下吸收水分形成生理干旱甚至枯死。該探究過程是對開環、閉環控制系統的綜合利用與拓展延伸，學生根據設計對象和現有條件制訂解決技術問題的方案，解決現實生活中澆花問題，具有參與技術創新設計的愉悅感與解決真實問題的成就感。課后留有拓展作業，請學生想想自動澆花裝置還可以怎么改進？結合智能家居，能否設計一款可遠程查看植株情況，兼顧手動與自動控制、提高控制精度的智能澆花控制系統。

四、結語

陶行知提倡“生活即教育”［6］，瑞士教育家裴斯泰洛齊提出“實物教學法”［7］，自制智能澆花裝置讓“控制及其設計”中的開環與閉環控制系統活起來，將感性認識與生活實際結合在一起，提升知識技能的運用，促進核心素養的達成。