新課標“過程與控制模塊”的落地實施策略

代成杰

2022年4月，《義務教育階段信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）正式發(fā)布。隨著新課標的發(fā)布，義務教育階段的信息科技教學內(nèi)容確立了數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡、信息處理、信息安全和人工智能六條邏輯主線，并包含了過程與控制模塊的學習內(nèi)容。

一、過程與控制模塊的設立背景

新課標提出：“信息科技是現(xiàn)代科學技術領域的重要部分，主要研究以數(shù)字形式表達的信息及其應用中的科學原理、思維方法、處理過程和工程實現(xiàn)。”過程與控制模塊能夠完整體現(xiàn)科學與技術的融合，完美呈現(xiàn)“科學原理、思維方法、處理過程和工程實現(xiàn)”的交融。新課標提出，信息科技課程“遴選科學原理和實踐應用并重的課程內(nèi)容”。過程與控制模塊的教學內(nèi)容中，過程設計、反饋與優(yōu)化、開環(huán)閉環(huán)、系統(tǒng)設計等內(nèi)容體現(xiàn)了“科學原理”。器件連接、信息讀取、內(nèi)容顯示等內(nèi)容體現(xiàn)了“實踐應用”。另外，過程與控制模塊的教學過程能夠促進信息科技課程目標的達成，助力學生運用計算領域的思維方法去界定問題、分析問題、制定問題解決方案，進行原型設計、原理和技術驗證。

二、過程與控制模塊的教學目標

通過過程與控制模塊的學習，學生能夠認識生活中常見的過程與控制系統(tǒng)，了解一個大的系統(tǒng)可以分解為若干個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)又可以進一步劃分為若干個功能相對獨立的模塊；了解過程與控制系統(tǒng)的特征及實現(xiàn)方式，掌握“輸入—計算—輸出”的計算模式，其中的輸入對應傳感器、鍵盤等檢測裝置或輸入裝置，計算對應主控板或中央處理器等控制器裝置，輸出對應電機、舵機、顯示器、蜂鳴器等顯示、發(fā)聲或電動執(zhí)行等裝置；明確系統(tǒng)輸入與輸出可以是開關量或連續(xù)量，連續(xù)量可以由閾值判斷形成開關量，開關量和模擬量可以進行算術、邏輯和關系等運算，運算結果可以作為執(zhí)行依據(jù)或執(zhí)行參數(shù)。（這里的連續(xù)量是指溫度、濕度、壓力、電壓、電流等在時間上和數(shù)值上都在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的物理量。而開關量是指燈的開和關，即亮與滅，電路的開和關，即導通和斷路，采用0和1進行表達。）通過學習，學生能夠理解從外界獲得輸入，經(jīng)過計算產(chǎn)生輸出，進而作用于外界再影響輸入，從而形成反饋系統(tǒng)，了解反饋、環(huán)路、優(yōu)化等概念，明確反饋是過程與控制中的重要手段，理解反饋能夠對系統(tǒng)起到不可估量的優(yōu)化作用；提高運用計算機科學領域的思想方法解決現(xiàn)實問題的能力，在對問題的抽象、分解、建模和解決過程中發(fā)展計算思維，并能夠實現(xiàn)和驗證簡單的過程與控制系統(tǒng)。

三、過程與控制模塊的實施準備

（一）硬件裝備及軟件平臺準備

過程與控制系統(tǒng)編程驗證的最佳方式是使用開源硬件進行實驗。硬件方面，建議教師盡可能使用現(xiàn)有硬件。若現(xiàn)有硬件不能夠滿足教學，可以進行適度擴充。如果經(jīng)費有限，也可以考慮使用模擬平臺或其他方案。可用的軟件平臺有很多，各校可結合自身情況自主選擇。

（二）教師準備

落實新課標要求教師不斷更新學科知識，不斷提高自身各項能力。教師在進行過程與控制模塊的教學時，應努力做到如下幾點。

1.緊緊圍繞核心概念

過程與控制模塊的教學一定要圍繞過程與控制的核心概念展開教學，如系統(tǒng)、過程、控制、干擾、反饋、優(yōu)化、開環(huán)、閉環(huán)等核心概念。概念的介紹應通過學生能夠理解的現(xiàn)實案例引入，讓學生通過經(jīng)驗、體會、分析及理解，掌握概念的內(nèi)涵，而非記憶概念本身。

2.掌握核心計算模式

過程與控制模塊的教學一定要讓學生把握過程與控制模塊的核心計算模式。在過程與控制領域，若無反饋，則信息處理會形成一條直線形結構，由輸入，經(jīng)計算，到輸出，對應開環(huán)控制。若有反饋，則信息處理形成一個環(huán)形結構，由輸入，經(jīng)計算，到輸出，再經(jīng)反饋形成新的輸入，對應閉環(huán)控制。

3.遵循項目開發(fā)核心流程

教師在教學中一定要遵循過程與控制項目開發(fā)的核心流程：（1）確定需要解決的具體問題，設計項目框架結構，制定項目行動計劃。（2）設計算法，繪制流程圖。（3）技術驗證，確定項目問題可以實現(xiàn)。（4）進行硬件結構制作、組裝、搭建和連接。（5）編寫模塊化程序。（6）調(diào)試運行，測試項目的功能與穩(wěn)定性。（7）優(yōu)化項目結構，增加附加功能，美化作品外觀。在項目式教學過程中，教師結合具體教學內(nèi)容可以適度增刪或濃縮某些環(huán)節(jié)。

4.注重創(chuàng)新能力培養(yǎng)

過程與控制模塊的教學一定要注重學生創(chuàng)新能力的提高，注重學生創(chuàng)新意識的激發(fā)、創(chuàng)新方法的學習、創(chuàng)新思維的運用及創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。

四、過程與控制模塊實施案例——“超聲波傳感器”教學設計

（一）教學目標

信息意識：能夠借助網(wǎng)站查閱多種類型超聲波傳感器的規(guī)格說明；能夠以小組為單位協(xié)作探究不同超聲波傳感器的接口和類型異同。

計算思維：能夠構建任務模型，并借助循環(huán)結構通過編寫圖形化程序實現(xiàn)無限次測量和顯示結果。

數(shù)字化學習與創(chuàng)新：在數(shù)字化學習環(huán)境中，掌握超聲波測距原理，掌握超聲波傳感器應用，分享展示完成的數(shù)字化作品。

信息社會責任：在探究學習過程中，積極與人合作；實驗過程小心謹慎，養(yǎng)成愛護器材的好習慣。

（二）學情分析

本課教學對象為小學六年級的學生，他們通過之前的學習已經(jīng)掌握算法與程序設計的基礎知識，具備了圖形化編程的能力，但形象思維仍占主導地位、對陌生事物具有敏銳的觀察能力和研究熱情，喜歡動手實踐。

（三）教學內(nèi)容及重難點

教學內(nèi)容為帶領學生認識多種類型的超聲波傳感器，了解超聲波傳感器的應用，掌握傳感器信號輸出和讀取方式。教學重難點為幫助學生掌握超聲波傳感器的信號輸出與讀取方式。這需要教師集中講授，使學生快速了解相關內(nèi)容，再通過驗證性實驗達到深刻理解。

（四）教學過程

1.激趣導入

漆黑的夜晚，蝙蝠能夠利用返回超聲波的延遲，判斷物體與自己之間的距離和方位，繞開障礙。由蝙蝠利用超聲波感知障礙物距離的原理，引出超聲波傳感器測距原理。

2.理論深入

教師組織學生自主學習超聲波傳感器測距原理：超聲波傳感器由一個發(fā)射探頭、一個接收探頭和控制電路組成。當發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波遇到障礙物時會有一部分反射回來，并被接收探頭接收，以觸發(fā)信號和回響信號的時間差來計算與物體的距離，即距離=速度×時長÷2。

3.難點突破

教師輔以超聲波傳感器的圖片或實物器件集中講授。然后，組織學生分組進行驗證。

第一步，學習傳感器信號輸出方式：模擬輸出、數(shù)字輸出和協(xié)議輸出。

第二步，學習傳感器的讀取方式：專用模塊讀取和通用模塊讀取。

第三步，信號輸出與讀取間的聯(lián)系：協(xié)議輸出只能采用專用模塊讀取；模擬輸出和數(shù)字輸出若讀取模塊對應代碼為analogRead（? ）或digitalRead（? ），則可換成通用模塊讀取。不可換用通用模塊讀取的情況為：該傳感器有專用信號處理芯片，需要專用庫以支持讀取。

4.項目實現(xiàn)

教師組織學生規(guī)劃“數(shù)顯測距儀”項目，確定所用器件、平臺、結構方案、外觀設計和小組分工；帶領學生運用超聲波傳感器持續(xù)進行距離檢測，控制器讀取到測量值后通過液晶顯示模塊顯示，循環(huán)往復進行；讓學生進行超聲波傳感器的讀取和液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)顯示驗證；根據(jù)項目規(guī)劃進行器件連接，構建作品主體；自行按照程序流程圖，進行模塊化編程，調(diào)試運行并查看結果；結合實際情況，利用可獲得的材料，采用積木搭建、激光雕刻或紙盒封裝等形式為項目作品進行結構搭建和外觀美化。教師以項目方式開展學習活動，在作品制作與完善的過程中，促進學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題能力的提高，發(fā)展計算思維能力，培養(yǎng)科學實驗精神。之后，教師組織各組展示、匯報本組作品，由教師和其他小組對其評價。

5.總結拓展

教師總結課堂學習內(nèi)容，梳理本節(jié)收獲，帶領學生反思自我學習情況，讓學生產(chǎn)生進一步學習需求，并且進行拓展延伸，借助物聯(lián)網(wǎng)模塊可實現(xiàn)遠距離傳感器數(shù)據(jù)獲取。以下為本節(jié)課的板書設計（見圖1）。

學生對自然界充滿興趣，本課從蝙蝠能夠夜間飛行引出“超聲波測距”，既形象而生動地展示原理，又有助于教師順理成章地展開教學內(nèi)容。

過程與控制模塊的落地實施，教師需要先選擇好硬件或軟件平臺，構建模塊教學環(huán)境，邊學習邊實驗，進行自我學習與提升。然后，查找相關資料深研教學內(nèi)容，強化核心概念的理解、核心原理的掌握和核心流程的熟悉。在新教材出版前，形成校本教學資源，并投入教學實踐。在實踐中，不斷改進和完善，持續(xù)優(yōu)化迭代。新教材出版后，參考新教材進一步改進和優(yōu)化。如此，過程與控制模塊可在校園內(nèi)迅速而有效地落實。

（責任編輯：趙春艷）