義務教育過程與控制教學實施眾人談

熊璋 方其桂 許憬 趙凱

《中國信息技術教育》：如何正確認識過程與控制教育的價值與地位？

熊璋：就像我們常說的無所不在的數據、無所不在的算法一樣，還有無所不在的過程和無所不在的控制。學生們身處無所不在的過程與控制環境中，他們應該有正確的理解和認知，這就是“過程與控制”的價值和地位。

方其桂：“過程與控制”看起來有些陌生，實際上在日常生活中隨處可見，很多場景都存在著“輸入—計算—輸出”的計算模式。例如，當我們將手靠近感應水龍頭時，傳感裝置感知到手靠近，將信號輸入到控制系統，經過計算，打開水閥，實現水流輸出，這就是一個具有“輸入—計算—輸出”三個典型環節的過程與控制系統。“過程與控制”模塊是信息科技課程首次引導學生通過“系統”觀念來認識過程與控制，可以培養學生思考和分解問題的系統方法。在現代信息社會，生活中廣泛存在著包含“輸入—計算—輸出”計算模式的系統。所以，理解系統實現過程與控制的原理，對于理解生活中廣泛存在的過程與控制系統至關重要。“過程與控制”內容對應的是六年級學生，在前面的學習過程中，他們初步掌握了“在線學習與生活”的基本素養，理解了“數據與編碼”，能夠運用簡單的“算法”來解決身邊的問題，到了這一階段，學生要能夠綜合運用前面所學的內容，結合相關的項目探究，實現對小型系統的設計、控制與優化。這一內容的學習，能夠培養學生嚴謹的科學探究精神，提升數字化學習與創新水平，拓展學生的計算思維能力，為后續七年級的“互聯網”學習、八年級的“物聯網”學習，以及九年級的“人工智能”學習打下堅實的基礎。

許憬：“過程與控制”是《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中新設置的一個模塊，也是與現實科技生活聯結最緊密的一個模塊。信息科技是唯一一門承載著自主可控使命的學科，而過程與控制是幫助理解技術自主可控現實意義的重要載體，學習這個模塊的意義在于：①可以幫助學生更科學、更系統地理解現實世界，使學生能運用控制基本原理、基本概念、基本技術來解釋日常生活中自動化工具及控制系統。②可以構建硬軟件一體（開源硬件+算法編程）的實驗系統，利用計算機實現簡單的自動化控制，推動創客向智能造物轉化。

③可以培養學生分析和解決問題的能力，培養系統思維、計算思維和工程思維，幫助學生了解如何分析與優化更復雜的生產、生活或管理等系統。④可以培養學生團隊合作和項目管理的能力，實現真正意義上跨學科主題學習。

《中國信息技術教育》：如何正確認識過程與控制在義務教育信息科技體系中的地位？

熊璋：新課標的科學性的追求之一是面向數字素養與技能的培養目標，根據本學科的邏輯主線，符合青少年的認知水平，與其他學科形成相對完整的課程體系。因此，過程與控制不可或缺。過程與控制被安排在數據與編碼、身邊的算法之后，互聯網與創新、物聯網與探索之前，由此形成科學的螺旋式上升的結構體系。

方其桂：觀察課程的三條邏輯主線“數據、算法、信息處理”會發現，從第二學段模塊4“數據與編碼”到第三學段模塊5“身邊的算法”，再往后，基于數據與算法的信息處理過程，就是生活中廣泛存在的過程與控制系統，就是“輸入—計算—輸出”系統模型，因此“過程與控制”模塊具有承上作用。再看“過程與控制”后面學段的課程模塊，第四學段模塊8“物聯網與探索”，可以簡單理解成加上互聯網的“過程與控制”，因此“過程與控制”模塊是第四學段物聯網內容的知識準備。所以，“過程與控制”模塊在義務教育信息科技課程的知識體系中承上啟下，加強了學習內容的遞進性，使得課程總目標能夠循序漸進地達成。

《中國信息技術教育》：如何正確看待與處理義務教育“過程與控制”“互聯網”“物聯網”與高中“信息系統與社會”等內容之間的關系？

熊璋：“過程與控制”“互聯網與創新”和“物聯網與探索”都是高中“信息系統與信息社會”的基礎，前三者更加聚焦，后者更加綜合，符合各年齡段學生的認知水平。

方其桂：在義務教育信息科技課程體系中，“過程與控制”“互聯網”“物聯網”分別對應第三學段六年級和第四學段七年級、八年級的課程，這三個課程模塊是學習高中必修2模塊“信息系統與社會”的基礎，這四部分內容是在全學段體現遞進關系的課程體系。

首先，過程與控制是整個信息化數字化系統建設和應用過程中必不可少的環節。只有對過程與控制充分認識和理解，才能感受到信息科技在系統的開發和應用過程中的重要性。

其次，互聯網和物聯網是當前社會發展的重要方向，也是信息科技課程的必備內容。理解和掌握互聯網和物聯網的基本原理和應用，可以幫助學生更好地應對變化多樣的信息時代。

最后，高中階段的信息系統與社會，主要是幫助學生理解信息系統與社會各個領域的緊密聯系，并掌握信息系統與社會的應用和發展趨勢。

總之，“過程與控制”既是其他幾部分的理論基礎，也是其他幾部分實現的運行基礎。“互聯網”是“物聯網”和“信息系統與社會”能夠實現的基本環境。“物聯網”是“互聯網”環境下“過程與控制”具體的不同場景的應用。“信息系統與社會”除了是“過程與控制”“互聯網”“物聯網”等在社會中的綜合應用，還包含信息系統對社會變遷的影響。

趙凱：“過程與控制”作為第三學段的學習內容起到了承上啟下的作用，在學生了解基本算法及小型系統的控制原理的實現基礎上，通過它向后續的更大的信息系統過渡。“互聯網”“物聯網”和高中的“信息系統與社會”模塊中的系統的范圍也越來越大，“過程與控制”“互聯網”“物聯網”和高中“信息系統與社會”模塊在小學、初中、高中三個學段將“系統”的概念與內涵實現了螺旋上升。

《中國信息技術教育》：在義務教育信息科技課程內容體系中，過程與控制主要包括哪些內容或者涉及哪些核心概念？

方其桂：在義務教育信息科技課程內容體系中，過程與控制是信息技術的基礎內容，其主要包括以下幾個核心概念：①系統的組成。一個大的系統可以分解為幾個小的系統，一個系統也可以劃分出功能相對獨立的多個模塊。②過程與控制典型環節。過程與控制可以抽象為包含輸入、計算和輸出三個典型環節的系統。③控制。控制是指對信息加工過程進行管理和干預，使其符合要求或者達到特定的目標。它主要包括輸入控制、計算（處理）控制、輸出控制等方面。④反饋。反饋是作用于輸出的計算方式，是過程與控制中的重要手段。⑤優化。結合系統運行的反饋，通過設計、軟件、硬件或者綜合調整，使系統運行趨于更高效、更穩定。

許憬：核心概念是模塊學習的支架，也是構建學科大概念的重要支點。“過程與控制”模塊包括了“系統與模塊”“反饋與優化”“邏輯與運算”三部分內容，概括起來就是要形成5條核心概念：①系統由一個個子系統構成，子系統又可以細分為一個個獨立功能的模塊。②過程與控制系統可以抽象為輸入、計算和輸出三個典型環節。③反饋可以實現系統的閉環控制，從而控制系統的穩態或優化。④連續量可以經由閾值判斷生成開關量。⑤運用邏輯和數值運算的組合可以構造計算模型，從而實現對控制器的過程控制。

趙凱：“過程與控制”涉及“算法”“網絡”和“智能”這三個核心概念。控制離不開算法，需要運用一定的算法（策略）去實現，算法有優劣之分，優秀的算法更加高效，能夠更精準地獲取反饋并實現控制。從互聯網到物聯網，網絡是連接輸入與輸出、獲取反饋實現控制的載體，網絡更是信息社會的重要通信與控制的載體和手段。從簡單的控制到復雜的控制，從手動、人工的控制到智能化的控制，“智能”是控制的一個目標。尤其是在人工智能時代，智能控制也是控制技術發展的必然趨勢。

《中國信息技術教育》：在義務教育階段，“過程與控制”作為原理性較強的內容，可通過哪些方式實施教學呢？

方其桂：讓學生深入理解“過程與控制”的相關概念和掌握相關技能的方式有多種，我認為可以通過以下幾種方式來實施教學：①生活實例分析。利用學生身邊的具體實例來引入相關概念，讓學生從實際應用情境出發理解過程和控制中的相關原理和技術。例如，“系統與模塊”可以從“天宮空間站”來說說天宮系統由哪些模塊組成，“邏輯與運算”可以從智能汽車各種功能的實現來談，“反饋與優化”可以從空調的運行來談。②探究式項目學習。通過實際操作、小組討論、自主研究等方式，通過一個基于真實情境的項目，讓學生主動實踐和探究過程與控制的原理和技術，促進學生積極主動學習和動手實踐。③驗證式項目學習。通過對現有項目的驗證，讓學生在此過程中體會該項目的實際意義以及算法設計的巧妙，并鼓勵學生在此基礎上創新。④互動教學平臺輔助教學。通過在線的互聯網平臺，學生可以把研究的過程上傳到云端，也可以打破時間和空間的限制，隨時隨地學習、研討和實踐。通過以上多種方式，可以讓學生深入理解過程與控制的原理和技術，并且能夠在實踐中更加熟練地運用相關知識和技能，有助于提高學生的信息素養和創新能力，切實提升信息科技核心素養。

許憬：我認為可以運用以下幾種方式開展學習：

①運用聯結與系統的方法，理解控制的抽象概念。在生活關聯中認知概念，多聯系日常生活中最尋常的過程與控制案例，引導學生分析或解決真實性問題，探索“在生活中抽象原理，用原理解釋生活”的學習方式，實現在意義學習中理解概念，在系統整體中認知概念，減少碎片化學習，在系統中理解控制的流程，將眾多的抽象概念串聯成線，在頭腦中形成從具體概念、核心概念再到大概念的三層體系架構。②以數字化工具為支架，領悟控制的工作原理。加強對過程與控制系統的感性認識，提高學習的具象性，可以多借助數字化工具來實現，如模擬演示視頻，交互式課件仿真，開源硬件、編程軟件驗證等，用豐富的數字化體驗，讓學生在觀察、實踐中理解系統的工作原理。③深化學科實踐和實驗探究，建構控制的計算模型。可以借助各種數字軟硬件構建計算機實驗室，用編程實踐創造真實的控制系統，通過提出問題、實驗設計、環境搭建、數據記錄、規律總結、遷移應用等環節開展數字實驗探究，實現控制核心環節——數理模型的構造和關鍵計算程序的編寫。還可以利用計算機環境和數字化表單，讓學生經歷屏幕數據的觀察、采集、記錄、比對、選擇、概括等過程，探求控制的一般規律，提煉控制方案設計的計算模型，實現高階思維下的數字化學習。

趙凱：“過程與控制”模塊的內容理論性較強，如果過多地以理論課的形式實施教學，則較為空洞，難以激發學生的學習興趣。教師在教學中可以結合仿真平臺或仿真程序，讓學生感受實際的過程與控制的原理，體驗真實世界中過程與控制的真實性控制效果。教師也可以結合機器人、開源硬件的項目式教學，同時融入程序設計，讓學生通過算法和程序的實現及優化體驗過程與控制的魅力。

《中國信息技術教育》：在過程與控制教學時可能會面臨哪些挑戰？該如何破解遇到的困難呢？

方其桂：我認為可能會面臨以下挑戰：①學生背景知識欠缺。學生在學習過程與控制前，缺乏必要的前置知識，難以理解和應用過程與控制相關的理論和實踐。②模擬環境缺乏。在現實環境中，許多過程與控制的系統因具有危險性等學生難以接觸，因此缺乏良好的模擬環境。③實踐操作難度較高。過程與控制涉及硬件設備搭建、軟件編程等技術內容，實踐操作難度較高。

針對以上困難，可以采取以下措施破解：①分段講解難以理解的知識點。②通過實物展示或視頻教學，讓學生體驗實際的效果，加深對知識的理解。③通過模擬仿真平臺，拓展學生掌握知識的方法。④通過項目實踐，讓學生將理論知識應用到實踐中去，增強實際操作能力。⑤培養和保持學生對過程與控制的興趣。

許憬：“過程與控制”模塊中遴選有自動化控制的內容，這些內容原歸屬于高中通用技術范疇，現放到小學第三學段來完成，這對于師生而言都是前所未有的挑戰。具體體現在：①模塊內容繁雜抽象。“過程與控制”模塊涉及的概念數量和專業術語在所有模塊中是最多的，且過程與控制的工作原理比較抽象復雜，黑箱式的運行方式使學生對控制過程的理解缺乏生活經驗和學科經驗作為基礎，更多依賴于推測、演繹與想象；本模塊的學習不僅需要計算機知識，還需要數學、物理、機械、電子電工等跨學科的融合知識，而其中很多是學生們從未觸及過的領域。②教師專業儲能不足。一線信息科技教師目前最缺兩樣東西專業性知識和策略性知識。缺專業性知識，難保教學的科學性；缺策略性知識，難保認知的可接受性。本模塊的教學是一條前人沒有走過的路，目前還處于摸著石頭過河的探索階段，缺少典型課例和現成經驗供教師參考，教學方法和策略的欠缺，使課堂有可能出現滿堂灌的現象。③硬軟件資源支持缺乏。本模塊需要構建大量的不插電的數理模型，但理解、構造、設計和實現這個計算模型的過程需要借助開源硬件等器材開展實驗，需要運用虛擬軟件、編程軟件進行仿真演繹驗證，需要大量素材資源的環境支持。而目前大部分學校對信息科技課程的理解仍停留在對計算機的原有認知上，不能給此模塊的教學提供充足的軟硬件支持，這客觀上也提高了本模塊教學推進的難度。

趙凱：“過程與控制”無處不在，伴隨著人類生產、生活而始終存在，日常教學如果過多地以研究性學習、主題學習的形式進行，不但會弱化學科本位特點，還會給教師的實際教學造成困惑。教師首先應該遴選出具有學科本位特點的系統。“過程與控制”都是在系統內發生的，這個系統可以是一個簡單、小型、單一的系統，具有數量較少的輸入或輸出，控制的對象數量也較少，彼此的相互關系較為清晰。它也可以是一個復雜的系統，擁有數量較多的控制對象、較多的輸入與輸出，各個對象之間的關系也較為復雜，各個對象的輸入與輸出相互關聯，彼此制約。所以，教師要有目的地選擇相應的系統，優化教學設計，緊密結合學科本位特點進行教學，這對于培養學生的學科核心素養以及系統思維、工程思維具有現實意義。

《中國信息技術教育》：為了更好地實施過程與控制教學，信息科技教師需要做好哪些方面的準備？

方其桂：我認為信息科技教師需要做好以下準備：①深入研讀課程標準。詳細了解過程與控制理論知識，了解課程理念和設計思路，理解“過程與控制”模塊的學段目標，熟悉具體內容要求和學業要求，了解掌握各個關鍵點的內容并準備好相應的例題和案例。②完善教學設計。對教學進行全面規劃，包括課程設計、課件制作、實踐操作等環節，確保學生能順利達成學習目標。

③準備好教學資源。準備好教學課件、微視頻、模擬仿真軟件或平臺等一系列教學資源。④熟悉實驗設備和軟件。熟悉各種數字化實驗設備的使用和實驗平臺或軟件的操作，從而能夠給學生提供更好的實驗指導。⑤豐富教學方法。熟練掌握多種教學技巧和方法，根據學生具體情況采用靈活的教學方式。

趙凱：國外教學“控制技術”（Control technology）也是緊密結合軟件和硬件進行的，如選擇適合學生的編程軟件、平臺，結合可以編程的仿真軟件、各種開源硬件、機器人等實施教學，用算法實現控制，讓學生直觀地感受控制的終端效果。教師可以學習、借鑒此方法，首先理解“過程與控制”模塊的核心概念與理念，其次了解學校、學生及軟硬件的現實條件，積極建設校本課程，豐富教學形式與內容，為后續的教學實施做好準備。

《中國信息技術教育》：能否提供義務教育過程與控制教學的一些典型案例呢？

熊璋：我們常說無所不在的過程、無所不在的控制，就是說“過程與控制”的案例是最司空見慣的，我們可以結合生活中常見的場景，比如過馬路的紅燈停綠燈行、騎自行車上坡比下坡要更加用勁蹬、學校走廊的聲控電燈、學校的燒水電爐、家里的空調等，比比皆是，舉不勝舉。

方其桂：過程與控制與生活緊密相聯，有許多案例可以引入教學，典型案例有：①系統與模塊。例如天宮空間站，它是一個大的系統，而天宮的組成是由不同的模塊分別依次發射升空，在軌組合而成。相關的視頻素材、文獻、圖片非常豐富，有助于學生理解什么是系統、什么是模塊、系統和模塊之間的關系如何、為什么要對系統進行模塊化設計。②邏輯與運算。例如智能汽車，如今，汽車的智能化程度已非常高，智能化的系統能方便我們駕駛，而它的邏輯運算關系是如何實現的呢？通過對一個個系統的研究分析，甚至是簡單的模擬實驗，能有效幫助學生理解常見的邏輯關系，以及如何設計相應的算法。③反饋與優化。例如綠植養護小助手，學生通過對真實情境的分析，研討設計出自動養護的方案，再用硬件搭建完成。在應用的過程中，通過觀察發現不足之處，再通過硬件優化或者軟件優化，從而讓系統的運行達到一種穩態。

以上案例涉及的控制理論和信息科技知識，可以幫助學生更深入地了解過程與控制領域，提高他們的實踐能力和創新意識。同時，這些案例可以培養學生的團隊合作和溝通能力，以及自主學習和解決實際問題的能力。