動機·抓手·演繹·遷移

鄔技科 葉紅霞

摘要：《義務(wù)教育信息科技課程標準（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“過程與控制”模塊進行了探索，并在試教實踐基礎(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：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：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準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）指導(dǎo)下，筆者從區(qū)域內(nèi)學(xué)生學(xué)情出發(fā)，針對新課標中的“過程與控制”模塊開展了多次討論學(xué)習(xí)活動和試教，基于教師、學(xué)生的反饋初步積累了一些可行的經(jīng)驗。

“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”是新課標中第三學(xué)段（5～6年級）的內(nèi)容模塊，包含“系統(tǒng)與模塊”“反饋與優(yōu)化”“邏輯與運算”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及教材中都未曾涉及，因此對教師們來說，本模塊的教育教學(xué)是一場全新體驗。同時，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，信息科技的價值以典型控制系統(tǒng)為起點，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)著力點帶領(lǐng)學(xué)生去細微觀察、識別、提取、轉(zhuǎn)化，既是未完成的命題，也是尋找核心素養(yǎng)落地點的前提。同時，貫穿于本模塊四個核心素養(yǎng)培育過程的是隱藏其中的數(shù)據(jù)意識暗線和對學(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)計者。因此，不論采用何種教學(xué)著力點，又借由哪條教學(xué)設(shè)計路徑到達學(xué)業(yè)目標，“過程與控制”模塊教學(xué)中學(xué)生主動性、自信感體驗都不可忽略。

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

試教迭代后的“動機·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

綜合多方面資料對課程內(nèi)容簡單劃分，筆者選取三個典型課程內(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)》：問題——如何設(shè)計讓全體學(xué)生體驗控制系統(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)生充當控制系統(tǒng)的設(shè)計者，讓學(xué)生在實踐中主動發(fā)現(xiàn)問題提出新需求？

《開關(guān)量的生成》：問題——開關(guān)量生成之前的需求怎么由學(xué)生挖掘到？有真實感的需要開關(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、或邏輯運算》：問題——“與”“或”邏輯運算的需求產(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)的模式識別能力應(yīng)用失敗，二是分析每個環(huán)節(jié)的運作功能，串聯(lián)歸納完整的過程環(huán)節(jié)崩潰，“能識別系統(tǒng)中的輸入、計算、輸出環(huán)節(jié)[1]”學(xué)業(yè)目標達成不理想，“問題分解、模式識別遷移”的計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，知識網(wǎng)絡(luò)的中間環(huán)節(jié)缺失；二是這個環(huán)節(jié)停留在紙上談兵，因為缺乏鮮活的經(jīng)驗支持，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)生有強烈的動機去體驗系統(tǒng)對象的息息相關(guān)，體驗“回路”的構(gòu)建、應(yīng)用“自動控制”的高效，那么學(xué)習(xí)體驗一定會有不一樣的提升。換句話說就是，讓學(xué)生關(guān)注技術(shù)的“重新發(fā)明”，體驗技術(shù)開發(fā)者的計算思維過程，感受開發(fā)者的智慧和精神。[2]基于此，筆者迭代設(shè)計出了一條“動機·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誕生動機，滿足智能的需求。要想讓學(xué)生體驗“回路”的“重新發(fā)明”，需要設(shè)計一個從手動控制系統(tǒng)到自動控制系統(tǒng)的需求升級情境。這個情境要如何選取設(shè)計？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，此為鋪墊；二是在這個情境中，學(xué)生能“手動控制”該系統(tǒng)，體會多個系統(tǒng)對象環(huán)節(jié)之間的運作關(guān)聯(lián)，這時其實已經(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“手動控制”熟悉了該系統(tǒng)控制后，會產(chǎn)生減少腦力或體力或時間的想法，由內(nèi)而外地意識到系統(tǒng)的改進方向——自動化“回路”，這也是最重要的一點，讓學(xué)生從自身需求出發(fā)，誕生“閉環(huán)”的設(shè)計意識?？紤]到以上幾點要求，筆者創(chuàng)設(shè)了模擬“手動控溫孵化小雞”這一與生命主題關(guān)聯(lián)的情境。

②設(shè)計抓手，提升感官的體驗。在情境確定好之后，為設(shè)計全體學(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，以游戲的形式呈現(xiàn)可愛的雞蛋、雞寶寶形象，溫度過冷或過熱時的對應(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刻觀察溫度計顯示的溫度，由此決定打開或關(guān)閉水床的加熱開關(guān)。

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

③表達演繹，生發(fā)思維的提升。在實際教學(xué)中，筆者給予學(xué)生兩次體驗時間的機會，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)生動手在“畫圖”程序中連接各個環(huán)節(jié)的順序，并請學(xué)生解釋連接順序，促進學(xué)生環(huán)節(jié)識別抽取、順序計算的計算思維達成，即圖4中的“連一連”部分。學(xué)生在動手連接以及闡述過程中，可完成各個對象的功能提取，即圖4的“功能提取”部分，接著迎接新問題——真實的雞蛋孵化周期為21天，是否有比手動調(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，再將流程轉(zhuǎn)化為抽象圖示，整個過程如圖4所示。在問題“為什么能實現(xiàn)自動控制”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，因為另一種無“回路”的控制系統(tǒng)典型例子生活中并不缺少，所以在前面知識網(wǎng)絡(luò)的搭建經(jīng)驗基礎(chǔ)上，學(xué)生已有足夠的知識對另一種形態(tài)的圖示進行獨立分析。

④拓展遷移，強化模式的提取。以上環(huán)節(jié)的設(shè)計意圖是希望學(xué)生主動深入感受兩種系統(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。筆者認為，學(xué)生要達成本課的學(xué)業(yè)目標還需要尋找、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)，當然，本環(huán)節(jié)也可以視作反饋的一部分，以評價學(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)計類似智能拐杖的意識，提出了如下頁表所示的功能設(shè)計。在動機需求驅(qū)動下，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，并選擇困境的某一點進行具體分析、演繹、細化，困境1中開關(guān)量的生成演繹如下頁圖5所示。其他幾點的模塊設(shè)計在開關(guān)量生成這一本質(zhì)上是一致的，是遷移應(yīng)用的直接實例。

案例三：《開關(guān)量的與、或運算》

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)計摔倒檢測應(yīng)急模塊的類似想法。這是一個對合理化要求較高的模塊設(shè)計，綜合考量的因素有加速度、速度等條件，如加速度子模塊達到符合判定摔倒的條件，這時最好再附加判斷一分鐘內(nèi)是否無移動減少誤判概率。兩個條件的同時滿足觸發(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)急按鈕與上面兩個條件組合的邏輯關(guān)系便是“或”。考慮到實際學(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

筆者認為，在“過程與控制”模塊中的其他內(nèi)容上，“動機·抓手·演繹·遷移”教學(xué)路徑的迭代設(shè)計思路也有遷移、應(yīng)用的意義。同時，在本次學(xué)、思、踐、悟中筆者也認識到，在改進過程中始終考慮教學(xué)對象的特征，使其由內(nèi)而外地在情境中生動真實地促進思維的開花是教學(xué)的方向和準則。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版） [S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

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