小學信息科技“過程與控制”實踐活動開發與設計的研究

【摘" 要】 2022年4月，《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》的頒布，使小學“信息科技”課程成為一門獨立的學科?！斑^程與控制”作為“信息科技”學科獨有的內容，教師需要將這部分內容轉化為小學生感興趣、可接受的教學內容。因此，教師應在教學實踐中進行研究，充分地理解“過程與控制”的內容，通過觀察、體驗、分析和探索等方式，利用貼近學生生活的實例進行教學，以提升教學效果。

【關鍵詞】 信息科技;“過程與控制”;教學方式

一、“過程與控制”概述

“過程”是指事物發展或事情進行的過程，或者是利用輸入實現預期結果的相互關聯或相互影響的一組活動?！翱刂啤笔侵笧榱舜_保組織內各項計劃按規定完成的監督和糾偏的過程?！白詣涌刂啤笔侵冈跊]有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置，使機器、設備或生產過程的某個工作狀態或參數，自動地按照預定的規律運行。

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》對“過程與控制”模塊進行了整體要求，在全學段的教學中起到了承上啟下的作用：在第一二學段，學生已經將物理世界與數字世界建立了聯系，能夠使用數字設備處理數據，在這個階段，學生只是把數字設備作為工具使用。而“過程與控制”，意味著學生能夠把物理世界的量傳到計算機中，更進一步地了解數學世界。在第四學段，互聯網、物聯網和人工智能，涉及了更多的數據安全、環境安全，計算機在其中發揮了自主控制的作用。

“過程與控制”與“身邊的算法”屬于同一個學段。在“身邊的算法”模塊中，學生已經學會了如何將輸入的數據經過計算得到輸出的數據。在“過程與控制”模塊中，學生將了解這樣的計算不是一次性的，而是周而復始、循環往復的。對靜態的結構組成和動態的持續執行的理解，是“過程與控制”模塊的核心，該模塊同時又為第四學段物聯網的實踐與探索奠定了基礎。

“過程與控制”模塊對學生信息科技核心素養的培養集中體現在：在信息意識方面，學生能夠認識到生活中的信息可以被轉換為計算機處理的數據，并進行計算、控制，而這個計算結果又會作用于身邊的各種現象中，理解了信息、數據和計算之間的關系;在計算思維方面，學生對系統的理解、探索和實驗，就是在問題解決的過程中，涉及的抽象、分解、建模和算法設計等活動。在探索和實驗的過程中，學生能夠體驗模擬、仿真和驗證解決問題的過程，學生在一個系統上進行的探索、在一個實驗上進行的嘗試，都可以遷移到另一個系統或實驗中;在數字化學習與創新方面，在教師的引導下，學生通過數字化方式尋找“過程與控制”系統的案例，在互聯網上搜索“過程與控制”系統的組成結構和工作原理。在探索和實驗的過程中，學生使用計算機觀察、記錄和分析數據;在實驗中，通過編程實現計算機的控制;在信息社會責任方面，通過新聞中的“過程與控制”系統的安全問題，認識到“過程與控制”系統存在的安全風險，繼而意識到可以采用自主可控技術，實現“過程與控制”系統更有效地抵御外部入侵，降低了安全風險。

二、“過程與控制”模塊教學內容分析

從內容上看，“過程與控制”系統在生活中無處不在，這些系統可能是機械的，也可能是計算機參與其中的，因此這個模塊是一個跨學科的模塊，涉及了多學科的知識。

本模塊的學習者是六年級的學生，根據皮亞杰的認知發展理論，六年級的學生處于具體運算階段轉向形式運算階段的過渡時期，具有初步的邏輯推理、歸納和演繹等解決問題的能力。隨著知識的積累和對事物體驗的深化，學生除了注意事物外表的形式外，更注意對事物的分析和主觀體會，對很多問題都可以做出自己的回答。學生偏重分析自己喜歡的事物，而分析問題就是獨立認識問題的過程，具體分析問題的能力是抽象思維的前提，意味著學生的思維形式向抽象思維的過渡。

本模塊的學習需要師生大量的探究活動，以幫助學生從認識到理解，再到掌握這些內容。在學生身邊，有許多“過程與控制”的小系統，因此教師的教學案例要選擇貼近學生認知的內容，以激發學生的關注熱情和分析的欲望。隨著人們生活水平的提高，自動化系統也日益隨處可見，應用非常廣泛，而且這些控制系統的應用是學生在生活中能夠使用、觀察到的事物，學生對此具有一定的生活經驗。因此在教學活動中，教師可以讓學生拍攝視頻，在視頻中記錄自己家里電器的操控過程，學生也可以把家里的玩具帶到課堂上進行操控。這些玩具都是學生喜歡、操作熟練的，學生對它們的興趣濃厚，通過體驗、觀察，學生了解了“過程與控制”，分析了實踐功能，探討了計算機是否參與，以及計算機在其中發揮的作用。

三、“過程與控制”模塊教學實踐案例

（一）挑戰性活動的設計

探究“過程與控制”，主要是學生在生活場景中能見到的具有“過程與控制”的設備，教師以學生能夠理解的身邊實例為載體，分析具體案例和典型的應用場景，將學習內容的要點串聯起來，該過程要體現相關的思維方式。本單元以學生學習和生活的校園場景中的百草園為應用場景，學生通過觀察，提出百草園需要改進的地方，以及在假期不能到校、無人管理的情況下，百草園能實現自動澆水，保證植物的生長需求;實現在晚間照明、重要活動期間的燈光裝飾以及節能等需求，以解決生活中的實際問題。因此教師以“我來改造百草園”為主題，開展項目式的實踐探究活動。自動澆水系統是建議之一，項目的實施是利用校園雨水收集系統處理后的水，教師組織開展中草藥種植基地百草園自動澆水系統的設計與模擬實現的體驗活動。

（二）核心內容理解的架構

為了將抽象的學習內容具體化、可視化，學生利用開源硬件設計、搭建了自動澆水的模擬裝置，用礦泉水瓶模擬雨水收集罐，并連接了膠皮水管，用樂高插件搭建了基本結構，使用micro：bit連接了土壤濕度傳感器，并作為獲取外界輸入數據的途徑。點陣屏實時顯示采集的數據，舵機作為傳動裝置，控制閥門的開關。學生利用具體的實物裝置，將頭腦中模糊的抽象概念，物化地呈現出來。

（三）教學實施過程

為了讓學生親歷計算機解決問題的全過程，教師在教學中，需要從真實情境中提出問題、聚焦問題，讓學生明確任務、了解系統控制的工作過程，用流程圖描述算法、用硬件模擬裝置編程，實現算法和反思遷移，優化方案、層層遞進，使學生“撥開云霧見青天”。

活動一：提出問題，明確控制目的

1. “大家非常喜歡百草園，在學校時，同學們都精心地為百草園松土、間苗和拔草。但是當遇到假期時，百草園的植物將出現什么問題（土地干了，需要澆水）？”

2. “當我們無法來學校的時候，有辦法解決這個問題嗎（能有自動澆水系統就好了）？”

3. “今天我們就來設計、體驗自動澆水系統（教師出示課題：自動澆水有辦法）?！?/p>

活動二：需求分析，了解過程

1. “在研究小課題的時候，我們班同學設計了自動澆水的模擬裝置，在課下，同學進行了搭建，下面就請他們為大家進行介紹?！?/p>

學生介紹：“用礦泉水瓶模擬雨水收集罐，然后連接膠皮水管，舵機控制的閥門處于關閉狀態，不出水。當土壤濕度傳感器測量到土壤干燥、需要澆水時，舵機轉動180度，打開閥門，水流出來。當土壤濕潤達到植物的生長需要時，舵機轉動，關閉閥門，停止澆水。”

2. “自動澆水裝置有什么功能（需求分析：干燥出水、濕潤關水）？”

3. “人可以用眼睛觀察到土壤干燥需要澆水，計算機怎么知道土壤干燥需要澆水呢（土壤濕度傳感器測量土壤的濕度，得到數值，通過數據線將數據輸入計算機）？”

4. “傳感器從外界獲取數據，并輸入計算機中（這是外界對計算機的輸入）?！?/p>

5. “輸入濕度后，計算機控制的自動澆水裝置要做什么動作（閥門打開，水流出來;閥門關閉，停止澆水）？”

6. “這是計算機對輸入做出的響應，就是計算機對外界的輸出?！?/p>

7. “輸入和輸出中間發生了什么（計算機在進行計算）？”

總結：輸入、計算和輸出，是“過程與控制”系統包含的3個典型環節。

活動三：獲取數據描述的算法

1. “怎么讓計算機來解決這個問題？我們先畫流程圖，描述解決土壤干燥需要澆水問題的步驟，然后再編寫計算機能運行的程序?！?/p>

任務一：用流程圖描述解決澆水問題的過程

①連接硬件和軟件，設計程序，分別采集干燥土壤和濕潤土壤的數值，填寫在實驗單上（參考學習單）。

②學生打開畫流程圖的軟件，畫出澆水過程的流程圖。

2. 分享流程圖。

活動四：編程設計，實現算法

任務二：根據流程圖編寫澆水程序，進行驗證。實現舵機轉動，打開閥門進行澆水，并交流展示

活動五：遷移運用，反思優化

“如何關閉閥門停止澆水？你有什么辦法？”

任務三：編程實現關閉閥門停止出水的程序

1. 小組討論，確定方案，打開draw軟件，繼續完善流程圖。

2. 編程實現閥門關閉停止出水的程序。

3. 交流分享

方法一：等待5秒，關閉閥門。完成一次澆水后，繼續獲取土壤的濕度值，等待下次土壤干燥，再次澆水，因此需要重復執行，循環往復。

方法二：如果小于400soil humidity，說明澆水土壤濕潤，可以關閉閥門。完成一次澆水后，繼續獲取土壤的濕度值，等待下次土壤干燥，再次澆水，因此需要重復執行，循環往復。

4. 分享交流遇到的問題。

5. “判斷的條件不一樣，土壤的濕度就不同，在實際澆水的過程中有什么用途（根據不同植物生長需要的土壤濕度，設定參數）？”

根據不同植物生長需要的土壤濕度，設定參數。

小結：無論是時間控制，還是土壤濕度控制，都是根據植物的生長需求進行的。對于喜濕的植物，可以設置輸入的土壤濕度值小一些，或澆水的時間長一些;喜干的植物，可以設置輸入的土壤濕度值大一些，或澆水的時間短一些，也就是可以改變計算中的土壤濕度判斷數值，實現需要的輸出，以符合植物的生長需求。

（四）反思與討論

在本課的學習中，學生了解了一個控制系統的設計方法，親歷了計算機解決問題的全過程，即觀察生活、發現問題、提出問題——需求分析，明確設計控制系統的目的——了解工作過程——用流程圖描述解決問題的步驟——編寫計算機可執行的程序——問題解決。學生體驗了計算機解決問題的一般流程，有了體驗，才能夠促進計算思維的逐步形成。

學生感知體驗控制系統包含的輸入、計算和輸出的3個典型環節，是學習的重難點。在這次學習活動中，教師以自動澆水模擬裝置為依托，三次對應，層層遞進地讓學生理解本節課的核心內容。首先，學生根據圖示，了解了系統中包含的輸入、計算和輸出，在畫完后流程圖，能夠對應上哪部分是輸入、計算和輸出。在編寫程序后，繼續對應輸入、計算和輸出，實物土壤濕度傳感器對應的是輸入，可以理解輸入是外界對計算機的輸入，舵機轉動閥門打開關閉，是計算機對外界的輸出，將抽象的輸入和輸出進行了可視化。學生通過調整判斷土壤的濕度值，感受到了計算的存在，由于判斷的濕度值不同，因此控制的輸出，也就是澆水的多少也不同。三個層次，不斷地深化。教師只有讓學生掌握了思維的形成方法，在學習的過程中，從無到有、從有到內化，才能使學生理解輸入、計算和輸出，并能夠拓展到生活中其他的“過程與控制”系統中。

參考文獻：

[1] 熊璋，趙健，陸海豐，等. 義務教育階段信息科技課程的時代性與科學性——《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》解讀[J]. 教師教育學報，2022，9（04）：63-69.

[2] 任友群，黃榮懷，熊璋. 從信息技術到信息科技——關于《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》的對話[J]. 課程.教材.教法，2022，42（12）：21-31.

[3]呂莉. 小學數學與信息技術教學的高效融合[J]. 科技資訊，2020，18（29）：111-112+115.