傳感器在信息科技課程中的價值定位與教學策略分析

王世法 山東省濟南市長清區(qū)樂天中學

隨著《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“義教信息科技課標”）的頒布，對課程核心內(nèi)容與教學策略的探索逐漸深入。因此，筆者根據(jù)之前的研究與教學反思，基于信息科技課程的核心內(nèi)容——傳感器展開了課程價值分析與教學策略討論。

●傳感器在課程中的地位

在義教信息科技課標中，傳感器明確出現(xiàn)在“過程與控制”與“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”兩個模塊中。此外，“人工智能與智慧社會”“身邊的算法”等模塊對傳感器也有所涉及。

1.傳感器是“過程與控制”的核心內(nèi)容

傳感器以電信號的形式向連接的控制系統(tǒng)提供輸出，是控制系統(tǒng)的核心部件，是“過程與控制”模塊的的核心內(nèi)容之一。在第三學段中，“過程與控制”模塊是這樣描述的：“引導學生分析具體案例，找到其中存在的反饋和環(huán)路，發(fā)現(xiàn)反饋作用于輸出的計算方式，理解系統(tǒng)控制的過程?！痹诜独?，以空調(diào)原理來涉及傳感器的作用：“溫度傳感器實時檢測房間溫度，并傳送給控制電路，控制電路比較輸出與輸入情況，對壓縮機下達相應的工作指令?！薄耙揽繖z測輸出、返回與輸入比較、重新調(diào)整工作部件的指令這一反饋過程，空調(diào)能夠完成房間溫度控制的任務。”可見，“過程與控制”中的傳感器價值定位，主要體現(xiàn)出傳感器的數(shù)據(jù)實時采集對反饋過程的作用，及其對閉環(huán)控制系統(tǒng)的整體功能實現(xiàn)的意義。

2.傳感系統(tǒng)是物聯(lián)系統(tǒng)中物物相聯(lián)的數(shù)據(jù)節(jié)點

在義教信息科技課標第四學段中，“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”模塊的描述—“了解物聯(lián)網(wǎng)（特別是傳感器系統(tǒng)）是連接物理世界與數(shù)字世界的紐帶和媒介”，明確了傳感器系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中的地位，即傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的核心內(nèi)容。在跨學科主題學習案例“在線數(shù)字氣象站”中，在育人價值部分內(nèi)容中的描述為“學生可以認識傳感器在各個場景中的應用，體驗計算思維在規(guī)劃項目中的作用，感受跨學科知識在設計、制作、發(fā)布、反思改進等環(huán)節(jié)中的應用”。另外，在活動目標中的描述為“比較數(shù)字氣象傳感器和傳統(tǒng)測量設備，搭建真實或模擬的數(shù)字氣象站數(shù)據(jù)采集裝置，通過物聯(lián)網(wǎng)設備匯集多個數(shù)字氣象站”?？梢?，義教信息科技課標從傳感器的功能意義、使用方法等方面都給出了針對物聯(lián)網(wǎng)的具體的學習說明，清晰表明了傳感器在物聯(lián)系統(tǒng)中的意義，為教與學指明了方向。

3.傳感數(shù)據(jù)是其他模塊內(nèi)容的優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)來源

在“身邊的算法”教學中，教師經(jīng)常采用如電子測溫（溫度傳感器）、手機橫屏（重力傳感器）來學習分支結構算法等；在“人工智能與智慧社會”中廣泛涉及利用碰撞傳感器、人體傳感器等多種傳感器進行數(shù)據(jù)的采集、過程的反饋等的學習。

因此，在現(xiàn)代信息科技中傳感器的地位非常重要。例如，用自動門人體傳感器檢測人來比喻分支結構的條件，符合條件方可開門，這是傳感器提供的數(shù)據(jù)作為判斷依據(jù)的作用；又如，用光敏傳感器和時間來控制路燈亮、滅，這是為多條件的判斷完成邏輯運算的數(shù)據(jù)采集等。

●在課程學習中傳感器的教學策略

如何更好地學習傳感器的內(nèi)容，或如何更好地采用傳感器為其他內(nèi)容做好數(shù)字素養(yǎng)與技能的培養(yǎng)“鏈接”成為新教學探索的重點。通過教學實踐及反思，筆者提出以下教學策略。

1.技術實驗教學策略

要想更好地將“信息科技”的“科”與“技”密切融合，可以通過數(shù)據(jù)采集觀察實驗的方式進行驗證，在得到相應的驗證之后，再應用于具體的實踐學習。例如，教師可以組織學生在技術實驗室中親自動手安裝和測試不同類型的傳感器，并觀摩其數(shù)據(jù)的變化，如光敏傳感器在不同強度光源的數(shù)據(jù)變化、碰撞傳感器在不同角度與力度的數(shù)據(jù)變化等，讓學生直觀感受傳感器的工作原理和使用方法，這是通過“數(shù)據(jù)直觀觀察”對傳感器進行學習。

2.案例分析策略

在缺乏技術實驗背景的情況下，教師可以通過案例分析法進行講解與學習。教師可以提前準備一定的視頻、圖片與實物（如手機、自動風扇），在觀看、討論與觀察中引導學生通過案例分析具體傳感器的實際應用，了解傳感器的知識與應用。進而可以再通過分析智能家居系統(tǒng)中的傳感器配置和工作方式，讓學生更全面地了解傳感器在實際應用中的重要性和對物聯(lián)網(wǎng)的意義所在，這是通過“產(chǎn)品設計與功能分析”對傳感器進行學習。

3.項目合作策略

隨著傳感器的普及，其價格也越來越便宜，學校可以適當購買傳感器，采用分組合作學習的策略來節(jié)省耗材，發(fā)揮合作學習的效益。具體地說就是將學生按不同的傳感系統(tǒng)搭建項目分組，并給每個小組分配一個必須用到傳感器的項目，每個小組成員需要合作完成項目，并在課堂上展示和解釋他們的作品，闡述相應的工作原理，這是通過“自主合作探究”對傳感器進行學習。

4.故事化學習策略

針對小學階段學生動手能力弱、直觀感受強的特點，教師也可以通過角色扮演的策略突破傳感器的學習難點，可以設計一些角色扮演的活動，如“傳感器設計師”“傳感器應用工程師”“神秘紅外傳感門”“碰撞傳感超級寶寶”“光敏傳感花仙仙子”等。學生在角色扮演的過程中，提高對傳感器原理、設計和應用的理解，這是通過“趣味化體驗”對傳感器進行學習。

5.問題解決策略

問題解決是最有利于學生思維發(fā)展的學習策略，教師可基于實現(xiàn)世界中的數(shù)據(jù)采集需要，從應用情境、傳感原理、應用設計等方面設計問題，如“路燈省電的方法有哪些”“紅外傳感器與光敏傳感器有什么不同”“攝像頭能不能當作傳感器”等，讓學生通過研究和探索相關的傳感器知識，在解決問題的過程中激發(fā)學習興趣和學習積極性，提升問題分解、算法思想等諸多計算思維，這是通過“思考式探究”對傳感器進行學習。

6.創(chuàng)新活動策略

創(chuàng)客項目是傳感器最具創(chuàng)新的學習方式。教師可以結合線上和線下的學習資源，給提供學生不同層次的創(chuàng)客項目，鼓勵學生設計并制造出自己的傳感器系統(tǒng)或創(chuàng)新應用傳感設備，這樣一方面能幫助學生鞏固理論知識，另一方面也能提高學生的創(chuàng)新能力和實踐技能，這是通過“思維創(chuàng)新與技術創(chuàng)造”對傳感器進行學習。

●在傳感器教學中原理、技術與應用相融合

無論采用哪種教學策略，對傳感器的學習都要充分體現(xiàn)義教信息科技課標中要求的核心素養(yǎng)，體現(xiàn)信息科技育人價值。下面，筆者以光敏傳感器為例，討論如何形成更規(guī)范的教與學設計。

學習主題：光敏傳感器在控制系統(tǒng)中的應用探究。

學習目標：①了解光敏傳感器的工作原理和用途。②掌握光敏傳感器在具體的自動街燈、自動窗簾等控制系統(tǒng)中的應用及數(shù)據(jù)采集基本方法。③提高利用傳感系統(tǒng)解決問題的意識能力，樹立學生在效率、人文等領域的社會責任感。④一定群體可提高傳感器組裝實踐操作能力。

學習過程：①理解光敏傳感器的基本原理，可通過實驗觀察光敏傳感器響應光線強度的變化。②討論自動街燈、自動窗簾等具體控制系統(tǒng)或物聯(lián)系統(tǒng)的基本構成和工作原理，重點探究光敏傳感器在控制系統(tǒng)中的作用。③體驗如何利用光敏傳感器進行自動街燈、自動窗簾等控制或物聯(lián)系統(tǒng)的開關控制，包括相關電路的設計和硬件組裝、軟件調(diào)試等。

問題探究：①討論探究光敏傳感器的應用場景中可能遇到的干擾問題。②討論如何改進傳感系統(tǒng)，使其更加智能、節(jié)能等。

學習評價：①對學生的創(chuàng)意、理解和設計思路進行重點評價。②對學生學習活動的參與程度和問題解決意識進行評價。③在學習過程中提高學生理解和掌握光敏傳感器的基本原理程度，不斷通過活動與問題引導推進學習。

拓展實踐：①通過項目學習活動，搭建一個簡單的自動街燈控制系統(tǒng)或自動窗簾物聯(lián)系統(tǒng)，可分組合作學習。②學生自行設計和搭建有關光敏的控制系統(tǒng)或物聯(lián)系統(tǒng)，重點在于主題創(chuàng)意、技術規(guī)劃與功能實現(xiàn)方法，有條件的可以全面設計并測試該系統(tǒng)在不同光線條件下的工作效果，對作品進行相互評價。

總之，在傳感器相關的內(nèi)容教學中，教師要注重融合原理、技術和應用，強調(diào)理論與實踐結合，加深學生對傳感器的理解，引導學生通過技術實驗和設計實踐操作，在搭建傳感器電路、采集數(shù)據(jù)、分析結果的過程中，更自然地將理論知識與實際應用相結合。