“科”與“技”并重理念下“過程與控制”模塊教學初探

摘要：本文以信息科技第三學段“過程與控制”模塊中的《控制系統中的反饋》一課為例，從生活中的實踐應用出發展開探索，幫助學生理解科學原理，為提升學生知識遷移能力和學科思維水平提供可借鑒的思路。

關鍵詞：信息科技；反饋；科學原理；實踐應用

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）22-0000-04

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）的頒布實施，為信息科技學科教學提供了科學指導，改變了以往信息技術課程重操作技能輕科學原理的課堂教學，強調了“科”與“技”并重的學科教學。新課標倡導從信息科技實踐應用出發，注重幫助學生理解基本概念和基本原理，引導學生認識信息科技對人類社會的貢獻與挑戰，提升學生知識遷移能力和學科思維水平。[1]“過程與控制”模塊是第三學段的內容，由“系統與模塊”“反饋與優化”“邏輯與運算”三部分組成。該模塊的教學難點是科學原理的理解，以及學科實踐的探究。那么，如何貫徹新課標下“科”與“技”并重的課程理念？如何從生活中的實踐應用出發，幫助學生理解科學原理？如何提升學生的知識遷移能力實現對學生核心素養的培養？針對這些問題，筆者進行了《控制系統中的反饋》一課的案例設計與實踐探索，從學科角度進行新課標、新教材下“科”與“技”并重的教學嘗試。

“科”與“技”并重理念下的教學設計框架

1.基于學生學情，確定教學主題

新課標強調“科”與“技”并重，旨在培養學生的科學素養和技術應用能力?！翱啤敝缚茖W原理，強調信息科技課程的科學性，其中包括國家信息科技課程的科學性和教師實施課程的科學性。“技”指技術實踐，強調信息技術的應用性，用信息技術解決現實中的問題。本課教學內容是控制系統中的反饋，“反饋”這個概念出自新課標中第三學段“過程與控制”模塊的第二部分“反饋與優化”。本課授課對象是六年級的學生，他們通過原有教材已經認識了機器人技術，初步了解了物聯網技術，已具備一定的圖形化編程基礎，有一定的網絡獲取信息能力，也樂于和同伴分享自己獲取和學到的知識。他們是數字原住民，熟悉一般的智能家用電器，能接觸到各類生活中的控制系統，對生活中的案例與體驗非常感興趣，但是對控制系統的工作過程和蘊含的科學原理卻并不了解。基于此，筆者的教學設計圍繞科技改變生活，通過“活動線——探秘控制系統中的反饋”展開。

2.強化真實情境，優化教學策略

新課標倡導真實性學習，鼓勵教師改進教學方式，從學生原有的“生活體驗”入手，過渡到“應用體驗”，從而實現“解決問題”。筆者從認識反饋入手，以學生比較熟悉的生活中的“燒水方式”為例，引導學生發現控制系統中存在反饋；以體驗反饋為主線，探究“智能小屋”，理解系統控制的過程，了解反饋在系統控制中的作用；以運用反饋為拓展，帶領學生運用反饋原理對電燈進行優化設計，初步感知反饋對系統優化的作用；以實施反饋為輔助，將系統框圖與程序設計流程圖建立關聯，幫助學生將課堂新知與原有舊知鏈接，感受計算機程序在控制系統中的重要作用。整個教學流程如圖1所示。

3.圍繞核心素養，明確教學目標

信息科技課程以信息意識、計算思維、數字化學習與創新以及信息社會責任等核心素養培養為目的，幫助學生建立對信息的敏感性，提高鑒別能力，提升數字素養與技能。本課的教學設計在學科核心素養四個方面的培養為：①知道反饋是過程與控制的典型環節，了解其普遍存在于日常生活中（信息意識）。②理解反饋在系統中的作用，分辨輸入與輸出環節的數據是有反饋還是無反饋（計算思維）。

③通過觀察、實踐與分析，理解反饋在系統中的工作原理，并初步了解反饋如何運用和實施（數字化學習與創新）。④通過實例發現計算機和程序在過程與控制中的作用，理解計算機實現過程與控制的優勢，知道自主可控的系統在解決安全問題時起到了重要作用（信息社會責任）。教學目標細化為四個具體目標：①讓學生認識到控制系統的運行過程中存在反饋，并學會區分有反饋還是無反饋的系統；②讓學生了解常見的傳感器及其功能；③初步理解反饋在控制系統運行中的工作原理和作用；④讓學生體驗和感受反饋在系統中的實施過程。通過設置任務和實驗，將抽象的概念轉化為實際操作體驗，促進學生對科學原理的深入理解。

4.引入數字資源，幫助學生理解

新課標強調合理利用數字化平臺、工具和資源，為學生提供多元化的學習途徑和手段，鼓勵學生“做中學”“用中學”“創中學”。本課的教學設計通過動畫對比生活中普通水壺、電熱水壺、恒溫水壺的不同燒水模式，引導學生理解反饋是控制系統中的重要環節。通過分組體驗智慧小屋中的控制系統，讓學生在真實的情境中進行實踐操作和探究，更加直觀地感受和理解反饋的相關原理和應用，突破教學重點。通過交互式動畫，引導學生通過計算機程序驗證系統的反饋，提升發現、分析、解決生活中真實問題的能力。引入小程序——“小車快跑”游戲進行知識反饋，通過即時反饋答題情況讓學生體驗反饋在檢驗學習成果中的作用。

5.教學評一體化，落實育人目標

教學評一體化是新課標倡導的一種重要的教學理念，它強調在教學過程中，評價應與教學緊密相連，共同服務于學科育人目標的實現。在教學過程中，除了傳統的課堂過程性評價外，筆者在每個環節都設置了一句體現“科技改變生活”的小結，以此承上啟下并評價教學活動。例如，在對比分析環節，教師小結：水壺的變革從手動控制到自動控制，體現了人類的智慧和科技的發展，等等。

“科”與“技”并重理念下的教學實施過程

1.依托表演，導入反饋現象

教學伊始，通過互動表演，讓學生猜一猜杯子中裝的是冷水還是熱水，引導學生初步感知反饋現象，以此引出人體神經系統對溫度變化的反應，激發學生的興趣和注意力。視頻展示：人體的自我調節系統在溫度超過一定范圍時會檢測到溫度變化，并通過發送信號到大腦來調節身體的溫度，這一過程是一個反饋過程。通過觀看視頻，學生了解到許多自然現象和生物過程都蘊含著反饋機制。表演激發了學生對反饋的好奇，為后面了解控制系統中的反饋做好鋪墊。

2.對比分析，認識反饋原理

運用問題驅動：如果生活中有一壺水，我們怎樣將它加熱？學生從已有經驗入手，回答出生活中常見的煤氣灶、電熱水壺、恒溫水壺燒水方式。

對比分析：煤氣灶、電熱水壺、恒溫水壺三種燒水方式有什么不同？學生觀察描述：水壺的變革從手動控制，到半自動控制，再到自動控制，體現了人類的智慧和科技的進步。

教師引導：恒溫水壺的工作流程是怎樣的呢？教師和學生一起回顧并板書，帶領學生親歷科學原理的形成過程，理解反饋是控制系統中的重要環節。

對比分析：對照恒溫水壺與普通水壺的系統框圖，指出它們最大的區別是什么？學生觀察描述：恒溫水壺的系統框圖有檢測裝置，檢測到在整個過程中，信息流方向是循環的，實現了自動保溫的效果。最后歸納出自動控制系統中反饋的概念及原理。

對比分析：辨析家電中的反饋。教師提問：在普通電燈、電飯煲、掃地機器人中，哪些有反饋？哪些無反饋？學生完成表格并進行交流。

舉一反三：你還知道生活中有哪些帶有反饋過程的家用電器呢？學生討論，提出掃地機器人、空調、自動感應水龍頭等電器設備具有反饋機制。

3.分組實驗，體驗反饋過程

教師出示一座智能小屋，里面配備了光控燈、自動感應窗、自動晾衣架、智能風扇四個可以自動控制的設備。這些功能需要通過具有反饋過程的控制系統來實現。學生通過小屋背后的行空板來觀察系統中的相關數據。教師演示（自動感應窗）：目前窗戶是關閉的，當手靠近超聲波傳感器時，行空板的數值發生改變，同時窗戶自動打開。教師引導學生分組研究智能小屋的其中一個系統。學生分小組進行實驗操作，在實驗單上記錄各項功能的數據變化。隨后各小組派匯報員展示他們的研究成果，教師小結。通過分組體驗智能小屋的控制系統，學生從遠處觀望到近身體驗，從初步感知到深度學習，進一步了解控制系統中反饋的作用，在實踐探究中豐富經歷，加深對科學原理的理解。

4.流程轉化，實施反饋過程

本環節圍繞“改造電燈控制系統”任務，通過課堂新知與原有知識的鏈接，及任務情境與現實生活的結合，引導學生將學習成果轉化為實際應用。教師引導：剛才我們體驗了很多具有反饋的控制系統，能不能用今天所學的知識，為普通電燈也加入一個反饋的過程，讓它實現自動控制呢？問題驅動：你想設計一個怎樣的燈來解決實際生活中的需求？學生討論設計方案并填寫系統框圖（如下頁圖2）進行交流。這一設計任務不僅考查了學生對智能技術的理解和應用能力，更體現了科技創新服務于生活的核心理念。

在實現反饋的過程中，編程至關重要。問題驅動：有了這樣一份完整的設計，是否就能實現自動燈的功能呢？教師引導：我們還要把我們的想法變成計算機語言告訴系統，可以將系統框圖轉化為流程圖。課件動態演示從系統框圖轉換為流程圖（如下頁圖3），思維的可視化使學生產生高階遷移，對照以往學過的圖形化編程知識來理解并實現這個反饋過程。關鍵步驟包括選擇合適的模塊，以及使用重復執行指令確保系統能夠持續接收并處理來自不同子系統的命令。問題驅動：你能用“如果……那么……否則……”語句來說一說在你設計的燈中，反饋是怎么實現的嗎？學生一起探索并小結。

5.課堂反饋，情感升華

控制系統中的反饋能實現自動控制，課堂中的反饋則可以檢驗學生的學習成果。通過設計答題系統與游戲化學習，有效反饋學生的學習狀態和成果，展現了教學評的一致性。

學生活動：打開桌面上的答題游戲——“小車跑得快”。明確游戲規則：在輸入自己的姓名后開始答題，共五道題，每答對一道題，小車就會自動往前跑，看看誰的小車跑得最快，前3名的學生可以上臺領取獎品。智能小車答題系統通過編程實現對智能小車的控制，答題系統能自動反饋答題結果，學生參與感強。問題驅動：答題系統中的反饋有沒有用到傳感器呢？引導學生進行五年級《小貓答題》編程知識的高階遷移。最后得出結論：傳感器不是唯一的檢測裝置。教師總結，將課堂知識與古代智慧、現代科技發展相聯系，升華主題。

結束語

在新課標背景下，信息科技學科的實踐形態是多樣化的，實踐要素可以關注科學原理教學、真實性學習、實驗教學探索等，不局限于具體形態，但要牢牢把握住要讓信息科技在“做中學、用中學、創中學”，進而領悟科學原理，實現“科學原理與實踐應用并重”的學科育人目標。[2]“過程與控制”模塊將物理世界與數字世界相融合，學習內容具有抽象性和遞進性。本課中智能小屋的設計及教學過程實現了動手實踐、思維可視化以及與生活實際的緊密結合，而課件則經過反復優化，確保每一頁、每一動畫都有其特定目的，旨在通過具體化任務促進學生對原理的理解和問題解決能力的提升。總體來說，本課的教學巧妙融合了原理教學、真實性學習、實驗教學等多種教學方法，從信息科技實踐應用出發，注重幫助學生理解基本概念和基本原理，引導學生認識信息科技對人類社會的貢獻與挑戰，促進學生將所學的科學原理和技能應用到更廣泛、更復雜的情境中，實現知識的深度遷移和創新應用。

參考文獻：

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

[2]劉向永.義教信息科技課程新教學：信息科技學科實踐[J].中國信息技術教育，2024（09）：4.