信息技术与通用技术跨学科融合教学设计探究*——以“控制系统”相关内容的教学为例

张鹏峰|浙江省杭州外国语学校

一、信息技术与通用技术跨学科融合教学设计的背景

当前基础教育界以“学科课程”为中心的划分法，未考虑不同学科之间的关联性，容易造成“经验片段化”和“知识割裂化”。由于生活是非常复杂的，超越任何单一学科所能解决的范围，也不是不同学科简单的叠加，因此跨学科和学科统整是大势所趋［1］。学科统整打破了学科之间的界限，跨学科教学的目的在于探讨来源于生活的主题，帮助学生理解和解决真实生活中的问题。因此，教学目标应该是培养学生的核心素养，教学内容应该是学科知识、跨学科知识和生活知识的有机融合。教学内容可以由师生共同构建，以激发学生的参与热情，如采用大单元设计教学，教师负责构建项目主题所需的结构性和进阶性知识系统，主题可来源于学生的生活，设计的问题可来源于学生的主动观察和思考。

通用技术和信息技术是两门实践性很强的学科，其中有很多相通的概念，如编程、电子控制、机器人和人工智能等。目前，浙江省虽然通过高考将它们“绑”在一起，但教学则是完全独立的。在强调大概念引领和深度学习的当下，将课本知识与现实生活结合起来，基于真实情境设计融合这两门学科的跨学科教学，更有利于核心素养的落实和创新人才的培养。

随着信息技术的发展，信息技术课程中讲到的开源硬件microbit，通用技术课程中用到的everycircuit 等电路模拟软件、三维设计软件，以及大量的网络数字资源，为各种智能化项目的顺利开展提供了技术支持。下面，笔者以“控制系统”相关内容的教学为例，探究信息技术与通用技术跨学科融合教学设计的路径和实施策略。

二、信息技术与通用技术跨学科融合教学设计的路径

（一）融合不同学科的核心素养

核心素养有四个维度，即知识维度、实践维度、思维维度和人格维度，这四个维度是共生的，其中：知识维度包括获取信息、组织信息以及理解事实和概念上的关系；实践维度涉及以应用的方式使用所学知识，如设计、制造、生产和评估；思维维度要求通过提问、分析和决策来理解信息；人格维度是与之相适应的世界观、人生观等内在价值系统［2］。

研究中国学生发展核心素养（人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新），学科核心素养（通用技术：技术意识、工程思维、创新设计、图样表达、物化能力；信息技术：信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任），以及中国高考评价体系所考核的核心素养（一核四层四翼），笔者发现这两门学科的核心素养虽然因结合学科特点在表述上有所不同，但是与中国学生发展核心素养和高考评价体系所考核的核心素养一脉相承，都包含了以上四个维度。

（二）整合教学内容

基于真实情境的项目式学习，是跨学科课程设计的主要学习形式，课程单元编制以“主题—探究—表达”的方式进行设计。为在落实学生核心素养的同时兼顾学科知识的系统性和连贯性，教师可以设计一系列项目，以项目难度的螺旋上升体现知识的结构性和进阶性。

苏教版普通高中教科书《通用技术》必修2《技术与设计2》第四章的内容为控制系统，选择性必修1《电子控制技术》的内容涵盖控制的概念、控制系统中常用元器件（三极管、逻辑门、传感器等）的性能，以及用基础元器件设计控制电路的方法。浙教版普通高中教科书《信息技术》必修2《信息系统与社会》第二、四章也涉及控制系统的概念以及实现设计控制系统所需要的硬件（包含传感器和microbit等），选择性必修1《数据与数据结构》第二、五章则为控制系统的实现提供了算法基础。

笔者以“控制系统”为大概念，系统整合通用技术和信息技术相关内容，设计难度呈螺旋状进阶的一系列项目。项目中包含对软件和硬件的学习，为控制项目的难度，软件和硬件的内容在深度上应层层递进。依据难度的递进逻辑，笔者将项目分为三个梯度。梯度一“基础控制电路”：特点是元器件单一，程序简单；目标是理解控制的基本概念，学习microbit和相关编程软件、程序语句的基本用法，运用电路模拟软件everycircuit 理解三极管的工作原理。梯度二“智能控制系统”：特点是增加了传感器，提升了系统与环境间的交互能力，需运用多个元器件或者复杂程序语句控制电路；目标是理解开环控制系统的概念，综合运用microbit 和三极管等元器件设计电路，并通过人机交互和简单算法的运用，增加控制系统的实用性和趣味性。梯度三“基于真实问题的控制系统”：特点是教学内容主要由学生生成；目标是引导学生运用设计思维从生活中发现问题，并运用工程思维和计算思维解决问题。梯度项目详细设计如下。

【梯度一】基础控制电路

［项目1］定时照明灯

内容：运用microbit控制灯亮的时间。

目标：（1）理解控制的概念；（2）掌握硬件的使用。

［项目2］交通红绿灯

内容：运用microbit控制多盏灯轮流亮。

目标：理解循环语句。

［项目3］光控灯

内容：（1）运用everycircuit 做探究三极管工作原理的虚拟实验；（2）运用三极管设计控制电路。

目标：（1）了解光敏电阻的性能；（2）学习everycircuit的用法；（3）理解三极管的工作原理。

【梯度二】智能控制系统

［项目4］人机交互——智能交通灯

内容：（1）运用microbit 设计开环控制系统；（2）利用everycircuit 设计能实现同样功能的三极管电路。

目标：（1）理解开环控制原理；（2）理解传感器的工作原理；（3）通过对比不同控制方式，加深对控制的理解。

［项目5］亮度指示器

内容：运用光敏传感器和microbit 设计控制系统。

目标：（1）理解数组的概念；（2）掌握循环和条件语句的运用。

［项目6］智能小车速度、方向控制

内容：（1）运用555 芯片和三极管设计控制电路；（2）综合运用microbit和三极管设计控制系统。

目标：（1）学会运用元器件搭建复杂控制系统的方法；（2）对比不同控制方式的优劣。

［项目7］智能马桶水箱水位控制系统

内容：综合运用传感器、microbit和三极管等设计控制系统。

目标：理解闭环控制系统概念。

【梯度三】基于真实问题的控制系统

［项目8］（1）自行选择生活场景，根据外界环境控制显示屏、电机等装置；（2）基于生活中的真实场景，通过数据收集与分析，自行建模，并设计控制系统的方案

内容：综合运用传感器、microbit和三极管等设计控制系统。

目标：（1）自主生成学习内容，应用知识解决生活中的问题；（2）逐步增加任务的开放性。

（三）实施综合性评价

鉴于核心素养包含知识、实践、思维和人格等四个维度，评价不同维度的素养，需要采用与之匹配的评价方式。目前对知识维度的评价以标准化测试为主，对其他维度的评价则以表现性评价为主。表现性评价的三个核心要素是评价目标、表现性任务和评分规则［3］。评价目标一般要基于课程标准中诠释的学生应该达到的素养水平和需要掌握的学科核心知识。表现性任务应基于情境中的问题解决和理解的六个侧面（解释、阐明、应用、洞察、神入、自知），设计学生将要经历的认知过程。评分规则是基于评价目标设计包含评价维度和表现等级的量表。

考核的素养不同，表现性评价的任务设计和量表的评价维度也会不同。如：对人格维度的核心素养，主要从团队合作与领导能力、管理项目的系统思维能力两个方面来评价；对学科类核心素养，可以从科学探究能力、解决方案的创新性、工程思维与计算思维、实践能力四个方面来评价。教师应该明确，传统评价和新型评价之间是互补的，而不是相互替代，项目化学习的评价应该是多种评价方式有机整合的综合评价系统［4］。

三、信息技术与通用技术跨学科融合教学设计的实施策略

（一）以教学环境引导内容生成

教学环境是开放的。有形的教学环境是有电脑和相关实验器材的实验室，课桌布置要便于学生团队合作。无形的教学环境指教师提供数字资源、能引导学生自主探究的思维支架、评价量表，以及活动开展的组织形式。

“控制系统”相关内容的教学以学生体验和探究为主。教师提供资源和支架，以数字化工具引导学生运用技术手段分析、解决和评估问题，帮助学生理解核心概念、实现思维升级。同时，教师还要研究不同学生的特长，引导其在团队中学习如何合理地分工与合作，提升合作学习的有效性。

教师要基于真实情境设计生活化的项目，使课本知识与生活实际相结合，并设置合理的项目梯度，使软硬件的教学有序连接。如整合两门课的相关知识，运用microbit 设计控制电路，便于学生从整体上理解控制系统的概念，用分立的电子元器件设计电路，便于学生深刻理解元器件的性能。

为了使教学内容具有生成性，教师要运用丰富的教学资源和技术手段，给学生更多自主探索的空间。如设计开放的项目，用数组和循环语句控制多盏灯的明暗，让学生自行选择应用场景和设计内容。

（二）以表现性任务规范实践活动

研究美国NAEP 网站上给出的素养评估例题，我们可以发现在技术与工程类课程中，基于核心素养的表现性任务设计有五个特点：一是以问题解决的工程思维流程为主线，设计每个阶段的任务，即分析问题、设计解决方案、方案测试评估、方案沟通；二是在分析问题阶段，要求运用相关学科知识，进行科学探究；三是在方案设计阶段，要求考虑客户需求和现实各种因素的限制与约束；四是根据评估反馈对方案进行更新迭代；五是在沟通交流方面，要求运用科学分析、数学建模、三维设计等手段进行技术交流。

对上述项目5，教师可以在梯度一相关项目的基础上，增加更为复杂的生活场景，如“城市中某些路灯过于明亮造成能源浪费、影响生态环境和人们休息等诸多问题，请设计黑暗友好型智能照明控制系统”，使解决问题的途径更加多元。表1 是“智能照明控制系统”的表现性任务设计及评价素养目标。

表1 “智能照明控制系统”的表现性任务设计及评价素养目标

（三）以数字技术落实核心素养

数字技术的运用使知识变得可视化，如everycircuit可以清晰地显示电流的流动、电压的变化，既能增加学生的直观经验，便于学生进行电路性能的探究，又能减少实物实验中误操作、元器件烧坏等问题的出现，节约实验时间，提高实验效率。数字资源的运用可延伸课程的内涵和外延，如学生可通过阅读文献，了解科学家的前沿研究、产业的最新动向、人民的需求等。

基于网络的课堂，可以真正实现因材施教。教师不再是唯一的知识输出端，课堂变得多元而立体，由此不同学生在同一堂课上就可以学习不同梯度的内容，这赋予有能力的学生自主探究的空间。而数字技术的运用，则使表现性评价的可操作性越来越强，这些都有利于落实学生的核心素养。

综上，信息技术相关内容的教学为学生设计控制系统提供了工具，通用技术则提供了相应的理论和应用场景，二者的跨学科融合教学设计及数字手段的运用，使学生“设计控制系统”成为可能。而设计一系列螺旋进阶的项目，既能通过项目的进阶实现知识的系统化教学，又能利用项目化学习的优势培育学生的核心素养。