“科”与“技”并重理念下“过程与控制”模块教学初探

摘要：本文以信息科技第三学段“过程与控制”模块中的《控制系统中的反馈》一课为例，从生活中的实践应用出发展开探索，帮助学生理解科学原理，为提升学生知识迁移能力和学科思维水平提供可借鉴的思路。

关键词：信息科技；反馈；科学原理；实践应用

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2024）22-0000-04

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）的颁布实施，为信息科技学科教学提供了科学指导，改变了以往信息技术课程重操作技能轻科学原理的课堂教学，强调了“科”与“技”并重的学科教学。新课标倡导从信息科技实践应用出发，注重帮助学生理解基本概念和基本原理，引导学生认识信息科技对人类社会的贡献与挑战，提升学生知识迁移能力和学科思维水平。[1]“过程与控制”模块是第三学段的内容，由“系统与模块”“反馈与优化”“逻辑与运算”三部分组成。该模块的教学难点是科学原理的理解，以及学科实践的探究。那么，如何贯彻新课标下“科”与“技”并重的课程理念？如何从生活中的实践应用出发，帮助学生理解科学原理？如何提升学生的知识迁移能力实现对学生核心素养的培养？针对这些问题，笔者进行了《控制系统中的反馈》一课的案例设计与实践探索，从学科角度进行新课标、新教材下“科”与“技”并重的教学尝试。

“科”与“技”并重理念下的教学设计框架

1.基于学生学情，确定教学主题

新课标强调“科”与“技”并重，旨在培养学生的科学素养和技术应用能力。“科”指科学原理，强调信息科技课程的科学性，其中包括国家信息科技课程的科学性和教师实施课程的科学性。“技”指技术实践，强调信息技术的应用性，用信息技术解决现实中的问题。本课教学内容是控制系统中的反馈，“反馈”这个概念出自新课标中第三学段“过程与控制”模块的第二部分“反馈与优化”。本课授课对象是六年级的学生，他们通过原有教材已经认识了机器人技术，初步了解了物联网技术，已具备一定的图形化编程基础，有一定的网络获取信息能力，也乐于和同伴分享自己获取和学到的知识。他们是数字原住民，熟悉一般的智能家用电器，能接触到各类生活中的控制系统，对生活中的案例与体验非常感兴趣，但是对控制系统的工作过程和蕴含的科学原理却并不了解。基于此，笔者的教学设计围绕科技改变生活，通过“活动线——探秘控制系统中的反馈”展开。

2.强化真实情境，优化教学策略

新课标倡导真实性学习，鼓励教师改进教学方式，从学生原有的“生活体验”入手，过渡到“应用体验”，从而实现“解决问题”。笔者从认识反馈入手，以学生比较熟悉的生活中的“烧水方式”为例，引导学生发现控制系统中存在反馈；以体验反馈为主线，探究“智能小屋”，理解系统控制的过程，了解反馈在系统控制中的作用；以运用反馈为拓展，带领学生运用反馈原理对电灯进行优化设计，初步感知反馈对系统优化的作用；以实施反馈为辅助，将系统框图与程序设计流程图建立关联，帮助学生将课堂新知与原有旧知链接，感受计算机程序在控制系统中的重要作用。整个教学流程如图1所示。

3.围绕核心素养，明确教学目标

信息科技课程以信息意识、计算思维、数字化学习与创新以及信息社会责任等核心素养培养为目的，帮助学生建立对信息的敏感性，提高鉴别能力，提升数字素养与技能。本课的教学设计在学科核心素养四个方面的培养为：①知道反馈是过程与控制的典型环节，了解其普遍存在于日常生活中（信息意识）。②理解反馈在系统中的作用，分辨输入与输出环节的数据是有反馈还是无反馈（计算思维）。

③通过观察、实践与分析，理解反馈在系统中的工作原理，并初步了解反馈如何运用和实施（数字化学习与创新）。④通过实例发现计算机和程序在过程与控制中的作用，理解计算机实现过程与控制的优势，知道自主可控的系统在解决安全问题时起到了重要作用（信息社会责任）。教学目标细化为四个具体目标：①让学生认识到控制系统的运行过程中存在反馈，并学会区分有反馈还是无反馈的系统；②让学生了解常见的传感器及其功能；③初步理解反馈在控制系统运行中的工作原理和作用；④让学生体验和感受反馈在系统中的实施过程。通过设置任务和实验，将抽象的概念转化为实际操作体验，促进学生对科学原理的深入理解。

4.引入数字资源，帮助学生理解

新课标强调合理利用数字化平台、工具和资源，为学生提供多元化的学习途径和手段，鼓励学生“做中学”“用中学”“创中学”。本课的教学设计通过动画对比生活中普通水壶、电热水壶、恒温水壶的不同烧水模式，引导学生理解反馈是控制系统中的重要环节。通过分组体验智慧小屋中的控制系统，让学生在真实的情境中进行实践操作和探究，更加直观地感受和理解反馈的相关原理和应用，突破教学重点。通过交互式动画，引导学生通过计算机程序验证系统的反馈，提升发现、分析、解决生活中真实问题的能力。引入小程序——“小车快跑”游戏进行知识反馈，通过即时反馈答题情况让学生体验反馈在检验学习成果中的作用。

5.教学评一体化，落实育人目标

教学评一体化是新课标倡导的一种重要的教学理念，它强调在教学过程中，评价应与教学紧密相连，共同服务于学科育人目标的实现。在教学过程中，除了传统的课堂过程性评价外，笔者在每个环节都设置了一句体现“科技改变生活”的小结，以此承上启下并评价教学活动。例如，在对比分析环节，教师小结：水壶的变革从手动控制到自动控制，体现了人类的智慧和科技的发展，等等。

“科”与“技”并重理念下的教学实施过程

1.依托表演，导入反馈现象

教学伊始，通过互动表演，让学生猜一猜杯子中装的是冷水还是热水，引导学生初步感知反馈现象，以此引出人体神经系统对温度变化的反应，激发学生的兴趣和注意力。视频展示：人体的自我调节系统在温度超过一定范围时会检测到温度变化，并通过发送信号到大脑来调节身体的温度，这一过程是一个反馈过程。通过观看视频，学生了解到许多自然现象和生物过程都蕴含着反馈机制。表演激发了学生对反馈的好奇，为后面了解控制系统中的反馈做好铺垫。

2.对比分析，认识反馈原理

运用问题驱动：如果生活中有一壶水，我们怎样将它加热？学生从已有经验入手，回答出生活中常见的煤气灶、电热水壶、恒温水壶烧水方式。

对比分析：煤气灶、电热水壶、恒温水壶三种烧水方式有什么不同？学生观察描述：水壶的变革从手动控制，到半自动控制，再到自动控制，体现了人类的智慧和科技的进步。

教师引导：恒温水壶的工作流程是怎样的呢？教师和学生一起回顾并板书，带领学生亲历科学原理的形成过程，理解反馈是控制系统中的重要环节。

对比分析：对照恒温水壶与普通水壶的系统框图，指出它们最大的区别是什么？学生观察描述：恒温水壶的系统框图有检测装置，检测到在整个过程中，信息流方向是循环的，实现了自动保温的效果。最后归纳出自动控制系统中反馈的概念及原理。

对比分析：辨析家电中的反馈。教师提问：在普通电灯、电饭煲、扫地机器人中，哪些有反馈？哪些无反馈？学生完成表格并进行交流。

举一反三：你还知道生活中有哪些带有反馈过程的家用电器呢？学生讨论，提出扫地机器人、空调、自动感应水龙头等电器设备具有反馈机制。

3.分组实验，体验反馈过程

教师出示一座智能小屋，里面配备了光控灯、自动感应窗、自动晾衣架、智能风扇四个可以自动控制的设备。这些功能需要通过具有反馈过程的控制系统来实现。学生通过小屋背后的行空板来观察系统中的相关数据。教师演示（自动感应窗）：目前窗户是关闭的，当手靠近超声波传感器时，行空板的数值发生改变，同时窗户自动打开。教师引导学生分组研究智能小屋的其中一个系统。学生分小组进行实验操作，在实验单上记录各项功能的数据变化。随后各小组派汇报员展示他们的研究成果，教师小结。通过分组体验智能小屋的控制系统，学生从远处观望到近身体验，从初步感知到深度学习，进一步了解控制系统中反馈的作用，在实践探究中丰富经历，加深对科学原理的理解。

4.流程转化，实施反馈过程

本环节围绕“改造电灯控制系统”任务，通过课堂新知与原有知识的链接，及任务情境与现实生活的结合，引导学生将学习成果转化为实际应用。教师引导：刚才我们体验了很多具有反馈的控制系统，能不能用今天所学的知识，为普通电灯也加入一个反馈的过程，让它实现自动控制呢？问题驱动：你想设计一个怎样的灯来解决实际生活中的需求？学生讨论设计方案并填写系统框图（如下页图2）进行交流。这一设计任务不仅考查了学生对智能技术的理解和应用能力，更体现了科技创新服务于生活的核心理念。

在实现反馈的过程中，编程至关重要。问题驱动：有了这样一份完整的设计，是否就能实现自动灯的功能呢？教师引导：我们还要把我们的想法变成计算机语言告诉系统，可以将系统框图转化为流程图。课件动态演示从系统框图转换为流程图（如下页图3），思维的可视化使学生产生高阶迁移，对照以往学过的图形化编程知识来理解并实现这个反馈过程。关键步骤包括选择合适的模块，以及使用重复执行指令确保系统能够持续接收并处理来自不同子系统的命令。问题驱动：你能用“如果……那么……否则……”语句来说一说在你设计的灯中，反馈是怎么实现的吗？学生一起探索并小结。

5.课堂反馈，情感升华

控制系统中的反馈能实现自动控制，课堂中的反馈则可以检验学生的学习成果。通过设计答题系统与游戏化学习，有效反馈学生的学习状态和成果，展现了教学评的一致性。

学生活动：打开桌面上的答题游戏——“小车跑得快”。明确游戏规则：在输入自己的姓名后开始答题，共五道题，每答对一道题，小车就会自动往前跑，看看谁的小车跑得最快，前3名的学生可以上台领取奖品。智能小车答题系统通过编程实现对智能小车的控制，答题系统能自动反馈答题结果，学生参与感强。问题驱动：答题系统中的反馈有没有用到传感器呢？引导学生进行五年级《小猫答题》编程知识的高阶迁移。最后得出结论：传感器不是唯一的检测装置。教师总结，将课堂知识与古代智慧、现代科技发展相联系，升华主题。

结束语

在新课标背景下，信息科技学科的实践形态是多样化的，实践要素可以关注科学原理教学、真实性学习、实验教学探索等，不局限于具体形态，但要牢牢把握住要让信息科技在“做中学、用中学、创中学”，进而领悟科学原理，实现“科学原理与实践应用并重”的学科育人目标。[2]“过程与控制”模块将物理世界与数字世界相融合，学习内容具有抽象性和递进性。本课中智能小屋的设计及教学过程实现了动手实践、思维可视化以及与生活实际的紧密结合，而课件则经过反复优化，确保每一页、每一动画都有其特定目的，旨在通过具体化任务促进学生对原理的理解和问题解决能力的提升。总体来说，本课的教学巧妙融合了原理教学、真实性学习、实验教学等多种教学方法，从信息科技实践应用出发，注重帮助学生理解基本概念和基本原理，引导学生认识信息科技对人类社会的贡献与挑战，促进学生将所学的科学原理和技能应用到更广泛、更复杂的情境中，实现知识的深度迁移和创新应用。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育信息科技课程标准（2022年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2]刘向永.义教信息科技课程新教学：信息科技学科实践[J].中国信息技术教育，2024（09）：4.