信息科技“算法與過程控制”雙向學習活動整體設計

楊偉 山東省濱州市第一中學

張獻敏 山東省濱州蓮華學園

2022年4月，《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》頒布，其在“身邊的算法”和“過程與控制”內容中的要求是：“學生能熟悉一些常用的算法描述風格與方式，理解算法執行的流程；能利用自然語言、流程圖等方式，描述求解簡單問題的算法，并對算法的正確性和執行效率進行討論和辨析。”“學生能認識到過程與控制廣泛存在于日常生活中，知道其中的反饋、環路、優化等概念，針對簡單的過程與控制系統，能通過編程進行驗證。”基于義教階段的學生特點，“身邊的算法”“過程與控制”模塊的學習以基本概念和基本原理為主，學習目標主要定位在提升學生思維能力和知識遷移能力上。如何優化設計課堂學習活動，使教師教學和學生學習更加接近新課標的理念和要求呢？筆者嘗試在項目化學習活動設計中，針對過程控制和算法邏輯采用雙向學習的方式，增強兩者之間的正向影響，提升學生數字化學習適應力、勝任力和創造力。

● 學習項目：探究充電系統的功能和設計

項目情境來源于生活中常見的小區智能充電系統。學生通過對充電系統的功能探究，將系統分解成若干功能模塊，并探究各功能模塊的算法邏輯和控制過程。在項目學習實施過程中，采用項目、活動、問題的三層組織構架，通過微觀問題的解決、項目活動的實施、項目成果的達成，實現自下而上的學習探究目標。

● 學習活動1：充電系統的功能探究和分解

預設問題1：充電系統應該具備什么功能？問題解決思路：通過對充電過程、原理的探究，認識到充電系統應該具備電源的開關、電費金額的計算、系統溫度控制等基本功能。

預設問題2：如何將充電系統劃分成不同的模塊？問題解決思路：根據功能對應模塊的理念，將充電系統劃分成“開關控制模塊”“充電計費模塊”和“溫度預警控制模塊”等，如圖1所示。

圖1 充電系統的功能分解

設計意圖：對問題的分解是計算思維體系中重要的思維活動。本學習活動主要訓練學生將大問題分解成子問題的能力，同時，讓學生在完成問題分解的過程中思考子問題的逐步解決和大問題整體解決之間的關系。

● 學習活動2：開關控制過程的探究

預設問題1：如何將“電源開關”按鈕和“電源狀態”進行邏輯對應？問題解決思路：引入一個“電源狀態”元素來表示充電系統是否進行工作，如下頁圖2所示。當“電源開關開啟”按鈕被按下時，“電源狀態”為“開（1）”；當“電源開關關閉”按鈕被按下時，“電源狀態”為“關（0）”。

圖2 電源開關和電源狀態的邏輯控制環路

預設問題2：如何利用“預設充電時間”控制電源關閉？問題解決思路：用戶自主設置“預設充電時間”，系統通過判斷連續量“預設充電時間”是否到達“0”值來控制充電系統電源。

生成問題3：如何利用“電池電量”控制電源關閉？隨著問題1和問題2的解決，學生在學習討論中提出新的問題：用戶未設置充電時長并且忘記按下停止充電的按鈕，導致電池充滿后電源持續供電。問題解決思路：針對生成性問題，教師提出活動修正建議，新增加“電池電量”控制元素，當“電池電量”值為“100”時控制充電系統關閉，如圖3所示。

圖3 利用三種方法控制充電停止的開環控制圖示

設計意圖：在該學習活動中，學生首先理解利用按鈕點擊產生開關狀態量“1”和“0”的方式來模擬系統電源的開啟和關閉，其次學習利用“預設時間”和“電池電量”兩個連續量經由“閾值”（0和100）判斷是否將電源關閉。在該活動中，學生不僅要清晰掌握電源開關的控制過程，還要針對“電源狀態”“預設充電時間”“電池電量”三個元素之間的邏輯關系做充分的厘清。

● 學習活動3：溫度預警控制過程的探究

預設問題1：在溫度預警控制過程中如何實現反饋效果？問題解決思路：在充電系統中預先設置“警戒溫度”。溫度預警模塊時刻檢測“系統實時溫度”。當“系統實時溫度”到達“警戒溫度”時，通過“溫度閾值判斷”將警戒消息反饋給系統，觸發“系統風扇開關控制”啟動風扇轉動對系統進行降溫；當風扇無法及時降低系統溫度時，啟動“電源開關控制”將充電系統電源關閉；等“系統實時溫度”降低到“警戒溫度以下”再通過“溫度閾值判斷”將解除警戒的消息反饋給系統，啟動“電源開關控制”將充電系統電源重新開啟。

預設問題2：溫度預警控制過程如何實施？問題解決思路：根據問題1的學習結論，通過補充“溫度預警控制環路圖”的方式進行理解性學習，如圖4所示。

圖4 溫度預警控制過程的閉環控制圖示

設計意圖：通過本活動的學習，學生了解了“過程與控制”的特征及實現方式，知道“反饋”“環路”等基本概念，由此可以舉一反三地認識到過程與控制廣泛地存在于現實生活中，進一步理解過程與控制系統自身的特點和規律。

● 學習活動4：充電計費算法實現的探究

預設問題1：如何計算電費數額？問題解決思路：根據“預設時間T”和系統預設的“時間單位電價X”進行計算，得出“充電電費S”，并引導學生通過自然語言的方式進行算法描述。

電費計算算法的自然語言描述：

第一步：輸入充電時間T。

第二步：利用S=T*X計算出充電電費S。

第三步：輸出充電電費S。

生成問題2：如何利用“階梯電價”計算電費數額？問題解決思路：學生在思考過程中根據現實情況得出實施“階梯電價”的系統改進思路。根據“階梯電價”的規則，利用“選擇控制結構”解決問題，并引導學生通過流程圖的方式進行算法描述，如下頁圖5所示。

圖5 階梯電價計費算法的流程圖

設計意圖：在該活動設計中，著重加強對學生思維邏輯的訓練。同時，根據充電時間的變化，引發單位電價的變化，增強了充電系統的經濟性設計。

● 學習活動5：充電系統安全性和經濟性探究

預設問題1：充電系統如何保證充電安全性和經濟性？問題解決思路：根據活動2、活動3和活動4中的生成性問題進行總結，從以下兩個方面闡述充電系統的安全性和經濟性。

（1）充電安全性分析。“電源關閉按鈕”“預設充電時間為零”“電池電量滿”和“系統實時溫度高”四個因素都可以控制電源的關閉，降低了系統的風險性。

（2）充電經濟性分析。選擇合適的充電時機，提高一次性充電時間，可以提高充電系統的利用率，提升電池使用壽命，降低充電費用，進而提升充電經濟性。

設計意圖：在該學習活動的設計中，著力訓練學生利用信息工具高效解決問題并進行創新學習的能力。

蒼山點題

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》的頒布，不僅從課程名稱上確定了以“信息科技”代替原來的“信息技術”的課程改革的大方向，更是在內容上以數據、算法、網絡、信息處理、信息安全、人工智能六大邏輯主線架構新的課程體系。這既是對科學技術教育的重要突破，也是對信息技術教育的重新定位。當然，具體到教學內容如何從知識學習轉向素養教育提升，又不失去技術應用與創新能力培養，是一線教師最需要學習、實踐與反思的。為此，本期解碼搶先從一線挖掘最新研究成果，與大家一起觀察、研討與嘗試。

第一篇文章，展現的是山東省濰坊市教科院與下屬區教研室及相關學校教師在2022年4月份義教信息科技課標出臺之后立即著手進行研究的成果之一。他們從最難的課程內容著手探索，一邊學習，一邊架構，一邊實驗，并在暑假期間進行了成果的系統展示與交流。本文是“過程與控制”的整體設計，即基于大單元架構組織內容體系，以微項目學習開展學習活動，并借助情境問題、仿真平臺等多種形式來讓課程趣味化、生活化、科學化、可操作化，充分體現信息科技研究、探索、研討、實驗等學科學習特點，值得大家學習與借鑒。

第二篇文章，展現的是結合“算法”與“過程控制”進行綜合探究與創作學習，以“雙向學習”方式巧妙地既進行了算法邏輯對過程與控制的設計探索，也體現出過程與控制系統創作中借用算法邏輯逐步優化設計的過程，真正體現出生活需求、學科價值和學習過程一致性發展，是一種集教師教學、學生學習、技術創作、思維優化等多方面于一體的整體化設計的范式，值得我借鑒與發揚。

義教信息科技標準已經出臺，新的課程必將越來越豐富，讓我們盡快看到更多來自一線的教學探索與教育智慧吧！