動機·抓手·演繹·遷移

鄔技科 葉紅霞

摘要：《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》給出了明確的教學模塊劃分，新模塊內容既是新要求也是新挑戰，作者對“過程與控制”模塊進行了探索，并在試教實踐基礎上總結歸納了教學路徑。

關鍵詞：過程與控制；逆構；仿真模擬；開源硬件；演繹

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2023）09-0014-05

新數字化環境賦予了信息科技課程新內涵，在《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）指導下，筆者從區域內學生學情出發，針對新課標中的“過程與控制”模塊開展了多次討論學習活動和試教，基于教師、學生的反饋初步積累了一些可行的經驗。

“過程與控制”模塊教學分析

1.“過程與控制”模塊的教學挑戰

“過程與控制”是新課標中第三學段（5～6年級）的內容模塊，包含“系統與模塊”“反饋與優化”“邏輯與運算”三部分內容。本模塊中的“控制系統”“回路”“反饋”“優化”等概念在以前的課標及教材中都未曾涉及，因此對教師們來說，本模塊的教育教學是一場全新體驗。同時，本模塊帶給學生的物理世界與數字世界的深度融合視野是前所未有的，信息科技的價值以典型控制系統為起點，徐徐展開為一種廣闊的控制論、系統觀，而在控制系統和控制論中，找到合適的教學著力點帶領學生去細微觀察、識別、提取、轉化，既是未完成的命題，也是尋找核心素養落地點的前提。同時，貫穿于本模塊四個核心素養培育過程的是隱藏其中的數據意識暗線和對學生來說所需的自主可控、上手可調的觀感這一明線，從未來發展的角度看，要培育的學生在將來需要超越系統分析這一層面，成為帶著系統觀的自信、自覺、自立的觀察者、思考者、設計者。因此，不論采用何種教學著力點，又借由哪條教學設計路徑到達學業目標，“過程與控制”模塊教學中學生主動性、自信感體驗都不可忽略。

2.待解決的教學問題思考

在本模塊中，控制系統形態，系統“輸入—計算—輸出”三個典型環節的抽象，反饋的作用與實現，開關量、連續量及其邏輯運算，計算機控制的系統驗證、設計與優化，控制系統中的安全等較為宏觀的問題，在新課標中均有明確的內容要求和學業要求對標，此處不再一一羅列。雖然學業目標不盡相同，但是課程實施過程中有著相同的追求和思考——首先希望這個與真實世界密切關聯的模塊能讓學生在“做中學”中自然地推進，能搭建起合適的軟硬件支架去托舉真實性學習的生發。那么，“做中學”如何推進？搭建什么樣的支架？能調動學生主動性、自信感的數據意識和可控觀感的教學模樣如何構建？筆者在試教中尋找答案。

試教迭代后的“動機·抓手·演繹·遷移”路徑

1.典型課程內容教學具體問題提出

綜合多方面資料對課程內容簡單劃分，筆者選取三個典型課程內容案例提出具體問題，反映模塊教學的典型問題。

《控制的形態》：問題——如何設計讓全體學生體驗控制系統且各系統重要環節效果能被學生捕捉到的支架？如何讓學生充當控制系統的設計者，讓學生在實踐中主動發現問題提出新需求？

《開關量的生成》：問題——開關量生成之前的需求怎么由學生挖掘到？有真實感的需要開關量生成的控制系統以什么形式提供給學生？

《開關量的與、或邏輯運算》：問題——“與”“或”邏輯運算的需求產生和支架形式問題。

在筆者初次試教后學生們的部分反饋如圖1所示。課堂上師生共同分析了空調恒溫控制系統，而風扇控制系統留給學生獨立思考。從圖1可以看出，不是所有學生都理解了空調恒溫控制系統中的“回路”，而且有近一半的學生無法獨立分析風扇系統的控制形態。由此可知，一是學生從身邊的控制系統中抽取關鍵特征和環節的模式識別能力應用失敗，二是分析每個環節的運作功能，串聯歸納完整的過程環節崩潰，“能識別系統中的輸入、計算、輸出環節[1]”學業目標達成不理想，“問題分解、模式識別遷移”的計算思維未被孵化成功，可以說這是一次失敗的試教。

失敗的經驗是不可或缺且寶貴的，筆者從整體的課程結構上捕捉到了本次教學暴露的問題。控制系統的無“回路”和有“回路”，這兩種形態如果讓學生從列舉的生活中的典型控制系統中去提取，則存在以下問題：一是從列舉到提取“回路”這一過程中概念網絡跨度太大，知識網絡的中間環節缺失；二是這個環節停留在紙上談兵，因為缺乏鮮活的經驗支持，新概念無法與學生已有的概念網絡產生關聯。而如果能讓學生有強烈的動機去體驗系統對象的息息相關，體驗“回路”的構建、應用“自動控制”的高效，那么學習體驗一定會有不一樣的提升。換句話說就是，讓學生關注技術的“重新發明”，體驗技術開發者的計算思維過程，感受開發者的智慧和精神。[2]基于此，筆者迭代設計出了一條“動機·抓手·演繹·遷移”的教學路徑（如圖2）。

2.案例演繹

案例一：《控制的形態》

①誕生動機，滿足智能的需求。要想讓學生體驗“回路”的“重新發明”，需要設計一個從手動控制系統到自動控制系統的需求升級情境。這個情境要如何選取設計？一是要有童趣，學生興趣、注意力和觀察力能被協同調動，此為鋪墊；二是在這個情境中，學生能“手動控制”該系統，體會多個系統對象環節之間的運作關聯，這時其實已經存在了人作為其中環節的“回路”，此為基礎；三是學生在多次“手動控制”熟悉了該系統控制后，會產生減少腦力或體力或時間的想法，由內而外地意識到系統的改進方向——自動化“回路”，這也是最重要的一點，讓學生從自身需求出發，誕生“閉環”的設計意識。考慮到以上幾點要求，筆者創設了模擬“手動控溫孵化小雞”這一與生命主題關聯的情境。

②設計抓手，提升感官的體驗。在情境確定好之后，為設計全體學生能參與其中的低門檻抓手支架，筆者確定了仿真模擬和開源硬件兩個方向，在綜合考慮本課的多方面因素后，采用軟件交互式設計，以游戲的形式呈現可愛的雞蛋、雞寶寶形象，溫度過冷或過熱時的對應音效，不同控制效果下的不同雞寶寶孵化成功率等。支架采用學生熟悉的圖形化編程工具制作，發布為網頁的形式。雞蛋孵化需要將溫度控制在35～40攝氏度之間才能提高成功率，學生在孵化過程中需要時刻觀察溫度計顯示的溫度，由此決定打開或關閉水床的加熱開關。

考慮到課堂時間有限，孵化時間設置為一分鐘，根據控制得到的適宜溫度出現的時長，學生將得到四種不同的孵化結果（如下頁圖3）。

③表達演繹，生發思維的提升。在實際教學中，筆者給予學生兩次體驗時間的機會，大部分學生表示第二次孵化成功率上升，且幾乎全體學生都有信心和興趣能夠在下一次游戲中將溫度控制得更好。由此說明，學生的控制經驗已經生成，學生有能力分析該控制系統的環節。接著，讓學生動手在“畫圖”程序中連接各個環節的順序，并請學生解釋連接順序，促進學生環節識別抽取、順序計算的計算思維達成，即圖4中的“連一連”部分。學生在動手連接以及闡述過程中，可完成各個對象的功能提取，即圖4的“功能提取”部分，接著迎接新問題——真實的雞蛋孵化周期為21天，是否有比手動調節21天更好的辦法？提出用溫度傳感器和比較器來替換人和溫度計，再將流程轉化為抽象圖示，整個過程如圖4所示。在問題“為什么能實現自動控制”的引導下，學生看著抽象圖示能提出類似“環”“循環”的概念，以此成功引出“回路”這一概念。

在學生完成了有“回路”的控制系統圖示抽象后，因為另一種無“回路”的控制系統典型例子生活中并不缺少，所以在前面知識網絡的搭建經驗基礎上，學生已有足夠的知識對另一種形態的圖示進行獨立分析。

④拓展遷移，強化模式的提取。以上環節的設計意圖是希望學生主動深入感受兩種系統的形態，而非走馬觀花停留在泛泛而談的舉例和一步登天的圖示抽象中。筆者認為，學生要達成本課的學業目標還需要尋找、分析、遷移、應用更多的例子，否則前面環節獲得的能力還太過單薄且易遺忘。因此，本環節讓學生去分析生活中更多的典型控制系統及其形態，當然，本環節也可以視作反饋的一部分，以評價學生的活學活用能力，教師做好支架的支持。

案例二：《開關量的生成》

在本案例中，筆者創設了盲人出行難的情境。學生頭腦風暴后有了設計類似智能拐杖的意識，提出了如下頁表所示的功能設計。在動機需求驅動下，筆者選擇用開源硬件模擬拐杖模型為學生構建學習體驗，并選擇困境的某一點進行具體分析、演繹、細化，困境1中開關量的生成演繹如下頁圖5所示。其他幾點的模塊設計在開關量生成這一本質上是一致的，是遷移應用的直接實例。

案例三：《開關量的與、或運算》

沿用案例二的情境，添設子情境——盲人摔倒后面臨的求助困境，學生能自主提出為智能拐杖設計摔倒檢測應急模塊的類似想法。這是一個對合理化要求較高的模塊設計，綜合考量的因素有加速度、速度等條件，如加速度子模塊達到符合判定摔倒的條件，這時最好再附加判斷一分鐘內是否無移動減少誤判概率。兩個條件的同時滿足觸發應急措施的響應，即“與”邏輯的成立。類似地，有時拐杖使用者想要主觀觸發應急措施，應急按鈕與上面兩個條件組合的邏輯關系便是“或”。考慮到實際學情，加速度子模塊教師可以封裝好交給學生使用，這其中，從“與”到“或”本質上也是一種遷移。

結束語

筆者認為，在“過程與控制”模塊中的其他內容上，“動機·抓手·演繹·遷移”教學路徑的迭代設計思路也有遷移、應用的意義。同時，在本次學、思、踐、悟中筆者也認識到，在改進過程中始終考慮教學對象的特征，使其由內而外地在情境中生動真實地促進思維的開花是教學的方向和準則。

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]費海明.計算歸簡，分合衍變——計算思維內涵探析與教學創意[J].中國信息技術教育，2020，344（20）：85-88.