義教課標視閾下融合技術的信息科技原理教學

段勇　王震

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）將課程名稱從信息技術變為信息科技。這意味著一線教師不能再按傳統的教學方式進行文字錄入、辦公軟件、編程演示的操作講解，應重新建構信息科技的教學方法。而原理教學正好契合信息科技課程“科”“技”并重的教學理念。

信息科技原理是指在信息科技實踐中，為實現應用目的，根據已有的科學原理和技術經驗，通過創造性思維和技術實驗所獲得的關于途徑、手段、方式和方法的理論規范。從學科教學的角度，信息科技原理一般簡化為信息科技背后的技術思想、設計和實現。原理教學與信息科技實驗操作相結合，能夠讓學生深挖操作背后的技術本質和思維方法。為此，筆者設計六年級跨學科項目“智慧家居的構建和實現”。跨學科項目研究需要數字化教學環境的支持，在這方面信息科技教師具備天然的優勢，能借助數字化手段、數字化平臺，使學生充分參與、展示、分享、交流、討論，降低項目學習的難度，提升原理教學的有效性，培養學生的數字素養。

一、對課標“過程與控制”模塊的理解

課標對于“過程與控制”模塊是這樣表述的：本模塊通過學習生活中的過程與控制系統，幫助學生了解過程與控制的特征及實現方式，理解利用計算機解決問題的手段，進一步認識過程與控制系統自身的特點和規律。“過程與控制”看似陌生，實際離我們的生活并不遙遠，生活中廣泛存在著“輸入—計算—輸出”的計算模式。比如商場的旋轉門，當我們與門的距離小于某個數值時，旋轉門就開始旋轉，其背后的原理就是旋轉門系統獲取數據后，經過程序計算，產生輸出指令，從而控制旋轉門的“轉”與“不轉”。我們應引導學生理解系統實現過程與控制的原理，進而感受信息科技對于生活的影響和價值。在進行項目探究時，筆者梳理出原理教學可遵循的教學流程（如圖1）：分析探究，感知原理→融合擴展，應用原理→分工合作，驗證原理→通關認證，遷移原理。

二、跨學科項目設計

教師以跨學科項目“智慧家居的構建和實現”為主題，引導學生從身邊的控制系統出發，識別出過程與控制系統是由“輸入—計算—輸出”三個典型環節組成的，并應用這個原理構建簡易智慧家居系統，實現智慧家居場景。本項目的重點不是認識各種傳感器，學習對傳感器的編程，完成多個硬件搭建項目，而是理解“輸入—計算—輸出”的過程和其中的計算，形成信息科技的思維方式。在本項目中，“智慧家居的構建和實現”是一個大的過程與控制系統，它由系列子系統組成，如智慧照明子系統、智慧掃地機器人子系統等，在項目難點突破上，教師引導學生利用智慧掃地機器人子系統進行分析，提煉總結原理。

（一）項目目標

教師依據課標要求，確定本項目的素養目標。

1.信息意識

學生通過探究智慧掃地機器人的運行原理，認識到生活中的信息能夠被轉換為計算機可以處理的數據，認識到過程與控制普遍存在于生活中，從而增強信息意識。

2.計算思維

（1）學生通過對智慧掃地機器人子系統的分析并抽象建模，理解“輸入—計算—輸出”的過程，遷移到其他子系統的學習中，逐步培養抽象思維能力。（2）學生通過對過程與控制系統的理解、探索和實驗過程，體驗模擬、驗證等方式解決問題的過程。

3.數字化學習與創新

（1）學生理解用計算機實現過程與控制的優勢。（2）學生通過體驗超聲波傳感器、光敏傳感器、溫度傳感器等不同的傳感器，對物聯網技術形成基本的認知。（3）學生通過在線共享腦圖實時編寫方案、在線答題檢測學習效果、上網搜索信息、編程搭建進行實驗驗證，體會多樣的數字化學習平臺給學習帶來的便捷。

4.信息社會責任

（1）學生通過小組合作學習，提升協作溝通能力。（2）學生在古今對比中感受科技的飛速發展正在把神話變為現實，認識到科技創新解鎖了“中國速度”“中國高度”“中國溫度”，提升自主可控意識，培育社會主義核心價值觀。

（二）項目重難點

一是教師要讓學生通過智慧掃地機器人子系統的分析，抽象出“輸入—計算—輸出”的過程，明晰過程與控制系統的三個典型環節。

二是教師要通過信息科技實驗室動手實踐，提升學生運用過程與控制系統原理的能力。

三是學生能概括抽象原理，并能遷移應用到信息科技實驗中，逐步形成計算思維素養。

（三）項目技術支持

圖形化編程工具：學生在分析問題、設計算法后，使用計算機編寫程序，模擬實現過程與控制環節。

開源硬件設備：學生利用圖形化編程工具，根據問題和算法編寫程序，將編寫的程序下載到開源硬件的控制器中，實現智慧家居過程與控制場景的模擬。

在線共享腦圖、在線答題平臺：學生利用在線共享腦圖實時填寫實驗方案，快速高效；在線答題平臺實時呈現答題結果，讓評價一目了然，使“教—學—評”更便捷直觀。

語音錄入：學生利用語音輸入技術手段填寫實驗方案，實現高效課堂。

三、跨學科項目實施

跨學科項目實施遵循原理教學的“分析探究，感知原理”“融合擴展，應用原理”“分工合作，驗證原理”“通關認證，遷移原理”四個教學流程，通過創設不同的真實問題情境來引導學生挖掘驗證原理。

（一）分析探究，感知原理

上課伊始，教師用民間故事《田螺姑娘》作為話題引入，表達古人對美好生活的向往，他們希望辛苦勞累一天，回到家就有香味四溢的飯菜和干凈整潔的環境，于是創造出具有神話色彩的田螺姑娘。隨著現代科技的發展，“田螺姑娘”來到了我們的生活中，在我們未到家時就已經把空調打開，讓我們一進門就有舒適的環境；在我們睡夢中廚具就啟動烹飪程序，讓我們早上一睜眼就能吃上美味的早餐，從而讓學生直觀感受智慧家居帶給生活的便捷。

【設計意圖】利用田螺姑娘民間故事中人們美好的愿景與現代智慧家居功能的相似性巧妙引入教學內容，讓學生明白科技創新可以把古人的心愿變成現實。

教師帶領學生探究智慧掃地機器人的工作原理。學生首先利用硬件拼裝智慧掃地機器人模型，初步了解智慧掃地機器人是由移動系統、感知系統、控制系統和吸塵系統組成的。

在教師的引導下，學生仔細觀察智慧掃地機器人的運行過程，探究超聲波傳感器是怎么感知的，并用自然語言描述出來：掃地機器人不斷地執行、不斷地偵測，如果偵測到障礙物小于某個數值（閾值）就轉彎，否則直行。學生根據自然語言利用圖形化編程軟件編寫程序（如圖2）。

教師帶領學生分析程序：超聲波傳感器將讀取的值輸入控制器，利用分支結構進行判斷計算，從而決定機器人是直行還是轉彎。loop表示這一系列的行為是不斷重復執行的。

從中，學生總結抽象出掃地機器人是通過“輸入—計算—輸出”三個典型環節實現閉環運行（這正是過程與控制系統的三個典型環節）的，從而理解了掃地機器人運行原理。

【設計意圖】教師將大系統分解為幾個子系統，從智慧掃地機器人子系統入手，讓學生探究原理，抽象建模，從而理解“輸入—計算—輸出”三個典型環節就是機器人的工作原理。

（二）融合擴展，應用原理

學生感知明晰原理之后，教師出示古詩《惠崇春江晚景》，讓學生品讀詩句“竹外桃花三兩枝，春江水暖鴨先知。蔞蒿滿地蘆芽短，正是河豚欲上時”，尋找其中隱藏的原理，進而認識到自然界中到處存在著“輸入—計算—輸出”系統。

教師（總結）：世間萬物雖然沒有時鐘報曉，卻能感知大自然的信號，感知春江水暖的來臨，河豚躍躍欲試迎接生命的復蘇，桃花你一朵、我一朵從枝頭綻開了笑顏，這就是大自然的過程與控制系統。人們不斷地向大自然學習，從而運用過程與控制的原理，研制出了服務于我們生活的各種智慧產品，像智慧掃地機器人。利用這個原理，聰明的你們還能創造出什么樣的智慧產品呢？請同學們帶著這個問題，走進信息科技實驗室。

【設計意圖】從自然界中的案例來理解過程與控制系統，并與古詩融合，讓信息科技課堂不只是冷冰冰的技術講解，也充滿著詩情畫意，并能引導學生用計算機科學的視角去分析看待現實世界。

（三）分工合作，驗證原理

信息科技的實驗是連接技術與素養的重要橋梁。在實驗環節，教師利用多種方式提升學生運用過程與控制系統原理的能力。學生小組合作分工，填寫在線共享腦圖，并完成編程驗證和硬件搭建。多樣化的實驗方式，更多地關注學生的原理認知、計算思維和實驗能力。

環節一：實驗模型我操作

教師準備簡易的實驗模型，如智能火焰報警器、智能聲控燈等，讓學生思考用什么傳感器控制，運行原理是什么。

環節二：智慧家居我設計

教師繼續創設真實的問題情境，檢驗學生對原理的掌握。他拋出問題：“老師家新買了一套房子，你能把它變成智慧之家嗎？”學生利用剛才學到的原理繼續探究。

考慮到智慧家居是一個大系統，為保證各小組都能有所學、有所獲，同時調動學生參與的積極性，教師提前用希沃白板做好砸金蛋游戲。各小組領取探究任務，如智慧照明系統、智慧煙霧報警系統、智慧窗簾系統、智慧空調系統，開始分工合作，填寫在線共享腦圖，并上網搜索信息，開始編程驗證（如圖3）。

環節三：整體系統我認識

智慧家居系統是由更多子系統組成的閉環系統，并不只有傳感器控制，還有語音控制、遠程控制等技術手段。教師引導學生進行擴展原理學習，讓學生對智慧家居產生更清晰的認識。

【設計意圖】課標要求“學生能采用計算機或各類數字化設備編寫程序，實現過程與控制及其中反饋和優化的環節，并通過實驗對上述環節加以驗證”。本環節中，教師利用探究家居模型的原理、砸金蛋抽取智慧子系統等多種方式，提升學生運用過程與控制系統原理的能力。

環節四：不同場景我會用

教師繼續拋出問題：“老師的媽媽年齡大了，搬去新家后不熟悉路，竟然忘記了回家的路，在民警的幫助下才回到家，家人非常擔心。大家能利用今天學到的原理幫老師出個好點子嗎？”

學生想到多種金點子：智能手環、智能拐杖，可以與北斗相連，可以設定一個活動范圍，超出此范圍就發出警報。

【設計意圖】學生把本節課學到的思維方法遷移到新問題的解決中，培養學生遷移應用的學習方法和思維方式，實現計算思維的提升。

（四）通關認證，遷移原理

教師設計了智慧工程師認證環節，并利用答題平臺發布。學生選擇正確答案并提交。具體題目如下。

1.如圖4所示，如果室內當前PM2.5的濃度為36 μg/m，則新風系統的狀態是（????）。

A.開 B.關

2.小明暑假外出旅行10天，但是他心愛的花沒人澆水，大家根據所學知識及土壤濕度表，設計了一個智慧澆花系統。如果能自動澆水，圖5中的哪個計算模塊是正確的？

【設計意圖】課堂評價起著重要的作用，是課程目標的重要檢測指標，也是促進學習優化的推動力。

（五）博古通今，項目總結

項目結尾，教師表揚大家把民間故事中的田螺姑娘變成了現代版的智慧家居，并進行了擴展延伸。

教師：我國科學家把古人的很多心愿，如“孫悟空的一個筋斗云十萬八千里”“嫦娥偷食靈藥得以飛升月宮”通過科技創新都已實現。C919國產大飛機讓我們日行十萬八千里不再是夢；天宮空間站的建成讓我們上九天攬月不再是空談。

【設計意圖】科技創新的國際競爭越來越激烈，學生要樹立自主創新意識，培育社會主義核心價值觀。首尾呼應，在古今對比中升華情感，充分認識科技創新解鎖“中國速度”“中國高度”“中國溫度”，對國家發展和人民生活帶來的巨大改變，增強民族自信心和自豪感。

四、跨學科項目反思

項目設計的每個環節均應遵循課標理念，只有找到理論支撐，課程的設計才會有根有據、有血有肉。

（一）原理教學深挖學科育人價值

信息科技學科的原理比較抽象，需要利用深入淺出的方式引導學生由活動體驗引發深入思考。在感知原理環節中，教師利用智慧掃地機器人這個生活中最常見的模型讓學生直觀體驗其工作模式，并據此進行編程驗證，通過建模，總結歸納原理。而應用原理、驗證原理、遷移原理環節，就是對原理教學的深入研究。教師引導學生通過層層解剖、逐級深入，透過機器人運行的表面現象，發現過程與控制系統的本質內核，思考技術背后的原理，從而逐步形成探索求知的意識，養成數字時代正確的價值觀。

（二）數字化技術提升課堂效率

在跨學科項目實施過程中，多樣化的數字技術的使用讓課堂呈現更便捷和靈動。上網搜索信息、填寫在線腦圖、編程驗證、語音錄入，多樣化的技術手段應用讓課堂效率顯著提升，學生以小組的形式分析探究項目，通過在線方式分派任務、交流討論、發表觀點、分享成果，在解決問題過程中體驗協作帶來的效率提升。第一，網絡學習環境便于學生在開放的資源中獲取信息與知識，隨時解答遇到的難題，數字助手讓學習更加便捷與豐富；第二，在線腦圖的填寫，充分展現課標對在線學習、分工協作的要求，讓學生的探究成果得以及時呈現，智慧的火花可以隨時碰撞；第三，在線答題平臺能實時呈現答題結果，讓學生隨時掌握學習成效，讓評價結果一目了然；第四，語音錄入技術讓學生節省手動輸入漢字的時間，初步體驗了人工智能技術在生活中的應用；第五，希沃白板中的倒計時器、砸金蛋游戲，讓課堂充滿趣味，學生更愿意參與其中。

（三）項目學習關注生活情境和生活應用

生活情境引導學生從生活走向學科，生活應用引導學生從學科走向生活。生活情境是一種真實的問題情境，能激發學生求知欲，而生活應用能幫助學生在遷移中理解大概念，避免所學知識成為惰性知識，并活化知識，讓學生感知到知識價值。智慧家居就在我們的身邊，如何在真實的生活情境中提煉出過程與控制的原理呢？這就需要教師從生活走進學科，通過智慧掃地機器人的模型編程進行單點突破，引導學生從中總結歸納出“輸入—計算—輸出”的運行過程原理。而設計智慧家居系統問題，還要從學科走向生活。智慧照明系統、智慧煙霧報警系統、智慧窗簾系統、智慧空調系統都用到了智慧掃地機器人的原理，需要學生進行遷移和活化。

課標頒布已一年有余，但與之配套的教材并未發布，如何落實課標，廣大一線教師都在進行著積極探索與實踐。筆者利用“智慧家居的構建和實現”項目做了原理教學的初步探究，希望能給課標落地提供來自一線的實踐支撐。

注：本文中的案例獲山東省基礎教育優質課省級評選“一等獎”。

參考文獻

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[6] 段勇，武小芬.格致貓成長日記——趣味Scratch算法入門[M].北京：清華大學出版社，2022.

（作者段勇系山東省淄博高新技術產業開發區教研室教研員；王震系山東省淄博高新技術產業開發區第一小學教師）

責任編輯：牟艷娜