面向核心素養的小學信息科技科學原理教學初探

摘要：本文以信息科技第三學段“過程與控制”模塊中的《認識反饋》一課為例，探究了在教學信息科技科學原理過程中，通過問題驅動，讓學生經歷技術“重新”發明的過程，從而逐步建構知識、理解原理，并將原理應用遷移到實際生活中，提升問題解決能力和學科思維水平。

關鍵詞：科學原理；核心素養；問題驅動；實驗教學

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）16-0053-04

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）指出要從信息科技實踐應用出發，注重幫助學生理解基本概念和基本原理，引導學生認識信息科技對人類社會的貢獻與挑戰，提升學生知識遷移能力和學科思維水平，體現“科”與“技”并重。[1]與原來的信息技術課程相比，現在的信息科技課程中科學原理的內容增多，但原理的內容較為抽象，因此，如何設計學習活動，讓小學生愿意學習科學原理，真正理解原理并能用原理指導實踐，是小學信息科技教師面臨的一個巨大挑戰。

《認識反饋》一課選自信息科技第三學段“過程與控制”模塊，針對該模塊的新課標目標與要求是：通過分析案例，了解反饋是過程與控制中的重要手段，了解其普遍存在于日常生活中；通過分析典型應用場景，初步了解反饋對系統優化的作用，了解計算機可用于實現過程與控制。本課內容重在基本概念和原理的學習，旨在為后續的工程實現奠定基礎。對于六年級的小學生來說，本課知識點較難，為了讓小學生樂學、學會、會用，筆者在設計學習活動時采用了如下策略。

設計真實的問題情境，有效驅動學生的思維

新課標倡導以真實問題或項目驅動，引導學生經歷原理運用過程、計算思維過程和數字化工具應用過程，建構知識，鼓勵“做中學”“用中學”“創中學”。[1]所謂“真實問題”，是指與學生的真實生活息息相關的、學生在平時生活中會遇到并需要用信息科技來解決的問題。將學科知識放到“問題解決”中，可以驅動學生思考和實踐，最終培養學生的核心素養。

本課以“因沒人在家無法給植物澆水”這一真實問題作為貫穿引領整個教學的關鍵問題，帶領學生開展問題導向的學習，關注學生經歷問題解決的全過程。

師：每當假期我們出門旅游時，家里養的綠植就因無人澆水枯萎了。（教師出示普通澆水器）

學生活動1：體驗用普通澆水器澆水，并分析這樣的澆水器可以實現什么功能。

師：我們在日常養護植物時，需要根據土壤的濕度情況來判斷是否需要澆水。那么，我們需要一個怎樣功能的澆水器才能解決剛才的問題呢？（得出核心問題：如何根據土壤濕度自動澆水？）

（出示智能澆水器視頻）為什么這個澆水器就能實現根據土壤的濕度自動澆水呢？帶著這個問題，今天我們一起來探秘智能的澆水器。

通過生活中的真實問題導入，學生體驗兩種不同的澆水器，分析本課要解決的核心問題。普通澆水器無反饋系統，智能澆水器有反饋系統，為接下來兩種系統對比、突破教學難點埋下伏筆。

經歷技術的“發明”過程，探究科技蘊含的原理

新課標提倡“要用信息科技解決學習、生活中的問題，為學生創設自主、合作、探究的學習情境”。[1]建構主義學習理論的核心為：以學生為中心，強調學生對知識的主動探索、主動發現和對所學知識意義的主動建構。筆者沒有直接讓學生實驗智能澆水器，而是讓學生在發現問題、分析問題、分解并解決問題的過程中，通過游戲體驗、實驗驗證、實物對比、圖示歸納等過程逐步建構新知，初步知道什么是反饋、反饋的工作過程及反饋在系統中的作用。這一過程讓學生體會技術重新“發明”的過程，即經歷為什么發明—如何發明—用什么原理實現發明的過程。

1.分析問題，了解普通澆水器的工作流程

學生分析普通澆水器的工作流程，教師小結并出示普通澆水器工作過程圖示（如圖1）。

2.分解問題，了解土壤濕度傳感器

師：要想實現根據土壤濕度來自動澆水，我們在澆水前首先要解決什么問題呢？

生：首先要知道土壤的實際濕度。

師：土壤濕度傳感器可以幫助我們解決這個測量問題（簡單介紹）。

學生活動2：了解土壤濕度傳感器。

師：每種植物都有自己喜歡的土壤濕度，如秋牡丹，它最喜歡的土壤濕度是500左右，所以在程序里我們設定土壤濕度的值為500。

教師引導學生分析問題，將核心問題分解為兩個子問題：如何知道土壤的實際濕度？如何實現自動澆水？土壤濕度傳感器不是本課重點，所以只作簡單介紹，讓學生了解“實際濕度”及“設定濕度”。

3.游戲體驗，初步了解“反饋”

師：現在我們已經知道了實際濕度和設定濕度，那么我們來玩個游戲挑戰一下，看看大家能否把花園里的鮮花都澆開了！（簡單介紹游戲“種植小達人”）

學生活動3：游戲體驗智能澆水器。思考：游戲里是如何判斷是否需要給植物澆水的？

（師生梳理游戲過程，教師小結并完善智能澆水器工作過程圖示，如圖2所示）

師：首先需要確定一個適合的設定濕度，這是在養護要求確定后，輸入到設備里的。然后比較實際濕度與設定濕度，如果實際濕度小于設定濕度，就控制水泵對土壤澆水。與普通澆水器相比，智能澆水器的工作過程“聰明”在哪里？（學生討論并說說自己的發現）像智能澆水器這樣，將實際濕度通過土壤濕度傳感器返回到輸入端，與設定濕度進行比較的過程，用信息科技的語言來說，就是反饋。如果實際濕度小于設定濕度，水泵就澆水，否則就停止。

學生要了解反饋對系統優化的作用，就必須先知道什么是反饋，而反饋是一個動態的過程，這個概念比較抽象，小學生不容易理解。教師先讓學生在“種植小達人”游戲中體驗不斷比較后手動控制土壤濕度的過程，直觀地感知到反饋，然后分析系統環節之間的運作關聯，引導學生建構知識，初步知道什么是反饋及反饋的工作過程。

構建真實的實驗載體，促進知識的深度理解

新課標提出“要注重把握數字化學習的特點，合理利用數學化平臺、工具和資源，運用線上實驗、模擬、仿真等方式，引導學生自主學習、合作學習?！盵1]《中小學實驗教學基本目錄（2023年版）》也要求用實驗的方式分析生活場景中的過程與控制系統，探索反饋對系統優化的作用。在以科學原理為主要內容的課程學習中，依然要堅持學科的實踐性屬性，體現“科”與“技”并重。

因此，學生實驗的智能設備控制系統應是一個有反饋的閉環控制系統，另外，學生能在實驗中直接觀察到輸入量和輸出量的數值變化，通過分析實驗數值得到實驗結論，從而深入理解反饋的原理。

所以，筆者選擇智能澆水器作為實驗的載體，另外制作了一個無反饋的普通澆水器作比較。普通澆水器采用演示實驗的方式，智能澆水器采用分組合作實驗的方式。筆者在搭建智能澆水器時采用了蠕動水泵，這樣能讓學生更清晰地觀察到輸出量，即土壤實際濕度的數值變化。

1.合作實驗，深度理解反饋環節

學生活動4：實驗探究智能澆水器，如圖3、圖4所示。

教師出示實驗要求，學生各小組按課前分工開展實驗探究。小組根據學習單討論、分析實驗數據，匯報實驗結論及小組的發現。

想一想：如果土壤實際濕度已經達到設定濕度，過了一段時間后，實際濕度又小于設定濕度了，水泵會怎樣呢？

2.回顧對比，了解反饋作用環節

師：對比普通澆水器和智能澆水器的功能和系統圖示，說一說主要的區別是什么？想一想，如果沒有反饋會怎樣？

結論：反饋能讓系統實現精準控制，能夠讓系統更優化。

本環節借助開源硬件和Mind+平臺搭建的智能澆水器，讓學生在實踐操作和實驗后分析數據、交流分享。以往的實物系統的反饋是暗箱式的運作，學生不能直接觀察到。而作為實驗器材的智能澆水器可以讓學生直觀地看到數值的變化，體驗比較的過程，促進學生理解系統的反饋，突破教學難點。通過兩種澆水器功能和系統圖示的對比，讓學生直觀感受到了反饋對系統的優化作用，掌握了本節課的教學重點。

鏈接數字與現實世界，提升應用遷移的能力

瑞士兒童心理學家讓·皮亞杰認為：“對概念或理論的真正理解意味著學生對它的再造，自然而然地應用知識才是檢驗真正理解的根本標準。”[2]新課標指出：“要注重與學生數字生活經驗、現實社會信息科技應用場景的關聯，引導學生認識信息科技的價值和作用?！盵1]

因此，本課將原理應用遷移到學生的生活中，讓學生嘗試用所掌握的原理解釋相關的現象或解決相關的問題，教師提供學習單作為思維的支架，促進學生對反饋的理解，激發學生應用反饋優化設備系統的創新思維，體現“將技術應用于生活”的理念。

師：從空調和掃地機器人兩個案例中選擇其中一個，根據學習單上的問題要求進行作答。（遷移）

學生活動5：根據學習單的提示，填一填設備反饋的工作過程，畫一畫反饋的環節，想一想反饋的作用。

師：生活中的反饋無處不在。同學們想一想生活中還有哪些場景或設備運行中有反饋呢。（拓展）

如何運用今天所學的本領把洗衣機設計得更智能呢？（思考并設計）

課前，學生玩貼鼻子游戲，一組學生蒙著眼睛把鼻子貼到正確位置，另一組學生蒙著眼睛在貼鼻子時，有一名學生在旁邊提醒。學生思考：為什么第二組同學比第一組同學游戲玩得更好呢？（呼應課前）

計算機參與的控制系統是信息科技的主要研究內容，課堂游戲讓學生對反饋有更廣的認識。本環節讓學生感悟到科技對社會的巨大幫助和深遠影響，喚起學生樹立用技術服務生活的意識和社會責任感，整個教學流程如圖5所示。

減輕學生的認知負荷，精準把握住學習目標

在筆者初始設計的學習活動中，學生不僅要學習智能澆水器的系統方框圖，還要完善智能澆水器的流程圖和程序。因為六年級學生沒有過程與控制和流程圖的學習基礎，這樣的活動設計需要用“新概念”去解釋另一個“新概念”，不僅學習目標不夠明確，而且增加了學生的認知負荷。

所以，筆者在再次設計時將教學目標調整為：借助開源硬件和Mind+搭建的“智能澆水器”，通過實驗、分析，體驗“種植小達人”游戲控制土壤濕度的過程，知道什么是反饋和反饋的工作過程；通過對比普通澆水器和智能澆水器的控制過程和控制結果，初步了解反饋對系統優化的作用；增強通過信息化手段解決問題的意識，樹立用技術服務生活的意識和社會責任感。教學重點是初步了解反饋對系統優化的作用；教學難點是了解什么是反饋和反饋的工作過程。

筆者在教學時將系統方框圖進行了簡化，并盡量用學生能理解的通俗易懂的語言解釋，避免出現更多的“新概念”。學生在課堂上也不需要完善智能澆水器的流程圖和程序，從而使教學能更好地突出重點、突破難點，培養學生的數字素養。

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]格蘭特·威金斯，杰伊·麥克泰格.追求理解的教學設計[M].上海：華東師范大學出版社，2017.