摘要：本文以信息科技第三學(xué)段“過(guò)程與控制”模塊中的《認(rèn)識(shí)反饋》一課為例，探究了在教學(xué)信息科技科學(xué)原理過(guò)程中，通過(guò)問題驅(qū)動(dòng)，讓學(xué)生經(jīng)歷技術(shù)“重新”發(fā)明的過(guò)程，從而逐步建構(gòu)知識(shí)、理解原理，并將原理應(yīng)用遷移到實(shí)際生活中，提升問題解決能力和學(xué)科思維水平。

關(guān)鍵詞：科學(xué)原理；核心素養(yǎng)；問題驅(qū)動(dòng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2024）16-0053-04

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）指出要從信息科技實(shí)踐應(yīng)用出發(fā)，注重幫助學(xué)生理解基本概念和基本原理，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)信息科技對(duì)人類社會(huì)的貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)，提升學(xué)生知識(shí)遷移能力和學(xué)科思維水平，體現(xiàn)“科”與“技”并重。[1]與原來(lái)的信息技術(shù)課程相比，現(xiàn)在的信息科技課程中科學(xué)原理的內(nèi)容增多，但原理的內(nèi)容較為抽象，因此，如何設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)，讓小學(xué)生愿意學(xué)習(xí)科學(xué)原理，真正理解原理并能用原理指導(dǎo)實(shí)踐，是小學(xué)信息科技教師面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

《認(rèn)識(shí)反饋》一課選自信息科技第三學(xué)段“過(guò)程與控制”模塊，針對(duì)該模塊的新課標(biāo)目標(biāo)與要求是：通過(guò)分析案例，了解反饋是過(guò)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(guò)分析典型應(yīng)用場(chǎng)景，初步了解反饋對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化的作用，了解計(jì)算機(jī)可用于實(shí)現(xiàn)過(guò)程與控制。本課內(nèi)容重在基本概念和原理的學(xué)習(xí)，旨在為后續(xù)的工程實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。對(duì)于六年級(jí)的小學(xué)生來(lái)說(shuō)，本課知識(shí)點(diǎn)較難，為了讓小學(xué)生樂學(xué)、學(xué)會(huì)、會(huì)用，筆者在設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)時(shí)采用了如下策略。

設(shè)計(jì)真實(shí)的問題情境，有效驅(qū)動(dòng)學(xué)生的思維

新課標(biāo)倡導(dǎo)以真實(shí)問題或項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷原理運(yùn)用過(guò)程、計(jì)算思維過(guò)程和數(shù)字化工具應(yīng)用過(guò)程，建構(gòu)知識(shí)，鼓勵(lì)“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”。[1]所謂“真實(shí)問題”，是指與學(xué)生的真實(shí)生活息息相關(guān)的、學(xué)生在平時(shí)生活中會(huì)遇到并需要用信息科技來(lái)解決的問題。將學(xué)科知識(shí)放到“問題解決”中，可以驅(qū)動(dòng)學(xué)生思考和實(shí)踐，最終培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

本課以“因沒人在家無(wú)法給植物澆水”這一真實(shí)問題作為貫穿引領(lǐng)整個(gè)教學(xué)的關(guān)鍵問題，帶領(lǐng)學(xué)生開展問題導(dǎo)向的學(xué)習(xí)，關(guān)注學(xué)生經(jīng)歷問題解決的全過(guò)程。

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

學(xué)生活動(dòng)1：體驗(yàn)用普通澆水器澆水，并分析這樣的澆水器可以實(shí)現(xiàn)什么功能。

師：我們?cè)谌粘ｐB(yǎng)護(hù)植物時(shí)，需要根據(jù)土壤的濕度情況來(lái)判斷是否需要澆水。那么，我們需要一個(gè)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(jù)土壤濕度自動(dòng)澆水？）

（出示智能澆水器視頻）為什么這個(gè)澆水器就能實(shí)現(xiàn)根據(jù)土壤的濕度自動(dòng)澆水呢？帶著這個(gè)問題，今天我們一起來(lái)探秘智能的澆水器。

通過(guò)生活中的真實(shí)問題導(dǎo)入，學(xué)生體驗(yàn)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(wú)反饋系統(tǒng)，智能澆水器有反饋系統(tǒng)，為接下來(lái)兩種系統(tǒng)對(duì)比、突破教學(xué)難點(diǎn)埋下伏筆。

經(jīng)歷技術(shù)的“發(fā)明”過(guò)程，探究科技蘊(yùn)含的原理

新課標(biāo)提倡“要用信息科技解決學(xué)習(xí)、生活中的問題，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)自主、合作、探究的學(xué)習(xí)情境”。[1]建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的核心為：以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)知識(shí)的主動(dòng)探索、主動(dòng)發(fā)現(xiàn)和對(duì)所學(xué)知識(shí)意義的主動(dòng)建構(gòu)。筆者沒有直接讓學(xué)生實(shí)驗(yàn)智能澆水器，而是讓學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、分解并解決問題的過(guò)程中，通過(guò)游戲體驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、實(shí)物對(duì)比、圖示歸納等過(guò)程逐步建構(gòu)新知，初步知道什么是反饋、反饋的工作過(guò)程及反饋在系統(tǒng)中的作用。這一過(guò)程讓學(xué)生體會(huì)技術(shù)重新“發(fā)明”的過(guò)程，即經(jīng)歷為什么發(fā)明—如何發(fā)明—用什么原理實(shí)現(xiàn)發(fā)明的過(guò)程。

1.分析問題，了解普通澆水器的工作流程

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

2.分解問題，了解土壤濕度傳感器

師：要想實(shí)現(xiàn)根據(jù)土壤濕度來(lái)自動(dòng)澆水，我們?cè)跐菜笆紫纫鉀Q什么問題呢？

生：首先要知道土壤的實(shí)際濕度。

師：土壤濕度傳感器可以幫助我們解決這個(gè)測(cè)量問題（簡(jiǎn)單介紹）。

學(xué)生活動(dòng)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?cè)O(shè)定土壤濕度的值為500。

教師引導(dǎo)學(xué)生分析問題，將核心問題分解為兩個(gè)子問題：如何知道土壤的實(shí)際濕度？如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水？土壤濕度傳感器不是本課重點(diǎn)，所以只作簡(jiǎn)單介紹，讓學(xué)生了解“實(shí)際濕度”及“設(shè)定濕度”。

3.游戲體驗(yàn)，初步了解“反饋”

師：現(xiàn)在我們已經(jīng)知道了實(shí)際濕度和設(shè)定濕度，那么我們來(lái)玩?zhèn)€游戲挑戰(zhàn)一下，看看大家能否把花園里的鮮花都澆開了！（簡(jiǎn)單介紹游戲“種植小達(dá)人”）

學(xué)生活動(dòng)3：游戲體驗(yàn)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(guò)程，教師小結(jié)并完善智能澆水器工作過(guò)程圖示，如圖2所示）

師：首先需要確定一個(gè)適合的設(shè)定濕度，這是在養(yǎng)護(hù)要求確定后，輸入到設(shè)備里的。然后比較實(shí)際濕度與設(shè)定濕度，如果實(shí)際濕度小于設(shè)定濕度，就控制水泵對(duì)土壤澆水。與普通澆水器相比，智能澆水器的工作過(guò)程“聰明”在哪里？（學(xué)生討論并說(shuō)說(shuō)自己的發(fā)現(xiàn)）像智能澆水器這樣，將實(shí)際濕度通過(guò)土壤濕度傳感器返回到輸入端，與設(shè)定濕度進(jìn)行比較的過(guò)程，用信息科技的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，就是反饋。如果實(shí)際濕度小于設(shè)定濕度，水泵就澆水，否則就停止。

學(xué)生要了解反饋對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化的作用，就必須先知道什么是反饋，而反饋是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，這個(gè)概念比較抽象，小學(xué)生不容易理解。教師先讓學(xué)生在“種植小達(dá)人”游戲中體驗(yàn)不斷比較后手動(dòng)控制土壤濕度的過(guò)程，直觀地感知到反饋，然后分析系統(tǒng)環(huán)節(jié)之間的運(yùn)作關(guān)聯(lián)，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)知識(shí)，初步知道什么是反饋及反饋的工作過(guò)程。

構(gòu)建真實(shí)的實(shí)驗(yàn)載體，促進(jìn)知識(shí)的深度理解

新課標(biāo)提出“要注重把握數(shù)字化學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，合理利用數(shù)學(xué)化平臺(tái)、工具和資源，運(yùn)用線上實(shí)驗(yàn)、模擬、仿真等方式，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)?！盵1]《中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本目錄（2023年版）》也要求用實(shí)驗(yàn)的方式分析生活場(chǎng)景中的過(guò)程與控制系統(tǒng)，探索反饋對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化的作用。在以科學(xué)原理為主要內(nèi)容的課程學(xué)習(xí)中，依然要堅(jiān)持學(xué)科的實(shí)踐性屬性，體現(xiàn)“科”與“技”并重。

因此，學(xué)生實(shí)驗(yàn)的智能設(shè)備控制系統(tǒng)應(yīng)是一個(gè)有反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，另外，學(xué)生能在實(shí)驗(yàn)中直接觀察到輸入量和輸出量的數(shù)值變化，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)值得到實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)的載體，另外制作了一個(gè)無(wú)反饋的普通澆水器作比較。普通澆水器采用演示實(shí)驗(yàn)的方式，智能澆水器采用分組合作實(shí)驗(yàn)的方式。筆者在搭建智能澆水器時(shí)采用了蠕動(dòng)水泵，這樣能讓學(xué)生更清晰地觀察到輸出量，即土壤實(shí)際濕度的數(shù)值變化。

1.合作實(shí)驗(yàn)，深度理解反饋環(huán)節(jié)

學(xué)生活動(dòng)4：實(shí)驗(yàn)探究智能澆水器，如圖3、圖4所示。

教師出示實(shí)驗(yàn)要求，學(xué)生各小組按課前分工開展實(shí)驗(yàn)探究。小組根據(jù)學(xué)習(xí)單討論、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)論及小組的發(fā)現(xiàn)。

想一想：如果土壤實(shí)際濕度已經(jīng)達(dá)到設(shè)定濕度，過(guò)了一段時(shí)間后，實(shí)際濕度又小于設(shè)定濕度了，水泵會(huì)怎樣呢？

2.回顧對(duì)比，了解反饋?zhàn)饔铆h(huán)節(jié)

師：對(duì)比普通澆水器和智能澆水器的功能和系統(tǒng)圖示，說(shuō)一說(shuō)主要的區(qū)別是什么？想一想，如果沒有反饋會(huì)怎樣？

結(jié)論：反饋能讓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，能夠讓系統(tǒng)更優(yōu)化。

本環(huán)節(jié)借助開源硬件和Mind+平臺(tái)搭建的智能澆水器，讓學(xué)生在實(shí)踐操作和實(shí)驗(yàn)后分析數(shù)據(jù)、交流分享。以往的實(shí)物系統(tǒng)的反饋是暗箱式的運(yùn)作，學(xué)生不能直接觀察到。而作為實(shí)驗(yàn)器材的智能澆水器可以讓學(xué)生直觀地看到數(shù)值的變化，體驗(yàn)比較的過(guò)程，促進(jìn)學(xué)生理解系統(tǒng)的反饋，突破教學(xué)難點(diǎn)。通過(guò)兩種澆水器功能和系統(tǒng)圖示的對(duì)比，讓學(xué)生直觀感受到了反饋對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化作用，掌握了本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)。

鏈接數(shù)字與現(xiàn)實(shí)世界，提升應(yīng)用遷移的能力

瑞士?jī)和睦韺W(xué)家讓·皮亞杰認(rèn)為：“對(duì)概念或理論的真正理解意味著學(xué)生對(duì)它的再造，自然而然地應(yīng)用知識(shí)才是檢驗(yàn)真正理解的根本標(biāo)準(zhǔn)。”[2]新課標(biāo)指出：“要注重與學(xué)生數(shù)字生活經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)實(shí)社會(huì)信息科技應(yīng)用場(chǎng)景的關(guān)聯(lián)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)信息科技的價(jià)值和作用。”[1]

因此，本課將原理應(yīng)用遷移到學(xué)生的生活中，讓學(xué)生嘗試用所掌握的原理解釋相關(guān)的現(xiàn)象或解決相關(guān)的問題，教師提供學(xué)習(xí)單作為思維的支架，促進(jìn)學(xué)生對(duì)反饋的理解，激發(fā)學(xué)生應(yīng)用反饋優(yōu)化設(shè)備系統(tǒng)的創(chuàng)新思維，體現(xiàn)“將技術(shù)應(yīng)用于生活”的理念。

師：從空調(diào)和掃地機(jī)器人兩個(gè)案例中選擇其中一個(gè)，根據(jù)學(xué)習(xí)單上的問題要求進(jìn)行作答。（遷移）

學(xué)生活動(dòng)5：根據(jù)學(xué)習(xí)單的提示，填一填設(shè)備反饋的工作過(guò)程，畫一畫反饋的環(huán)節(jié)，想一想反饋的作用。

師：生活中的反饋無(wú)處不在。同學(xué)們想一想生活中還有哪些場(chǎng)景或設(shè)備運(yùn)行中有反饋呢。（拓展）

如何運(yùn)用今天所學(xué)的本領(lǐng)把洗衣機(jī)設(shè)計(jì)得更智能呢？（思考并設(shè)計(jì)）

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

計(jì)算機(jī)參與的控制系統(tǒng)是信息科技的主要研究?jī)?nèi)容，課堂游戲讓學(xué)生對(duì)反饋有更廣的認(rèn)識(shí)。本環(huán)節(jié)讓學(xué)生感悟到科技對(duì)社會(huì)的巨大幫助和深遠(yuǎn)影響，喚起學(xué)生樹立用技術(shù)服務(wù)生活的意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感，整個(gè)教學(xué)流程如圖5所示。

減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，精準(zhǔn)把握住學(xué)習(xí)目標(biāo)

在筆者初始設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)活動(dòng)中，學(xué)生不僅要學(xué)習(xí)智能澆水器的系統(tǒng)方框圖，還要完善智能澆水器的流程圖和程序。因?yàn)榱昙?jí)學(xué)生沒有過(guò)程與控制和流程圖的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，這樣的活動(dòng)設(shè)計(jì)需要用“新概念”去解釋另一個(gè)“新概念”，不僅學(xué)習(xí)目標(biāo)不夠明確，而且增加了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷。

所以，筆者在再次設(shè)計(jì)時(shí)將教學(xué)目標(biāo)調(diào)整為：借助開源硬件和Mind+搭建的“智能澆水器”，通過(guò)實(shí)驗(yàn)、分析，體驗(yàn)“種植小達(dá)人”游戲控制土壤濕度的過(guò)程，知道什么是反饋和反饋的工作過(guò)程；通過(guò)對(duì)比普通澆水器和智能澆水器的控制過(guò)程和控制結(jié)果，初步了解反饋對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化的作用；增強(qiáng)通過(guò)信息化手段解決問題的意識(shí)，樹立用技術(shù)服務(wù)生活的意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感。教學(xué)重點(diǎn)是初步了解反饋對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化的作用；教學(xué)難點(diǎn)是了解什么是反饋和反饋的工作過(guò)程。

筆者在教學(xué)時(shí)將系統(tǒng)方框圖進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并盡量用學(xué)生能理解的通俗易懂的語(yǔ)言解釋，避免出現(xiàn)更多的“新概念”。學(xué)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(xué)能更好地突出重點(diǎn)、突破難點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022．

[2]格蘭特·威金斯，杰伊·麥克泰格.追求理解的教學(xué)設(shè)計(jì)[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2017.