代成杰

2022年4月，《義務(wù)教育階段信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“新課標(biāo)”）正式發(fā)布。隨著新課標(biāo)的發(fā)布，義務(wù)教育階段的信息科技教學(xué)內(nèi)容確立了數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡(luò)、信息處理、信息安全和人工智能六條邏輯主線(xiàn)，并包含了過(guò)程與控制模塊的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

一、過(guò)程與控制模塊的設(shè)立背景

新課標(biāo)提出：“信息科技是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要部分，主要研究以數(shù)字形式表達(dá)的信息及其應(yīng)用中的科學(xué)原理、思維方法、處理過(guò)程和工程實(shí)現(xiàn)。”過(guò)程與控制模塊能夠完整體現(xiàn)科學(xué)與技術(shù)的融合，完美呈現(xiàn)“科學(xué)原理、思維方法、處理過(guò)程和工程實(shí)現(xiàn)”的交融。新課標(biāo)提出，信息科技課程“遴選科學(xué)原理和實(shí)踐應(yīng)用并重的課程內(nèi)容”。過(guò)程與控制模塊的教學(xué)內(nèi)容中，過(guò)程設(shè)計(jì)、反饋與優(yōu)化、開(kāi)環(huán)閉環(huán)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容體現(xiàn)了“科學(xué)原理”。器件連接、信息讀取、內(nèi)容顯示等內(nèi)容體現(xiàn)了“實(shí)踐應(yīng)用”。另外，過(guò)程與控制模塊的教學(xué)過(guò)程能夠促進(jìn)信息科技課程目標(biāo)的達(dá)成，助力學(xué)生運(yùn)用計(jì)算領(lǐng)域的思維方法去界定問(wèn)題、分析問(wèn)題、制定問(wèn)題解決方案，進(jìn)行原型設(shè)計(jì)、原理和技術(shù)驗(yàn)證。

二、過(guò)程與控制模塊的教學(xué)目標(biāo)

通過(guò)過(guò)程與控制模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)生活中常見(jiàn)的過(guò)程與控制系統(tǒng)，了解一個(gè)大的系統(tǒng)可以分解為若干個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)又可以進(jìn)一步劃分為若干個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的模塊；了解過(guò)程與控制系統(tǒng)的特征及實(shí)現(xiàn)方式，掌握“輸入—計(jì)算—輸出”的計(jì)算模式，其中的輸入對(duì)應(yīng)傳感器、鍵盤(pán)等檢測(cè)裝置或輸入裝置，計(jì)算對(duì)應(yīng)主控板或中央處理器等控制器裝置，輸出對(duì)應(yīng)電機(jī)、舵機(jī)、顯示器、蜂鳴器等顯示、發(fā)聲或電動(dòng)執(zhí)行等裝置；明確系統(tǒng)輸入與輸出可以是開(kāi)關(guān)量或連續(xù)量，連續(xù)量可以由閾值判斷形成開(kāi)關(guān)量，開(kāi)關(guān)量和模擬量可以進(jìn)行算術(shù)、邏輯和關(guān)系等運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果可以作為執(zhí)行依據(jù)或執(zhí)行參數(shù)。（這里的連續(xù)量是指溫度、濕度、壓力、電壓、電流等在時(shí)間上和數(shù)值上都在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的物理量。而開(kāi)關(guān)量是指燈的開(kāi)和關(guān)，即亮與滅，電路的開(kāi)和關(guān)，即導(dǎo)通和斷路，采用0和1進(jìn)行表達(dá)。）通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠理解從外界獲得輸入，經(jīng)過(guò)計(jì)算產(chǎn)生輸出，進(jìn)而作用于外界再影響輸入，從而形成反饋系統(tǒng)，了解反饋、環(huán)路、優(yōu)化等概念，明確反饋是過(guò)程與控制中的重要手段，理解反饋能夠?qū)ο到y(tǒng)起到不可估量的優(yōu)化作用；提高運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力，在對(duì)問(wèn)題的抽象、分解、建模和解決過(guò)程中發(fā)展計(jì)算思維，并能夠?qū)崿F(xiàn)和驗(yàn)證簡(jiǎn)單的過(guò)程與控制系統(tǒng)。

三、過(guò)程與控制模塊的實(shí)施準(zhǔn)備

（一）硬件裝備及軟件平臺(tái)準(zhǔn)備

過(guò)程與控制系統(tǒng)編程驗(yàn)證的最佳方式是使用開(kāi)源硬件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。硬件方面，建議教師盡可能使用現(xiàn)有硬件。若現(xiàn)有硬件不能夠滿(mǎn)足教學(xué)，可以進(jìn)行適度擴(kuò)充。如果經(jīng)費(fèi)有限，也可以考慮使用模擬平臺(tái)或其他方案?？捎玫能浖脚_(tái)有很多，各?？山Y(jié)合自身情況自主選擇。

（二）教師準(zhǔn)備

落實(shí)新課標(biāo)要求教師不斷更新學(xué)科知識(shí)，不斷提高自身各項(xiàng)能力。教師在進(jìn)行過(guò)程與控制模塊的教學(xué)時(shí)，應(yīng)努力做到如下幾點(diǎn)。

1.緊緊圍繞核心概念

過(guò)程與控制模塊的教學(xué)一定要圍繞過(guò)程與控制的核心概念展開(kāi)教學(xué)，如系統(tǒng)、過(guò)程、控制、干擾、反饋、優(yōu)化、開(kāi)環(huán)、閉環(huán)等核心概念。概念的介紹應(yīng)通過(guò)學(xué)生能夠理解的現(xiàn)實(shí)案例引入，讓學(xué)生通過(guò)經(jīng)驗(yàn)、體會(huì)、分析及理解，掌握概念的內(nèi)涵，而非記憶概念本身。

2.掌握核心計(jì)算模式

過(guò)程與控制模塊的教學(xué)一定要讓學(xué)生把握過(guò)程與控制模塊的核心計(jì)算模式。在過(guò)程與控制領(lǐng)域，若無(wú)反饋，則信息處理會(huì)形成一條直線(xiàn)形結(jié)構(gòu)，由輸入，經(jīng)計(jì)算，到輸出，對(duì)應(yīng)開(kāi)環(huán)控制。若有反饋，則信息處理形成一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，由輸入，經(jīng)計(jì)算，到輸出，再經(jīng)反饋形成新的輸入，對(duì)應(yīng)閉環(huán)控制。

3.遵循項(xiàng)目開(kāi)發(fā)核心流程

教師在教學(xué)中一定要遵循過(guò)程與控制項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的核心流程：（1）確定需要解決的具體問(wèn)題，設(shè)計(jì)項(xiàng)目框架結(jié)構(gòu)，制定項(xiàng)目行動(dòng)計(jì)劃。（2）設(shè)計(jì)算法，繪制流程圖。（3）技術(shù)驗(yàn)證，確定項(xiàng)目問(wèn)題可以實(shí)現(xiàn)。（4）進(jìn)行硬件結(jié)構(gòu)制作、組裝、搭建和連接。（5）編寫(xiě)模塊化程序。（6）調(diào)試運(yùn)行，測(cè)試項(xiàng)目的功能與穩(wěn)定性。（7）優(yōu)化項(xiàng)目結(jié)構(gòu)，增加附加功能，美化作品外觀(guān)。在項(xiàng)目式教學(xué)過(guò)程中，教師結(jié)合具體教學(xué)內(nèi)容可以適度增刪或濃縮某些環(huán)節(jié)。

4.注重創(chuàng)新能力培養(yǎng)

過(guò)程與控制模塊的教學(xué)一定要注重學(xué)生創(chuàng)新能力的提高，注重學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的激發(fā)、創(chuàng)新方法的學(xué)習(xí)、創(chuàng)新思維的運(yùn)用及創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。

四、過(guò)程與控制模塊實(shí)施案例——“超聲波傳感器”教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）教學(xué)目標(biāo)

信息意識(shí)：能夠借助網(wǎng)站查閱多種類(lèi)型超聲波傳感器的規(guī)格說(shuō)明；能夠以小組為單位協(xié)作探究不同超聲波傳感器的接口和類(lèi)型異同。

計(jì)算思維：能夠構(gòu)建任務(wù)模型，并借助循環(huán)結(jié)構(gòu)通過(guò)編寫(xiě)圖形化程序?qū)崿F(xiàn)無(wú)限次測(cè)量和顯示結(jié)果。

數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新：在數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境中，掌握超聲波測(cè)距原理，掌握超聲波傳感器應(yīng)用，分享展示完成的數(shù)字化作品。

信息社會(huì)責(zé)任：在探究學(xué)習(xí)過(guò)程中，積極與人合作；實(shí)驗(yàn)過(guò)程小心謹(jǐn)慎，養(yǎng)成愛(ài)護(hù)器材的好習(xí)慣。

（二）學(xué)情分析

本課教學(xué)對(duì)象為小學(xué)六年級(jí)的學(xué)生，他們通過(guò)之前的學(xué)習(xí)已經(jīng)掌握算法與程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，具備了圖形化編程的能力，但形象思維仍占主導(dǎo)地位、對(duì)陌生事物具有敏銳的觀(guān)察能力和研究熱情，喜歡動(dòng)手實(shí)踐。

（三）教學(xué)內(nèi)容及重難點(diǎn)

教學(xué)內(nèi)容為帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識(shí)多種類(lèi)型的超聲波傳感器，了解超聲波傳感器的應(yīng)用，掌握傳感器信號(hào)輸出和讀取方式。教學(xué)重難點(diǎn)為幫助學(xué)生掌握超聲波傳感器的信號(hào)輸出與讀取方式。這需要教師集中講授，使學(xué)生快速了解相關(guān)內(nèi)容，再通過(guò)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)達(dá)到深刻理解。

（四）教學(xué)過(guò)程

1.激趣導(dǎo)入

漆黑的夜晚，蝙蝠能夠利用返回超聲波的延遲，判斷物體與自己之間的距離和方位，繞開(kāi)障礙。由蝙蝠利用超聲波感知障礙物距離的原理，引出超聲波傳感器測(cè)距原理。

2.理論深入

教師組織學(xué)生自主學(xué)習(xí)超聲波傳感器測(cè)距原理：超聲波傳感器由一個(gè)發(fā)射探頭、一個(gè)接收探頭和控制電路組成。當(dāng)發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波遇到障礙物時(shí)會(huì)有一部分反射回來(lái)，并被接收探頭接收，以觸發(fā)信號(hào)和回響信號(hào)的時(shí)間差來(lái)計(jì)算與物體的距離，即距離=速度×?xí)r長(zhǎng)÷2。

3.難點(diǎn)突破

教師輔以超聲波傳感器的圖片或?qū)嵨锲骷兄v授。然后，組織學(xué)生分組進(jìn)行驗(yàn)證。

第一步，學(xué)習(xí)傳感器信號(hào)輸出方式：模擬輸出、數(shù)字輸出和協(xié)議輸出。

第二步，學(xué)習(xí)傳感器的讀取方式：專(zhuān)用模塊讀取和通用模塊讀取。

第三步，信號(hào)輸出與讀取間的聯(lián)系：協(xié)議輸出只能采用專(zhuān)用模塊讀取；模擬輸出和數(shù)字輸出若讀取模塊對(duì)應(yīng)代碼為analogRead（? ）或digitalRead（? ），則可換成通用模塊讀取。不可換用通用模塊讀取的情況為：該傳感器有專(zhuān)用信號(hào)處理芯片，需要專(zhuān)用庫(kù)以支持讀取。

4.項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)

教師組織學(xué)生規(guī)劃“數(shù)顯測(cè)距儀”項(xiàng)目，確定所用器件、平臺(tái)、結(jié)構(gòu)方案、外觀(guān)設(shè)計(jì)和小組分工；帶領(lǐng)學(xué)生運(yùn)用超聲波傳感器持續(xù)進(jìn)行距離檢測(cè)，控制器讀取到測(cè)量值后通過(guò)液晶顯示模塊顯示，循環(huán)往復(fù)進(jìn)行；讓學(xué)生進(jìn)行超聲波傳感器的讀取和液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)顯示驗(yàn)證；根據(jù)項(xiàng)目規(guī)劃進(jìn)行器件連接，構(gòu)建作品主體；自行按照程序流程圖，進(jìn)行模塊化編程，調(diào)試運(yùn)行并查看結(jié)果；結(jié)合實(shí)際情況，利用可獲得的材料，采用積木搭建、激光雕刻或紙盒封裝等形式為項(xiàng)目作品進(jìn)行結(jié)構(gòu)搭建和外觀(guān)美化。教師以項(xiàng)目方式開(kāi)展學(xué)習(xí)活動(dòng)，在作品制作與完善的過(guò)程中，促進(jìn)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題能力的提高，發(fā)展計(jì)算思維能力，培養(yǎng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)精神。之后，教師組織各組展示、匯報(bào)本組作品，由教師和其他小組對(duì)其評(píng)價(jià)。

5.總結(jié)拓展

教師總結(jié)課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容，梳理本節(jié)收獲，帶領(lǐng)學(xué)生反思自我學(xué)習(xí)情況，讓學(xué)生產(chǎn)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)需求，并且進(jìn)行拓展延伸，借助物聯(lián)網(wǎng)模塊可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳感器數(shù)據(jù)獲取。以下為本節(jié)課的板書(shū)設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1）。

學(xué)生對(duì)自然界充滿(mǎn)興趣，本課從蝙蝠能夠夜間飛行引出“超聲波測(cè)距”，既形象而生動(dòng)地展示原理，又有助于教師順理成章地展開(kāi)教學(xué)內(nèi)容。

過(guò)程與控制模塊的落地實(shí)施，教師需要先選擇好硬件或軟件平臺(tái)，構(gòu)建模塊教學(xué)環(huán)境，邊學(xué)習(xí)邊實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行自我學(xué)習(xí)與提升。然后，查找相關(guān)資料深研教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化核心概念的理解、核心原理的掌握和核心流程的熟悉。在新教材出版前，形成校本教學(xué)資源，并投入教學(xué)實(shí)踐。在實(shí)踐中，不斷改進(jìn)和完善，持續(xù)優(yōu)化迭代。新教材出版后，參考新教材進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化。如此，過(guò)程與控制模塊可在校園內(nèi)迅速而有效地落實(shí)。

（責(zé)任編輯：趙春艷）