張立坤 錢松嶺

摘要：本文以“智能空調(diào)系統(tǒng)”為例，根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求梳理學(xué)科核心概念，圍繞核心概念，從目標(biāo)確立、評估證據(jù)、學(xué)習(xí)活動、評價標(biāo)準(zhǔn)幾個方面開展基于理解為先（UbD）模式的單元教學(xué)設(shè)計，以期讓學(xué)生在聯(lián)系和運用中達到深入持久的理解，實現(xiàn)有意義遷移的最終學(xué)習(xí)目標(biāo)，促進新課標(biāo)的落地，助力學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：理解為先；單元教學(xué)設(shè)計；智能空調(diào)系統(tǒng)

中圖分類號：G434? 文獻標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2023）12-0034-04

“過程與控制”模塊是《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）第三學(xué)段的內(nèi)容，本模塊內(nèi)容的學(xué)習(xí)旨在幫助學(xué)生對復(fù)雜生活問題進行抽象、分解、建模，通過設(shè)計算法形成解決方案，理解反饋對系統(tǒng)的優(yōu)化功能，對培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)具有重要作用。筆者以“智能空調(diào)系統(tǒng)”單元為例，在新課標(biāo)視野下開展基于理解為先（UbD）模式的單元教學(xué)設(shè)計，探索新課標(biāo)的落地，創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)的教學(xué)。理解為先（UbD）模式由格蘭特·威金斯（Grant Wiggins）和杰伊·麥克泰（Jay McTighe）創(chuàng)立。該模式運用逆向設(shè)計幫助學(xué)生達到深入持久的理解，即強調(diào)從“學(xué)習(xí)結(jié)果”出發(fā)來設(shè)計教學(xué)。整個過程分為三個階段：第一階段，明確預(yù)期的學(xué)習(xí)結(jié)果。第二階段，確定能證明學(xué)生達到預(yù)期的學(xué)習(xí)效果的具體標(biāo)準(zhǔn)。第三階段，安排相關(guān)的教學(xué)活動來實現(xiàn)預(yù)期的學(xué)習(xí)效果。筆者通過梳理課程標(biāo)準(zhǔn)要求，凝練本單元的大概念為：反饋促進系統(tǒng)功能優(yōu)化。

學(xué)情分析

本單元的教學(xué)對象為小學(xué)六年級學(xué)生。在知識與技能方面，學(xué)生熟悉Python編程軟件的操作，掌握順序、分支、循環(huán)三種程序結(jié)構(gòu)的基本用法，具備學(xué)習(xí)軟硬件編程的基礎(chǔ)；在計算思維方面，六年級的學(xué)生已初步形成抽象思維能力，具有一定的分析問題、分解步驟、設(shè)計算法的經(jīng)驗，對創(chuàng)意化制作作品感興趣；在數(shù)字化學(xué)習(xí)方面，學(xué)生能夠熟練使用UMU平臺進行自主學(xué)習(xí)探究，會使用局域網(wǎng)共享工具在組內(nèi)共享資源，具備進行數(shù)字化學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。

確定教學(xué)目標(biāo)

本單元設(shè)計圍繞“反饋促進系統(tǒng)功能優(yōu)化”的核心概念展開，將“智能空調(diào)系統(tǒng)”單元的教學(xué)目標(biāo)分為三類：掌握知能、理解意義、學(xué)習(xí)遷移。需要注意的是，在小學(xué)階段，教學(xué)重點應(yīng)放在讓學(xué)生理解反饋的過程與作用、感悟從算法到編程的轉(zhuǎn)化上，活躍學(xué)生思維，啟迪學(xué)生智慧。

1.掌握知能目標(biāo)

知識：①根據(jù)智能空調(diào)系統(tǒng)的需要，有意識地選用Arduino主控板、風(fēng)扇模塊、溫度傳感器、Python編程等開源軟硬件解決真實問題，感受信息科技解決問題的優(yōu)勢。（信息意識）②將真實問題分解為可處理的子問題，循序漸進地探究Arduino主控板、風(fēng)扇模塊、溫度傳感器的工作原理，掌握硬件連接方法和通信方法。（計算思維）

技能：①利用UMU學(xué)習(xí)平臺獲取學(xué)習(xí)資源，開展合作學(xué)習(xí)，感受應(yīng)用在線平臺進行自主探究學(xué)習(xí)的優(yōu)勢。（數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）②能用流程圖的方式描述“空調(diào)系統(tǒng)”的工作原理，能夠?qū)⑾到y(tǒng)抽象為輸入、計算與輸出三個典型環(huán)節(jié)；能夠理解從算法到編程的轉(zhuǎn)化過程，能在教師的指導(dǎo)下通過編程驗證算法。（計算思維）

2.理解意義目標(biāo)

①通過個性化迭代智能空調(diào)系統(tǒng)的過程，理解反饋的環(huán)路和反饋對系統(tǒng)的優(yōu)化作用。（計算思維）

②樹立節(jié)約用電、保護環(huán)境的責(zé)任意識，認識自主可控技術(shù)對解決真實問題的重要性。（信息社會責(zé)任）

3.學(xué)習(xí)遷移目標(biāo)

能夠遷移“智能空調(diào)系統(tǒng)”單元所習(xí)得的算法設(shè)計思想與編程原理解決類似情境的問題（本文以構(gòu)建智能澆花系統(tǒng)為例）。

確定評估證據(jù)

單元評估分為表現(xiàn)性任務(wù)和其他證據(jù)兩大類。

1.表現(xiàn)性任務(wù)

學(xué)習(xí)任務(wù)表現(xiàn)1：學(xué)生能夠畫出邏輯正確的流程圖，會正確連接硬件，實現(xiàn)軟硬件通信。

學(xué)習(xí)任務(wù)表現(xiàn)2：學(xué)生聯(lián)想到生活中存在的反饋系統(tǒng)，如人體的反射活動。

學(xué)習(xí)任務(wù)表現(xiàn)3：在教師的指導(dǎo)下學(xué)生會修改計算控制語句，使空調(diào)由制冷模式切換為節(jié)能模式。

學(xué)習(xí)任務(wù)表現(xiàn)4：學(xué)生能夠理解并說出智能澆花系統(tǒng)的工作原理和其中的反饋回路。

2.其他證據(jù)

①學(xué)生能夠找到空調(diào)系統(tǒng)中的反饋環(huán)路，指出溫度感知與反饋對系統(tǒng)的控制和優(yōu)化作用。

②學(xué)生理解土壤濕度傳感器檢測的數(shù)據(jù)對澆花系統(tǒng)的反饋作用。

③學(xué)生主動將所學(xué)知識遷移到類似情境中。

④學(xué)生的自我評估情況。

設(shè)計教學(xué)活動

筆者將“智能空調(diào)系統(tǒng)”單元課時的內(nèi)容分為5課時，設(shè)計了3個教學(xué)活動，單元課時分布計劃如表1所示。

活動1：探索空調(diào)系統(tǒng)的工作機制

（1）情境問題

夏天打開空調(diào)制冷，設(shè)定一個溫度?？照{(diào)傳感器檢測室內(nèi)溫度，當(dāng)室內(nèi)溫度大于設(shè)定溫度時，空調(diào)持續(xù)制冷（制冷模式：風(fēng)速高速運轉(zhuǎn)），當(dāng)室內(nèi)溫度降低至設(shè)定溫度范圍時，為了節(jié)能，使空調(diào)轉(zhuǎn)為通風(fēng)模式（通風(fēng)模式：風(fēng)速低速運轉(zhuǎn)）。這種節(jié)能空調(diào)是如何實現(xiàn)的呢？

（2）抽象問題

①空調(diào)的工作原理。將空調(diào)的工作原理分解為控制和反饋兩個部分。控制部分：在空調(diào)通電待機時，輸入制冷模式和設(shè)定房間溫度，空調(diào)的控制電路獲取到輸入信息，對壓縮機下達制冷的工作指令，空調(diào)風(fēng)口不斷吹出涼風(fēng)，房間溫度下降；反饋部分：溫度傳感器實時檢測房間溫度，并傳送給控制電路，控制電路比較輸出與輸入情況，對壓縮機下達相應(yīng)的工作指令，讓壓縮機制冷或暫停制冷，使空調(diào)內(nèi)機風(fēng)口吹出冷風(fēng)或暫停吹出冷風(fēng)，以此控制房間溫度在設(shè)定的溫度值附近。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)空調(diào)工作原理圖理解并描述空調(diào)的工作過程。

②反饋控制環(huán)路。帶領(lǐng)學(xué)生理解并找到空調(diào)工作的反饋回路：空調(diào)輸出制冷指令，壓縮機工作，使室內(nèi)溫度降低，改變后的溫度數(shù)據(jù)被傳感器檢測返回輸入端，重新計算調(diào)整工作部件的指令。這一過程是反饋環(huán)路。反饋對系統(tǒng)的優(yōu)化的作用表現(xiàn)在：空調(diào)的消耗功率始終是在變化的，當(dāng)制冷的時候，室內(nèi)溫度越高（設(shè)定值與室溫差值越大），消耗功率越大，在設(shè)定值與室溫的差值減小過程中，消耗功率逐漸減小。在小組探究后，學(xué)生能夠根據(jù)圖1準(zhǔn)確描述空調(diào)系統(tǒng)中的反饋控制環(huán)路，感受反饋對系統(tǒng)的優(yōu)化作用。

活動2：構(gòu)建智能空調(diào)系統(tǒng)

將“智能空調(diào)系統(tǒng)”分為空調(diào)制冷模式和節(jié)能模式兩個部分來分別探究構(gòu)建。

（1）空調(diào)制冷模式

①分析問題。學(xué)生使用紅外溫度傳感器探測環(huán)境溫度，通過風(fēng)扇模塊模擬制冷效果。根據(jù)空調(diào)的輸入、計算和輸出環(huán)節(jié)，項目可拆解為制冷控制系統(tǒng)和溫度反饋系統(tǒng)兩個小系統(tǒng)。在制冷控制系統(tǒng)中，通過開關(guān)來控制制冷；在溫度反饋系統(tǒng)中，用傳感器實時檢測室內(nèi)溫度。②描述流程。鼓勵學(xué)生畫出算法流程圖。③連接硬件。學(xué)生通過UMU互動平臺自主學(xué)習(xí)硬件連接方式。在課堂上通過小組合作完成硬件連接—主控板（arduino uno）連接紅外溫度傳感器和風(fēng)扇模塊，實現(xiàn)溫度測量和模擬制冷效果，通過行空板屏幕，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和交互流程。④編程驗證。教師編寫程序，引導(dǎo)學(xué)生理解由算法到編程的過程。假設(shè)設(shè)定溫度為settemp，檢測溫度為nowtemp，當(dāng)nowtemp＞settemp時，啟動風(fēng)扇模塊運轉(zhuǎn)，開啟制冷。⑤測試運行。運行程序，測試硬件的變化。許多學(xué)生的程序在運行過程中可能會出現(xiàn)錯誤，需要及時通過小組互查、教師指導(dǎo)等方式排查原因、修改程序，直至成功運行。

（2）制作節(jié)能空調(diào)

①分析問題?？照{(diào)傳感器檢測室內(nèi)溫度，當(dāng)室內(nèi)溫度大于設(shè)定溫度時，空調(diào)啟動制冷模式，當(dāng)室內(nèi)溫度降低至設(shè)定溫度范圍時，為了節(jié)能，使空調(diào)轉(zhuǎn)為通風(fēng)模式。改變模式的關(guān)鍵是進行pwm操作，調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動速度。②設(shè)計算法流程圖（如圖2）。③編寫程序驗證。假設(shè)設(shè)定溫度為settemp，檢測溫度為nowtemp，模式開關(guān)為m，當(dāng)nowtemp＞settemp時，將模式開關(guān)設(shè)置為“制冷”，否則將模式開關(guān)設(shè)置為“通風(fēng)”。教師引導(dǎo)學(xué)生編寫程序驗證。④測試與優(yōu)化。提出個性化優(yōu)化方案，對關(guān)鍵代碼進行修改（如修改輸入的設(shè)定溫度、風(fēng)扇擋位調(diào)節(jié)等），實現(xiàn)個性化系統(tǒng)功能。⑤成果展示，小組互評。

（3）反思與總結(jié)

在“智能空調(diào)系統(tǒng)”搭建完成后，教師要及時組織學(xué)生反思與總結(jié)。學(xué)生總結(jié)：空調(diào)系統(tǒng)的工作原理可以抽象為輸入、計算、輸出三個環(huán)節(jié)。學(xué)生反思：溫度傳感器實時檢測房間溫度，傳送給控制電路，控制電路比較輸出與輸入情況，產(chǎn)生重新調(diào)整工作部件的指令構(gòu)成反饋環(huán)路。思考鞏固：回顧過程與控制系統(tǒng)的工作原理與算法設(shè)計思路，進一步感受反饋對系統(tǒng)控制的優(yōu)化作用。

活動3：模擬智能澆花系統(tǒng)

（1）情境問題

寒暑假期間如何呵護教室的花草們呢？制作一個智能澆花系統(tǒng)，便可以在教室無人時，實現(xiàn)自動對花草進行澆水。

（2）抽象問題

①智能澆花系統(tǒng)的工作原理。通過智能空調(diào)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)引導(dǎo)學(xué)生大膽猜測澆花系統(tǒng)的工作原理：向澆花系統(tǒng)設(shè)定一個土壤濕度的數(shù)值范圍，土壤濕度傳感器間隔一段時間檢測花盆內(nèi)的土壤濕度并將濕度數(shù)據(jù)輸出，控制電路比較輸出與輸入情況。當(dāng)輸出值小于設(shè)定的土壤濕度數(shù)值時，使水泵啟動，執(zhí)行開始澆水指令；當(dāng)輸出值大于設(shè)定的土壤濕度數(shù)值時，使水泵關(guān)閉，執(zhí)行停止?jié)菜噶睿源丝刂仆寥罎穸仍谠O(shè)定的濕度值附近。

②智能澆花系統(tǒng)的設(shè)計思路。首先，梳理智能澆花系統(tǒng)的工作流程，畫出流程圖；其次，搭建軟硬件平臺，連接軟硬件進行通信；最后，編程驗證，測試功能。

（3）教學(xué)實施

教師引導(dǎo)學(xué)生理解并說出智能澆花系統(tǒng)的工作原理與設(shè)計思路。教師準(zhǔn)備教具，為學(xué)生演示智能澆花系統(tǒng)的實現(xiàn)過程。學(xué)生體驗澆花系統(tǒng)的完整工作過程，進一步感受反饋對系統(tǒng)的優(yōu)化作用。教師鼓勵有興趣的小組將智能澆花系統(tǒng)應(yīng)用于實際教室環(huán)境中。

評價標(biāo)準(zhǔn)

通過評價反饋，可以客觀地評估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果及教師的自我教學(xué)效能，從而提高單元設(shè)計的質(zhì)量。筆者設(shè)計的學(xué)生自我評價標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

總結(jié)

過程與控制系統(tǒng)在生活中發(fā)揮著不可或缺的作用，筆者以“智能空調(diào)系統(tǒng)”單元為例進行基于大概念的單元教學(xué)逆向設(shè)計，促使教師重新審視教學(xué)組織對學(xué)生成長的價值與意義，并引導(dǎo)教師從“追求理解的教學(xué)”角度思考，使教學(xué)思維由學(xué)科內(nèi)容轉(zhuǎn)向?qū)W科核心素養(yǎng)目標(biāo)。

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本文系吉林省社會科學(xué)基金項目“吉林省兒童數(shù)字風(fēng)險與機會現(xiàn)狀及其改善策略研究”（2021B139）的研究成果。