新课标“过程与控制模块”的落地实施策略

代成杰

2022年4月，《义务教育阶段信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）正式发布。随着新课标的发布，义务教育阶段的信息科技教学内容确立了数据、算法、网络、信息处理、信息安全和人工智能六条逻辑主线，并包含了过程与控制模块的学习内容。

一、过程与控制模块的设立背景

新课标提出：“信息科技是现代科学技术领域的重要部分，主要研究以数字形式表达的信息及其应用中的科学原理、思维方法、处理过程和工程实现。”过程与控制模块能够完整体现科学与技术的融合，完美呈现“科学原理、思维方法、處理过程和工程实现”的交融。新课标提出，信息科技课程“遴选科学原理和实践应用并重的课程内容”。过程与控制模块的教学内容中，过程设计、反馈与优化、开环闭环、系统设计等内容体现了“科学原理”。器件连接、信息读取、内容显示等内容体现了“实践应用”。另外，过程与控制模块的教学过程能够促进信息科技课程目标的达成，助力学生运用计算领域的思维方法去界定问题、分析问题、制定问题解决方案，进行原型设计、原理和技术验证。

二、过程与控制模块的教学目标

通过过程与控制模块的学习，学生能够认识生活中常见的过程与控制系统，了解一个大的系统可以分解为若干个子系统，子系统又可以进一步划分为若干个功能相对独立的模块；了解过程与控制系统的特征及实现方式，掌握“输入—计算—输出”的计算模式，其中的输入对应传感器、键盘等检测装置或输入装置，计算对应主控板或中央处理器等控制器装置，输出对应电机、舵机、显示器、蜂鸣器等显示、发声或电动执行等装置；明确系统输入与输出可以是开关量或连续量，连续量可以由阈值判断形成开关量，开关量和模拟量可以进行算术、逻辑和关系等运算，运算结果可以作为执行依据或执行参数。（这里的连续量是指温度、湿度、压力、电压、电流等在时间上和数值上都在一定范围内连续变化的物理量。而开关量是指灯的开和关，即亮与灭，电路的开和关，即导通和断路，采用0和1进行表达。）通过学习，学生能够理解从外界获得输入，经过计算产生输出，进而作用于外界再影响输入，从而形成反馈系统，了解反馈、环路、优化等概念，明确反馈是过程与控制中的重要手段，理解反馈能够对系统起到不可估量的优化作用；提高运用计算机科学领域的思想方法解决现实问题的能力，在对问题的抽象、分解、建模和解决过程中发展计算思维，并能够实现和验证简单的过程与控制系统。

三、过程与控制模块的实施准备

（一）硬件装备及软件平台准备

过程与控制系统编程验证的最佳方式是使用开源硬件进行实验。硬件方面，建议教师尽可能使用现有硬件。若现有硬件不能够满足教学，可以进行适度扩充。如果经费有限，也可以考虑使用模拟平台或其他方案。可用的软件平台有很多，各校可结合自身情况自主选择。

（二）教师准备

落实新课标要求教师不断更新学科知识，不断提高自身各项能力。教师在进行过程与控制模块的教学时，应努力做到如下几点。

1.紧紧围绕核心概念

过程与控制模块的教学一定要围绕过程与控制的核心概念展开教学，如系统、过程、控制、干扰、反馈、优化、开环、闭环等核心概念。概念的介绍应通过学生能够理解的现实案例引入，让学生通过经验、体会、分析及理解，掌握概念的内涵，而非记忆概念本身。

2.掌握核心计算模式

过程与控制模块的教学一定要让学生把握过程与控制模块的核心计算模式。在过程与控制领域，若无反馈，则信息处理会形成一条直线形结构，由输入，经计算，到输出，对应开环控制。若有反馈，则信息处理形成一个环形结构，由输入，经计算，到输出，再经反馈形成新的输入，对应闭环控制。

3.遵循项目开发核心流程

教师在教学中一定要遵循过程与控制项目开发的核心流程：（1）确定需要解决的具体问题，设计项目框架结构，制定项目行动计划。（2）设计算法，绘制流程图。（3）技术验证，确定项目问题可以实现。（4）进行硬件结构制作、组装、搭建和连接。（5）编写模块化程序。（6）调试运行，测试项目的功能与稳定性。（7）优化项目结构，增加附加功能，美化作品外观。在项目式教学过程中，教师结合具体教学内容可以适度增删或浓缩某些环节。

4.注重创新能力培养

过程与控制模块的教学一定要注重学生创新能力的提高，注重学生创新意识的激发、创新方法的学习、创新思维的运用及创新精神的培养。

四、过程与控制模块实施案例——“超声波传感器”教学设计

（一）教学目标

信息意识：能够借助网站查阅多种类型超声波传感器的规格说明；能够以小组为单位协作探究不同超声波传感器的接口和类型异同。

计算思维：能够构建任务模型，并借助循环结构通过编写图形化程序实现无限次测量和显示结果。

数字化学习与创新：在数字化学习环境中，掌握超声波测距原理，掌握超声波传感器应用，分享展示完成的数字化作品。

信息社会责任：在探究学习过程中，积极与人合作；实验过程小心谨慎，养成爱护器材的好习惯。

（二）学情分析

本课教学对象为小学六年级的学生，他们通过之前的学习已经掌握算法与程序设计的基础知识，具备了图形化编程的能力，但形象思维仍占主导地位、对陌生事物具有敏锐的观察能力和研究热情，喜欢动手实践。

（三）教学内容及重难点

教学内容为带领学生认识多种类型的超声波传感器，了解超声波传感器的应用，掌握传感器信号输出和读取方式。教学重难点为帮助学生掌握超声波传感器的信号输出与读取方式。这需要教师集中讲授，使学生快速了解相关内容，再通过验证性实验达到深刻理解。

（四）教学过程

1.激趣导入

漆黑的夜晚，蝙蝠能够利用返回超声波的延迟，判断物体与自己之间的距离和方位，绕开障碍。由蝙蝠利用超声波感知障碍物距离的原理，引出超声波传感器测距原理。

2.理论深入

教师组织学生自主学习超声波传感器测距原理：超声波传感器由一个发射探头、一个接收探头和控制电路组成。当发射探头发出的超声波遇到障碍物时会有一部分反射回来，并被接收探头接收，以触发信号和回响信号的时间差来计算与物体的距离，即距离=速度×时长÷2。

3.难点突破

教师辅以超声波传感器的图片或实物器件集中讲授。然后，组织学生分组进行验证。

第一步，学习传感器信号输出方式：模拟输出、数字输出和协议输出。

第二步，學习传感器的读取方式：专用模块读取和通用模块读取。

第三步，信号输出与读取间的联系：协议输出只能采用专用模块读取；模拟输出和数字输出若读取模块对应代码为analogRead（  ）或digitalRead（  ），则可换成通用模块读取。不可换用通用模块读取的情况为：该传感器有专用信号处理芯片，需要专用库以支持读取。

4.项目实现

教师组织学生规划“数显测距仪”项目，确定所用器件、平台、结构方案、外观设计和小组分工；带领学生运用超声波传感器持续进行距离检测，控制器读取到测量值后通过液晶显示模块显示，循环往复进行；让学生进行超声波传感器的读取和液晶显示模块的数据显示验证；根据项目规划进行器件连接，构建作品主体；自行按照程序流程图，进行模块化编程，调试运行并查看结果；结合实际情况，利用可获得的材料，采用积木搭建、激光雕刻或纸盒封装等形式为项目作品进行结构搭建和外观美化。教师以项目方式开展学习活动，在作品制作与完善的过程中，促进学生发现问题、解决问题能力的提高，发展计算思维能力，培养科学实验精神。之后，教师组织各组展示、汇报本组作品，由教师和其他小组对其评价。

5.总结拓展

教师总结课堂学习内容，梳理本节收获，带领学生反思自我学习情况，让学生产生进一步学习需求，并且进行拓展延伸，借助物联网模块可实现远距离传感器数据获取。以下为本节课的板书设计（见图1）。

学生对自然界充满兴趣，本课从蝙蝠能够夜间飞行引出“超声波测距”，既形象而生动地展示原理，又有助于教师顺理成章地展开教学内容。

过程与控制模块的落地实施，教师需要先选择好硬件或软件平台，构建模块教学环境，边学习边实验，进行自我学习与提升。然后，查找相关资料深研教学内容，强化核心概念的理解、核心原理的掌握和核心流程的熟悉。在新教材出版前，形成校本教学资源，并投入教学实践。在实践中，不断改进和完善，持续优化迭代。新教材出版后，参考新教材进一步改进和优化。如此，过程与控制模块可在校园内迅速而有效地落实。

（责任编辑：赵春艳）