义教课标视阈下融合技术的信息科技原理教学

段勇　王震

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”）将课程名称从信息技术变为信息科技。这意味着一线教师不能再按传统的教学方式进行文字录入、办公软件、编程演示的操作讲解，应重新建构信息科技的教学方法。而原理教学正好契合信息科技课程“科”“技”并重的教学理念。

信息科技原理是指在信息科技实践中，为实现应用目的，根据已有的科学原理和技术经验，通过创造性思维和技术实验所获得的关于途径、手段、方式和方法的理论规范。从学科教学的角度，信息科技原理一般简化为信息科技背后的技术思想、设计和实现。原理教学与信息科技实验操作相结合，能够让学生深挖操作背后的技术本质和思维方法。为此，笔者设计六年级跨学科项目“智慧家居的构建和实现”。跨学科项目研究需要数字化教学环境的支持，在这方面信息科技教师具备天然的优势，能借助数字化手段、数字化平台，使学生充分参与、展示、分享、交流、讨论，降低项目学习的难度，提升原理教学的有效性，培养学生的数字素养。

一、对课标“过程与控制”模块的理解

课标对于“过程与控制”模块是这样表述的：本模块通过学习生活中的过程与控制系统，帮助学生了解过程与控制的特征及实现方式，理解利用计算机解决问题的手段，进一步认识过程与控制系统自身的特点和规律。“过程与控制”看似陌生，实际离我们的生活并不遥远，生活中广泛存在着“输入—计算—输出”的计算模式。比如商场的旋转门，当我们与门的距离小于某个数值时，旋转门就开始旋转，其背后的原理就是旋转门系统获取数据后，经过程序计算，产生输出指令，从而控制旋转门的“转”与“不转”。我们应引导学生理解系统实现过程与控制的原理，进而感受信息科技对于生活的影响和价值。在进行项目探究时，笔者梳理出原理教学可遵循的教学流程（如图1）：分析探究，感知原理→融合扩展，应用原理→分工合作，验证原理→通关认证，迁移原理。

二、跨学科项目设计

教师以跨学科项目“智慧家居的构建和实现”为主题，引导学生从身边的控制系统出发，识别出过程与控制系统是由“输入—计算—输出”三个典型环节组成的，并应用这个原理构建简易智慧家居系统，实现智慧家居场景。本项目的重点不是认识各种传感器，学习对传感器的编程，完成多个硬件搭建项目，而是理解“输入—计算—输出”的过程和其中的计算，形成信息科技的思维方式。在本项目中，“智慧家居的构建和实现”是一个大的过程与控制系统，它由系列子系统组成，如智慧照明子系统、智慧扫地机器人子系统等，在项目难点突破上，教师引导学生利用智慧扫地机器人子系统进行分析，提炼总结原理。

（一）项目目标

教师依据课标要求，确定本项目的素养目标。

1.信息意识

学生通过探究智慧扫地机器人的运行原理，认识到生活中的信息能够被转换为计算机可以处理的数据，认识到过程与控制普遍存在于生活中，从而增强信息意识。

2.计算思维

（1）学生通过对智慧扫地机器人子系统的分析并抽象建模，理解“输入—计算—输出”的过程，迁移到其他子系统的学习中，逐步培养抽象思维能力。（2）学生通过对过程与控制系统的理解、探索和实验过程，体验模拟、验证等方式解决问题的过程。

3.数字化学习与创新

（1）学生理解用计算机实现过程与控制的优势。（2）学生通过体验超声波传感器、光敏传感器、温度传感器等不同的传感器，对物联网技术形成基本的认知。（3）学生通过在线共享脑图实时编写方案、在线答题检测学习效果、上网搜索信息、编程搭建进行实验验证，体会多样的数字化学习平台给学习带来的便捷。

4.信息社会责任

（1）学生通过小组合作学习，提升协作沟通能力。（2）学生在古今对比中感受科技的飞速发展正在把神话变为现实，认识到科技创新解锁了“中国速度”“中国高度”“中国温度”，提升自主可控意识，培育社会主义核心价值观。

（二）项目重难点

一是教师要让学生通过智慧扫地机器人子系统的分析，抽象出“输入—计算—输出”的过程，明晰过程与控制系统的三个典型环节。

二是教師要通过信息科技实验室动手实践，提升学生运用过程与控制系统原理的能力。

三是学生能概括抽象原理，并能迁移应用到信息科技实验中，逐步形成计算思维素养。

（三）项目技术支持

图形化编程工具：学生在分析问题、设计算法后，使用计算机编写程序，模拟实现过程与控制环节。

开源硬件设备：学生利用图形化编程工具，根据问题和算法编写程序，将编写的程序下载到开源硬件的控制器中，实现智慧家居过程与控制场景的模拟。

在线共享脑图、在线答题平台：学生利用在线共享脑图实时填写实验方案，快速高效；在线答题平台实时呈现答题结果，让评价一目了然，使“教—学—评”更便捷直观。

语音录入：学生利用语音输入技术手段填写实验方案，实现高效课堂。

三、跨学科项目实施

跨学科项目实施遵循原理教学的“分析探究，感知原理”“融合扩展，应用原理”“分工合作，验证原理”“通关认证，迁移原理”四个教学流程，通过创设不同的真实问题情境来引导学生挖掘验证原理。

（一）分析探究，感知原理

上课伊始，教师用民间故事《田螺姑娘》作为话题引入，表达古人对美好生活的向往，他们希望辛苦劳累一天，回到家就有香味四溢的饭菜和干净整洁的环境，于是创造出具有神话色彩的田螺姑娘。随着现代科技的发展，“田螺姑娘”来到了我们的生活中，在我们未到家时就已经把空调打开，让我们一进门就有舒适的环境；在我们睡梦中厨具就启动烹饪程序，让我们早上一睁眼就能吃上美味的早餐，从而让学生直观感受智慧家居带给生活的便捷。

【设计意图】利用田螺姑娘民间故事中人们美好的愿景与现代智慧家居功能的相似性巧妙引入教学内容，让学生明白科技创新可以把古人的心愿变成现实。

教师带领学生探究智慧扫地机器人的工作原理。学生首先利用硬件拼装智慧扫地机器人模型，初步了解智慧扫地机器人是由移动系统、感知系统、控制系统和吸尘系统组成的。

在教师的引导下，学生仔细观察智慧扫地机器人的运行过程，探究超声波传感器是怎么感知的，并用自然语言描述出来：扫地机器人不断地执行、不断地侦测，如果侦测到障碍物小于某个数值（阈值）就转弯，否则直行。学生根据自然语言利用图形化编程软件编写程序（如图2）。

教师带领学生分析程序：超声波传感器将读取的值输入控制器，利用分支结构进行判断计算，从而决定机器人是直行还是转弯。loop表示这一系列的行为是不断重复执行的。

从中，学生总结抽象出扫地机器人是通过“输入—计算—输出”三个典型环节实现闭环运行（这正是过程与控制系统的三个典型环节）的，从而理解了扫地机器人运行原理。

【设计意图】教师将大系统分解为几个子系统，从智慧扫地机器人子系统入手，让学生探究原理，抽象建模，从而理解“输入—计算—输出”三个典型环节就是机器人的工作原理。

（二）融合扩展，应用原理

学生感知明晰原理之后，教师出示古诗《惠崇春江晚景》，让学生品读诗句“竹外桃花三两枝，春江水暖鸭先知。蒌蒿满地芦芽短，正是河豚欲上时”，寻找其中隐藏的原理，进而认识到自然界中到处存在着“输入—计算—输出”系统。

教师（总结）：世間万物虽然没有时钟报晓，却能感知大自然的信号，感知春江水暖的来临，河豚跃跃欲试迎接生命的复苏，桃花你一朵、我一朵从枝头绽开了笑颜，这就是大自然的过程与控制系统。人们不断地向大自然学习，从而运用过程与控制的原理，研制出了服务于我们生活的各种智慧产品，像智慧扫地机器人。利用这个原理，聪明的你们还能创造出什么样的智慧产品呢？请同学们带着这个问题，走进信息科技实验室。

【设计意图】从自然界中的案例来理解过程与控制系统，并与古诗融合，让信息科技课堂不只是冷冰冰的技术讲解，也充满着诗情画意，并能引导学生用计算机科学的视角去分析看待现实世界。

（三）分工合作，验证原理

信息科技的实验是连接技术与素养的重要桥梁。在实验环节，教师利用多种方式提升学生运用过程与控制系统原理的能力。学生小组合作分工，填写在线共享脑图，并完成编程验证和硬件搭建。多样化的实验方式，更多地关注学生的原理认知、计算思维和实验能力。

环节一：实验模型我操作

教师准备简易的实验模型，如智能火焰报警器、智能声控灯等，让学生思考用什么传感器控制，运行原理是什么。

环节二：智慧家居我设计

教师继续创设真实的问题情境，检验学生对原理的掌握。他抛出问题：“老师家新买了一套房子，你能把它变成智慧之家吗？”学生利用刚才学到的原理继续探究。

考虑到智慧家居是一个大系统，为保证各小组都能有所学、有所获，同时调动学生参与的积极性，教师提前用希沃白板做好砸金蛋游戏。各小组领取探究任务，如智慧照明系统、智慧烟雾报警系统、智慧窗帘系统、智慧空调系统，开始分工合作，填写在线共享脑图，并上网搜索信息，开始编程验证（如图3）。

环节三：整体系统我认识

智慧家居系统是由更多子系统组成的闭环系统，并不只有传感器控制，还有语音控制、远程控制等技术手段。教师引导学生进行扩展原理学习，让学生对智慧家居产生更清晰的认识。

【设计意图】课标要求“学生能采用计算机或各类数字化设备编写程序，实现过程与控制及其中反馈和优化的环节，并通过实验对上述环节加以验证”。本环节中，教师利用探究家居模型的原理、砸金蛋抽取智慧子系统等多种方式，提升学生运用过程与控制系统原理的能力。

环节四：不同场景我会用

教师继续抛出问题：“老师的妈妈年龄大了，搬去新家后不熟悉路，竟然忘记了回家的路，在民警的帮助下才回到家，家人非常担心。大家能利用今天学到的原理帮老师出个好点子吗？”

学生想到多种金点子：智能手环、智能拐杖，可以与北斗相连，可以设定一个活动范围，超出此范围就发出警报。

【设计意图】学生把本节课学到的思维方法迁移到新问题的解决中，培养学生迁移应用的学习方法和思维方式，实现计算思维的提升。

（四）通关认证，迁移原理

教师设计了智慧工程师认证环节，并利用答题平台发布。学生选择正确答案并提交。具体题目如下。

1.如图4所示，如果室内当前PM2.5的浓度为36 μg/m，则新风系统的状态是（    ）。

A.开 B.关

2.小明暑假外出旅行10天，但是他心爱的花没人浇水，大家根据所学知识及土壤湿度表，设计了一个智慧浇花系统。如果能自动浇水，图5中的哪个计算模块是正确的？

【设计意图】课堂评价起着重要的作用，是课程目标的重要检测指标，也是促进学习优化的推动力。

（五）博古通今，项目总结

项目结尾，教师表扬大家把民间故事中的田螺姑娘变成了现代版的智慧家居，并进行了扩展延伸。

教师：我国科学家把古人的很多心愿，如“孙悟空的一个筋斗云十万八千里”“嫦娥偷食灵药得以飞升月宫”通过科技创新都已实现。C919国产大飞机让我们日行十万八千里不再是梦；天宫空间站的建成让我们上九天揽月不再是空谈。

【设计意图】科技创新的国际竞争越来越激烈，学生要树立自主创新意识，培育社会主义核心价值观。首尾呼应，在古今对比中升华情感，充分认识科技创新解锁“中国速度”“中国高度”“中国温度”，对国家发展和人民生活带来的巨大改变，增强民族自信心和自豪感。

四、跨学科项目反思

项目设计的每个环节均应遵循课标理念，只有找到理论支撑，课程的设计才会有根有据、有血有肉。

（一）原理教学深挖学科育人价值

信息科技学科的原理比较抽象，需要利用深入浅出的方式引导学生由活动体验引发深入思考。在感知原理环节中，教师利用智慧扫地机器人这个生活中最常见的模型让学生直观体验其工作模式，并據此进行编程验证，通过建模，总结归纳原理。而应用原理、验证原理、迁移原理环节，就是对原理教学的深入研究。教师引导学生通过层层解剖、逐级深入，透过机器人运行的表面现象，发现过程与控制系统的本质内核，思考技术背后的原理，从而逐步形成探索求知的意识，养成数字时代正确的价值观。

（二）数字化技术提升课堂效率

在跨学科项目实施过程中，多样化的数字技术的使用让课堂呈现更便捷和灵动。上网搜索信息、填写在线脑图、编程验证、语音录入，多样化的技术手段应用让课堂效率显著提升，学生以小组的形式分析探究项目，通过在线方式分派任务、交流讨论、发表观点、分享成果，在解决问题过程中体验协作带来的效率提升。第一，网络学习环境便于学生在开放的资源中获取信息与知识，随时解答遇到的难题，数字助手让学习更加便捷与丰富；第二，在线脑图的填写，充分展现课标对在线学习、分工协作的要求，让学生的探究成果得以及时呈现，智慧的火花可以随时碰撞；第三，在线答题平台能实时呈现答题结果，让学生随时掌握学习成效，让评价结果一目了然；第四，语音录入技术让学生节省手动输入汉字的时间，初步体验了人工智能技术在生活中的应用；第五，希沃白板中的倒计时器、砸金蛋游戏，让课堂充满趣味，学生更愿意参与其中。

（三）项目学习关注生活情境和生活应用

生活情境引导学生从生活走向学科，生活应用引导学生从学科走向生活。生活情境是一种真实的问题情境，能激发学生求知欲，而生活应用能帮助学生在迁移中理解大概念，避免所学知识成为惰性知识，并活化知识，让学生感知到知识价值。智慧家居就在我们的身边，如何在真实的生活情境中提炼出过程与控制的原理呢？这就需要教师从生活走进学科，通过智慧扫地机器人的模型编程进行单点突破，引导学生从中总结归纳出“输入—计算—输出”的运行过程原理。而设计智慧家居系统问题，还要从学科走向生活。智慧照明系统、智慧烟雾报警系统、智慧窗帘系统、智慧空调系统都用到了智慧扫地机器人的原理，需要学生进行迁移和活化。

课标颁布已一年有余，但与之配套的教材并未发布，如何落实课标，广大一线教师都在进行着积极探索与实践。笔者利用“智慧家居的构建和实现”项目做了原理教学的初步探究，希望能给课标落地提供来自一线的实践支撑。

注：本文中的案例获山东省基础教育优质课省级评选“一等奖”。

参考文献

[1] 张利波，罗婉庆.重视技术原理 凸显科学价值——数字技术赋能信息科技原理教学的路径与策略[J].中小学数字化教学，2022（8）：14-18.

[2][4]中华人民共和国教育部.义务教育信息科技课程标准：2022年版[S].北京：北京师范大学出版社，2022.

[3][5]李峰.新版课程标准解析与教学指导小学信息科技[M].北京：北京师范大学出版社，2022.

[6] 段勇，武小芬.格致猫成长日记——趣味Scratch算法入门[M].北京：清华大学出版社，2022.

（作者段勇系山东省淄博高新技术产业开发区教研室教研员；王震系山东省淄博高新技术产业开发区第一小学教师）

责任编辑：牟艳娜