面向核心素养的小学信息科技科学原理教学初探

摘要：本文以信息科技第三学段“过程与控制”模块中的《认识反馈》一课为例，探究了在教学信息科技科学原理过程中，通过问题驱动，让学生经历技术“重新”发明的过程，从而逐步建构知识、理解原理，并将原理应用迁移到实际生活中，提升问题解决能力和学科思维水平。

关键词：科学原理；核心素养；问题驱动；实验教学

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）16-0053-04

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）指出要从信息科技实践应用出发，注重帮助学生理解基本概念和基本原理，引导学生认识信息科技对人类社会的贡献与挑战，提升学生知识迁移能力和学科思维水平，体现“科”与“技”并重。[1]与原来的信息技术课程相比，现在的信息科技课程中科学原理的内容增多，但原理的内容较为抽象，因此，如何设计学习活动，让小学生愿意学习科学原理，真正理解原理并能用原理指导实践，是小学信息科技教师面临的一个巨大挑战。

《认识反馈》一课选自信息科技第三学段“过程与控制”模块，针对该模块的新课标目标与要求是：通过分析案例，了解反馈是过程与控制中的重要手段，了解其普遍存在于日常生活中；通过分析典型应用场景，初步了解反馈对系统优化的作用，了解计算机可用于实现过程与控制。本课内容重在基本概念和原理的学习，旨在为后续的工程实现奠定基础。对于六年级的小学生来说，本课知识点较难，为了让小学生乐学、学会、会用，笔者在设计学习活动时采用了如下策略。

设计真实的问题情境，有效驱动学生的思维

新课标倡导以真实问题或项目驱动，引导学生经历原理运用过程、计算思维过程和数字化工具应用过程，建构知识，鼓励“做中学”“用中学”“创中学”。[1]所谓“真实问题”，是指与学生的真实生活息息相关的、学生在平时生活中会遇到并需要用信息科技来解决的问题。将学科知识放到“问题解决”中，可以驱动学生思考和实践，最终培养学生的核心素养。

本课以“因没人在家无法给植物浇水”这一真实问题作为贯穿引领整个教学的关键问题，带领学生开展问题导向的学习，关注学生经历问题解决的全过程。

师：每当假期我们出门旅游时，家里养的绿植就因无人浇水枯萎了。（教师出示普通浇水器）

学生活动1：体验用普通浇水器浇水，并分析这样的浇水器可以实现什么功能。

师：我们在日常养护植物时，需要根据土壤的湿度情况来判断是否需要浇水。那么，我们需要一个怎样功能的浇水器才能解决刚才的问题呢？（得出核心问题：如何根据土壤湿度自动浇水？）

（出示智能浇水器视频）为什么这个浇水器就能实现根据土壤的湿度自动浇水呢？带着这个问题，今天我们一起来探秘智能的浇水器。

通过生活中的真实问题导入，学生体验两种不同的浇水器，分析本课要解决的核心问题。普通浇水器无反馈系统，智能浇水器有反馈系统，为接下来两种系统对比、突破教学难点埋下伏笔。

经历技术的“发明”过程，探究科技蕴含的原理

新课标提倡“要用信息科技解决学习、生活中的问题，为学生创设自主、合作、探究的学习情境”。[1]建构主义学习理论的核心为：以学生为中心，强调学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构。笔者没有直接让学生实验智能浇水器，而是让学生在发现问题、分析问题、分解并解决问题的过程中，通过游戏体验、实验验证、实物对比、图示归纳等过程逐步建构新知，初步知道什么是反馈、反馈的工作过程及反馈在系统中的作用。这一过程让学生体会技术重新“发明”的过程，即经历为什么发明—如何发明—用什么原理实现发明的过程。

1.分析问题，了解普通浇水器的工作流程

学生分析普通浇水器的工作流程，教师小结并出示普通浇水器工作过程图示（如图1）。

2.分解问题，了解土壤湿度传感器

师：要想实现根据土壤湿度来自动浇水，我们在浇水前首先要解决什么问题呢？

生：首先要知道土壤的实际湿度。

师：土壤湿度传感器可以帮助我们解决这个测量问题（简单介绍）。

学生活动2：了解土壤湿度传感器。

师：每种植物都有自己喜欢的土壤湿度，如秋牡丹，它最喜欢的土壤湿度是500左右，所以在程序里我们设定土壤湿度的值为500。

教师引导学生分析问题，将核心问题分解为两个子问题：如何知道土壤的实际湿度？如何实现自动浇水？土壤湿度传感器不是本课重点，所以只作简单介绍，让学生了解“实际湿度”及“设定湿度”。

3.游戏体验，初步了解“反馈”

师：现在我们已经知道了实际湿度和设定湿度，那么我们来玩个游戏挑战一下，看看大家能否把花园里的鲜花都浇开了！（简单介绍游戏“种植小达人”）

学生活动3：游戏体验智能浇水器。思考：游戏里是如何判断是否需要给植物浇水的？

（师生梳理游戏过程，教师小结并完善智能浇水器工作过程图示，如图2所示）

师：首先需要确定一个适合的设定湿度，这是在养护要求确定后，输入到设备里的。然后比较实际湿度与设定湿度，如果实际湿度小于设定湿度，就控制水泵对土壤浇水。与普通浇水器相比，智能浇水器的工作过程“聪明”在哪里？（学生讨论并说说自己的发现）像智能浇水器这样，将实际湿度通过土壤湿度传感器返回到输入端，与设定湿度进行比较的过程，用信息科技的语言来说，就是反馈。如果实际湿度小于设定湿度，水泵就浇水，否则就停止。

学生要了解反馈对系统优化的作用，就必须先知道什么是反馈，而反馈是一个动态的过程，这个概念比较抽象，小学生不容易理解。教师先让学生在“种植小达人”游戏中体验不断比较后手动控制土壤湿度的过程，直观地感知到反馈，然后分析系统环节之间的运作关联，引导学生建构知识，初步知道什么是反馈及反馈的工作过程。

构建真实的实验载体，促进知识的深度理解

新课标提出“要注重把握数字化学习的特点，合理利用数学化平台、工具和资源，运用线上实验、模拟、仿真等方式，引导学生自主学习、合作学习。”[1]《中小学实验教学基本目录（2023年版）》也要求用实验的方式分析生活场景中的过程与控制系统，探索反馈对系统优化的作用。在以科学原理为主要内容的课程学习中，依然要坚持学科的实践性属性，体现“科”与“技”并重。

因此，学生实验的智能设备控制系统应是一个有反馈的闭环控制系统，另外，学生能在实验中直接观察到输入量和输出量的数值变化，通过分析实验数值得到实验结论，从而深入理解反馈的原理。

所以，笔者选择智能浇水器作为实验的载体，另外制作了一个无反馈的普通浇水器作比较。普通浇水器采用演示实验的方式，智能浇水器采用分组合作实验的方式。笔者在搭建智能浇水器时采用了蠕动水泵，这样能让学生更清晰地观察到输出量，即土壤实际湿度的数值变化。

1.合作实验，深度理解反馈环节

学生活动4：实验探究智能浇水器，如图3、图4所示。

教师出示实验要求，学生各小组按课前分工开展实验探究。小组根据学习单讨论、分析实验数据，汇报实验结论及小组的发现。

想一想：如果土壤实际湿度已经达到设定湿度，过了一段时间后，实际湿度又小于设定湿度了，水泵会怎样呢？

2.回顾对比，了解反馈作用环节

师：对比普通浇水器和智能浇水器的功能和系统图示，说一说主要的区别是什么？想一想，如果没有反馈会怎样？

结论：反馈能让系统实现精准控制，能够让系统更优化。

本环节借助开源硬件和Mind+平台搭建的智能浇水器，让学生在实践操作和实验后分析数据、交流分享。以往的实物系统的反馈是暗箱式的运作，学生不能直接观察到。而作为实验器材的智能浇水器可以让学生直观地看到数值的变化，体验比较的过程，促进学生理解系统的反馈，突破教学难点。通过两种浇水器功能和系统图示的对比，让学生直观感受到了反馈对系统的优化作用，掌握了本节课的教学重点。

链接数字与现实世界，提升应用迁移的能力

瑞士儿童心理学家让·皮亚杰认为：“对概念或理论的真正理解意味着学生对它的再造，自然而然地应用知识才是检验真正理解的根本标准。”[2]新课标指出：“要注重与学生数字生活经验、现实社会信息科技应用场景的关联，引导学生认识信息科技的价值和作用。”[1]

因此，本课将原理应用迁移到学生的生活中，让学生尝试用所掌握的原理解释相关的现象或解决相关的问题，教师提供学习单作为思维的支架，促进学生对反馈的理解，激发学生应用反馈优化设备系统的创新思维，体现“将技术应用于生活”的理念。

师：从空调和扫地机器人两个案例中选择其中一个，根据学习单上的问题要求进行作答。（迁移）

学生活动5：根据学习单的提示，填一填设备反馈的工作过程，画一画反馈的环节，想一想反馈的作用。

师：生活中的反馈无处不在。同学们想一想生活中还有哪些场景或设备运行中有反馈呢。（拓展）

如何运用今天所学的本领把洗衣机设计得更智能呢？（思考并设计）

课前，学生玩贴鼻子游戏，一组学生蒙着眼睛把鼻子贴到正确位置，另一组学生蒙着眼睛在贴鼻子时，有一名学生在旁边提醒。学生思考：为什么第二组同学比第一组同学游戏玩得更好呢？（呼应课前）

计算机参与的控制系统是信息科技的主要研究内容，课堂游戏让学生对反馈有更广的认识。本环节让学生感悟到科技对社会的巨大帮助和深远影响，唤起学生树立用技术服务生活的意识和社会责任感，整个教学流程如图5所示。

减轻学生的认知负荷，精准把握住学习目标

在笔者初始设计的学习活动中，学生不仅要学习智能浇水器的系统方框图，还要完善智能浇水器的流程图和程序。因为六年级学生没有过程与控制和流程图的学习基础，这样的活动设计需要用“新概念”去解释另一个“新概念”，不仅学习目标不够明确，而且增加了学生的认知负荷。

所以，笔者在再次设计时将教学目标调整为：借助开源硬件和Mind+搭建的“智能浇水器”，通过实验、分析，体验“种植小达人”游戏控制土壤湿度的过程，知道什么是反馈和反馈的工作过程；通过对比普通浇水器和智能浇水器的控制过程和控制结果，初步了解反馈对系统优化的作用；增强通过信息化手段解决问题的意识，树立用技术服务生活的意识和社会责任感。教学重点是初步了解反馈对系统优化的作用；教学难点是了解什么是反馈和反馈的工作过程。

笔者在教学时将系统方框图进行了简化，并尽量用学生能理解的通俗易懂的语言解释，避免出现更多的“新概念”。学生在课堂上也不需要完善智能浇水器的流程图和程序，从而使教学能更好地突出重点、突破难点，培养学生的数字素养。

参考文献：

[1]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．

[2]格兰特·威金斯，杰伊·麦克泰格.追求理解的教学设计[M].上海：华东师范大学出版社，2017.