义教信息科技“过程与控制教学” | 过程与控制教学实施...

义教信息科技“过程与控制教学” | 过程与控制教学实施面临的挑战和策略

文章刊登于《中国信息技术教育》2023年第9期

新课标的颁布只是起点，如何实施新课程才是关键。

2023年，我们将就“义务教育信息科技新课程实施”中的重要议题展开系列讨论。

本次将关注新课程过程与控制教学实施面临的挑战和策略。

特邀嘉宾

▶ 熊   璋   对外经济贸易大学

▶ 方其桂   安徽省教育科学研究院

▶ 许   憬   浙江省余姚市兰江小学

▶ 赵   凯   江苏省南京市江宁区教研室

如何正确认识过程与控制教育的价值与地位？

熊璋：就像我们常说的无所不在的数据、无所不在的算法一样，还有无所不在的过程和无所不在的控制。学生们身处无所不在的过程与控制环境中，他们应该有正确的理解和认知，这就是“过程与控制”的价值和地位。

方其桂：“过程与控制”看起来有些陌生，实际上在日常生活中随处可见，很多场景都存在着“输入—计算—输出”的计算模式。例如，当我们将手靠近感应水龙头时，传感装置感知到手靠近，将信号输入到控制系统，经过计算，打开水阀，实现水流输出，这就是一个具有“输入—计算—输出”三个典型环节的过程与控制系统。

“过程与控制”模块是信息科技课程首次引导学生通过“系统”观念来认识过程与控制，可以培养学生思考和分解问题的系统方法。在现代信息社会，生活中广泛存在着包含“输入—计算—输出”计算模式的系统。

所以，理解系统实现过程与控制的原理，对于理解生活中广泛存在的过程与控制系统至关重要。“过程与控制”内容对应的是六年级学生，在前面的学习过程中，他们初步掌握了“在线学习与生活”的基本素养，理解了“数据与编码”，能够运用简单的“算法”来解决身边的问题，到了这一阶段，学生要能够综合运用前面所学的内容，结合相关的项目探究，实现对小型系统的设计、控制与优化。

这一内容的学习，能够培养学生严谨的科学探究精神，提升数字化学习与创新水平，拓展学生的计算思维能力，为后续七年级的“互联网”学习、八年级的“物联网”学习，以及九年级的“人工智能”学习打下坚实的基础。

许憬：“过程与控制”是《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》中新设置的一个模块，也是与现实科技生活联结最紧密的一个模块。信息科技是唯一一门承载着自主可控使命的学科，而过程与控制是帮助理解技术自主可控现实意义的重要载体，学习这个模块的意义在于：

①可以帮助学生更科学、更系统地理解现实世界，使学生能运用控制基本原理、基本概念、基本技术来解释日常生活中自动化工具及控制系统。

②可以构建硬软件一体（开源硬件+算法编程）的实验系统，利用计算机实现简单的自动化控制，推动创客向智能造物转化。

③可以培养学生分析和解决问题的能力，培养系统思维、计算思维和工程思维，帮助学生了解如何分析与优化更复杂的生产、生活或管理等系统。

④可以培养学生团队合作和项目管理的能力，实现真正意义上跨学科主题学习。

如何正确认识过程与控制在义务教育信息科技体系中的地位？

熊璋：新课标的科学性的追求之一是面向数字素养与技能的培养目标，根据本学科的逻辑主线，符合青少年的认知水平，与其他学科形成相对完整的课程体系。因此，过程与控制不可或缺。过程与控制被安排在数据与编码、身边的算法之后，互联网与创新、物联网与探索之前，由此形成科学的螺旋式上升的结构体系。

方其桂：观察课程的三条逻辑主线“数据、算法、信息处理”会发现，从第二学段模块4“数据与编码”到第三学段模块5“身边的算法”，再往后，基于数据与算法的信息处理过程，就是生活中广泛存在的过程与控制系统，就是“输入—计算—输出”系统模型，因此“过程与控制”模块具有承上作用。

再看“过程与控制”后面学段的课程模块，第四学段模块8“物联网与探索”，可以简单理解成加上互联网的“过程与控制”，因此“过程与控制”模块是第四学段物联网内容的知识准备。所以，“过程与控制”模块在义务教育信息科技课程的知识体系中承上启下，加强了学习内容的递进性，使得课程总目标能够循序渐进地达成。

如何正确看待与处理义务教育“过程与控制”“互联网”“物联网”与高中“信息系统与社会”等内容之间的关系？

熊璋：“过程与控制”“互联网与创新”和“物联网与探索”都是高中“信息系统与信息社会”的基础，前三者更加聚焦，后者更加综合，符合各年龄段学生的认知水平。


方其桂：在义务教育信息科技课程体系中，“过程与控制”“互联网”“物联网”分别对应第三学段六年级和第四学段七年级、八年级的课程，这三个课程模块是学习高中必修2模块“信息系统与社会”的基础，这四部分内容是在全学段体现递进关系的课程体系。
首先，过程与控制是整个信息化数字化系统建设和应用过程中必不可少的环节。只有对过程与控制充分认识和理解，才能感受到信息科技在系统的开发和应用过程中的重要性。

其次，互联网和物联网是当前社会发展的重要方向，也是信息科技课程的必备内容。理解和掌握互联网和物联网的基本原理和应用，可以帮助学生更好地应对变化多样的信息时代。

最后，高中阶段的信息系统与社会，主要是帮助学生理解信息系统与社会各个领域的紧密联系，并掌握信息系统与社会的应用和发展趋势。

总之，“过程与控制”既是其他几部分的理论基础，也是其他几部分实现的运行基础。“互联网”是“物联网”和“信息系统与社会”能够实现的基本环境。“物联网”是“互联网”环境下“过程与控制”具体的不同场景的应用。“信息系统与社会”除了是“过程与控制”“互联网”“物联网”等在社会中的综合应用，还包含信息系统对社会变迁的影响。

赵凯：“过程与控制”作为第三学段的学习内容起到了承上启下的作用，在学生了解基本算法及小型系统的控制原理的实现基础上，通过它向后续的更大的信息系统过渡。“互联网”“物联网”和高中的“信息系统与社会”模块中的系统的范围也越来越大，“过程与控制”“互联网”“物联网”和高中“信息系统与社会”模块在小学、初中、高中三个学段将“系统”的概念与内涵实现了螺旋上升。

在义务教育信息科技课程内容体系中，过程与控制主要包括哪些内容或者涉及哪些核心概念？

方其桂：在义务教育信息科技课程内容体系中，过程与控制是信息技术的基础内容，其主要包括以下几个核心概念：

①系统的组成。一个大的系统可以分解为几个小的系统，一个系统也可以划分出功能相对独立的多个模块。

②过程与控制典型环节。过程与控制可以抽象为包含输入、计算和输出三个典型环节的系统。

③控制。控制是指对信息加工过程进行管理和干预，使其符合要求或者达到特定的目标。它主要包括输入控制、计算（处理）控制、输出控制等方面。

④反馈。反馈是作用于输出的计算方式，是过程与控制中的重要手段。

⑤优化。结合系统运行的反馈，通过设计、软件、硬件或者综合调整，使系统运行趋于更高效、更稳定。
许憬：核心概念是模块学习的支架，也是构建学科大概念的重要支点。“过程与控制”模块包括了“系统与模块”“反馈与优化”“逻辑与运算”三部分内容，概括起来就是要形成5条核心概念：

①系统由一个个子系统构成，子系统又可以细分为一个个独立功能的模块。

②过程与控制系统可以抽象为输入、计算和输出三个典型环节。

③反馈可以实现系统的闭环控制，从而控制系统的稳态或优化。

④连续量可以经由阈值判断生成开关量。

⑤运用逻辑和数值运算的组合可以构造计算模型，从而实现对控制器的过程控制。
赵凯：“过程与控制”涉及“算法”“网络”和“智能”这三个核心概念。控制离不开算法，需要运用一定的算法（策略）去实现，算法有优劣之分，优秀的算法更加高效，能够更精准地获取反馈并实现控制。从互联网到物联网，网络是连接输入与输出、获取反馈实现控制的载体，网络更是信息社会的重要通信与控制的载体和手段。从简单的控制到复杂的控制，从手动、人工的控制到智能化的控制，“智能”是控制的一个目标。尤其是在人工智能时代，智能控制也是控制技术发展的必然趋势。

在义务教育阶段，“过程与控制”作为原理性较强的内容，可通过哪些方式实施教学呢？

方其桂：让学生深入理解“过程与控制”的相关概念和掌握相关技能的方式有多种，我认为可以通过以下几种方式来实施教学：

①生活实例分析。利用学生身边的具体实例来引入相关概念，让学生从实际应用情境出发理解过程和控制中的相关原理和技术。例如，“系统与模块”可以从“天宫空间站”来说说天宫系统由哪些模块组成，“逻辑与运算”可以从智能汽车各种功能的实现来谈，“反馈与优化”可以从空调的运行来谈。

②探究式项目学习。通过实际操作、小组讨论、自主研究等方式，通过一个基于真实情境的项目，让学生主动实践和探究过程与控制的原理和技术，促进学生积极主动学习和动手实践。

③验证式项目学习。通过对现有项目的验证，让学生在此过程中体会该项目的实际意义以及算法设计的巧妙，并鼓励学生在此基础上创新。

④互动教学平台辅助教学。通过在线的互联网平台，学生可以把研究的过程上传到云端，也可以打破时间和空间的限制，随时随地学习、研讨和实践。通过以上多种方式，可以让学生深入理解过程与控制的原理和技术，并且能够在实践中更加熟练地运用相关知识和技能，有助于提高学生的信息素养和创新能力，切实提升信息科技核心素养。

许憬：我认为可以运用以下几种方式开展学习：

①运用联结与系统的方法，理解控制的抽象概念。在生活关联中认知概念，多联系日常生活中最寻常的过程与控制案例，引导学生分析或解决真实性问题，探索“在生活中抽象原理，用原理解释生活”的学习方式，实现在意义学习中理解概念，在系统整体中认知概念，减少碎片化学习，在系统中理解控制的流程，将众多的抽象概念串联成线，在头脑中形成从具体概念、核心概念再到大概念的三层体系架构。

②以数字化工具为支架，领悟控制的工作原理。加强对过程与控制系统的感性认识，提高学习的具象性，可以多借助数字化工具来实现，如模拟演示视频，交互式课件仿真，开源硬件、编程软件验证等，用丰富的数字化体验，让学生在观察、实践中理解系统的工作原理。

③深化学科实践和实验探究，建构控制的计算模型。可以借助各种数字软硬件构建计算机实验室，用编程实践创造真实的控制系统，通过提出问题、实验设计、环境搭建、数据记录、规律总结、迁移应用等环节开展数字实验探究，实现控制核心环节——数理模型的构造和关键计算程序的编写。还可以利用计算机环境和数字化表单，让学生经历屏幕数据的观察、采集、记录、比对、选择、概括等过程，探求控制的一般规律，提炼控制方案设计的计算模型，实现高阶思维下的数字化学习。

赵凯：“过程与控制”模块的内容理论性较强，如果过多地以理论课的形式实施教学，则较为空洞，难以激发学生的学习兴趣。教师在教学中可以结合仿真平台或仿真程序，让学生感受实际的过程与控制的原理，体验真实世界中过程与控制的真实性控制效果。教师也可以结合机器人、开源硬件的项目式教学，同时融入程序设计，让学生通过算法和程序的实现及优化体验过程与控制的魅力。

在过程与控制教学时可能会面临哪些挑战？该如何破解遇到的困难呢？

方其桂：我认为可能会面临以下挑战：

①学生背景知识欠缺。学生在学习过程与控制前，缺乏必要的前置知识，难以理解和应用过程与控制相关的理论和实践。

②模拟环境缺乏。在现实环境中，许多过程与控制的系统因具有危险性等学生难以接触，因此缺乏良好的模拟环境。

③实践操作难度较高。过程与控制涉及硬件设备搭建、软件编程等技术内容，实践操作难度较高。

针对以上困难，可以采取以下措施破解：

①分段讲解难以理解的知识点。

②通过实物展示或视频教学，让学生体验实际的效果，加深对知识的理解。

③通过模拟仿真平台，拓展学生掌握知识的方法。

④通过项目实践，让学生将理论知识应用到实践中去，增强实际操作能力。

⑤培养和保持学生对过程与控制的兴趣。
许憬：“过程与控制”模块中遴选有自动化控制的内容，这些内容原归属于高中通用技术范畴，现放到小学第三学段来完成，这对于师生而言都是前所未有的挑战。具体体现在：

①模块内容繁杂抽象。“过程与控制”模块涉及的概念数量和专业术语在所有模块中是最多的，且过程与控制的工作原理比较抽象复杂，黑箱式的运行方式使学生对控制过程的理解缺乏生活经验和学科经验作为基础，更多依赖于推测、演绎与想象；本模块的学习不仅需要计算机知识，还需要数学、物理、机械、电子电工等跨学科的融合知识，而其中很多是学生们从未触及过的领域。

②教师专业储能不足。一线信息科技教师目前最缺两样东西专业性知识和策略性知识。缺专业性知识，难保教学的科学性；缺策略性知识，难保认知的可接受性。本模块的教学是一条前人没有走过的路，目前还处于摸着石头过河的探索阶段，缺少典型课例和现成经验供教师参考，教学方法和策略的欠缺，使课堂有可能出现满堂灌的现象。

③硬软件资源支持缺乏。本模块需要构建大量的不插电的数理模型，但理解、构造、设计和实现这个计算模型的过程需要借助开源硬件等器材开展实验，需要运用虚拟软件、编程软件进行仿真演绎验证，需要大量素材资源的环境支持。而目前大部分学校对信息科技课程的理解仍停留在对计算机的原有认知上，不能给此模块的教学提供充足的软硬件支持，这客观上也提高了本模块教学推进的难度。

赵凯：“过程与控制”无处不在，伴随着人类生产、生活而始终存在，日常教学如果过多地以研究性学习、主题学习的形式进行，不但会弱化学科本位特点，还会给教师的实际教学造成困惑。教师首先应该遴选出具有学科本位特点的系统。“过程与控制”都是在系统内发生的，这个系统可以是一个简单、小型、单一的系统，具有数量较少的输入或输出，控制的对象数量也较少，彼此的相互关系较为清晰。它也可以是一个复杂的系统，拥有数量较多的控制对象、较多的输入与输出，各个对象之间的关系也较为复杂，各个对象的输入与输出相互关联，彼此制约。所以，教师要有目的地选择相应的系统，优化教学设计，紧密结合学科本位特点进行教学，这对于培养学生的学科核心素养以及系统思维、工程思维具有现实意义。

为了更好地实施过程与控制教学，信息科技教师需要做好哪些方面的准备？

方其桂：我认为信息科技教师需要做好以下准备：

①深入研读课程标准。详细了解过程与控制理论知识，了解课程理念和设计思路，理解“过程与控制”模块的学段目标，熟悉具体内容要求和学业要求，了解掌握各个关键点的内容并准备好相应的例题和案例。

②完善教学设计。对教学进行全面规划，包括课程设计、课件制作、实践操作等环节，确保学生能顺利达成学习目标。

③准备好教学资源。准备好教学课件、微视频、模拟仿真软件或平台等一系列教学资源。

④熟悉实验设备和软件。熟悉各种数字化实验设备的使用和实验平台或软件的操作，从而能够给学生提供更好的实验指导。⑤丰富教学方法。熟练掌握多种教学技巧和方法，根据学生具体情况采用灵活的教学方式。

赵凯：国外教学“控制技术”（Control technology）也是紧密结合软件和硬件进行的，如选择适合学生的编程软件、平台，结合可以编程的仿真软件、各种开源硬件、机器人等实施教学，用算法实现控制，让学生直观地感受控制的终端效果。教师可以学习、借鉴此方法，首先理解“过程与控制”模块的核心概念与理念，其次了解学校、学生及软硬件的现实条件，积极建设校本课程，丰富教学形式与内容，为后续的教学实施做好准备。

义务教育过程与控制教学典型案例

熊璋：我们常说无所不在的过程、无所不在的控制，就是说“过程与控制”的案例是最司空见惯的，我们可以结合生活中常见的场景，比如过马路的红灯停绿灯行、骑自行车上坡比下坡要更加用劲蹬、学校走廊的声控电灯、学校的烧水电炉、家里的空调等，比比皆是，举不胜举。

方其桂：过程与控制与生活紧密相联，有许多案例可以引入教学，典型案例有：

①系统与模块。例如天宫空间站，它是一个大的系统，而天宫的组成是由不同的模块分别依次发射升空，在轨组合而成。相关的视频素材、文献、图片非常丰富，有助于学生理解什么是系统、什么是模块、系统和模块之间的关系如何、为什么要对系统进行模块化设计。

②逻辑与运算。例如智能汽车，如今，汽车的智能化程度已非常高，智能化的系统能方便我们驾驶，而它的逻辑运算关系是如何实现的呢？通过对一个个系统的研究分析，甚至是简单的模拟实验，能有效帮助学生理解常见的逻辑关系，以及如何设计相应的算法。

③反馈与优化。例如绿植养护小助手，学生通过对真实情境的分析，研讨设计出自动养护的方案，再用硬件搭建完成。在应用的过程中，通过观察发现不足之处，再通过硬件优化或者软件优化，从而让系统的运行达到一种稳态。

以上案例涉及的控制理论和信息科技知识，可以帮助学生更深入地了解过程与控制领域，提高他们的实践能力和创新意识。同时，这些案例可以培养学生的团队合作和沟通能力，以及自主学习和解决实际问题的能力。

文章刊登于《中国信息技术教育》2023年第9期