基于問題解決的控制系統(tǒng)項目式實驗教學實踐

摘要：本文針對現(xiàn)實控制系統(tǒng)中的真實問題，以項目式實驗展開實驗教學，遵循親歷體驗、問題分析、抽象建模、方案建構、實踐探究、優(yōu)化創(chuàng)新、原理解析、融合擴展的基本思路，讓計算思維在實驗活動過程中生成、深化、生長。關鍵詞：實驗；項目式；問題解決；控制系統(tǒng)；計算思維《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）對“過程與控制”模塊的實驗教學建議為：“學生在教師的指導下，采用實驗套件或自己配置的實驗材料，實現(xiàn)一個簡易的過程與控制系統(tǒng)”。結合新課標要求，筆者以“樓道智能感應燈系統(tǒng)設計”為項目式實驗主題，借助開源硬件，結合編程軟件，依托素材資源環(huán)境等，創(chuàng)造真實的控制系統(tǒng)，并通過提出問題、方案設計、環(huán)境搭建、實驗踐行、優(yōu)化創(chuàng)新、原理解析、遷移應用等環(huán)節(jié)展開項目實驗探究，實現(xiàn)控制核心環(huán)節(jié)——數(shù)理模型的構造和關鍵計算程序的編寫，從而實現(xiàn)高階思維下的數(shù)字化學習。[1]實境體驗“啟”問題，形成計算思維雛形在本實驗中，筆者利用掌控板或信息科技實驗板，并結合編程軟件搭建簡易的樓道聲控燈實物模型，模擬當聲音強度超過某個數(shù)值時，燈亮，否則燈不亮的過程。同時，引導和啟發(fā)學生在觀察、體驗實物模型時聯(lián)結生活中聲控燈的使用感受，發(fā)現(xiàn)其存在的問題：①當白天光線很好時，采集到的聲音超過一定分貝，燈會自動亮起，浪費電。②當樓道沒人出現(xiàn)但周邊環(huán)境產生較大聲音或光線較暗時，也會自動亮燈，浪費電。③有人出現(xiàn)，但需要故意跺腳或大聲喊出聲音才能亮燈，產生噪音。要解決上述問題，必須先了解聲控燈的構造和工作的過程，感知其過程與控制的原理。五、六年級的學生邏輯思維快速發(fā)展，正處于具象思維向抽象思維過渡的階段，并且他們具備一定的分析歸納能力和計算能力，實踐操作的行動力較強，非常適合展開實驗教學，通過實驗教學來助推計算思維在學生心中生根發(fā)芽。聚焦問題“設”方案，明晰計算思維導向1.問題分解本項目主板為掌控板，集成了多種傳感器。學生觀察掌控板，將系統(tǒng)總模塊分解為四個功能相對獨立的子模塊，通過學習單上的思維導圖（如下頁圖1）了解各模塊的功能和原理，再根據問題描述，將要解決的復雜問題分解成獨立的小問題，并與掌控板模塊結合，完成“問題分解表”（如下頁表1）。2.抽象建模從控制系統(tǒng)的組成結構和工作原理兩個方向來分析，系統(tǒng)的運作可以抽象為輸入、計算和輸出三個典型環(huán)節(jié)，根據實物模型體驗，教師引導學生找出輸入來源（光線強度、聲音分貝、是否有人）和控制輸出結果（是否亮燈），嘗試推測計算過程，并運用邏輯和數(shù)值運算的組合構造計算模型，從而實現(xiàn)對控制器的過程控制。根據上一環(huán)節(jié)的問題分解和模塊分解，初步抽象出影響樓道燈亮的關鍵因素，并利用表格理清各因素之間的邏輯關系。通過分析表2可以發(fā)現(xiàn)，在樓道燈控制系統(tǒng)中，是否有人是最重要的因素，若沒有人不用開燈，有人則只需要滿足一種情況——光線不好。根據上述分析，再次抽象，去除聲音控制模塊，只需選擇紅外傳感器和光線傳感器來感知是否有人和光線亮暗程度即可，建立邏輯圖示模型（如圖2）。實驗踐行“解”問題，生成計算思維內核1.探索閾值在上述模型中，閾值判斷是計算的關鍵步驟。針對什么是閾值，筆者引導學生用感應燈模型來體驗系統(tǒng)運行的臨界狀態(tài)，感受閾值的作用。實驗一：教師出示用掌控板搭建的樓道感應燈模型，讓學生體驗用一個黑盒子緩緩靠近光線傳感器（模擬天黑效果），當?shù)揭欢ǖ木嚯x時，LED燈亮起，記錄掌控板屏幕上的數(shù)值，然后再緩緩地移開黑盒子，LED燈滅，觀察屏幕上數(shù)值的變化。結論：控制LED燈亮起有個臨界數(shù)值，當系統(tǒng)運行到臨界狀態(tài)，數(shù)據大于或小于這個數(shù)值時，就執(zhí)行相應的控制動作（燈亮或滅），這個數(shù)值稱之為“閾值”。閾值可以隨意設定嗎？樓道感應燈亮起的光線強度臨界值設定為多少合適？筆者引導學生通過實驗模擬環(huán)境光線變化來探究感應燈亮起的閾值。實驗二：學生打開Mind+編輯器，連接掌控板，在教師的引導下找到獲取和顯示光線強度的圖形化代碼塊。用黑盒子和光照燈模擬不同的環(huán)境光強度，讀取掌控板屏幕上顯示的數(shù)值，做好實驗記錄（如表3）。結論：黑盒子半遮擋時光線較暗需要亮燈，三次數(shù)值的平均值即可作為感應燈亮起的臨界值，也就是閾值。小結：傳感器能獲取外界環(huán)境信息并將其轉換為數(shù)據，這些數(shù)據作為輸入量，提供給控制系統(tǒng)進行判斷和決策。2.生成開關量光線強度是可在一定范圍內連續(xù)變化的數(shù)據，是連續(xù)量；感應燈設備的開和關的狀態(tài)通常用數(shù)字1和0表示，是開關量。那么，光線強度是如何控制感應燈的開和關呢？這就需要經由閾值判斷，將輸入的連續(xù)量計算生成開關量來實現(xiàn)控制。實驗分析：由前面抽象建模的邏輯圖示模型可知，感應燈亮的條件是檢測到有人，并且環(huán)境光線暗（小于閾值），這兩個條件同時滿足，要用到邏輯“與”運算。通過算法分析，程序采用分支結構，用自然語言“如果……那么……否則……”描述。其中，紅外傳感器通過擴展板P11引腳外接，將人體熱能釋放的紅外輻射轉換成電信號，并進行處理，返回1/0的值是開關量，P11=1代表感應到有人。光線強度經由閾值判斷（＜300）后生成開關量，通過邏輯“與”運算，將不同的開關量進行邏輯組合，實現(xiàn)對系統(tǒng)的狀態(tài)判斷和復雜控制。實驗記錄：用自然語言將紅外感應有人（P11=1）和光線較暗（＜300）兩個開關量條件進行邏輯“與”運算，形成新的開關量，控制感應燈亮滅，還原感應燈系統(tǒng)中的過程控制。小結：通過連續(xù)量和開關量的轉換，閾值判斷可將連續(xù)量轉換為開關量，邏輯運算可將多個開關量組合生成新的開關量，實現(xiàn)對象控制的過程。開關量數(shù)據可通過傳感器直接獲得，用于輸入，如有/無，也可通過系統(tǒng)判斷產生，用于輸出，如開/關、亮/滅等。3.代碼實現(xiàn)實驗：學生根據自然語言描述框架，回顧算法執(zhí)行流程，在Mind+中將相應的代碼用順序結構、分支結構和循環(huán)結構嵌套組合運用，并實時觀察掌控板的LED燈，不斷調整修改運行程序，直至實現(xiàn)效果——“光線暗，人來燈亮，人走燈滅”（如圖3）。小結：整個算法采用循環(huán)結構，“過程與控制”中不是一次性計算或執(zhí)行，而是循環(huán)往復、持續(xù)不斷地運行。在這種持續(xù)的運行中，從輸入到輸出的單次計算只是其中一部分，而計算的輸出會以各種方式影響輸入，從而形成連續(xù)的計算，形成閉合環(huán)路，這就是反饋系統(tǒng)。4.原理解析通過抽象建模分析、算法設計、實驗驗證，將聲控燈優(yōu)化改造為感應燈，解決了表1中的問題。但實驗完成并不意味著結束，教師要引導學生理解系統(tǒng)實現(xiàn)控制的原理，這對于理解生活中廣泛存在的過程與控制系統(tǒng)至關重要，也有利于遷移應用。教師出示感應燈的工作原理圖示（如圖4），引導學生說出步驟，并在學習單上填空完成。遷移應用“引”生長，促進計算思維迭代1.實驗遷移現(xiàn)實生活中的很多場景需要恒溫環(huán)境，如孵化小雞，需要將溫度控制在37～42℃之間，恒溫箱就是解決這類問題的控制系統(tǒng)。實驗過程可用程控加熱模塊、程控風扇模塊、微型驅動模塊及實驗板等，搭建一個簡易的恒溫箱系統(tǒng)。除了開源硬件，還可以用仿真軟件交互式設計系統(tǒng)。例如，上述恒溫箱孵化小雞實驗可采用軟件仿真設計，以游戲動畫的形式直觀呈現(xiàn)雞蛋、雞寶寶形象，并設置溫度變量，隨著溫度的變化來控制加熱燈照和風扇的啟動和關閉。以圖形化編程工具為制作支架，教師提供部分代碼模塊，學生在理解的基礎上完善程序代碼，實現(xiàn)孵化效果，體驗設計算法解決問題的過程。2.原理遷移控制系統(tǒng)一般有多種形態(tài)，有些控制系統(tǒng)的控制過程需要在人為干預下進行，稱為開環(huán)系統(tǒng)，而有些控制系統(tǒng)無需人的參與即可自動實現(xiàn)目標，稱為閉環(huán)系統(tǒng)。兩者原理的主要區(qū)別是輸出量能否返回到輸入端，與輸入量進行比較，形成閉合的環(huán)路，即是否有反饋機制。通過實驗探究，將原理遷移到日常生活設備應用中，讓學生更清楚地認識到普通電風扇需人為調節(jié)風速，是開環(huán)系統(tǒng)，而智能空調能根據環(huán)境溫度自動調節(jié)，是閉環(huán)系統(tǒng)。同時讓學生理解手動控制電燈開關和智能感應燈的區(qū)別等。了解“過程與控制”的原理，能讓學生更深入地感受到“過程與控制”是廣泛存在于生活中的一種系統(tǒng)模型，它既是常見的電器設備的運作方式，也是一些經濟事務的運作原理，是反饋、環(huán)路、優(yōu)化的過程。評價改進“促”優(yōu)化，提升計算思維品質實驗教學評價包含對學生學習效果的評價和對教師教學效果的評價[2]，本實驗主要利用學習單進行教師評價和學生自評。學習單記錄了學生對實驗設備的認識、實驗步驟的設計、實驗結論的分析以及實驗原理的表述等。教師制訂精細化的評價標準，對照學習單進行評價，了解學生對實驗學習的整體掌握程度和薄弱環(huán)節(jié)，以便及時調整教學策略，做針對性講解，以評促教；學生則根據評價標準對學習單進行自評，針對疑難、薄弱