基于問(wèn)題解決的控制系統(tǒng)項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

摘要：本文針對(duì)現(xiàn)實(shí)控制系統(tǒng)中的真實(shí)問(wèn)題，以項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)展開(kāi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，遵循親歷體驗(yàn)、問(wèn)題分析、抽象建模、方案建構(gòu)、實(shí)踐探究、優(yōu)化創(chuàng)新、原理解析、融合擴(kuò)展的基本思路，讓計(jì)算思維在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)過(guò)程中生成、深化、生長(zhǎng)。關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)；項(xiàng)目式；問(wèn)題解決；控制系統(tǒng)；計(jì)算思維《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“新課標(biāo)”）對(duì)“過(guò)程與控制”模塊的實(shí)驗(yàn)教學(xué)建議為：“學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，采用實(shí)驗(yàn)套件或自己配置的實(shí)驗(yàn)材料，實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)易的過(guò)程與控制系統(tǒng)”。結(jié)合新課標(biāo)要求，筆者以“樓道智能感應(yīng)燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)”為項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)主題，借助開(kāi)源硬件，結(jié)合編程軟件，依托素材資源環(huán)境等，創(chuàng)造真實(shí)的控制系統(tǒng)，并通過(guò)提出問(wèn)題、方案設(shè)計(jì)、環(huán)境搭建、實(shí)驗(yàn)踐行、優(yōu)化創(chuàng)新、原理解析、遷移應(yīng)用等環(huán)節(jié)展開(kāi)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)探究，實(shí)現(xiàn)控制核心環(huán)節(jié)——數(shù)理模型的構(gòu)造和關(guān)鍵計(jì)算程序的編寫(xiě)，從而實(shí)現(xiàn)高階思維下的數(shù)字化學(xué)習(xí)。[1]實(shí)境體驗(yàn)“啟”問(wèn)題，形成計(jì)算思維雛形在本實(shí)驗(yàn)中，筆者利用掌控板或信息科技實(shí)驗(yàn)板，并結(jié)合編程軟件搭建簡(jiǎn)易的樓道聲控?zé)魧?shí)物模型，模擬當(dāng)聲音強(qiáng)度超過(guò)某個(gè)數(shù)值時(shí)，燈亮，否則燈不亮的過(guò)程。同時(shí)，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生在觀察、體驗(yàn)實(shí)物模型時(shí)聯(lián)結(jié)生活中聲控?zé)舻氖褂酶惺?，發(fā)現(xiàn)其存在的問(wèn)題：①當(dāng)白天光線(xiàn)很好時(shí)，采集到的聲音超過(guò)一定分貝，燈會(huì)自動(dòng)亮起，浪費(fèi)電。②當(dāng)樓道沒(méi)人出現(xiàn)但周邊環(huán)境產(chǎn)生較大聲音或光線(xiàn)較暗時(shí)，也會(huì)自動(dòng)亮燈，浪費(fèi)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(chǎn)生噪音。要解決上述問(wèn)題，必須先了解聲控?zé)舻臉?gòu)造和工作的過(guò)程，感知其過(guò)程與控制的原理。五、六年級(jí)的學(xué)生邏輯思維快速發(fā)展，正處于具象思維向抽象思維過(guò)渡的階段，并且他們具備一定的分析歸納能力和計(jì)算能力，實(shí)踐操作的行動(dòng)力較強(qiáng)，非常適合展開(kāi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)助推計(jì)算思維在學(xué)生心中生根發(fā)芽。聚焦問(wèn)題“設(shè)”方案，明晰計(jì)算思維導(dǎo)向1.問(wèn)題分解本項(xiàng)目主板為掌控板，集成了多種傳感器。學(xué)生觀察掌控板，將系統(tǒng)總模塊分解為四個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的子模塊，通過(guò)學(xué)習(xí)單上的思維導(dǎo)圖（如下頁(yè)圖1）了解各模塊的功能和原理，再根據(jù)問(wèn)題描述，將要解決的復(fù)雜問(wèn)題分解成獨(dú)立的小問(wèn)題，并與掌控板模塊結(jié)合，完成“問(wèn)題分解表”（如下頁(yè)表1）。2.抽象建模從控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理兩個(gè)方向來(lái)分析，系統(tǒng)的運(yùn)作可以抽象為輸入、計(jì)算和輸出三個(gè)典型環(huán)節(jié)，根據(jù)實(shí)物模型體驗(yàn)，教師引導(dǎo)學(xué)生找出輸入來(lái)源（光線(xiàn)強(qiáng)度、聲音分貝、是否有人）和控制輸出結(jié)果（是否亮燈），嘗試推測(cè)計(jì)算過(guò)程，并運(yùn)用邏輯和數(shù)值運(yùn)算的組合構(gòu)造計(jì)算模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的過(guò)程控制。根據(jù)上一環(huán)節(jié)的問(wèn)題分解和模塊分解，初步抽象出影響樓道燈亮的關(guān)鍵因素，并利用表格理清各因素之間的邏輯關(guān)系。通過(guò)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(méi)有人不用開(kāi)燈，有人則只需要滿(mǎn)足一種情況——光線(xiàn)不好。根據(jù)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(xiàn)傳感器來(lái)感知是否有人和光線(xiàn)亮暗程度即可，建立邏輯圖示模型（如圖2）。實(shí)驗(yàn)踐行“解”問(wèn)題，生成計(jì)算思維內(nèi)核1.探索閾值在上述模型中，閾值判斷是計(jì)算的關(guān)鍵步驟。針對(duì)什么是閾值，筆者引導(dǎo)學(xué)生用感應(yīng)燈模型來(lái)體驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行的臨界狀態(tài)，感受閾值的作用。實(shí)驗(yàn)一：教師出示用掌控板搭建的樓道感應(yīng)燈模型，讓學(xué)生體驗(yàn)用一個(gè)黑盒子緩緩靠近光線(xiàn)傳感器（模擬天黑效果），當(dāng)?shù)揭欢ǖ木嚯x時(shí)，LED燈亮起，記錄掌控板屏幕上的數(shù)值，然后再緩緩地移開(kāi)黑盒子，LED燈滅，觀察屏幕上數(shù)值的變化。結(jié)論：控制LED燈亮起有個(gè)臨界數(shù)值，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到臨界狀態(tài)，數(shù)據(jù)大于或小于這個(gè)數(shù)值時(shí)，就執(zhí)行相應(yīng)的控制動(dòng)作（燈亮或滅），這個(gè)數(shù)值稱(chēng)之為“閾值”。閾值可以隨意設(shè)定嗎？樓道感應(yīng)燈亮起的光線(xiàn)強(qiáng)度臨界值設(shè)定為多少合適？筆者引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M環(huán)境光線(xiàn)變化來(lái)探究感應(yīng)燈亮起的閾值。實(shí)驗(yàn)二：學(xué)生打開(kāi)Mind+編輯器，連接掌控板，在教師的引導(dǎo)下找到獲取和顯示光線(xiàn)強(qiáng)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(qiáng)度，讀取掌控板屏幕上顯示的數(shù)值，做好實(shí)驗(yàn)記錄（如表3）。結(jié)論：黑盒子半遮擋時(shí)光線(xiàn)較暗需要亮燈，三次數(shù)值的平均值即可作為感應(yīng)燈亮起的臨界值，也就是閾值。小結(jié)：傳感器能獲取外界環(huán)境信息并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)作為輸入量，提供給控制系統(tǒng)進(jìn)行判斷和決策。2.生成開(kāi)關(guān)量光線(xiàn)強(qiáng)度是可在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的數(shù)據(jù)，是連續(xù)量；感應(yīng)燈設(shè)備的開(kāi)和關(guān)的狀態(tài)通常用數(shù)字1和0表示，是開(kāi)關(guān)量。那么，光線(xiàn)強(qiáng)度是如何控制感應(yīng)燈的開(kāi)和關(guān)呢？這就需要經(jīng)由閾值判斷，將輸入的連續(xù)量計(jì)算生成開(kāi)關(guān)量來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。實(shí)驗(yàn)分析：由前面抽象建模的邏輯圖示模型可知，感應(yīng)燈亮的條件是檢測(cè)到有人，并且環(huán)境光線(xiàn)暗（小于閾值），這兩個(gè)條件同時(shí)滿(mǎn)足，要用到邏輯“與”運(yùn)算。通過(guò)算法分析，程序采用分支結(jié)構(gòu)，用自然語(yǔ)言“如果……那么……否則……”描述。其中，紅外傳感器通過(guò)擴(kuò)展板P11引腳外接，將人體熱能釋放的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并進(jìn)行處理，返回1/0的值是開(kāi)關(guān)量，P11=1代表感應(yīng)到有人。光線(xiàn)強(qiáng)度經(jīng)由閾值判斷（＜300）后生成開(kāi)關(guān)量，通過(guò)邏輯“與”運(yùn)算，將不同的開(kāi)關(guān)量進(jìn)行邏輯組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)判斷和復(fù)雜控制。實(shí)驗(yàn)記錄：用自然語(yǔ)言將紅外感應(yīng)有人（P11=1）和光線(xiàn)較暗（＜300）兩個(gè)開(kāi)關(guān)量條件進(jìn)行邏輯“與”運(yùn)算，形成新的開(kāi)關(guān)量，控制感應(yīng)燈亮滅，還原感應(yīng)燈系統(tǒng)中的過(guò)程控制。小結(jié)：通過(guò)連續(xù)量和開(kāi)關(guān)量的轉(zhuǎn)換，閾值判斷可將連續(xù)量轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)量，邏輯運(yùn)算可將多個(gè)開(kāi)關(guān)量組合生成新的開(kāi)關(guān)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)象控制的過(guò)程。開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)可通過(guò)傳感器直接獲得，用于輸入，如有/無(wú)，也可通過(guò)系統(tǒng)判斷產(chǎn)生，用于輸出，如開(kāi)/關(guān)、亮/滅等。3.代碼實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)：學(xué)生根據(jù)自然語(yǔ)言描述框架，回顧算法執(zhí)行流程，在Mind+中將相應(yīng)的代碼用順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)嵌套組合運(yùn)用，并實(shí)時(shí)觀察掌控板的LED燈，不斷調(diào)整修改運(yùn)行程序，直至實(shí)現(xiàn)效果——“光線(xiàn)暗，人來(lái)燈亮，人走燈滅”（如圖3）。小結(jié)：整個(gè)算法采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，“過(guò)程與控制”中不是一次性計(jì)算或執(zhí)行，而是循環(huán)往復(fù)、持續(xù)不斷地運(yùn)行。在這種持續(xù)的運(yùn)行中，從輸入到輸出的單次計(jì)算只是其中一部分，而計(jì)算的輸出會(huì)以各種方式影響輸入，從而形成連續(xù)的計(jì)算，形成閉合環(huán)路，這就是反饋系統(tǒng)。4.原理解析通過(guò)抽象建模分析、算法設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將聲控?zé)魞?yōu)化改造為感應(yīng)燈，解決了表1中的問(wèn)題。但實(shí)驗(yàn)完成并不意味著結(jié)束，教師要引導(dǎo)學(xué)生理解系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制的原理，這對(duì)于理解生活中廣泛存在的過(guò)程與控制系統(tǒng)至關(guān)重要，也有利于遷移應(yīng)用。教師出示感應(yīng)燈的工作原理圖示（如圖4），引導(dǎo)學(xué)生說(shuō)出步驟，并在學(xué)習(xí)單上填空完成。遷移應(yīng)用“引”生長(zhǎng)，促進(jìn)計(jì)算思維迭代1.實(shí)驗(yàn)遷移現(xiàn)實(shí)生活中的很多場(chǎng)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(lèi)問(wèn)題的控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程可用程控加熱模塊、程控風(fēng)扇模塊、微型驅(qū)動(dòng)模塊及實(shí)驗(yàn)板等，搭建一個(gè)簡(jiǎn)易的恒溫箱系統(tǒng)。除了開(kāi)源硬件，還可以用仿真軟件交互式設(shè)計(jì)系統(tǒng)。例如，上述恒溫箱孵化小雞實(shí)驗(yàn)可采用軟件仿真設(shè)計(jì)，以游戲動(dòng)畫(huà)的形式直觀呈現(xiàn)雞蛋、雞寶寶形象，并設(shè)置溫度變量，隨著溫度的變化來(lái)控制加熱燈照和風(fēng)扇的啟動(dòng)和關(guān)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(xué)生在理解的基礎(chǔ)上完善程序代碼，實(shí)現(xiàn)孵化效果，體驗(yàn)設(shè)計(jì)算法解決問(wèn)題的過(guò)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(guò)程需要在人為干預(yù)下進(jìn)行，稱(chēng)為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，而有些控制系統(tǒng)無(wú)需人的參與即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，稱(chēng)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(jìn)行比較，形成閉合的環(huán)路，即是否有反饋機(jī)制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，將原理遷移到日常生活設(shè)備應(yīng)用中，讓學(xué)生更清楚地認(rèn)識(shí)到普通電風(fēng)扇需人為調(diào)節(jié)風(fēng)速，是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，而智能空調(diào)能根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)，是閉環(huán)系統(tǒng)。同時(shí)讓學(xué)生理解手動(dòng)控制電燈開(kāi)關(guān)和智能感應(yīng)燈的區(qū)別等。了解“過(guò)程與控制”的原理，能讓學(xué)生更深入地感受到“過(guò)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(jiàn)的電器設(shè)備的運(yùn)作方式，也是一些經(jīng)濟(jì)事務(wù)的運(yùn)作原理，是反饋、環(huán)路、優(yōu)化的過(guò)程。評(píng)價(jià)改進(jìn)“促”優(yōu)化，提升計(jì)算思維品質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)包含對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)和對(duì)教師教學(xué)效果的評(píng)價(jià)[2]，本實(shí)驗(yàn)主要利用學(xué)習(xí)單進(jìn)行教師評(píng)價(jià)和學(xué)生自評(píng)。學(xué)習(xí)單記錄了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的認(rèn)識(shí)、實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)論的分析以及實(shí)驗(yàn)原理的表述等。教師制訂精細(xì)化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)照學(xué)習(xí)單進(jìn)行評(píng)價(jià)，了解學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的整體掌握程度和薄弱環(huán)節(jié)，以便及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略，做針對(duì)性講解，以評(píng)促教；學(xué)生則根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)習(xí)單進(jìn)行自評(píng)，針對(duì)疑難、薄弱