【跨学科+虚拟模拟】小学信息科技 | 小学信息科技过程与控制”教学实践探索——以《土壤湿度控制好》一课为例

小学信息科技过程与控制”教学实践探索

——以《土壤湿度控制好》一课为例

【摘要】：本文以《土壤湿度控制好》一课为例，围绕“过程与控制”模块中“输入—计算—输出”的学习要求，从计算思维、科学依据、数学逻辑与劳动体验四个维度出发，设计并实施“虚拟模拟—实物验证”两阶教学路径。在教学中，学生借助交互式数字化学习资源发现阈值作用，通过流程图表达控制过程，并在传感器实物操作中理解数据波动与闭环控制特点。该实践呈现了学科融合视角下小学信息科技“过程与控制”教学的一种组织方式。

【关键词】：过程与控制；跨学科；虚拟模拟；实物验证；小学信息科技

《义务教育信息科技课程标准(2022年版)》(以下简称“课标”)在“过程与控制”内容中指出，要让学生通过体验身边的过程与控制现象，认识其可以抽象为包含输入、计算和输出三个典型环节的系统，并在具体实例中理解反馈在控制过程中的作用“。这一要求既强调对控制过程基本结构的认识，也强调在真实情境中通过观察、分析与实践形成理解。

在此背景下，笔者以《义务教育信息科技课程教学指南》中的六年级第18课《土壤湿度控制好》为例，以自动浇水为情境载体，引导学生认识基于传感器数据的控制过程[1]。本课由三个递进任务构成：任务一“探秘自动浇水”，了解自动浇水系统的基本原理；任务二“设计自动浇水”，形成控制规则；任务三“模拟自动浇水”，通过传感器等实物操作验证控制逻辑。三个任务共同指向“输入—计算—输出”这一核心概念：传感器读取湿度为输入，阈值比较为计算，水泵启动或停止为输出。在本课教学中，教师以阈值控制为切入点，引导学生理解反馈、判断与输出调节之间的关系，但在实际教学中，学生对这一控制链路的理解并不会自然形成。当教师提问“什么时候该浇水”时，学生往往基于生活经验作出“土干了就浇”等判断，但难以说明判断依据，也不容易将经验性认识转化为可执行的控制规则。这一学习障碍主要体现在三个方面：一是规则建构，学生难以将经验判断转化为明确的条件表达；二是算法表达，学生难以用流程图等形式呈现控制过程；三是数据理解，学生对真实测量中的数据波动及其判断意义认识不足。

与此同时，上述三个方面又分别关联着计算思维、科学依据、数学逻辑与劳动体验这四个不同的学习维度：计算思维强调从经验到规则的抽象过程，科学依据指向植物需水规律与阈值设定之间的关系，数学逻辑体现为比较运算及分界点的理解，劳动体验则使屏幕中的判断转化为真实的养护行动。基于上述分析，笔者从跨学科视角出发，将计算思维、科学依据、数学逻辑与劳动体验四个维度融入教学设计，构建“虚拟模拟一实物验证”两阶教学路径，同时，关注学生对“阈值一流程一反馈”这一控制逻辑的理解过程。

本课例构建的“虚拟模拟一实物验证”两阶教学路径如下图所示。虚拟模拟重在帮助学生在可控环境中发现控制规则，实物验证重在引导学生理解规则在真实情境中的应用。这两个阶段相互衔接，共同服务于学生对“输入一计算—输出”控制逻辑的理解。

该路径围绕三个学习进阶展开：其一，在虚拟模拟中通过调节参数、观察反馈，促进学生发现阈值作用，完成初步规则建构；其二，借助流程图表达控制过程，引导学生将操作经验转化为结构化的算法表达；其三，通过传感器等实物操作进入真实测量情境，使学生认识数据波动，并理解反馈数据对系统输出的调节作用。由此，学生的学习不再停留于“会操作”，而是逐步转向“能解释”“会表达”和“能验证”。

在虚拟模拟阶段，教师利用生成式人工智能工具开发交互式数字化学习资源。该资源设置了可拖动的湿度滑条、红格刻度、自动浇水状态反馈以及阈值参数调整等功能，为学生提供可操作、可观察、可反复试验的学习环境。

学生通过调节湿度参数，观察“浇水/停止”状态变化，逐步发现湿度数值与系统反馈之间的关系。当湿度低于某一数值时，系统启动浇水；当湿度高于该数值时，系统停止浇水。通过多次试验，学生逐步锁定这一“分界点”，并形成对阈值作用的初步认识。这样的学习过程，使学生能够把“土干了就浇”的经验性判断，转化为“湿度低于阈值则启动浇水”的规则表达。

在学生形成初步规则认知后教学进入实物验证阶段。学生借助土壤湿度传感器等硬件获取数据，并在不同样本中进行测量、记录和比较。

与虚拟环境中相对稳定的数据不同，真实测量结果会受到测量位置、插入深度、土壤湿度分布等因素的影响，因而呈现一定的波动。面对这种变化，学生需要通过多次测量与比较进行判断。在实践过程中，学生开始意识到，控制过程不能只依赖单次数值，而需要结合反馈数据持续判断并调整输出。这一过程有助于学生理解闭环控制的基本特点。

从“输入一计算—输出”的视角看，两个阶段各有侧重。虚拟模拟阶段侧重让学生理解“计算”环节(阈值比较)，即根据输入值做出判断；实物验证阶段则进一步拓展到“输入”和“输出”两端，使学生在传感器读数与水泵动作之间建立联系。

两个阶段并不是割裂的，它们之间是递进的关系。虚拟模拟帮助学生发现控制规则，实物验证则使这一规则在真实情境中得到检验。通过这样的衔接，让学生经历从发现规则到表达规则再到验证规则的学习过程，逐步形成对“过程与控制”的整体认识。

片段一：“它什么时候才浇水？”计算思维的萌芽

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