“智能空调系统”单元整体教学逆向设计

张立坤 钱松岭

摘要：本文以“智能空调系统”为例，根据课程标准的要求梳理学科核心概念，围绕核心概念，从目标确立、评估证据、学习活动、评价标准几个方面开展基于理解为先（UbD）模式的单元教学设计，以期让学生在联系和运用中达到深入持久的理解，实现有意义迁移的最终学习目标，促进新课标的落地，助力学生学科核心素养的发展。

关键词：理解为先；单元教学设计；智能空调系统

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2023）12-0034-04

“过程与控制”模块是《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）第三学段的内容，本模块内容的学习旨在帮助学生对复杂生活问题进行抽象、分解、建模，通过设计算法形成解决方案，理解反馈对系统的优化功能，对培养学生的核心素养具有重要作用。笔者以“智能空调系统”单元为例，在新课标视野下开展基于理解为先（UbD）模式的单元教学设计，探索新课标的落地，创造优质的教学。理解为先（UbD）模式由格兰特·威金斯（Grant Wiggins）和杰伊·麦克泰（Jay McTighe）创立。该模式运用逆向设计帮助学生达到深入持久的理解，即强调从“学习结果”出发来设计教学。整个过程分为三个阶段：第一阶段，明确预期的学习结果。第二阶段，确定能证明学生达到预期的学习效果的具体标准。第三阶段，安排相关的教学活动来实现预期的学习效果。笔者通过梳理课程标准要求，凝练本单元的大概念为：反馈促进系统功能优化。

学情分析

本单元的教学对象为小学六年级学生。在知识与技能方面，学生熟悉Python编程软件的操作，掌握顺序、分支、循环三种程序结构的基本用法，具备学习软硬件编程的基础；在计算思维方面，六年级的学生已初步形成抽象思维能力，具有一定的分析问题、分解步骤、设计算法的经验，对创意化制作作品感兴趣；在数字化学习方面，学生能够熟练使用UMU平台进行自主学习探究，会使用局域网共享工具在组内共享资源，具备进行数字化学习的基础。

确定教学目标

本单元设计围绕“反馈促进系统功能优化”的核心概念展开，将“智能空调系统”单元的教学目标分为三类：掌握知能、理解意义、学习迁移。需要注意的是，在小学阶段，教学重点应放在让学生理解反馈的过程与作用、感悟从算法到编程的转化上，活跃学生思维，启迪学生智慧。

1.掌握知能目标

知识：①根据智能空调系统的需要，有意识地选用Arduino主控板、风扇模块、温度传感器、Python编程等开源软硬件解决真实问题，感受信息科技解决问题的优势。（信息意识）②将真实问题分解为可处理的子问题，循序渐进地探究Arduino主控板、风扇模块、温度传感器的工作原理，掌握硬件连接方法和通信方法。（计算思维）

技能：①利用UMU学习平台获取学习资源，开展合作学习，感受应用在线平台进行自主探究学习的优势。（数字化学习与创新）②能用流程图的方式描述“空调系统”的工作原理，能够将系统抽象为输入、计算与输出三个典型环节；能够理解从算法到编程的转化过程，能在教师的指导下通过编程验证算法。（计算思维）

2.理解意义目标

①通过个性化迭代智能空调系统的过程，理解反馈的环路和反馈对系统的优化作用。（计算思维）

②树立节约用电、保护环境的责任意识，认识自主可控技术对解决真实问题的重要性。（信息社会责任）

3.学习迁移目标

能够迁移“智能空调系统”单元所习得的算法设计思想与编程原理解决类似情境的问题（本文以构建智能浇花系统为例）。

确定评估证据

单元评估分为表现性任务和其他证据两大类。

1.表现性任务

学习任务表现1：学生能够画出逻辑正确的流程图，会正确连接硬件，实现软硬件通信。

学习任务表现2：学生联想到生活中存在的反馈系统，如人体的反射活动。

学习任务表现3：在教师的指导下学生会修改计算控制语句，使空调由制冷模式切换为节能模式。

学习任务表现4：学生能够理解并说出智能浇花系统的工作原理和其中的反馈回路。

2.其他证据

①学生能够找到空调系统中的反馈环路，指出温度感知与反馈对系统的控制和优化作用。

②学生理解土壤湿度传感器检测的数据对浇花系统的反馈作用。

③学生主动将所学知识迁移到类似情境中。

④学生的自我评估情况。

设计教学活动

笔者将“智能空调系统”单元课时的内容分为5课时，设计了3个教学活动，单元课时分布计划如表1所示。

活动1：探索空调系统的工作机制

（1）情境问题

夏天打开空调制冷，设定一个温度。空调传感器检测室内温度，当室内温度大于设定温度时，空调持续制冷（制冷模式：风速高速运转），当室内温度降低至设定温度范围时，为了节能，使空调转为通风模式（通风模式：风速低速运转）。这种节能空调是如何实现的呢？

（2）抽象问题

①空调的工作原理。将空调的工作原理分解為控制和反馈两个部分。控制部分：在空调通电待机时，输入制冷模式和设定房间温度，空调的控制电路获取到输入信息，对压缩机下达制冷的工作指令，空调风口不断吹出凉风，房间温度下降；反馈部分：温度传感器实时检测房间温度，并传送给控制电路，控制电路比较输出与输入情况，对压缩机下达相应的工作指令，让压缩机制冷或暂停制冷，使空调内机风口吹出冷风或暂停吹出冷风，以此控制房间温度在设定的温度值附近。引导学生根据空调工作原理图理解并描述空调的工作过程。

②反馈控制环路。带领学生理解并找到空调工作的反馈回路：空调输出制冷指令，压缩机工作，使室内温度降低，改变后的温度数据被传感器检测返回输入端，重新计算调整工作部件的指令。这一过程是反馈环路。反馈对系统的优化的作用表现在：空调的消耗功率始终是在变化的，当制冷的时候，室内温度越高（设定值与室温差值越大），消耗功率越大，在设定值与室温的差值减小过程中，消耗功率逐渐减小。在小组探究后，学生能够根据图1准确描述空调系统中的反馈控制环路，感受反馈对系统的优化作用。

活动2：构建智能空调系统

将“智能空调系统”分为空调制冷模式和节能模式两个部分来分別探究构建。

（1）空调制冷模式

①分析问题。学生使用红外温度传感器探测环境温度，通过风扇模块模拟制冷效果。根据空调的输入、计算和输出环节，项目可拆解为制冷控制系统和温度反馈系统两个小系统。在制冷控制系统中，通过开关来控制制冷；在温度反馈系统中，用传感器实时检测室内温度。②描述流程。鼓励学生画出算法流程图。③连接硬件。学生通过UMU互动平台自主学习硬件连接方式。在课堂上通过小组合作完成硬件连接—主控板（arduino uno）连接红外温度传感器和风扇模块，实现温度测量和模拟制冷效果，通过行空板屏幕，实现数据显示和交互流程。④编程验证。教师编写程序，引导学生理解由算法到编程的过程。假设设定温度为settemp，检测温度为nowtemp，当nowtemp＞settemp时，启动风扇模块运转，开启制冷。⑤测试运行。运行程序，测试硬件的变化。许多学生的程序在运行过程中可能会出现错误，需要及时通过小组互查、教师指导等方式排查原因、修改程序，直至成功运行。

（2）制作节能空调

①分析问题。空调传感器检测室内温度，当室内温度大于设定温度时，空调启动制冷模式，当室内温度降低至设定温度范围时，为了节能，使空调转为通风模式。改变模式的关键是进行pwm操作，调节风扇转动速度。②设计算法流程图（如图2）。③编写程序验证。假设设定温度为settemp，检测温度为nowtemp，模式开关为m，当nowtemp＞settemp时，将模式开关设置为“制冷”，否则将模式开关设置为“通风”。教师引导学生编写程序验证。④测试与优化。提出个性化优化方案，对关键代码进行修改（如修改输入的设定温度、风扇挡位调节等），实现个性化系统功能。⑤成果展示，小组互评。

（3）反思与总结

在“智能空调系统”搭建完成后，教师要及时组织学生反思与总结。学生总结：空调系统的工作原理可以抽象为输入、计算、输出三个环节。学生反思：温度传感器实时检测房间温度，传送给控制电路，控制电路比较输出与输入情况，产生重新调整工作部件的指令构成反馈环路。思考巩固：回顾过程与控制系统的工作原理与算法设计思路，进一步感受反馈对系统控制的优化作用。

活动3：模拟智能浇花系统

（1）情境问题

寒暑假期间如何呵护教室的花草们呢？制作一个智能浇花系统，便可以在教室无人时，实现自动对花草进行浇水。

（2）抽象问题

①智能浇花系统的工作原理。通过智能空调系统的学习引导学生大胆猜测浇花系统的工作原理：向浇花系统设定一个土壤湿度的数值范围，土壤湿度传感器间隔一段时间检测花盆内的土壤湿度并将湿度数据输出，控制电路比较输出与输入情况。当输出值小于设定的土壤湿度数值时，使水泵启动，执行开始浇水指令；当输出值大于设定的土壤湿度数值时，使水泵关闭，执行停止浇水指令，以此控制土壤湿度在设定的湿度值附近。

②智能浇花系统的设计思路。首先，梳理智能浇花系统的工作流程，画出流程图；其次，搭建软硬件平台，连接软硬件进行通信；最后，编程验证，测试功能。

（3）教学实施

教师引导学生理解并说出智能浇花系统的工作原理与设计思路。教师准备教具，为学生演示智能浇花系统的实现过程。学生体验浇花系统的完整工作过程，进一步感受反馈对系统的优化作用。教师鼓励有兴趣的小组将智能浇花系统应用于实际教室环境中。

评价标准

通过评价反馈，可以客观地评估学生的学习效果及教师的自我教学效能，从而提高单元设计的质量。笔者设计的学生自我评价标准如表2所示。

总结

过程与控制系统在生活中发挥着不可或缺的作用，笔者以“智能空调系统”单元为例进行基于大概念的单元教学逆向设计，促使教师重新审视教学组织对学生成长的价值与意义，并引导教师从“追求理解的教学”角度思考，使教学思维由学科内容转向学科核心素养目标。

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[M].北京：北京师范大学出版社，2022.

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

[3]崔允.如何开展指向学科核心素养的大单元设计[J].北京教育：普教版，2019（02）：11-15.

本文系吉林省社会科学基金项目“吉林省儿童数字风险与机会现状及其改善策略研究”（2021B139）的研究成果。