基于问题解决的控制系统项目式实验教学实践

摘要：本文针对现实控制系统中的真实问题，以项目式实验展开实验教学，遵循亲历体验、问题分析、抽象建模、方案建构、实践探究、优化创新、原理解析、融合扩展的基本思路，让计算思维在实验活动过程中生成、深化、生长。关键词：实验；项目式；问题解决；控制系统；计算思维《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）对“过程与控制”模块的实验教学建议为：“学生在教师的指导下，采用实验套件或自己配置的实验材料，实现一个简易的过程与控制系统”。结合新课标要求，笔者以“楼道智能感应灯系统设计”为项目式实验主题，借助开源硬件，结合编程软件，依托素材资源环境等，创造真实的控制系统，并通过提出问题、方案设计、环境搭建、实验践行、优化创新、原理解析、迁移应用等环节展开项目实验探究，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，从而实现高阶思维下的数字化学习。[1]实境体验“启”问题，形成计算思维雏形在本实验中，笔者利用掌控板或信息科技实验板，并结合编程软件搭建简易的楼道声控灯实物模型，模拟当声音强度超过某个数值时，灯亮，否则灯不亮的过程。同时，引导和启发学生在观察、体验实物模型时联结生活中声控灯的使用感受，发现其存在的问题：①当白天光线很好时，采集到的声音超过一定分贝，灯会自动亮起，浪费电。②当楼道没人出现但周边环境产生较大声音或光线较暗时，也会自动亮灯，浪费电。③有人出现，但需要故意跺脚或大声喊出声音才能亮灯，产生噪音。要解决上述问题，必须先了解声控灯的构造和工作的过程，感知其过程与控制的原理。五、六年级的学生逻辑思维快速发展，正处于具象思维向抽象思维过渡的阶段，并且他们具备一定的分析归纳能力和计算能力，实践操作的行动力较强，非常适合展开实验教学，通过实验教学来助推计算思维在学生心中生根发芽。聚焦问题“设”方案，明晰计算思维导向1.问题分解本项目主板为掌控板，集成了多种传感器。学生观察掌控板，将系统总模块分解为四个功能相对独立的子模块，通过学习单上的思维导图（如下页图1）了解各模块的功能和原理，再根据问题描述，将要解决的复杂问题分解成独立的小问题，并与掌控板模块结合，完成“问题分解表”（如下页表1）。2.抽象建模从控制系统的组成结构和工作原理两个方向来分析，系统的运作可以抽象为输入、计算和输出三个典型环节，根据实物模型体验，教师引导学生找出输入来源（光线强度、声音分贝、是否有人）和控制输出结果（是否亮灯），尝试推测计算过程，并运用逻辑和数值运算的组合构造计算模型，从而实现对控制器的过程控制。根据上一环节的问题分解和模块分解，初步抽象出影响楼道灯亮的关键因素，并利用表格理清各因素之间的逻辑关系。通过分析表2可以发现，在楼道灯控制系统中，是否有人是最重要的因素，若没有人不用开灯，有人则只需要满足一种情况——光线不好。根据上述分析，再次抽象，去除声音控制模块，只需选择红外传感器和光线传感器来感知是否有人和光线亮暗程度即可，建立逻辑图示模型（如图2）。实验践行“解”问题，生成计算思维内核1.探索阈值在上述模型中，阈值判断是计算的关键步骤。针对什么是阈值，笔者引导学生用感应灯模型来体验系统运行的临界状态，感受阈值的作用。实验一：教师出示用掌控板搭建的楼道感应灯模型，让学生体验用一个黑盒子缓缓靠近光线传感器（模拟天黑效果），当到一定的距离时，LED灯亮起，记录掌控板屏幕上的数值，然后再缓缓地移开黑盒子，LED灯灭，观察屏幕上数值的变化。结论：控制LED灯亮起有个临界数值，当系统运行到临界状态，数据大于或小于这个数值时，就执行相应的控制动作（灯亮或灭），这个数值称之为“阈值”。阈值可以随意设定吗？楼道感应灯亮起的光线强度临界值设定为多少合适？笔者引导学生通过实验模拟环境光线变化来探究感应灯亮起的阈值。实验二：学生打开Mind+编辑器，连接掌控板，在教师的引导下找到获取和显示光线强度的图形化代码块。用黑盒子和光照灯模拟不同的环境光强度，读取掌控板屏幕上显示的数值，做好实验记录（如表3）。结论：黑盒子半遮挡时光线较暗需要亮灯，三次数值的平均值即可作为感应灯亮起的临界值，也就是阈值。小结：传感器能获取外界环境信息并将其转换为数据，这些数据作为输入量，提供给控制系统进行判断和决策。2.生成开关量光线强度是可在一定范围内连续变化的数据，是连续量；感应灯设备的开和关的状态通常用数字1和0表示，是开关量。那么，光线强度是如何控制感应灯的开和关呢？这就需要经由阈值判断，将输入的连续量计算生成开关量来实现控制。实验分析：由前面抽象建模的逻辑图示模型可知，感应灯亮的条件是检测到有人，并且环境光线暗（小于阈值），这两个条件同时满足，要用到逻辑“与”运算。通过算法分析，程序采用分支结构，用自然语言“如果……那么……否则……”描述。其中，红外传感器通过扩展板P11引脚外接，将人体热能释放的红外辐射转换成电信号，并进行处理，返回1/0的值是开关量，P11=1代表感应到有人。光线强度经由阈值判断（＜300）后生成开关量，通过逻辑“与”运算，将不同的开关量进行逻辑组合，实现对系统的状态判断和复杂控制。实验记录：用自然语言将红外感应有人（P11=1）和光线较暗（＜300）两个开关量条件进行逻辑“与”运算，形成新的开关量，控制感应灯亮灭，还原感应灯系统中的过程控制。小结：通过连续量和开关量的转换，阈值判断可将连续量转换为开关量，逻辑运算可将多个开关量组合生成新的开关量，实现对象控制的过程。开关量数据可通过传感器直接获得，用于输入，如有/无，也可通过系统判断产生，用于输出，如开/关、亮/灭等。3.代码实现实验：学生根据自然语言描述框架，回顾算法执行流程，在Mind+中将相应的代码用顺序结构、分支结构和循环结构嵌套组合运用，并实时观察掌控板的LED灯，不断调整修改运行程序，直至实现效果——“光线暗，人来灯亮，人走灯灭”（如图3）。小结：整个算法采用循环结构，“过程与控制”中不是一次性计算或执行，而是循环往复、持续不断地运行。在这种持续的运行中，从输入到输出的单次计算只是其中一部分，而计算的输出会以各种方式影响输入，从而形成连续的计算，形成闭合环路，这就是反馈系统。4.原理解析通过抽象建模分析、算法设计、实验验证，将声控灯优化改造为感应灯，解决了表1中的问题。但实验完成并不意味着结束，教师要引导学生理解系统实现控制的原理，这对于理解生活中广泛存在的过程与控制系统至关重要，也有利于迁移应用。教师出示感应灯的工作原理图示（如图4），引导学生说出步骤，并在学习单上填空完成。迁移应用“引”生长，促进计算思维迭代1.实验迁移现实生活中的很多场景需要恒温环境，如孵化小鸡，需要将温度控制在37～42℃之间，恒温箱就是解决这类问题的控制系统。实验过程可用程控加热模块、程控风扇模块、微型驱动模块及实验板等，搭建一个简易的恒温箱系统。除了开源硬件，还可以用仿真软件交互式设计系统。例如，上述恒温箱孵化小鸡实验可采用软件仿真设计，以游戏动画的形式直观呈现鸡蛋、鸡宝宝形象，并设置温度变量，随着温度的变化来控制加热灯照和风扇的启动和关闭。以图形化编程工具为制作支架，教师提供部分代码模块，学生在理解的基础上完善程序代码，实现孵化效果，体验设计算法解决问题的过程。2.原理迁移控制系统一般有多种形态，有些控制系统的控制过程需要在人为干预下进行，称为开环系统，而有些控制系统无需人的参与即可自动实现目标，称为闭环系统。两者原理的主要区别是输出量能否返回到输入端，与输入量进行比较，形成闭合的环路，即是否有反馈机制。通过实验探究，将原理迁移到日常生活设备应用中，让学生更清楚地认识到普通电风扇需人为调节风速，是开环系统，而智能空调能根据环境温度自动调节，是闭环系统。同时让学生理解手动控制电灯开关和智能感应灯的区别等。了解“过程与控制”的原理，能让学生更深入地感受到“过程与控制”是广泛存在于生活中的一种系统模型，它既是常见的电器设备的运作方式，也是一些经济事务的运作原理，是反馈、环路、优化的过程。评价改进“促”优化，提升计算思维品质实验教学评价包含对学生学习效果的评价和对教师教学效果的评价[2]，本实验主要利用学习单进行教师评价和学生自评。学习单记录了学生对实验设备的认识、实验步骤的设计、实验结论的分析以及实验原理的表述等。教师制订精细化的评价标准，对照学习单进行评价，了解学生对实验学习的整体掌握程度和薄弱环节，以便及时调整教学策略，做针对性讲解，以评促教；学生则根据评价标准对学习单进行自评，针对疑难、薄弱