信息技術與通用技術跨學科融合教學設計探究*
——以“控制系統”相關內容的教學為例

張鵬峰|浙江省杭州外國語學校

一、信息技術與通用技術跨學科融合教學設計的背景

當前基礎教育界以“學科課程”為中心的劃分法，未考慮不同學科之間的關聯性，容易造成“經驗片段化”和“知識割裂化”。由于生活是非常復雜的，超越任何單一學科所能解決的范圍，也不是不同學科簡單的疊加，因此跨學科和學科統整是大勢所趨［1］。學科統整打破了學科之間的界限，跨學科教學的目的在于探討來源于生活的主題，幫助學生理解和解決真實生活中的問題。因此，教學目標應該是培養學生的核心素養，教學內容應該是學科知識、跨學科知識和生活知識的有機融合。教學內容可以由師生共同構建，以激發學生的參與熱情，如采用大單元設計教學，教師負責構建項目主題所需的結構性和進階性知識系統，主題可來源于學生的生活，設計的問題可來源于學生的主動觀察和思考。

通用技術和信息技術是兩門實踐性很強的學科，其中有很多相通的概念，如編程、電子控制、機器人和人工智能等。目前，浙江省雖然通過高考將它們“綁”在一起，但教學則是完全獨立的。在強調大概念引領和深度學習的當下，將課本知識與現實生活結合起來，基于真實情境設計融合這兩門學科的跨學科教學，更有利于核心素養的落實和創新人才的培養。

隨著信息技術的發展，信息技術課程中講到的開源硬件microbit，通用技術課程中用到的everycircuit 等電路模擬軟件、三維設計軟件，以及大量的網絡數字資源，為各種智能化項目的順利開展提供了技術支持。下面，筆者以“控制系統”相關內容的教學為例，探究信息技術與通用技術跨學科融合教學設計的路徑和實施策略。

二、信息技術與通用技術跨學科融合教學設計的路徑

（一）融合不同學科的核心素養

核心素養有四個維度，即知識維度、實踐維度、思維維度和人格維度，這四個維度是共生的，其中：知識維度包括獲取信息、組織信息以及理解事實和概念上的關系；實踐維度涉及以應用的方式使用所學知識，如設計、制造、生產和評估；思維維度要求通過提問、分析和決策來理解信息；人格維度是與之相適應的世界觀、人生觀等內在價值系統［2］。

研究中國學生發展核心素養（人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實踐創新），學科核心素養（通用技術：技術意識、工程思維、創新設計、圖樣表達、物化能力；信息技術：信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任），以及中國高考評價體系所考核的核心素養（一核四層四翼），筆者發現這兩門學科的核心素養雖然因結合學科特點在表述上有所不同，但是與中國學生發展核心素養和高考評價體系所考核的核心素養一脈相承，都包含了以上四個維度。

（二）整合教學內容

基于真實情境的項目式學習，是跨學科課程設計的主要學習形式，課程單元編制以“主題—探究—表達”的方式進行設計。為在落實學生核心素養的同時兼顧學科知識的系統性和連貫性，教師可以設計一系列項目，以項目難度的螺旋上升體現知識的結構性和進階性。

蘇教版普通高中教科書《通用技術》必修2《技術與設計2》第四章的內容為控制系統，選擇性必修1《電子控制技術》的內容涵蓋控制的概念、控制系統中常用元器件（三極管、邏輯門、傳感器等）的性能，以及用基礎元器件設計控制電路的方法。浙教版普通高中教科書《信息技術》必修2《信息系統與社會》第二、四章也涉及控制系統的概念以及實現設計控制系統所需要的硬件（包含傳感器和microbit等），選擇性必修1《數據與數據結構》第二、五章則為控制系統的實現提供了算法基礎。

筆者以“控制系統”為大概念，系統整合通用技術和信息技術相關內容，設計難度呈螺旋狀進階的一系列項目。項目中包含對軟件和硬件的學習，為控制項目的難度，軟件和硬件的內容在深度上應層層遞進。依據難度的遞進邏輯，筆者將項目分為三個梯度。梯度一“基礎控制電路”：特點是元器件單一，程序簡單；目標是理解控制的基本概念，學習microbit和相關編程軟件、程序語句的基本用法，運用電路模擬軟件everycircuit 理解三極管的工作原理。梯度二“智能控制系統”：特點是增加了傳感器，提升了系統與環境間的交互能力，需運用多個元器件或者復雜程序語句控制電路；目標是理解開環控制系統的概念，綜合運用microbit 和三極管等元器件設計電路，并通過人機交互和簡單算法的運用，增加控制系統的實用性和趣味性。梯度三“基于真實問題的控制系統”：特點是教學內容主要由學生生成；目標是引導學生運用設計思維從生活中發現問題，并運用工程思維和計算思維解決問題。梯度項目詳細設計如下。

【梯度一】基礎控制電路

［項目1］定時照明燈

內容：運用microbit控制燈亮的時間。

目標：（1）理解控制的概念；（2）掌握硬件的使用。

［項目2］交通紅綠燈

內容：運用microbit控制多盞燈輪流亮。

目標：理解循環語句。

［項目3］光控燈

內容：（1）運用everycircuit 做探究三極管工作原理的虛擬實驗；（2）運用三極管設計控制電路。

目標：（1）了解光敏電阻的性能；（2）學習everycircuit的用法；（3）理解三極管的工作原理。

【梯度二】智能控制系統

［項目4］人機交互——智能交通燈

內容：（1）運用microbit 設計開環控制系統；（2）利用everycircuit 設計能實現同樣功能的三極管電路。

目標：（1）理解開環控制原理；（2）理解傳感器的工作原理；（3）通過對比不同控制方式，加深對控制的理解。

［項目5］亮度指示器

內容：運用光敏傳感器和microbit 設計控制系統。

目標：（1）理解數組的概念；（2）掌握循環和條件語句的運用。

［項目6］智能小車速度、方向控制

內容：（1）運用555 芯片和三極管設計控制電路；（2）綜合運用microbit和三極管設計控制系統。

目標：（1）學會運用元器件搭建復雜控制系統的方法；（2）對比不同控制方式的優劣。

［項目7］智能馬桶水箱水位控制系統

內容：綜合運用傳感器、microbit和三極管等設計控制系統。

目標：理解閉環控制系統概念。

【梯度三】基于真實問題的控制系統

［項目8］（1）自行選擇生活場景，根據外界環境控制顯示屏、電機等裝置；（2）基于生活中的真實場景，通過數據收集與分析，自行建模，并設計控制系統的方案

內容：綜合運用傳感器、microbit和三極管等設計控制系統。

目標：（1）自主生成學習內容，應用知識解決生活中的問題；（2）逐步增加任務的開放性。

（三）實施綜合性評價

鑒于核心素養包含知識、實踐、思維和人格等四個維度，評價不同維度的素養，需要采用與之匹配的評價方式。目前對知識維度的評價以標準化測試為主，對其他維度的評價則以表現性評價為主。表現性評價的三個核心要素是評價目標、表現性任務和評分規則［3］。評價目標一般要基于課程標準中詮釋的學生應該達到的素養水平和需要掌握的學科核心知識。表現性任務應基于情境中的問題解決和理解的六個側面（解釋、闡明、應用、洞察、神入、自知），設計學生將要經歷的認知過程。評分規則是基于評價目標設計包含評價維度和表現等級的量表。

考核的素養不同，表現性評價的任務設計和量表的評價維度也會不同。如：對人格維度的核心素養，主要從團隊合作與領導能力、管理項目的系統思維能力兩個方面來評價；對學科類核心素養，可以從科學探究能力、解決方案的創新性、工程思維與計算思維、實踐能力四個方面來評價。教師應該明確，傳統評價和新型評價之間是互補的，而不是相互替代，項目化學習的評價應該是多種評價方式有機整合的綜合評價系統［4］。

三、信息技術與通用技術跨學科融合教學設計的實施策略

（一）以教學環境引導內容生成

教學環境是開放的。有形的教學環境是有電腦和相關實驗器材的實驗室，課桌布置要便于學生團隊合作。無形的教學環境指教師提供數字資源、能引導學生自主探究的思維支架、評價量表，以及活動開展的組織形式。

“控制系統”相關內容的教學以學生體驗和探究為主。教師提供資源和支架，以數字化工具引導學生運用技術手段分析、解決和評估問題，幫助學生理解核心概念、實現思維升級。同時，教師還要研究不同學生的特長，引導其在團隊中學習如何合理地分工與合作，提升合作學習的有效性。

教師要基于真實情境設計生活化的項目，使課本知識與生活實際相結合，并設置合理的項目梯度，使軟硬件的教學有序連接。如整合兩門課的相關知識，運用microbit 設計控制電路，便于學生從整體上理解控制系統的概念，用分立的電子元器件設計電路，便于學生深刻理解元器件的性能。

為了使教學內容具有生成性，教師要運用豐富的教學資源和技術手段，給學生更多自主探索的空間。如設計開放的項目，用數組和循環語句控制多盞燈的明暗，讓學生自行選擇應用場景和設計內容。

（二）以表現性任務規范實踐活動

研究美國NAEP 網站上給出的素養評估例題，我們可以發現在技術與工程類課程中，基于核心素養的表現性任務設計有五個特點：一是以問題解決的工程思維流程為主線，設計每個階段的任務，即分析問題、設計解決方案、方案測試評估、方案溝通；二是在分析問題階段，要求運用相關學科知識，進行科學探究；三是在方案設計階段，要求考慮客戶需求和現實各種因素的限制與約束；四是根據評估反饋對方案進行更新迭代；五是在溝通交流方面，要求運用科學分析、數學建模、三維設計等手段進行技術交流。

對上述項目5，教師可以在梯度一相關項目的基礎上，增加更為復雜的生活場景，如“城市中某些路燈過于明亮造成能源浪費、影響生態環境和人們休息等諸多問題，請設計黑暗友好型智能照明控制系統”，使解決問題的途徑更加多元。表1 是“智能照明控制系統”的表現性任務設計及評價素養目標。

表1 “智能照明控制系統”的表現性任務設計及評價素養目標

（三）以數字技術落實核心素養

數字技術的運用使知識變得可視化，如everycircuit可以清晰地顯示電流的流動、電壓的變化，既能增加學生的直觀經驗，便于學生進行電路性能的探究，又能減少實物實驗中誤操作、元器件燒壞等問題的出現，節約實驗時間，提高實驗效率。數字資源的運用可延伸課程的內涵和外延，如學生可通過閱讀文獻，了解科學家的前沿研究、產業的最新動向、人民的需求等。

基于網絡的課堂，可以真正實現因材施教。教師不再是唯一的知識輸出端，課堂變得多元而立體，由此不同學生在同一堂課上就可以學習不同梯度的內容，這賦予有能力的學生自主探究的空間。而數字技術的運用，則使表現性評價的可操作性越來越強，這些都有利于落實學生的核心素養。

綜上，信息技術相關內容的教學為學生設計控制系統提供了工具，通用技術則提供了相應的理論和應用場景，二者的跨學科融合教學設計及數字手段的運用，使學生“設計控制系統”成為可能。而設計一系列螺旋進階的項目，既能通過項目的進階實現知識的系統化教學，又能利用項目化學習的優勢培育學生的核心素養。