浙教版五年级下册信息科技第二单元控制系统大单元教学设计

第二单元 控制系统【单元整体构想】一、单元内容简介计算系统是一种以计算机为核心，通过计算和处理数据来完成特定工作的系统。生活中广泛存在着“输入-计算-输出”的计算模式，与计算系统一脉相承，体现了“算法思维”的重要思想。这也是课程标准“过程与控制”模块的核心内容，同时也是用计算机解决问题的实践应用。为了降低学习难度，本单元依据计算系统的结构逻辑，围绕“输入”和“输出”两大环节进行探究，将相对抽象的“计算”环节安排到第三单元“控制系统中的计算”进行学习。同时，考虑到控制系统结构分析的需要，在本单元叙述中将“计算”“反馈”等采用“黑箱”处理。在第一单元认识系统的基础上，本单元探索的是控制系统的三个典型环节，进一步学习用计算机解决问题的一般流程，巩固计算系统中“输入-计算-输出”的基本模型，为后续深入学习“过程与控制”做好铺垫。教材将生活与计算系统进行关联，从“系统与环境交换信息”的视角来分析控制系统的三个典型环节，再以“自主可控”的思维来研究控制系统的功能与影响。本单元以“水壶烧水控制系统”为载体，分析其输入、计算、输出三个典型环节，构建对控制系统的初步认知；再借助生活中常见的控制系统案例，通过抽象与分析，探索系统的输入、输出部分，感受各种各样的输入、输出类型，意识到控制系统中控制的合理使用对学习生活的重要意义。二、单元设计的望远镜思维三、四年级的教材中已渗透了“将一个问题分解为几个小问题来解决”的基本思想。四年级上册教材安排了数据与编码的学习，秩序渐进地对解决问题的一般过程做了较为完善的阐述。五年级上册教材又系统地介绍了算法的基本知识。这些都为本单元的学习做好了知识铺垫。五年级下册第一单元“生活中的系统”阐述了系统的概念、特征及其对生活的影响，明确了系统在生活中的作用与意义。学生在科学和数学学科的学习过程中，接触到了系统与控制的相关知识，观察过“生态系统”等自然界的相关系统，对控制系统有了基本的认知。本单元将为后续学习控制系统中的计算、反馈以及综合运用自动控制做好认知铺垫，从而实现“过程与控制”模块学习过程的螺旋上升，为科学解释生活中的控制系统提供分析的策略。三、单元设计的放大镜思维本单元继续围绕“算法”核心逻辑主线展开，融合了“数据”“信息处理”等多条逻辑主线，重点强调了“计算系统可以抽象为输入、计算和输出三个典型环节”“自主可控技术对保障国家安全具有重要意义”等大概念。通过了解控制系统中三个典型环节的重要价值，学生能够根据解决问题的需求，合理地将控制系统抽象并分解为小系统进行分析，运用“输入-计算-输出”的方法分析和解决问题，形成抽象、迭代与优化的思维模式。本单元共有5节课，共同构建了“从一般到抽象”的认知过程，内容安排由浅入深，原理剖析由易到难。第4课“生活中的控制系统”，作为第一单元的过渡，借助生活中的简单案例，将系统指向控制系统，初步建立“过程与控制”的思维；第5课围绕“控制系统可以抽象为哪三个典型环节”这一核心问题展开讨论。进一步探索控制系统的内在逻辑，以“数据流”的思维来尝试分析控制系统；第6课、第7课分别介绍控制系统的输入和输出，既加深了学生对三个典型环节的理解，也为后续学习做好了铺垫；第8课以“恒温槽”实验来解释自动控制与人工控制，并将实验记录、分析、探索的研究策略渗透其中。本单元的5节课以不同的生活案例贯穿，帮助学生理解“不同控制系统有什么共同特征”这一核心问题。本单元各课内容如下表所示。课序课题主要内容第4课生活中的控制系统认识控制系统、对生产生活的影响。第5课控制系统的三个环节输入、计算、输出。第6课控制系统的输入各种各样的输入、控制系统中的输入类型分析。第7课控制系统的输出各种各样的输出、控制系统中的输出结果分析。第8课体验控制系统人工控制与自动控制、恒温槽实验。【单元目标设计】素养目标通过本单元的学习，学生能认识控制系统的重要作用，能发现有些系统存在着输入、计算、输出三个环节，通过获得输入数据，经过计算，产生输出，从而实现系统的优化与控制；能对生活实例进行分析，并抽象出输入、计算、输出三个典型环节；在常见的控制系统（如电风扇控制系统、水壶烧水控制系统、空调控制系统等）中，能快速找出“输入”与“输出”，并能区分不同类型的数据，意识到控制系统对生产、生活和重要影响，并能在实验中关注自主可控技术的应用。逻辑主线单元涉及的核心大概念单元目标描述算法1控制系统可以抽象出输入、计算、输出三个典型环节。2解决问题的一般步骤包括抽象、分解、建模和制订解决方案。1通过生活中的实例分析，理解控制系统的概念。2通过对常见控制系统的分解，能够分析控制系统基本环节。3通过对常见控制系统的研究，知道生活中处处存在控制系统。信息安全自主可控技术对保障国家安全具有重要意义。本单元还涉及的大概念：1人工智能的发展与应用会对人类社会产生深刻影响，也会给人类社会带来伦理与安全挑战。2同一个问题可以采用多种算法来解决，不同的算法可能效率不同。【单元评价设计】本单元的评价可以基于真实的生活问题创设情境，可以从“能否将简单控制系统抽象出三个典型的环节”“能否把生活中的现象用过程与控制的思想进行解释”等方面进行验证与评价。一、最终评价任务设计洗衣机接通电源后开始工作，请结合本单元的学习进行分析：1洗衣机洗衣有哪些关键环节？2每一个环节是如何逐步运转的？3请选择其中一个环节，写出该环节的输入、计算、输出分别是什么。指标描述示例价值自我评价输入环节有哪些？输入的数据是什么？输出环节有哪些？输出的是什么信号？二、评价量规设计指标内容素养指向水平描述问题分解与分析阐述1能准确获取关键信息，将问题分解为小问题。2能根据过程与控制分解的需要，分析关键信息。A能独立思考分类讨论，分解出输入、计算、输出三个典型环节。B能跟同伴合作进行分类讨论，分解出输入、计算、输出三个典型环节。C能在教师的帮助下进行分类讨论，分解出输入、计算、输出三个典型环节。环节分析与典型环节阐述1能根据洗衣机的工作流程，把整个洗衣过程分解为三个典型环节。2能结合模块思想，分析洗衣机中小模块的三个典型环节。A能独立、准确地分析洗衣机的控制过程，能把洗衣环节分解为几个小模块进行典型环节的分析。B能在同伴的帮助下，准确地分析洗衣机的控制过程，能把洗衣环节分解为几个小模块进行典型环节的分析。C能在同伴的帮助下，分析洗衣机控制过程中的典型环节。【单元过程设计】一、单元问题设计问题一：形状可以控制电焊亮灭，水龙头可以调节水量大小，生活中有没有不能控制的系统？设计意图：一方面，希望引发学生关注并回忆生活中的事物，拉近新知与生活的距离；另一方面，希望通过类似的驱动性问题激发学生对身边事物的关注，在熟悉的生活场景中感受过程与控制的意义，进而与第一单元中的系统概念进行联系，真正实现从生活中来、再到生活中去的学习历程，提高学生的算法思维水平。学生回答的引导方向：结合自己的生活经历，寻找生活中的典型案例；利用本单元即将研究的控制系统三个环节进行判断；厘清系统与控制系统的关系，把思维从原来的系统概念转换到控制系统中。问题二：不同的控制系统有什么共同的特点？设计意图：一方面，旨在唤醒学生对信息科技应用的认识。楼道中的灯光控制、家里微波炉、空调等都是控制系统的灵活应用。通过一个典型的应用实例，触发学生对普遍信息科技应用的思考。另一方面，也是为本单元的主题情境做铺垫。本单元讨论的是控制系统的典型环节，其中包含了许多复杂问题。在学习中，需要根据解决问题的关键信息，将问题分解为一系列小问题进行思考。通过探讨不同控制系统的共同特点这样一个驱动性问题，引导学生发现其中的规律，找到“输入-计算-输出”环节，以“真实任务”驱动“深度学习”。学生回答的引导方向：以身边常见的控制系统为例，说出“控制”这一核心技术，并进一步引导学生分析“输入-计算-输出”的逻辑关系，为本单元的学习做好认知铺垫。二、单元学习策略根据学生的生活体验，结合单元主题情境开展项目化学习，将单元中的两个驱动性问题细化成可操作的项目化学习关键性问题。理解控制系统的三个典型环节是本单元学习的重要内容，抓住关键信息分析问题是本单元学习的主要手段，因此，学习过程中需要将真实案例进行优化与结构化处理。另外，与本单元教学相关的生活实例有很多。建议使用实验教学法，采用模拟、仿真等手段，设计科学、合理的实验支架组织开展教学实践。也可以提供必要的实验器材、搭建实验系统，让学生以小组合作的方式开展实验探索与验证。课题第4课 生活中的控制系统教学目标1通过观察生活中的控制系统，认识控制系统。2通过身边的实例展示，感受控制系统对生活的影响。3通过对比实践，感受自主可控技术的重要性。教学重点了解生活中的控制系统，控制系统对生活的影响。教学难点感受自主可控技术的重要性。环境与素材网络状态下的计算机教室、教学演示文稿、与自主控制系统相关的资料视频。教学过程一、探索生活中很多系统是动态的，随着系统的运行，输出状态会随着输入的变化而变化。如水壶烧水，随着加热时间变长，水温会逐渐上升。那么，自动感应水龙头、停车场的道闸，楼道里的电灯，它们是怎样被控制的？二、建构控制系统是普遍存在的，在自然界、人类社会等方方面面都能找到它的身影。1认识控制系统对某个事物通过若干个环节实现管理或者控制，这些环节所涉及的装置（或者模块）就构成了一个系统，可以称为控制系统。如形状控制电灯，只要打开开关就会亮起，关闭开关电灯就会熄灭，也可以通过感应人体、感应亮度、感应声音等自动控制电灯的亮与灭。这些电灯、开关、感应模块所构成的系统就是电灯控制系统。再如水龙头控制系统，有的水龙头打开之后就会出水，水量的大小可以通过水龙头来控制，注满容器之后就可以关闭水龙头；还有的水龙头通过自动检测水压、注水量、放水速度等实现自动控制。洗衣机、电饭煲、电冰箱、空调、智能音箱、自动驾驶汽车等都是控制系统，它们给人们的生活带来了便利。2对生产生活的影响控制系统应用到生活中，提高了人们的生活质量，人们能够在一定程度上按照自己的意愿改变周围的环境。自动化的控制系统可以在生产中对温度、湿度、压力、速度及加工动作等进行智能控制；自主可控的控制系统在军事、航天等领域也有着广泛的应用。生活中的控制系统，改变了人们衣食住行的习惯，也方便了生活。如传统的烧水方式是通过燃气灶给水壶加热，需要人们自己先判断水已烧开再关闭煤气灶；自动控制的水壶会在水烧开后自动停止加热；有热保温控制系统的水壶会根据需要自动加水、自动加热烧开、自动保温。从烧水的控制发展可以看出，控制系统的不断改进给生产生活带来了很多便利。【想一想】家里的微波炉、空调等控制系统，哪些环节实现了自动控制？三、练习选择生活中的一个控制系统，画一画它未来可能会有哪些更方便的控制。【参考答案】画出空调、微波炉、电风扇等可以通过网络实现自动控制的设备的控制系统结构图。课后反思/评价标准1能画出该控制系统的基本模型。2知道控制系统的完整结构。3能有自己的创意。课题第5课 控制系统的三个环节教学目标1通过实例分析，认识控制系统的三个典型环节。2通过具体的案例探究，能分析控制系统的三个典型环节。教学重点分析控制系统的三个典型环节。教学难点分析控制系统的三个典型环节。环境与素材网络状态下的计算机教室、教学演示文稿。教学过程一、探索从外界获得的