卓凌颖 丛 敏

（1.福州第七中学，福建 福州 350012；2.福建教育学院，福建 福州 350025）

《2061 计划》指出：“技术和科学、数学一样，已经成为当代社会变化的中心，它们引起社会变化、塑造社会变化并应对社会变化，成为今日儿童应对明日世界的基础。”［1］2019 版普通高中通用技术（苏教版）教材依据《普通高中通用技术课程标准（2017 年版2020 年修订）》，秉承大过程、大概念、大项目、大综合理念，倡导情境化教学、递进式任务，促进学习的丰富性、思维的开放性、方案的多样性、评价的启发性，由简单的、机械的“动手做”走向有理念、有深度的“动脑做”，落实核心素养，凸显技术课程育人价值。［2］自制教具体现通用技术课程的性质与特点，通过近距离观察、动脑设计、动手实践，有效帮助学生由感性认知深入理性运用，在主动参与、互相合作探究式学习中，较长时间维持思维活跃度，全面深刻掌握知识技能，在实践中提升核心素养。

一、《技术与设计2》“控制及其设计”的教学瓶颈

布鲁纳认为“学生获取知识的过程往往是通过动手操作所获得的”［3］，仅依靠课本图文内容、聆听教师讲解、观看控制视频、绘制控制方框图等方式难以深入理解控制过程。教具作为辅助教学的用具，可以使知识具体、形象，有效帮助学生由表及里，化繁为简，有利于突出教学重点、突破教学难点。当前2019 年苏教版通用技术必修课程《技术与设计2》的教学瓶颈在于配套教具不全且价格昂贵。

（一）新版教材缺少实用配套教具

《技术与设计2》新版教材配套教具多由代理公司生产，非一线教师设计，部分章节甚至没有对应的教具。“控制及其设计”是《技术与设计2》的难点，开环与闭环控制系统的区别与联系又是“控制及其设计”中的难点，该章节知识、概念抽象晦涩。教材中“电热水器”“空调及电冰箱温度控制系统”等温控案例虽贴近生活，［4］但未有匹配的教具满足学生技术实践与探究，缺少学生亲历情境、亲身体验、亲手操作的载体，因此亟需自制教具突破教学难点。

（二）配套教具具有滞后性且价格昂贵

新版教材配套教具如风扇模型、自动配货装置等因经历开发、研制、生产、优化等环节需要大量时间，在实际教学中具有明显滞后性，且不一定符合各地各校教学实际。部分配套教具价格高昂，学校采购负担大，不利于开展分组技术实践或探究。自制教具因取材便利、结构简单、制作容易等特性填补了配套教具不足这一缺口，节省了采购经费且满足不同技术探究需求，得到众多通用技术教师青睐。

二、自制智能浇花教具载体的选择及设计

《普通高中通用技术课程标准（2017 年版2020 年修订）》倡导创设基于生活的真实情境，强调学生通过合作、探究开展深度学习，自主构建知识体系。在具有技术性、真实性和综合性的问题情境下，学生更容易开展主体性探究活动，落实发展核心素养。

（一）自制教具有利于提升学生核心素养

自制教具具有良好的启发性，学生参与自制教具的设计与制作，有效落实新课程理念提出的“做中学，学中做”。对教具的需求、构思、设计、制作、优化及使用过程，既是设计一般过程的具象化，也是通用技术核心素养的具体应用。自制教具利于引发学习兴趣和思考，促进学生主动参与、合作交流。学生在这过程中成为课堂的主人，师生在实践中共同成长，工程思维、创新设计、物化能力等核心素养得到提升。

（二）自制智能浇花教具载体的选择

“控制及其设计”重难点之一是学生通过技术体验或探究分析、理解开环及闭环控制系统的工作过程。学生熟悉的简单控制系统有电动门、抽水马桶水位控制、浇花装置等，通过挖掘情境要素，以“浇花装置”创设情境，涵盖手动控制与自动控制、开环控制与闭环控制、反馈与干扰等知识点。自制智能浇花教具运用新理念、新材料、新技术、新方法，将延时继电器模块、湿度检测比较模块等硬件与传统浇花装置有机融合，模拟主人无暇照顾植物情况下对植物进行科学浇水，［5］情境真实有效。

（三）自制智能浇花系列教具的组成构件及功能

三、自制智能浇花教具在教学中的应用

自动智能浇花教具根据3 个层层递进的情境，使开环控制系统与闭环控制系统具象化。3 个系列浇花教具分别满足不同情况下盆栽无人照顾时为植物自动、科学浇水的需求，学生通过小组合作探究搭建模型解决真实问题，感受开环与闭环控制的具体应用，培养工程思维、创新设计、物化能力等核心素养。

（一）系列1：定时自动浇花教具

1.情境：暑假将至，教室外绿萝无人照料，绿萝喜湿热环境，需保持盆土湿润，否则易引起叶黄和株形不佳，怎么解决暑假为绿萝浇水问题？

2.设计意图：学生通过对生活中具体情境中的技术要求进行提炼，辨析手动控制、自动控制的特点；通过设计、制作定时自动浇花教具技术体验活动，理解控制系统的含义，熟悉简单开环控制系统的基本组成和工作过程，理解其中控制器、执行器等作用，辨析开环控制系统的特征。

3.应用：传统人工浇花属于手动控制，学生通过头脑风暴，想出虹吸法、液压法、定时器自动浇灌等自动浇花方式，通过不同方式对比感受手动控制与自动控制的区别与联系，理解人工控制需要人的直接与全程参与，自动控制也需要人的间接参与。部分小组选择定时器自动浇灌方式，涉及“5V 多功能延时继电器模块”，对于学生来说，这是一种未接触过的电子设备，在阅读说明书、上网查询、学习使用方法视频过程中，学生的技术意识及工程思维得到培养。他们通过分工合作，分别利用网络查询绿萝需水量，测定水泵、水管、可调喷头连接后的出水量。在不断试验过程中，学生确定最适合的定时模式为绿萝浇水，受限于“5V 多功能延时继电器模块”定时、延时时间范围为0.1 秒～999 分钟，设计上午6：00 通电，浇水25 秒（浇水量约250 毫升），间隔720 分钟，无限循环模式。各小组因水泵出水量不同，设计的参数略有不同，符合新课标提倡的自主、合作、探究学习方式。学生绘制连接示意图，组装、调试、定时自动浇花教具，描述定时浇花的过程，分析、理解开环控制系统的基本组成和工作过程，理解控制器（5V 多功能延时继电器模块）、执行器（卧式直流水泵）等作用，辨析开环控制系统的特征，提炼出开环控制系统方框图（如下图），在突破知识难点的同时提升图样表达与物化能力。

（二）系列2：带湿度检测的自动浇花教具

1.情境：福州夏天多雨，绿萝放置在窗外，定时自动浇花装置无论晴雨天气都按照已设定的时间定时浇水，导致雨天盆土积水，容易引起绿萝烂根、枯叶。如何解决重复浇水问题？

2.设计意图：学生通过设计、制作带湿度检测的自动浇花教具实践体验，分析闭环控制系统的基本组成和工作过程，分析反馈干扰现象及其基本原理，学会画闭环控制系统方框图。

3.应用：定时自动浇花教具是开环控制系统，单线程工作，达到设定时间即开始浇水，输出量不对系统的控制产生任何影响，所以在雨天容易造成重复浇水的现象。为解决这个问题，学生通过交流探讨，得出需要在原有定时自动浇花教具基础上加入自动检测湿度的装置，根据土壤湿度情况决定是否浇水（此句为从情境过渡到后面的实操）；然后在合作探究中选择将土壤湿度传感器配合以LM393 芯片为主控单元的湿度比较器一起使用。学生通过网络查询适合绿萝盆土的湿度值，将湿度传感器插入花盆土壤中，根据绿萝的需水量向土壤浇水，浇到土壤湿度合适为止，不同组检测到的湿度值可能不同，请学生分析可能的原因。有的小组观察细致，留意到湿度传感器检测深度为38mm，插入土壤部分过多或过少可能会带来检测的误差,即来自外界的干扰。在保证湿度传感器位置有效的基础上，用螺丝刀调节比较器上灵敏度调节电位器直到DO-led 灯暗。当阳光照射土壤水分蒸发，土壤湿度低于设定值，DO-led 灯亮，继电器吸合，水泵开始抽水浇灌，当土壤湿度值达到设定值，停止浇水。在试验与实践中，学生的工程思维及物化能力得到提升。

3.湿度检测自动浇花教具闭环控制系统如下图

学生在发现与明确问题的基础上，收集相关信息，提出符合设计原则且具有一定创造性的构思方案，组装、设置湿度检测自动浇花教具，分析湿度检测自动浇花教具闭环控制系统的工作过程，理解输入信号是设定的土壤湿度，湿度传感器检测到土壤湿度信号返回控制系统的输入端，通过具有计算功能的比较器（湿度检测模块）与给定的湿度值做比较，构成一个闭合回路，以此控制浇水与否，明晰湿度检测模块在闭环控制系统中的作用。

（三）系列3：特定时段湿度检测智能浇花教具

1.情境：夏天早晚与中午温差大，如在中午温度高时浇水，植物因蒸腾作用旺盛，易产生生理干旱甚至枯死。如何避免夏天中午高温但土壤干自动浇花装置启动浇灌的问题？

2.设计意图：根据浇花情境中蕴含的问题的要求，确定被控量和控制量，能够根据问题设计适宜的自动浇花控制系统的方案，搭建一个控制系统装置或模型，并对所搭建的控制系统进行调试运行及综合评价。

3.应用：学生查询绿植养护网站，得到“一般情况下，浇花时水温和土温相差5℃左右比较合适”的信息，通过讨论，部分小组尝试同时串联多功能延时继电器模块和湿度传感器、湿度比较模块，组装“在特定时段湿度检测智能浇花教具”。根据福州气候气象特征，针对绿萝这种植物，讨论协商早上6∶00-8∶00，下午6∶00-8∶00 为较为合适的浇灌时间段，在浇灌时间段内，检测到湿度低于设定值才开启抽水浇灌功能，非浇灌时间段，无论湿度如何，不启动浇水，以避免植物在高温下吸收水分形成生理干旱甚至枯死。该探究过程是对开环、闭环控制系统的综合利用与拓展延伸，学生根据设计对象和现有条件制订解决技术问题的方案，解决现实生活中浇花问题，具有参与技术创新设计的愉悦感与解决真实问题的成就感。课后留有拓展作业，请学生想想自动浇花装置还可以怎么改进？结合智能家居，能否设计一款可远程查看植株情况，兼顾手动与自动控制、提高控制精度的智能浇花控制系统。

四、结语

陶行知提倡“生活即教育”［6］，瑞士教育家裴斯泰洛齐提出“实物教学法”［7］，自制智能浇花装置让“控制及其设计”中的开环与闭环控制系统活起来，将感性认识与生活实际结合在一起，提升知识技能的运用，促进核心素养的达成。