“双新”背景下“控制及其设计”单元教学解读、分析与策略

“双新”背景下“控制及其设计”单元教学解读、分析与策略
发布时间：2022-09-02T05:05:40.154Z 来源：《中小学教育》2022年9期作者：阮武林
[导读] “控制”是技术学习核心内容，本文立足“双新”背景下高中通用技术学科“控制及其设计”单元教学要求，通过单元教学内容与教学目标的解读、单元教学重点与难点的分析
阮武林
华东师范大学第一附属中学阮武林
摘要：“控制”是技术学习核心内容，本文立足“双新”背景下高中通用技术学科“控制及其设计”单元教学要求，通过单元教学内容与教学目标的解读、单元教学重点与难点的分析，从价值观培养、技术内容组织、项目载体选择和连续性问题情境4个方面，结合实例有针对性地提出单元教学策略，并阐述单元实施效果和“控制”教学发展方向，希望对学科教学提供重要启示作用。

关键词：控制；设计；单元教学；技术思想；教学策略
受传统“技术工具论”影响，多年来学科侧重结构设计、电子设计和实体设计等教学，而忽视“控制”设计学习的重要性。

事实上，“控制”是当今世界科学技术发展的主要标志性技术,与计算机技术、现代通信技术及现代图形显示技术合成4C技术，控制论之父维纳认为控制论影响科学哲学、科学方法和认识论[1]。

陈昌曙先生认为“控制”和“采集”、“加工”一起构成人类改造世界的三大主要活动，控制的作用在于改变实物之间的相互作用和时空过程，是对关系和过程的调节[2]。

本轮新课改中，《普通高中通用技术课程标准（2020年修订版）》（以下简称“新课标”）从学生核心素养培养高度，明确将“控制及其设计”作为必修课程模块《技术与设计2》核心内容，并安排在最后一单元，突出“控制”对教材前3个单元“结构”、“流程”和“系统”设计的指挥作用。

笔者看来，“控制及其设计”核心是人类基于理念和自然规律改变世界的思想和方法，目前“控制”正向人工智能控制发展，因而“双新”背景下开展好 “控制及其设计”单元教学，对国家未来人才的技术素养培养意义重大。

一、“控制及其设计”单元内容与目标解读
1.“控制及其设计”单元内容解读
新教材“控制及设计”单元包括“控制和控制系统的认识”、“控制系统的组成和工作过程”和“控制系统的设计和实践”3节内容。

第1节“控制和控制系统的认识”包括控制与控制系统含义、控制的方法和控制的应用内容，是从人的需要和社会发展角度出发，总体上介绍控制和控制系统的含义、方法和意义相关知识，对本单元教学起启蒙激发作用。

“控制和控制系统”是技术核心概念，具有广泛迁移价值，控制主要指思想方法，是人们按照自己的设想，改变条件，促使系统朝着期望的目标发展，控制系统是指从改变条件到期望目标的发展过程中一系列环节的总和，包括硬件系统和软件系统。

控制方法首先从人是否直接参与控制过程分为手动控制和自动控制，自动控制根据人类控制思想方法的历史发展，分为机械自动控制、电子自动控制、单片机自动控制，目前向人工智能自动控制发展；控制的意义在于对生活、生产、军事等领域的广泛应用价值。

第2节“控制系统的组成和工作过程”包括“控制系统的表达”、“控制系统的基本组成和工作过程”和“控制系统的干扰”3部分内容，是从控制系统的结构介绍控制系统各部件表达、功能、工作过程和干扰，是本单元学习的关键，是第3节“控制系统的设计和实践”的铺垫，也是选择性必修模块《电子控制技术》、《机器人设计与制作》等“控制”设计的基础。

“控制系统的表达”是将控制系统目标实现的主要环节抽象成若干框图，并以信号线表示传递方向。

框图表达具有“化繁为简”的作用，是人们之间工程技术交流表达的重要方式。

“控制系统的基本组成和工作过程”从功能和过程两个维度，运用框图介绍开环控制和闭环控制两种系统各环节的作用以及反馈等概念；“控制系统的干扰”是从控制系统目标实现和外界干扰关系角度，介绍“控制系统的干扰”现象、框图表达和反馈环节排除干扰过程。

第3节“控制系统的设计和实践”包括“控制系统设计的一般过程”和“控制系统的设计案例”两部分内容，是从学以致用角度，将“控制”与真实问题的解决联系起来，从问题的发现与明确、方案的设计、模型或原型制作测试及优化等几个方面介绍控制系统设计的一般过程，通过案例让学生在具体的技术实践中，掌握运用 “控制及其设计”解决实际问题的一般方法。

可以看出本单元3节内容采用了“从一般到特殊”的内容组织方式，注重控制、控制系统、控制过程、控制系统的表达、控制系统的干扰等核心概念在“控制及其设计”中的引领作用，并联系实践，逐步细化，以控制系统案例设计，促进学生学科核心素养发展。

2.“控制及其设计”单元目标解读
“新课标”主要从“控制”的意义、控制过程和控制运用3个方面提出了单元教学要求：
第1个方面控制的意义：新课标要求“要求高中生理解控制、控制系统的含义，通过案例分析了解手动控制、自动控制和智能控制的特点和理解控制在生产和生活中的应用”[3]。

这是从学科正确价值观培养角度对本单元第1节提出的目标和教学方式要求，重在从高中生的技术认识水平出发，以形象具体案例促进学生对控制及控制系统含义、类型和生活、生产应用价值的理解。

第2个方面控制的过程：新课标要求“熟悉简单开环控制和闭环控制的基础组成与工作过程，理解其中的控制器、执行器的作用，了解干扰现象和反馈原理，用方框图表达控制系统的工作过程”。

这是从技术本体知识必备品格角度，对本单元第2节教学要求，强调开环控制系统与闭环控制系统的组成、工程过程、干扰和表达4部分学习内容，并设置了不同层次的学习要求，是结合学生核心素养发展和技术学习难易程度两方面提出的教学要求。

“控制的组成、工程过程以及控制、执行器”的作用，是从认识层面要求学生掌握的内容，对学生核心素养发展意义重大，教学要求较高；“控制系统的表达”是人脑控制设计构思方案的外部呈现，“新课标”将教学要求设定为初步学会用方框图表达控制系统，因而教学要求次之；控制系统中干扰现象和反馈原理，需要对控制系统深入分析，但高中生缺乏控制及其设计实践经验，因而学习难度较大，学习要求较低达到“了解”即可。

第3个方面控制的运用：新课标要求“根据控制系统的控制要求，确定被控量、控制量、进行简单的控制系统的方案设计，并搭建一个简单的控制系统装置，进行调试运行和综合评价”。

这是从学生关键能力培养角度，对本单元第3节提出的教学要求，学以致用，联系真实情境，在技术问题的发现与解决过程，通过控制系统方案的设计、搭建、调试和综合评价实践过程，实现整体育人。

二、 “控制及其设计”单元重点与难点分析
单元教学重点与难点通常考虑学科本体性知识、学习学习难易程度和教学实施情况等因素加以确定，单元教学重点与难点不等同于课堂教学重点与难点，比较而言，单元教学重点与难点抽象程度高，通常以章节内容为对象进行分析，而课堂教学重点与难点是以课堂内容
为对象进行分析。

1.第１节“控制和控制系统”教学重点与难点分析
本节包括“控制和控制系统的认识”、“控制的方法”和“控制的应用”3部分内容。

“控制和控制系统”的认识包括“控制”和“控制系统”2个概念，高中生首次接触这两个概念，且这两个概念具有内涵少外延广特点，对高中生学习来说理解起来比较困难，需要借助案例将概念具体化，因而是教学的难点。

“控制的方法”学习要求定位在了解手动控制、自动控制、智能控制的特点上，且学生生活中已接触大量控制产品，学习较为容易，因而既不是本节重点，也不是本节学习难点。

“控制的应用”是让学生理解控制对国家发展、社会发展的作业，从教育 “立德树人”根本目的来开，“控制的意义”重在培养学生正确的“控制及其设计”价值观，增强学习的内在动力，高中生已经具有理性认识事物价值的能力，教学不应仅仅满足于单个控制作品的物化，更需要拓宽视野、意识到“控制及其设计”的广泛、长远意义，这既是学科核心素养的现实要求，也是学生可持续发展的未来需要。

2.第2节“控制系统的组成和工作过程”教学重点与难点分析
本节包括“控制系统的表达”、“控制系统的组成和工作过程”和“控制系统的干扰”3部分内容。

“控制系统”的表达是帮助学生建立方框图概念，并初步学会用方框图表达控制系统的工作过程，建立方框图概念是“控制系统组成和工作过程”和“控制系统的干扰”学习的前提，且建立方框图需要对实体零部件的抽象转化，学生需要经过一定案例学习才能掌握，因而这部分内容是教学的重点。

“控制系统的组成和工作过程”是用框图表达控制系统若干环节组成，实现控制目标的过程，涉及控制器、执行器、控制对象等多个概念，且需要理解各环节间的关系，学习内容多，因而是本节学习重点，同时“新课标”还提出了“要理解控制系统中控制器和执行器的作用”的学习要求，这就进一步指出了本节中学习重点中的关键点。

此外，“控制系统的组成和工作过程”中还首次出现“控制量”、“输出量”等学生陌生概念，虽然新教材在本节中并没有提出具体教学要求，但新课标和新教材第3节中却有 “根据…,确定被控量、控制量…,进行控制系统的设计”要求，可见本节中应对“控制量”、“输出量”概念加以介绍，帮助学习理解其含义，但“控制量”和“输出量”是执行器和被控对象的量化属性，学习难度大，所以应将它们定位学习的难点，但不是学习重点。

“控制系统的干扰”因素具有多样性和复杂性特点，“新课标”将这部分内容学习要求定位在了解干扰现象和反馈原理”水平上，因而这部分内容不是学习重点，但教材上有结合干扰现象、引导学生理解开环控制和闭环控制的优缺点的描述，因而联系干扰现象和反馈过程理解开环控制和闭环控制优缺点是教学的重点。

３.第３节“控制系统的设计和实践”教学重点与难点分析
本节包括“控制系统设计的一般过程”和“控制系统的设计案例”两部分内容。

“控制系统设计的一般过程”即遵循设计的一般过程，也有控制系统设计的特殊性要求，特殊性主要表现在控制系统控制目标的确定、被控量与控制量的确定、控制系统结构和控制系统方框图的表达４个方面，这４个方面内容对具体案例的控制系统设计具有引领作用，因而是教学的重点内容，同时这４个方面涉及“控制目的”、“被控量与控制量”、“控制结构”等学生容易混淆的概念，因而也是学习的难点。

“控制系统的设计案例”是“控制系统设计的一般过程”的项目载体，新教材以温控电风扇为载体，从制定设计方案、制作模型和测试、评估及优化多个环节具体细化“控制系统设计的一般过程”，目的在于让学生通过具体技术项目，在实践中体验“控制系统设计的过程”，体验首先在于温控电风扇装置的方案设计，其次需要确定“控制对象、被控量…绘制系统框图”４个环节，学生思维内容多，因而是教学重点；温控电风扇模型制作结构简单，学生容易搭建，学习难度小，因而不是教学难点，但模型制作是控制系统测试的前提，因而是教学的重点；“温控电风扇”的测试受教室和监测环境要求的影响，难以在教室内呈现出差异明显的温度，客观条件增加了教学难度，因而是教学的难点；评估是对温控电风扇控制系统的评价，包括控制设计方案、制作水平和模型本身，相对来说，在完成模型制作后，面对具体模型大部分学生能客观的发表自己观点，难度小，但评估是优化的基础，因而评估是重点但不是难点；优化是评估之后提出完善方案，是再次问题发现与解决的过程，需要进一步从人的需求出发，系统性分析模型应用场景，提出优化方案，因而是学习难点。

三、“控制及其设计”单元教学策略
基于 “控制及其设计”单元教学内容、目标和教学重、难点，还需要联系学生已有知识和认知特点，确定单元教学策略。

教学策略是为实现教学目标的高效性而对多种教学方法的优化组合，以下从学科价值观培养、内容组织、项目载体选择和情境引领4个方面构建“控制及其设计”单元教学策略。

1.经多维度案例培养价值观
技术学习以项目为载体，然而无论是社会人士还是学生，往往误以为制作一件作品就是技术学习的主要任务，造成这种认识的根源与传统教学过多局限于单一作品的制作有关，而忽视项目载体本身深层育人的目的，事实上作品只是技术学习的载体，承载着技术教育知识、思想方法和价值观育人价值，尤其培养正确价值观是“立德树人”的根本任务。

例如：第1节“控制和控制系统的认识” 作为本单元导入内容是价值观培养的最佳途径，可多维度案例教学法，帮助学生理解控制的重要性，树立正确的“控制及其设计”价值观：
国防维度案例，联系“两弹一星 ”、“北斗卫星”、“蛟龙号”等典型案例，让学生意识到控制在大国重器应用价值。

工业生产维度案例，联系我国在疫情保卫战取得的成就，选取口罩自动生产控制，思考自动控制技术提高生产力，满足人们需要的作用。

生活维度案例，联系家用空调、冰箱温度控制，启发智能控制改善人们生活作用。

还可以拓宽到其它维度，如联系国际经济控制、土地耕种面积控制、国家人口控制等，拓宽学生视野，启发学生思考“控制及其设计”技术背后的深层意义。

2.按技术进化思想组织教学内容
前苏联G.S.Altshuller（阿奇舒勒）为首的专家对数百万件的专利进行总结，提出了技术进化思想，如潜水艇系统的进化，是从一只防水的桶，进化到像自行车脚蹬似得驱动船体且配有罗盘、深度尺等的大木桶，再进化到核动力潜艇，进化到集下沉、潜行、上浮并发射鱼雷的潜艇[4]。

技术进化思想本质上是人类思想的发展，反映出人类满足自身需求改变世界促进技术发展的过程。

分析本单元内容组织，可以看出本单元内容总体结构上也隐藏着技术进化思想，例如：第1节“控制的方法”中按技术进化进程依次从手动控制、自动控制和智能控制三个阶段介绍；第2节“控制系统的组成和工作过程”中依次从开环控制、闭环控制组织内容；第3节“控制系统的设计和实践”依次从“设计-实
践-优化”组织内容。

技术进化思想可为本单元教学重点、教学难点教学提供启示，以实现技术内容和学生认知特点的统一，例如：第2节教学重点“熟悉控制系统的组成和工作过程”，按技术进化思想组织教学，可分“被控对象-执行器—控制器—输入量”次序组织教学，因为被控对象的输出量直接服务人的需求，而接执行器和控制器作用是为被控对象输出量目标服务的，相比传统“输入量—控制器—执行器—被控对象”的教学方法，更符合技术实践逻辑，便以学生理解。

第3节教学重点“搭建温控电风扇”模型，传统教学教师习惯提供一种制作流程，学生按部就班完成，显然模仿式的技术操作难以真正让学生理解控制系统的工作过程，按技术进化思想，也可分“被控对象—执行器—控制器”流程制作，将制作过程和设计过程统一起来，能提供一种技术制作思维范式，手脑结合提高动手实践能力，迁移价值大。

第3节教学难点“温控电风扇”的优化，按技术进化思想，将“温控电风扇”和人们对美好生活的向往相联系，引导学生“由人到物”依次从功能和性能两个维度提出优化方案，功能上拓展到红外控制、远程控制，性能上可从能耗、稳定性、准确性、快速性思考。

3.在大概念视域下选择项目载体
项目作为技术学习内容的载体，是一般性技术内容和特殊技术内容的统一体，不同项目一般技术内容和特殊技术内容的比例不同，与技术学习内容的适合度则不同，项目载体还应考虑学生兴趣、学校条件，尤其是要注重学生可持续性学习需求，越是在技术学习内容、学习兴趣、教学条件、可持续几个方面符合性好的项目，教学适应性越好，从某种意义上来说，项目载体选择是教学科学性和教学艺术相结合的过程。

例如：
以机械动力的简易飞行器学习“控制及其设计”，虽然学生对飞行器学习感到好奇，学习兴趣高，但飞行器涉及空气动力学等知识，已经超过了普通高中生认识水平，在引导学生可持续学习存在困难，因而不适合“控制及其设计”教学，但可作为课外活动控制体验学习载体。

以水位控制装置或光控电风扇装置项目，与 “控制及其设计”内容适合度较好，且场地、材料等要求也较适合学校教学，但从单元与单元之间的联系来说，这两个项目较为“封闭”，可持续性学习不好，适合普通高中“控制及其设计”教学。

光电循线小车项目包括传感器、控制器和电机驱动电路等，与“控制及其设计”内容适合度高，材料费用、学校场地要求不高，且学好“控制及其设计”后还可进一步学习《机器人控制及其设计》和《智能家居系统设计与应用》等选择性必修课程，甚至能作为大学阶段人工智能的启蒙课程，可持续性学习好，但项目内容多学习难度大，适合示范性高中或特色高中教学。

4.以连续性问题情境引导项目化教学
学科教学注重项目载体中情境创建，但情境创建往往局限于单节新课的引入，缺乏单元视角下情境之间的联系，不利于知识结构化、整体化学习。

“新课标”强调提出基于技术实践的学习情境设计，并倡导结构不良的现实问题情境、学科问题情境设计，以促进学生应用跨学科知识解决复杂问题。

真实问题往往具有复杂性和劣构性，而复杂、劣构性问题往往由若干良构性问题组成，因而关键在于找出“良构性”问题之间的联系，形成连续性问题链。

从教学来说，连续性问题链相等于“化繁为简”，以连续性情境引导项目教学，逐步引导学生整合所学知识解决复杂的真实问题,例如：
以光电循迹小车项目实施本单元教学，以小车送货循迹情境、暂停发货情境、路人避障情境、语音提示情境等形成连续性情境，可引导学生在项目载体中学习从开环控制及其设计，过渡到闭环控制及其设计，再拓展到智能控制，层层递进，让学生在实践中真正体会到真实问题的复杂性和控制系统设计的重要性，并从内心感悟控制及其设计的价值和思想方法。

以温控电风扇控制系统设计实施本项目载体，以特定温度下电风扇的开启控制、不同温度下电风扇的转速控制、不同温度下电风扇的智能控制形成连续性情境，同样能层层递进引领学生理解控制系统方案设计对解决复杂问题的重要性。

四、“控制及其设计"单元教学实施与反思
笔者尝试以“智能循线送货（餐）车”为项目载体，实施“控制及其设计”单元教学策略，教学表明：多维度列举控制应用案例，能引起学生对“控制及其设计”学习的注意；连续性情境引导项目教学，循序渐进开展项目教学策略，有助于学生厘清复杂问题，提高学生作品制作成功率，更能激发他们对控制学习兴趣，甚至影响到部分学生大学专业选择。

按技术进化思想组织单元内容开展教学，将“控制及其设计”学习和人的需求结合起来，有利于学生理解控制系统的组成结构，对控制器、执行器和传感器在控制系统中各自作用有直观认识，能快速、正确的说出它们之间的工作次序；也能根据控制目标和反馈环节判断开环控制和闭环控制案例，部分学生还能将控制学习拓展到课外活动，在课题研究中用方框图表示控制设计方案。

同时也发现，在控制系统优化设计教学中，绝大部分学生不会、不知如何发现问题、提出优化方案，一方面可能与中学阶段学生缺乏系统性的问题发现教学有关，另一方面由于技术试验、技术测试复杂性和实验室条件限制，教学习惯从是否完成作品制作进行简单评价，没有深入细化到“质”和“量”层面进行综合评价，难以调动学生优化的积极性，事实上控制系统的优化往往将设计向“高、精、尖”方向发展，需要联系数学、物理等跨学科知识进行控制系统参数的准确控制，提升产品服务人们生活的品质，从哲学层面渗透“量变引起质变”思想，将技术和科学、人文、哲学思想融合在一起，这是“控制及其设计”单元教学“塔尖”的一些问题，是学科值得努力发展的方向。

五、参考文献
[1]通用技术—技术与设计2[M].北京：人民教育出版社，2021.
[2]陈昌曙.技术哲学引论[M].北京：科学出版社，2012：67.
[3]中华人民共和国教育部制定[M].普通高中通用技术课程标准(2017)，2017：16.
[4]赵新军,孔详伟.TRIZ创新方法及其应用案例分析[M].北京：化学工业出版社，2020：88-90.。