资源简介

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。

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