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信息科技 五下
第15课《恒温箱实验》教学设计
教学内容与学习对象分析：
一、教材内容分析
本课内容主要包括“设计恒温箱的硬件结构”、“设计恒温箱的控制算法”和“调试验证与改进优化”，重点学习的大概念是“通过体验和认识身边的过程与控制，了解过程与控制可以抽象为包含输入、计算和输出三个典型环节的系统”和“通过观察身边的真实案例，了解一个大的系统可以分解为几个小的系统，一个系统也可以划分出功能相对独立的多个模块”。
本课是第三单元的第7课，在五下第二单元第8课“体验控制系统”初步认识恒温箱的基础上开展恒温箱的设计与实验，对五年级上册第三单元“控制系统中的计算”所学知识进行综合应用，是本单元的综合性项目学习活动，也是本学期知识的综合应用与学习评估。为六年级下册中自动控制系统的反馈与优化做好认知铺垫，完成知识的螺旋上升。
本课继续围绕“算法”核心逻辑主线展开，融合“数据”“信息处理”等多条逻辑主线。主要探讨恒温控制系统的设计与实现，围绕主题“恒温箱系统”，应用控制系统中的计算知识开展硬件结构设计、控制算法设计和验证调试等过程的学习，体验恒温箱控制系统的制作过程，从而增强控制系统中计算的原理理解。
二、学习对象分析
本课学习对象为五年级学生。经过第三单元的学习，学生已经对控制系统中的计算环节有了具体的认识，并且了解了查表计算、条件计算和循环结构在控制系统计算环节中的应用。学生在第二单元体验过恒温槽的运行，并在条件计算一课中深入学习了温度控制的算法实现。对于温度控制系统的应用学生有认知基础，但缺少将所学知识转化为解决问题的能力，对温度控制系统的认识还停留在仿真效果和部分算法的实现，缺少对真实环境下温度控制系统的体验。因此本课将重点学习搭建实物恒温箱环境、设计并验证真实环境下的恒温箱控制算法。恒温箱实验一课中，是五年级学生基于真实需求首次搭建的控制系统，他们对硬件结构布局设计的意识相对薄弱，并且对实物环境下的控制系统运行不是很熟悉，缺少对真实温度控制系统问题分析的经验。因此，确定教学的难点为运用控制系统中计算的相关知识，根据恒温箱温控功能需求，设计并验证有效的算法。
教学目标分析(含核心素养导向)：
1.通过用控制系统中计算的相关知识完成恒温箱实验的设计、验证，学会分析问题，并按照算法设计的一般步骤来解决问题。
2.能综合运用顺序、分支和循环三种流程控制结构设计解决温控类问题的算法，强化学生运用算法相关知识解决问题的能力。
3.综合运用跨学科知识解决问题，培养自主学习和合作探究的能力和意识。
教学重点：通过模块搭建、算法设计验证等步骤，解决恒温控制类问题的一般过程。
教学难点：根据温控功能要求，设计并调试完成有效的恒温箱控制算法。
教学过程：
一、回顾：恒温槽的控制过程
观察课本第33页恒温槽实验，思考以下两个问题，并准备发言。
1.恒温控制系统的控制过程是怎样的？2.用到了哪种计算类型？
【教师引导】巡视关注学生学习状态。待学生稍作思考后，请一位显得有些犹豫不决的学生回答。如果被提问学生回答不够完整，再请积极互动的同学补充，唤醒前序知识记忆。
【预设】如果两名学生都回答不全，教师引导：在恒温控制系统中，检测的槽内温度与预设恒温温度进行比较，当槽内温度低于预设温度时加热，当槽内温度等于或低于预设温度时，停止加热。将数据与预先设定好的条件进行比对，用到了条件计算。
【设计意图】通过回顾与思考，唤醒学生对恒温槽实验的记忆，巩固条件计算的应用，为本课学习做铺垫。问题难易设置有梯度，有意识地让不同学力的学生都有回答的机会，培养学科学习兴趣。
二、探索：生活中的恒温箱
1.观看恒温箱的应用视频，思考如下问题：在身边你都见过哪些恒温箱环境，说一说。
2.同桌讨论自己设计实物恒温箱的思路，准备发言。
【教师引导】
1.学生观看视频时，观察学生的课堂讨论情况，引导学生重点关注恒温箱实验的生活应用。
2.巡视关注学生的小组讨论是否都能积极参与，挑选讨论充分的小组回答，并适时点拨引导，梳理恒温箱可能的设计过程，揭示课题，板书：恒温箱实验。
【预设】
生1：生活中经常用的空调可以为教室保持恒定温度，如果要设计一个恒温箱，需要有加热和制冷的模块，再设计程序。
教师：设计加热和制冷模块位置就是硬件结构设计，设计程序过程是控制算法设计，要进行验证调试。
【设计意图】从学生的已有经验出发，以恒温槽实验结合生活经验思考恒温箱的应用，鼓励学生发散思维多分享多交流，发掘更多恒温箱应用案例，激发学生的探究兴趣，提高课堂参与度。教师在学生的回答中提取关键点并进行逻辑概括，以学生的思路推进课堂教学。
三、建构：设计恒温箱的硬件结构
活动一：认识恒温箱结构
1.阅读课本第60页，小组查看并讨论恒温箱系统主要构成模块的功能，和其分别对应哪个硬件。
2.小组合作汇报，交流恒温箱构成模块和硬件模块的对应关系。
【教师引导】
1.组织学生进行小组讨论，引导学生关注系统主要构成模块在恒温控制系统中的作用。
2.根据学生回答，出示学生回答中提及的模块，引导说出各硬件模块的作用，完成简单的系统结构分析。
【预设】
生1：恒温箱有加热模块和散热模块，可以加热和散热。
教师：加热模块和散热模块分别在什么时候使用呢？(生1：加热模块用于温度较低时，散热模块用于温度较高时。）在信息科技实践资源包中，哪个硬件可以分别对应加热模块和散热模块？（生1：用小灯来升温，用风扇来降温。）
生2：恒温箱需要温度传感器模块、控制模块和显示模块。
教师：这几个模块的作用分别是什么？（生2：温度传感器用于实时检测环境温度，控制模块用于实验板和电脑的传输连接等，显示模块可以实时显示当前温度帮助查看当前环境温度。）在信息科技实践资源包中，哪个硬件分别对应温度传感器模块、控制模块和显示模块？（生2：实验板右上方银色的温湿度传感器是温度传感器模块，实验板本身就是控制模块，实验板上的OLED 屏幕是显示模块。）
预期回答：恒温箱系统使用实验板作为控制模块、实验板上的OLED屏幕作为显示模块、实验板上的温度传感器是温度传感器模块、小灯泡是加热模块、风扇作为散热模块。
【设计意图】在搭建恒温箱系统之前，首先从功能需求简要分析恒温箱系统组成，选择使用哪些硬件模块来实现该功能，以及硬件模块具体在信息科技实践资源包中的模块对应。让学生再次熟悉要使用的硬件模块，为下一步设计硬件模块的布局做铺垫。
活动二：搭建模拟恒温箱
1.控制原理角度思考各模块布局需要满足什么要求，将讨论结果填写在实验单中。
2.根据布局设计结果，拿出需要用到的器材，使用剪刀和双面胶将硬件模块（图1待改造的塑料盒）安装在透明塑料盒（图2需要安装的硬件模块）上并用线连接。
我把控制模块安装在__________，理由是__________________________。
我把显示模块安装在__________，理由是__________________________。
我把加热模块安装在__________，理由是__________________________。
我把散热模块安装在__________，理由是__________________________。
【教师引导】教师引导学生回顾之前在条件计算中使用风扇模块模拟空调时如何能保证散热效果较好，倾听学生回答，启发学生结合之前的实验经验和科学知识思考硬件模块的布局要求。
【预设】
生1：科学课学过热空气的密度比冷空气密度小，热空气会上升冷空气会下降。
教师：为使加温、降温效果更佳，加热模块安装在哪里可有助于恒温箱内热空气循环流动？（生1：盒盖靠下的位置。）散热模块安装在哪里可以有助于恒温箱内空气降温？（生1：盒盖靠上的位置。）
生2：在之前的试验中我发现距离较大时，加热散热效果不明显要等一段时间。
教师：为了方便观察温控实验数据变化，减少等待时间，从模块距离远近的角度怎么设计位置安排？（生2：可以将各模块位置安装稍近些，便于课堂实验效果观察。）
3.教师提供实验单和记号笔、剪刀、胶带等工具，明确实验目标和过程后，开展小组合作。轮流一人操作一人记录，分析讨论后，合作用记号笔画出模块设计安装的位置填写理由，再使用剪刀、双面胶等工具对塑料盒改装并将模块安装到设计位置中。
【预设】
生1：器材连接错误。教师引导学生重新进行模块连接，或提供备用器材。
生2：模块未能固定到塑料盒上。教师辅助学生使用双面胶带、热熔胶等工具将模块安装到设计位置上。
【设计意图】本活动帮助学生在整理出恒温箱系统需要用到的硬件后，思考恒温箱的硬件布局并搭建。由于学生没有绘制硬件设备草图的经验，这里使用了实物透明塑料盒提供给学生，方便学生将讨论后的硬件模型位置绘制在盒子上，便于后续操作实施安装，学生还可以用模块在塑料盒中进行摆放和位置尝试。在摆一摆的过程中，思考不同的位置可能带来的影响，并记录下来形成布局方案并动手搭建。这里鼓励学生的发散思维，各组模块位置的布局设计可能不同，言之有理即可。
活动三：设计恒温箱的控制算法
1.讨论并汇报恒温箱的“输入”和“输出”。
输出：□对箱内空气加热 □对箱内空气散热 输入：□预设温度范围 □箱内实时温度
2.预期温度37~42℃为例，根据以上信息分析恒温箱的工作过程，将表1恒温箱控制过程分析填写完整。
恒定温度 条件 输出
___~___℃ 实时温度低于预设温度下限___℃
实时温度处于预设温度范围__~___℃
实时温度高于预设温度上限___℃
3.根据分析结果，补充实验单中的算法描述卡片，如图3所示。
1.输入预期温度下限tmin= ，预期温度上限tmax=_____,然后重复运行第 ~ 步。 2.读取当前温度传感器数值data。 3.显示data。 4.比较data与tmin、tmax: 如果datatmax, 启动 模块，停止 模块； 否则， 停止______________模块。 1.输入预期温度下限tmin= 28 ，预期温度上限tmax=__30_,然后重复运行第 2 ~ 4 步。 2.读取当前温度传感器数值data。 3.显示data。 4.比较data与tmin、tmax: 如果datatmax, 启动 散热 模块，停止 加热 模块； 否则， 停止__加热和散热___模块。
图3 恒温箱算法设计（需补充） 图4 恒温箱算法设计（完整）
【教师引导】结合第二单元控制系统三个环节，组织学生使用实验单讨论并勾选恒温箱的输入和输出环节，巡视查看学生对于输入输出的理解，如果有普遍性则挑具有代表性的学生作答进行分享并点拨讲解。
【预设】
生1：输入为箱内实时温度，输出为对空气加热和散热。教师：相同实时温度、不同的预设温度下输出是否一样。（生1：不一样。）系统的输出除了箱内实时温度还有什么？（生2：预设温度范围。）
生2：输入为预设温度范围和箱内实时温度，输出为对箱内空气散热。教师：再想一想还有没有其他的输出。小灯泡模块的作用是什么？（生2：加热。）小灯泡加热是系统的输入还是输出环节？（生2：输出环节。）那么系统输出环节有哪些？（生2：输出有对箱内空气散热和对箱内空气加热。）
预期回答：恒温箱的输入为预设温度范围和箱内实时温度，输出为对箱内空气加热和散热。
4.以预期温度37~42℃为例，组织学生讨论并填写实验单，回顾条件计算的应用场景和算法应用。教师挑选多种不同的实验单填写结果请同学分享讲解，力求不同学力层次的学生思维都能得到点拨指导。
5.引导学生对照恒温箱工作过程分析，小组合作完成恒温箱算法设计。
【设计意图】恒温箱的算法设计是本课的难点，从硬件搭建到生成可执行的算法对学生来说有较大挑战。因此活动中搭建了两个支架，首先从控制系统环节分析的角度确定输入、输出，再梳理指定温度范围下不同条件对应的控制系统输出。最后使用自然语言描述的方式补充完成算法设计。
活动四：调试验证与改进优化
1.在编程工具中打开“恒温箱-温度区间（填空）.py”（图5恒温箱算法设计（待补充）），补充完整程序并烧录运行。根据运行现象调整参数，验证恒温箱是否正常工作。
2.请2-3组同学直播演示讲解，其他同学观看并对照存在的问题再修改自己的程序。
【教师引导】
1.根据补充后的自然语言算法描述卡片，引导学生将程序代码中的部分语句进行完善，并运行。巡视关注各小组的进度，如个别组遇到困难单独指导，情况可能有：
（1）学生未补充条件，直接运行导致出错。提醒学生找到空缺待填入判断条件的部分。
（2）学生条件输入错误。引导学生观察算法中的判断条件和对应的系统输出。
2.关注演示学生的讲解是否清晰，如果讲述不够清楚，先请其他小组同学做补充，教师最后针对巡视时普遍存在的问题统一解答。
【设计意图】本环节旨在帮助学生从算法设计完成Python程序实现，学生阅读程序代码后补充关键分支条件和输出参数设置，进行学习成果输出调试。在代码补充时多引导学生思考，如果第一处和第二处条件填反，也可以启发学生对输出进行调整并修改注释。由于硬件模块是安装在塑料盒上模拟恒温箱的，恒温箱运行情况一般不会特别理想，比如加热升温、风扇降温效果慢，学生根据运行现象可以尝试调整参数完善算法设计，观察记录出现的问题，并思考可以从硬件布局和软件算法的哪一部分进行优化。
四、应用恒温恒湿功能：同桌交流课本第64页练习“在恒温箱基础上增加加湿模块和湿度传感器模块，可以实现恒温恒湿的功能。请为恒温恒湿箱设计一个可行的算法。”并合作汇报。
五、小结：新知的总结与评价
1.结合板书，回顾恒温箱设计过程中“提出问题——搭建结构——设计算法——调试验证”的基本过程。
2.登录在线问卷平台，完成并提交《恒温箱实验》课堂评价问卷。
（单选题）恒温箱设计，经历了___（___________）____的过程？
A.硬件结构设计→验证调试→控制算法设计 B.硬件结构设计→控制算法设计→验证调试
C.控制算法设计→硬件结构设计→验证调试 D.验证调试→硬件结构设计→控制算法设计
（多选题）如果恒温箱没有正常工作，可能是什么原因造成的？
A.判断条件写错 B.模块分布不合理 C.接线虚插未连接好 D.监测观察时间太短
（单选题）在恒温箱的算法实现中，应用了什么结构，应用了哪一种计算类型？
A.分支、循环、顺序结构，条件计算 B.分支、循环结构、顺序解决，条件计算
C.分支、循环、顺序结构，查表计算 D.分支、顺序解决、循环结构 ，查表计算
【教师引导】教师结合板书从项目实施的整体过程回顾整节课，邀请小组分享本节课的收获或印象最深的项目环节，在后续的学习中，鼓励学生积极应用按步骤解决问题的思路，解决学习生活中的问题。
【设计意图】带领学生从具体的学习问题中跳出，从问题解决的角度再次回看每个学习活动所在的小组学习阶段,梳理阶段成果，加强问题解决的整体环节认知。
六、设计思路
本课遵循“成果导向”的课程理念，聚焦学习成果的展示交流研讨，以学生学习成果为中心，强调教育过程和结果的一致性，注重学生能力的培养和实际应用，让学生在实践中强化具体的知识和技能。本课的设计基于小学生科学课接触过的“恒温箱”场景，学习脉络以恒温箱的制作过程展开，在活动过程中逐渐形成阶段性成果，在成果的记录、分析过程中提升学生的实践能力和创新能力。
为加深学生对控制系统中条件计算概念的理解，激发他们对恒温箱实验探究的兴趣，本课主要采用小组合作的教学方法，创设了的真实情境，设计了“匹配恒温箱硬件模块”“搭建简易恒温箱”“设计恒温箱算法”“调试与验证算法”四个活动，引导学生按照“发现问题——提出解决方案——设计算法——验证算法”的问题解决思路进行探究，强调真实情境中的问题解决，搭建实验支架开展教学实践，让学生学会综合运用流程结构来解决温度控制类问题。
七、板书设计
恒温箱实验
├─ 设计恒温箱的硬件结构
│ ├─ 认识结构
│ └─ 搭建简易恒温箱
├─ 设计恒温箱的控制算法
│ ├─ 控制过程分析
│ └─ 算法设计
└─ 调试验证与改进优化
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