基于智能浇花系统的通用技术课例研究

摘要：在开展高中通用技术教学中，深度学习与STEM融合属于最关键创新的尝试。本文对基于深度学习的教学模式展开了初步研究，以供参考。

关键词：深度学习；高中通用技术；STEM

引言：

在学习通用技术科目的过程中，若能将深度学习和STEM融入其中，让学生在做中学，充分了解并掌握知识发生的内在过程。不但能够让学生高效掌握通用技术学科核心素养，而且有利于学生其它学科素养的综合发展，否则学生可能知其然而不知其所以然。

一、通用技术深度学习的基本要求

自普通高中通用技术课程标准2017年版2020年修订以来，在通用技术学科教学中如何去指导学生进行深度学习，成为摆在当前教师面前的一项课题。

1.教师要在课前准备好充分的高质量教学资源。深度学习强调自主学习，我了让学生能尽快浸入到主题化的学习情境任务，并且心无旁骛地进行自我管理、深入研究，没有足够的教学资源显然是不行的。根据心理学家维果斯基最近发展区认知理论，这些学习资源应该是基于真实情境的、连续的由浅入深的。那些简单基础的教学资源可以激发学生的学习兴趣，中级的教学资源可以激发学生的探索欲望，并享受到成功的乐趣，而高阶的教学资源则为那些善于解决问题的学生提供更多的探究空间，培养学生的高阶思维和创新能力。

2.教师要善于调动学生的情绪。教学是一门艺术，教师要学会运用各种口头语言和肢体语言吸引学生的注意力，运用正确的世界观和价值观赢得学生的价值认同，运用真实有趣的情境激发学生的学习兴趣，运用跨学科的思维模式和探究技能引导学生正确的学习方式。教师要引领学生乐学、善学，实现各种学习方式学习效率的最大化。

二、基于深度学习的通用技术教学案例的研究

以技术与设计2第四单元控制及其设计为例

首先确立核心素养导向的学习目标：本单元的学习目标主要是通过案例了解手动控制和自动控制的特点；通过控制系统的设计熟悉简单的开环控制系统和闭环控制系统的基本组成与工作过程，理解其中控制器、执行器等的作用，了解干扰现象反馈原理，并能用方框流程图表达控制系统的工作过程。然后把学生引入学习真实发生的情景：家中阳台上种植了各种植物，提出问题：如何解决当主人外出时给植物浇水的问题；然后确立引领性的学习主题项目：设计一款浇花控制系统。针对问题情境，有的同学提出可以设计一款定时浇水控制系统，有的同学提出可以设计一款土壤湿度控制系统，因此教师可以这样安排，第二课时主要研究开环控制系统，第三课时主要研究闭环控制系统；第三课时接着设计挑战性的学习任务，锻炼学生解决真实情景中的复杂问题：比如浇水系统如何做到节约水资源，能不能引入雨水收集系统，进一步提高学生的工程思维和设计制作能力。教师通过持续性评价量表激励学生并贯穿于整个深度学习过程，帮助学生深度探究，获得成功。本文主要就土壤湿度控制系统的设计制作为例展开基于深度学习的通用技术案例研究。

情境导入：小明家中阳台上种植了许多植物和花卉，有些喜阴湿、忌干燥（如常春藤、绿萝等），必须长期保持土壤湿润；有些喜热、耐干旱，土壤湿度过大会引起植物根系腐烂而死亡。本课我们设计并制作一款能自动调节土壤湿度大小的系统，通过土壤湿度传感器可以实时监测土壤湿度，根据不同植物的特性设置不同的土壤湿度值，控制器自动作出土壤是否需要浇水的判断，控制电磁阀进行浇水，从而使土壤保持合适的湿度，保证花卉和植物健康生长。

设计系统方案：本设计以Arduino开发板为核心，使用湿度传感器采集花盆内土壤的湿度大小，土壤湿度值经开发板模拟端口输入到Arduino开发板，若土壤湿度值小于预设值，则水泵通电给土壤浇水；若土壤湿度值大于预设值，则水泵关闭停止给土壤浇水。

本系统结构简单，系统程序使用当前流行的图形化编程软件Scratch编写。程序通过Scratch的上传功能下载到开发板后，经过技术试验的验证，本系统完全可以满足我们日常浇水的需求。同时也发现了一些问题需要改进，比如湿度传感器极易氧化损坏，可更换高性能传感器解决但会提高设计成本。阳台本是光照充足的地方，是否可以改进设计利用太阳能给本系统供电？

通过分析我们可以得到：本系统设计的被控量返回到输入端与给定量进行比较，并对控制过程产生了影响，因此构成一个闭环控制系统。更一般地我们得到简单闭环控制系统的方框图。

学生通过此次活动，既提高了相互协作共同探究的能力，同时对闭环控制系统也有了直观又深刻的认识，从而实现了教学目标。基于这样的认识，深度学习给我们的教学带来了以下改变：

1.激活教法、提高学生学习效率

深度学习注重在教师的引领下，学生围绕具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展，是一种潜移默化主动学习的过程，而不是被动的接受过程，从而让学生的学习更加有效扎实。在通用技术教学中，以单元划分为基本范畴，以学生的学习维度知识维度和认知维度，强调高阶知识和能力的发展和迁移。深度学习使学习从知识技能获得转向核心素养发展，能够改变单一纸笔测试方式，使学生发展的综合素质评价更可靠，是以教为主转向以学为主的具体有效的操作方式。

2.赋能教师、提升教师教学能力

通用技术教学中运用深度学习和当前流行的STEM教育融合使能学生对当前先进技术特别是信息技术和智能技术产生浓厚的学习兴趣，从而激发潜能。同时要防止为了活动而活动，活动流于形式，要紧扣主题，引导学生积极动手、讨论和交流，明白所设计的装置是如何工作的，聚焦核心问题，创设挑战任务，引领反思，营造课堂反思性实践的学习氛围，依靠小组自评和互评，推动学生在实践中学习，在过程中反思。当学生遇到困难时，教师可以及时给予提示，帮助学生拓宽设计思路，促进新方案的产生，成为学生解决问题的引路人。因此，教师在教学中要及时融入创新理论成果，加强实践培训，充实教学基本功，从而提高教学能力。

图4展现的是通过大单元的教材内容的任务重构，与现实生活有机交融，使情境设计基于认知规律、由浅入深，层层推进，让学习从浅层学习走向深度学习，并引入STEM创新教育理念，积极探索在做中学、学中做的深度学习模式，必定能给目前通用技术教学带来新的机遇和挑战。

参考文献：

[1]叶剑锋.基于Arduino单片机的校园绿化灌溉系统的设计与实现[J].电子设计工程，2018，12：190-193

[2]郭华.深度学习及其意义[J]课程.教材.教法2016，11