關注信息科技實驗教學|指向計算思維發(fā)展的信息科技實驗教學設計——以“足球追蹤”實驗項目學習為例
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2022年4月，教育部正式頒布了《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》，這標志著信息技術(shù)課程正式走向了信息科技課程。信息科技課程雖然有了課程體系，但仍然缺乏系統(tǒng)全面的新教學體系，我們需要探索與新理念、新內(nèi)容相匹配的新教學方法，才能夠真正落實信息科技新課程所倡導的嶄新理念。因此，本刊將持續(xù)關注信息科技課程新教學，本期關注的是實驗教學。實驗教學是信息科技課程轉(zhuǎn)型中最值得探索和嘗試的教學法之一。在本期專題中，我們邀請了眾多一線名師和教研員共同探索信息科技實驗教學的價值與實施路徑，并給出了具體實踐案例?！读x務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）指出：遴選科學原理和實踐應用并重的課程內(nèi)容，從信息科技實踐應用出發(fā)，注重幫助學生理解基本概念和基本原理，引導學生認識信息科技對人類社會的貢獻與挑戰(zhàn)，提升學生知識遷移能力和學科思維水平，體現(xiàn)“科”與“技”并重。新課標強調(diào)了科學原理和實踐應用的結(jié)合，在這一框架下，開展實驗教學就成為邏輯上的必然選擇。實驗教學以科學原理為基礎，指導學生進行實踐應用，從而深化對信息科技的理解和應用能力，是發(fā)展學生信息科技核心素養(yǎng)的重要途徑。本文以“足球追蹤”的實驗項目為例，著重探討如何在信息科技實驗教學中落實計算思維的培養(yǎng)。01把“計算思維”融入信息科技實驗設計的價值分析第一，提升學生實踐能力和動手能力中必需的“規(guī)劃能力”。信息科技是一門實踐性強的課程，在實驗教學中，運用計算思維可以促進學生的實驗規(guī)劃能力，提升學生實踐動手能力，在實驗探索、問題解決、反思遷移的過程，加深對學科知識的理解和運用，提高在生活和學習中應用信息科技的素養(yǎng)。第二，培養(yǎng)學生問題解決能力中的“抽象與建模能力”。信息科技領域存在各種復雜的問題和挑戰(zhàn)，經(jīng)過收集數(shù)據(jù)、分析結(jié)果和提出解決方案等一系列實驗過程，不僅能夠培養(yǎng)學生的邏輯思維和系統(tǒng)思考能力，還能使其學會用抽象與建模的思想來應對復雜問題的能力。第三，激發(fā)學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)造力，促進“迭代、優(yōu)化”能力。信息科技是一個不斷創(chuàng)新的領域，只有培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力，才能使其跟上科技的快速發(fā)展。實驗教學可以為學生提供自主學習和實踐的機會，激發(fā)學生的創(chuàng)新潛能，培養(yǎng)學生面對復雜問題時的觀察力、創(chuàng)造力以及迭代和優(yōu)化的能力。第四，信息科技實驗教學能實現(xiàn)課程的育人價值。信息科技實驗教學通過學科實踐和實驗教學，引導學生在使用信息科技解決問題的過程中理解道德規(guī)范和科技倫理，培育學生正確的世界觀、人生觀、價值觀，實現(xiàn)信息科課程技育人價值。02計算思維融入信息科技實驗設計的基本框架信息科技實驗教學一般分成驗證性實驗、探究性實驗、創(chuàng)新應用性實驗和虛擬仿真實驗。本實驗案例選自六年級下冊“過程與控制”綜合應用模塊，結(jié)合人工智能硬件的應用，最終完成一個可以實現(xiàn)追蹤足球的機器人作品。按教學目的歸類，本課屬于“過程與控制”的探究性實驗，從作品的呈現(xiàn)來看本課也是一節(jié)人工智能創(chuàng)新應用實驗課。跨學科學習主題設計：本案例中的足球機器人設計涉及信息科技、數(shù)學、科學、藝術(shù)等學科，如信息科技學科中的“過程與控制”，人工智能攝像頭的應用、程序編寫，數(shù)學學科中的坐標、計算、參數(shù)，科學、藝術(shù)學科中的機械結(jié)構(gòu)、外形設計等。案例基于跨學科整體設計，進而提高學生的數(shù)字素養(yǎng)與技能。信息科技不同于常規(guī)科學實驗的一個重要突破點是把計算思維融入實驗的設計與實施，尤其是基于跨學科的整體設計，以問題為導向，通過提出問題、分析問題、解決問題的思維過程來設計實驗教學流程，對問題進行抽象、分解、建模，形成實驗設計方案，在實驗仿真、驗證中解決問題，通過反思優(yōu)化實驗方案，最后評價總結(jié)，進行并知識遷移來解決其他問題，突出了計算思維的培養(yǎng)（如圖1）。圖1 信息科技實驗教學設計基本結(jié)構(gòu)03案例設計（人工智能課程——足球追蹤）1.教學內(nèi)容分析本課例是控制系統(tǒng)的綜合性實踐案例，通過足球追蹤的實踐應用，了解計算機用于實現(xiàn)過程與控制，并在實驗系統(tǒng)中通過編程等手段加以驗證。理解在用計算機實現(xiàn)過程與控制時存在的安全問題，了解自主可控系統(tǒng)在解決安全問題時的重要性。2.教學設計綱要主題：足球追蹤。年級：六年級。課時：三課時?？鐚W科：信息科技、數(shù)學、科學、藝術(shù)。教學資源：計算機、主控器、馬達2只、人工智能攝像頭、結(jié)構(gòu)積木件、編程平臺。3.教學目標（1）總體教學目標①在教師的指導下，運用自然語言描述、流程圖繪制，通過程序編寫等活動，掌握足球機器人運動的方法。(計算思維、信息意識)②通過微課學習人工智能攝像頭使用方法，搭建足球追蹤系統(tǒng)，分析傳感器采集數(shù)值和電機輸出數(shù)值之間的數(shù)據(jù)關系。(信息意識、計算思維、數(shù)字化學習與創(chuàng)新、信息社會責任)③綜合運用數(shù)學、藝術(shù)、科學及信息科技等學科的知識與技能，采用相關硬件設備設計、搭建足球追蹤系統(tǒng)，通過建立一個真實的情境，提升學生合作、探究、交流、數(shù)據(jù)分析與發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。(科學思維、數(shù)據(jù)分析、創(chuàng)意設計、變量分析)④通過建立足球追蹤系統(tǒng)，實時觀測傳感器采集足球位置坐標的輸入和輸出數(shù)據(jù)，掌握控制機器人運動的方法，提高學生學習相關科學知識的興趣，培養(yǎng)學生的數(shù)字素養(yǎng)，促進學?？苿?chuàng)工作的發(fā)展。(信息意識、技術(shù)運用、科學態(tài)度與責任、計算思維)（2）跨學科學習教學目標①信息科技：采用人工智能傳感器、主控板和電機等相關硬件設計并搭建足球機器人，可以連續(xù)地根據(jù)足球所在位置的坐標數(shù)值變化，調(diào)整機器人的運行；編寫程序讀取、處理傳感器中的數(shù)據(jù)并與閾值進行比較，作出相關判斷；探索追蹤足球中輸入、計算、輸出三個環(huán)節(jié)之間的關系，能夠利用監(jiān)測的輸出值，反饋到輸入端，與預設的目標值進行比較，再次進行計算輸出。②數(shù)學：比較足球坐標對應數(shù)值，掌握輸入數(shù)值與輸出數(shù)值之間的關系，確認傳感器采集數(shù)值的可靠性；在數(shù)值比較過程中，能分析與表達數(shù)值所蘊含的信息，形成初步的數(shù)據(jù)意識。運用常見的數(shù)量關系解決問題，初步學會用數(shù)學的眼光觀察，能夠嘗試、探索發(fā)現(xiàn)并提出問題、分析問題與解決問題。③科學：能基于足球機器人的結(jié)構(gòu)、功能等展開想象，能基于科學學科原理提出具有一定新穎性和合理性的觀點；能進行初步的創(chuàng)意設計，分析科學實驗中的變量控制；能有依據(jù)地質(zhì)疑別人的觀點，嘗試利用所學科學原理，運用多種材料、多種思路、多種方法完成探究和實踐。④藝術(shù)：在搭建出足球機器人功能外形后，激發(fā)學生展開想象，為足球機器人設計個性化外觀。提高學生的視覺審美能力，促進創(chuàng)意思維和技術(shù)應用能力。4.教學重難點重點：人工智能應用、算法實現(xiàn)、理解“過程與控制”。難點：解決足球定位數(shù)據(jù)與動力系統(tǒng)關聯(lián)問題。5.實施過程（如圖2）圖2 指向計算思維的信息科技實驗教學流程（1）創(chuàng)設情境，提出問題信息科技新課標倡導真實性學習，要求以真實問題和項目驅(qū)動，引導學生在解決真實情境問題過程中，積極參與、建構(gòu)知識、解決問題、提升素養(yǎng)。本實驗教學從真實情境出發(fā)，揭示實驗內(nèi)容。通過足球賽視頻鏈接現(xiàn)實生活，提出問題“如何追蹤足球”，引出實驗課題“足球追蹤”。讓學生對機器人追蹤足球進行自然語言算法描述，用生活經(jīng)驗激活信息意識，對足球追蹤系統(tǒng)的原理提出自己的設想，從而明確實驗任務，完成追蹤系統(tǒng)的需求分析，為接下來的實驗設計、實驗驗證做好準備。（2）分析問題，制訂實驗計劃分析問題要重視學生的思維過程，鼓勵學生分享他們的問題解決路徑和策略，以便于他們理解并改進自己的思維方式；同時，鼓勵學生合作交流，在小組內(nèi)合作解決問題，與同伴、教師交流思想，獲得不同的觀點和解決問題的方法。開展小組內(nèi)合作，在組長帶領下制訂項目實施計劃。①通過小組討論,分解實驗項目。以小組為單位展開問題討論，將機器人追蹤足球的問題，分解成若干個子問題，如車子如何設計？足球如何定位？足球如何追蹤？②根據(jù)需求分析,明確實驗分工。小組討論交流，制訂項目計劃包含所有需要使用的硬件、器材和相關材料清單；根據(jù)分解的實驗項目并由組長進行協(xié)調(diào)形成合理的分工。教師則根據(jù)分解項目的難度給出合理的修改建議，便于后面小組合作的順利進行和項目順利實施。③對問題進行簡化,抽象特征，完成建模。在學生完成項目的過程中，始終要讓學生用計算思維來解決問題，如分解問題、簡化要素、抽象特征，并在這個過程中完成對問題解決方案的建模，形成解決問題的思路與方法。在以上問題分解中，最難的是解決足球定位數(shù)據(jù)與動力系統(tǒng)關聯(lián)問題。學生根據(jù)硬件手冊搭建智能攝像頭，調(diào)用足球識別模塊，可以觀察到足球的坐標數(shù)值變化。教師引導學生進行實驗觀察，形成足球定位數(shù)據(jù)對照分析表（如表1）。引導學生思考，通過人工智能攝像頭的實時輸入可以獲得足球的坐標數(shù)據(jù)，同時也可以通過控制機器人的移動改變足球坐標值，將問題簡化為：通過機器人左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、前進后退來調(diào)整足球在攝像頭中的位置，進而形成解決問題的模型。（3）搭建硬件環(huán)境，編寫程序進行項目實驗①根據(jù)足球追蹤系統(tǒng)的實現(xiàn)要求選擇主控板、傳感器、結(jié)構(gòu)件等進行搭建，教師應關注學生的進度確保學生都在認真合作探究，并根據(jù)課堂上學生遇到的困難及時給予指導與建議。學生要明確本組的構(gòu)思，小組成員根據(jù)分工展開各自的活動，合作完成作品。②分析實現(xiàn)足球追蹤系統(tǒng)的功能進行程序編寫。先用自然語言進行描述，再以小組為單位討論程序流程圖算法設計，在流程圖上確定需要用到的程序結(jié)構(gòu)，如循環(huán)結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)，了解相關程序算法的使用。知道輸入、計算后得到的輸出能夠反饋到控制的過程（如圖3）。圖3 足球追蹤程序流程③根據(jù)實驗結(jié)果優(yōu)化實驗，分享實驗數(shù)據(jù)。根據(jù)前期實驗，學生獲得了足球位置反饋數(shù)據(jù)與機器人之間的關系。接著引導學生利用機器人電機進行足球位置矯正實驗，并完成技術(shù)實驗過程記錄表（如表2）。實驗交流與改進：學生通過實驗，發(fā)現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速及輪速差對機器人追蹤足球的效果有很大的影響。合理的電機轉(zhuǎn)速和左右輪速差可以達到效果與效率的平衡。小組之間進行匯報，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分享。在討論的過程中，小組之間不斷完善算法，并在作品測試過程中進行程序的調(diào)整與優(yōu)化。（4）評價總結(jié)，知識遷移以小組為單位完整展現(xiàn)作品進行合作演示，教師可以更清楚地了解學生的學習進展和成就。通過展示鍛煉了學生的語言表達能力和溝通技巧，有助于學生深化知識記憶和理解計算思維，促進學生養(yǎng)成自我評價和相互評價的批判性思維。知識遷移則要求學生將在一個情境中習得的技能應用到新的、可能完全不同的情境中，這增強了他們的問題解決能力。在本課中，就有同學想到了可以將足球追蹤的算法應用到人臉追蹤中去，制作一些類似智能風扇、智能電暖等產(chǎn)品，體現(xiàn)了創(chuàng)新思維和知識遷移能力。04案例效果分析本教學案例涵蓋了跨學科主題學習、人工智能應用，以及“過程與控制”算法的實現(xiàn)和程序編寫等多個方面。案例以項目化學習為形式，以培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)為目標，從真實情境入手，引導學生體驗問題解決的全過程，并通過實驗報告來展示實驗結(jié)果。通過足球追蹤的案例，探索利用數(shù)據(jù)控制輸出的過程，深入理解“過程與控制”這一學科概念，從而培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)分析處理和問題解決能力。案例采用項目化學習的方式實現(xiàn)了跨學科的融合，建立了知識之間的聯(lián)系，有助于學生形成綜合性的認知結(jié)構(gòu)，也培養(yǎng)了學生的協(xié)作和溝通能力。本案例在提出問題、解決問題、遷移問題的實驗教學過程中，激發(fā)了學生分析數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)意識，提升了他們抽象、分解、建模的計算思維能力，培養(yǎng)了他們驗證、反思、迭代、優(yōu)化、遷移等信息素養(yǎng)。相關推送:（點擊跳轉(zhuǎn)至文章）關注信息科技實驗教學 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