关注信息科技实验教学|指向计算思维发展的信息科技实验教学设计——以“足球追踪”实验项目学习为例
2022年4月，教育部正式颁布了《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》，这标志着信息技术课程正式走向了信息科技课程。信息科技课程虽然有了课程体系，但仍然缺乏系统全面的新教学体系，我们需要探索与新理念、新内容相匹配的新教学方法，才能够真正落实信息科技新课程所倡导的崭新理念。因此，本刊将持续关注信息科技课程新教学，本期关注的是实验教学。实验教学是信息科技课程转型中最值得探索和尝试的教学法之一。在本期专题中，我们邀请了众多一线名师和教研员共同探索信息科技实验教学的价值与实施路径，并给出了具体实践案例。《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）指出：遴选科学原理和实践应用并重的课程内容，从信息科技实践应用出发，注重帮助学生理解基本概念和基本原理，引导学生认识信息科技对人类社会的贡献与挑战，提升学生知识迁移能力和学科思维水平，体现“科”与“技”并重。新课标强调了科学原理和实践应用的结合，在这一框架下，开展实验教学就成为逻辑上的必然选择。实验教学以科学原理为基础，指导学生进行实践应用，从而深化对信息科技的理解和应用能力，是发展学生信息科技核心素养的重要途径。本文以“足球追踪”的实验项目为例，着重探讨如何在信息科技实验教学中落实计算思维的培养。01把“计算思维”融入信息科技实验设计的价值分析第一，提升学生实践能力和动手能力中必需的“规划能力”。信息科技是一门实践性强的课程，在实验教学中，运用计算思维可以促进学生的实验规划能力，提升学生实践动手能力，在实验探索、问题解决、反思迁移的过程，加深对学科知识的理解和运用，提高在生活和学习中应用信息科技的素养。第二，培养学生问题解决能力中的“抽象与建模能力”。信息科技领域存在各种复杂的问题和挑战，经过收集数据、分析结果和提出解决方案等一系列实验过程，不仅能够培养学生的逻辑思维和系统思考能力，还能使其学会用抽象与建模的思想来应对复杂问题的能力。第三，激发学生创新思维和创造力，促进“迭代、优化”能力。信息科技是一个不断创新的领域，只有培养学生的创新精神和创造能力，才能使其跟上科技的快速发展。实验教学可以为学生提供自主学习和实践的机会，激发学生的创新潜能，培养学生面对复杂问题时的观察力、创造力以及迭代和优化的能力。第四，信息科技实验教学能实现课程的育人价值。信息科技实验教学通过学科实践和实验教学，引导学生在使用信息科技解决问题的过程中理解道德规范和科技伦理，培育学生正确的世界观、人生观、价值观，实现信息科课程技育人价值。02计算思维融入信息科技实验设计的基本框架信息科技实验教学一般分成验证性实验、探究性实验、创新应用性实验和虚拟仿真实验。本实验案例选自六年级下册“过程与控制”综合应用模块，结合人工智能硬件的应用，最终完成一个可以实现追踪足球的机器人作品。按教学目的归类，本课属于“过程与控制”的探究性实验，从作品的呈现来看本课也是一节人工智能创新应用实验课。跨学科学习主题设计：本案例中的足球机器人设计涉及信息科技、数学、科学、艺术等学科，如信息科技学科中的“过程与控制”，人工智能摄像头的应用、程序编写，数学学科中的坐标、计算、参数，科学、艺术学科中的机械结构、外形设计等。案例基于跨学科整体设计，进而提高学生的数字素养与技能。信息科技不同于常规科学实验的一个重要突破点是把计算思维融入实验的设计与实施，尤其是基于跨学科的整体设计，以问题为导向，通过提出问题、分析问题、解决问题的思维过程来设计实验教学流程，对问题进行抽象、分解、建模，形成实验设计方案，在实验仿真、验证中解决问题，通过反思优化实验方案，最后评价总结，进行并知识迁移来解决其他问题，突出了计算思维的培养（如图1）。图1 信息科技实验教学设计基本结构03案例设计（人工智能课程——足球追踪）1.教学内容分析本课例是控制系统的综合性实践案例，通过足球追踪的实践应用，了解计算机用于实现过程与控制，并在实验系统中通过编程等手段加以验证。理解在用计算机实现过程与控制时存在的安全问题，了解自主可控系统在解决安全问题时的重要性。2.教学设计纲要主题：足球追踪。年级：六年级。课时：三课时。跨学科：信息科技、数学、科学、艺术。教学资源：计算机、主控器、马达2只、人工智能摄像头、结构积木件、编程平台。3.教学目标（1）总体教学目标①在教师的指导下，运用自然语言描述、流程图绘制，通过程序编写等活动，掌握足球机器人运动的方法。(计算思维、信息意识)②通过微课学习人工智能摄像头使用方法，搭建足球追踪系统，分析传感器采集数值和电机输出数值之间的数据关系。(信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任)③综合运用数学、艺术、科学及信息科技等学科的知识与技能，采用相关硬件设备设计、搭建足球追踪系统，通过建立一个真实的情境，提升学生合作、探究、交流、数据分析与发现问题、解决问题的能力。(科学思维、数据分析、创意设计、变量分析)④通过建立足球追踪系统，实时观测传感器采集足球位置坐标的输入和输出数据，掌握控制机器人运动的方法，提高学生学习相关科学知识的兴趣，培养学生的数字素养，促进学校科创工作的发展。(信息意识、技术运用、科学态度与责任、计算思维)（2）跨学科学习教学目标①信息科技：采用人工智能传感器、主控板和电机等相关硬件设计并搭建足球机器人，可以连续地根据足球所在位置的坐标数值变化，调整机器人的运行；编写程序读取、处理传感器中的数据并与阈值进行比较，作出相关判断；探索追踪足球中输入、计算、输出三个环节之间的关系，能够利用监测的输出值，反馈到输入端，与预设的目标值进行比较，再次进行计算输出。②数学：比较足球坐标对应数值，掌握输入数值与输出数值之间的关系，确认传感器采集数值的可靠性；在数值比较过程中，能分析与表达数值所蕴含的信息，形成初步的数据意识。运用常见的数量关系解决问题，初步学会用数学的眼光观察，能够尝试、探索发现并提出问题、分析问题与解决问题。③科学：能基于足球机器人的结构、功能等展开想象，能基于科学学科原理提出具有一定新颖性和合理性的观点；能进行初步的创意设计，分析科学实验中的变量控制；能有依据地质疑别人的观点，尝试利用所学科学原理，运用多种材料、多种思路、多种方法完成探究和实践。④艺术：在搭建出足球机器人功能外形后，激发学生展开想象，为足球机器人设计个性化外观。提高学生的视觉审美能力，促进创意思维和技术应用能力。4.教学重难点重点：人工智能应用、算法实现、理解“过程与控制”。难点：解决足球定位数据与动力系统关联问题。5.实施过程（如图2）图2 指向计算思维的信息科技实验教学流程（1）创设情境，提出问题信息科技新课标倡导真实性学习，要求以真实问题和项目驱动，引导学生在解决真实情境问题过程中，积极参与、建构知识、解决问题、提升素养。本实验教学从真实情境出发，揭示实验内容。通过足球赛视频链接现实生活，提出问题“如何追踪足球”，引出实验课题“足球追踪”。让学生对机器人追踪足球进行自然语言算法描述，用生活经验激活信息意识，对足球追踪系统的原理提出自己的设想，从而明确实验任务，完成追踪系统的需求分析，为接下来的实验设计、实验验证做好准备。（2）分析问题，制订实验计划分析问题要重视学生的思维过程，鼓励学生分享他们的问题解决路径和策略，以便于他们理解并改进自己的思维方式；同时，鼓励学生合作交流，在小组内合作解决问题，与同伴、教师交流思想，获得不同的观点和解决问题的方法。开展小组内合作，在组长带领下制订项目实施计划。①通过小组讨论,分解实验项目。以小组为单位展开问题讨论，将机器人追踪足球的问题，分解成若干个子问题，如车子如何设计？足球如何定位？足球如何追踪？②根据需求分析,明确实验分工。小组讨论交流，制订项目计划包含所有需要使用的硬件、器材和相关材料清单；根据分解的实验项目并由组长进行协调形成合理的分工。教师则根据分解项目的难度给出合理的修改建议，便于后面小组合作的顺利进行和项目顺利实施。③对问题进行简化,抽象特征，完成建模。在学生完成项目的过程中，始终要让学生用计算思维来解决问题，如分解问题、简化要素、抽象特征，并在这个过程中完成对问题解决方案的建模，形成解决问题的思路与方法。在以上问题分解中，最难的是解决足球定位数据与动力系统关联问题。学生根据硬件手册搭建智能摄像头，调用足球识别模块，可以观察到足球的坐标数值变化。教师引导学生进行实验观察，形成足球定位数据对照分析表（如表1）。引导学生思考，通过人工智能摄像头的实时输入可以获得足球的坐标数据，同时也可以通过控制机器人的移动改变足球坐标值，将问题简化为：通过机器人左转右转、前进后退来调整足球在摄像头中的位置，进而形成解决问题的模型。（3）搭建硬件环境，编写程序进行项目实验①根据足球追踪系统的实现要求选择主控板、传感器、结构件等进行搭建，教师应关注学生的进度确保学生都在认真合作探究，并根据课堂上学生遇到的困难及时给予指导与建议。学生要明确本组的构思，小组成员根据分工展开各自的活动，合作完成作品。②分析实现足球追踪系统的功能进行程序编写。先用自然语言进行描述，再以小组为单位讨论程序流程图算法设计，在流程图上确定需要用到的程序结构，如循环结构、分支结构，了解相关程序算法的使用。知道输入、计算后得到的输出能够反馈到控制的过程（如图3）。图3 足球追踪程序流程③根据实验结果优化实验，分享实验数据。根据前期实验，学生获得了足球位置反馈数据与机器人之间的关系。接着引导学生利用机器人电机进行足球位置矫正实验，并完成技术实验过程记录表（如表2）。实验交流与改进：学生通过实验，发现电机转速及轮速差对机器人追踪足球的效果有很大的影响。合理的电机转速和左右轮速差可以达到效果与效率的平衡。小组之间进行汇报，实现数据分享。在讨论的过程中，小组之间不断完善算法，并在作品测试过程中进行程序的调整与优化。（4）评价总结，知识迁移以小组为单位完整展现作品进行合作演示，教师可以更清楚地了解学生的学习进展和成就。通过展示锻炼了学生的语言表达能力和沟通技巧，有助于学生深化知识记忆和理解计算思维，促进学生养成自我评价和相互评价的批判性思维。知识迁移则要求学生将在一个情境中习得的技能应用到新的、可能完全不同的情境中，这增强了他们的问题解决能力。在本课中，就有同学想到了可以将足球追踪的算法应用到人脸追踪中去，制作一些类似智能风扇、智能电暖等产品，体现了创新思维和知识迁移能力。04案例效果分析本教学案例涵盖了跨学科主题学习、人工智能应用，以及“过程与控制”算法的实现和程序编写等多个方面。案例以项目化学习为形式，以培养学生的学科核心素养为目标，从真实情境入手，引导学生体验问题解决的全过程，并通过实验报告来展示实验结果。通过足球追踪的案例，探索利用数据控制输出的过程，深入理解“过程与控制”这一学科概念，从而培养学生的数据分析处理和问题解决能力。案例采用项目化学习的方式实现了跨学科的融合，建立了知识之间的联系，有助于学生形成综合性的认知结构，也培养了学生的协作和沟通能力。本案例在提出问题、解决问题、迁移问题的实验教学过程中，激发了学生分析数据、处理数据的数据意识，提升了他们抽象、分解、建模的计算思维能力，培养了他们验证、反思、迭代、优化、迁移等信息素养。相关推送:（点击跳转至文章）关注信息科技实验教学 | 指向计算思维发展的信息科技实验教学设计——以“足球追踪”实验项目学习为例关注信息科技实验教学 | 《编码表示信息》实验教学设计关注信息科技实验教学 | 《物联网基本原理演示》实验教学设计本文作者：柳军才浙江省金华市金东区教育体育局教育中心郑锋华浙江省金华市金东区实验小学文章刊登于《中国信息技术教育》2024年第05期引用请注明参考文献：柳军才，郑锋华.指向计算思维发展的信息科技实验教学设计——以“足球追踪”实验项目学习为例.[J].中国信息技术教育，2024（05）：9-13.欢迎订阅点击图片即可订阅
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