探索智能家居空氣監測的奧秘

包凌琰

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》提出了培養學科核心素養的概念。要求學生能夠尋求恰當方式獲取與處理信息（信息意識）;能夠采用計算機科學領域的思想方法解決問題（計算思維）。本案例基于教育科學出版社高中版信息技術必修教材《數據與計算》第二單元“編程計算”第3節的內容，旨在培養學生抽象與邏輯思維的能力、創新能力以及分析和解決問題的能力。

學生能利用流程圖來描述簡單問題并轉為程序代碼，但熟練度還有所欠缺。本課涉及的知識點較多，要求學生有較強的邏輯思維能力。基于課程標準要求、學情分析，教學目標定為：掌握循環的結構和執行過程;運用循環解決實際問題。教學重點為：for語句含步長的格式與功能;for與while的聯系與區別。教學難點為：循環語句的格式與調試;運用循環語句解決實際問題。

項目概述

如今，健康養生成為關注熱點，人們對空氣質量關注度也越來越高。本項目學生通過對空氣監測結果的分析，結合循環語句特性，學習運用計算思維解決問題。教學策略上以學生為主，教師引導。學生在不斷發現問題、分析問題、解決問題的過程中，養成嚴謹的邏輯思維習慣，培養自主學習、協同學習的能力。

項目教學準備

硬件環境：網絡機房;學習工具：python3.0;教學資源：PPT課件、程序半成品、學生學案。

教學過程

1.項目引入

問題：健康對每個人都至關重要，智能家居可以監控我們的環境并評估，如空氣中的pm2.5，其數據往往很多，如何實現對大量數據的高效處理呢？假設傳感器每小時向系統傳遞一次數值（實際頻率更高），如何評估當天空氣質量的好壞呢？

2.項目分析

活動1：分析問題，確定需求，資料收集

知識技能：掌握從程序設計的角度分析問題的常見思路;掌握列表的基本使用方法。問題：如果你是系統工程師，以監測pm2.5為例，你覺得工作需分為幾個步驟？學生活動：分析討論并回答。教師小結：空氣質量的評估需要經過以下步驟：①獲取pm2.5數據并傳給系統;②通過某種策略計算，得出結果;③將結果與標準對比，得出結論。

問題：其中最大的阻礙是什么？能否克服？學生活動：小組討論并回答。教師小結：不難發現，數據統計時數據量較大，程序處理困難。因而急需一種數據結構，希望其能夠方便地對大量數據進行讀、寫等操作。學生活動：打開學案，自學列表知識。

設計意圖：列表知識并非由教師強行灌輸，而是學生在研究問題過程中的自發需求，是學生主動要求了解掌握的知識與技能。列表只需掌握最基本的讀寫操作即可，其他可以作為拓展資料由學生自學。

3.項目設計

活動2：討論可行計算方案，選擇一種方案設計出算法

知識技能：將解決問題的思路轉化為流程圖或偽代碼。問題：哪種數據分析策略更加科學呢？學生活動：小組討論分析策略。

設計意圖：數據分析方法不唯一，可能用到均值、方差等各種知識，學生通過對問題的不斷思考與討論，鍛煉解決問題的能力。

教師：確定方案并繪制流程圖。

設計意圖：求平均值的方案簡單易懂，流程圖繪制難度較低，確保每位學生項目順利推進。

4.項目實現

活動3：編寫程序實現算法

知識與技能：掌握循環的各種功能與格式。教師：若市場上還沒有類似產品，請工程師們通過“人無我有”策略來搶占市場。學生活動：結合學案，參照流程圖編寫程序，調試并運行;作品展示。

設計意圖：教師利用半成品及學案資料保障學生項目的順利實施。

教師：能否用while實現功能？學生活動：分組討論;通過代碼展示的形式共同探討多種結構的異同點。

教師：若市場上已有類似產品，請工程師們通過“人有我優”策略來搶占市場。假設傳感器不僅能夠測得pm2.5，還能測得CO2的濃度數值。程序該如何修改？拓展：學生結合學案中for循環含步長的格式，實現產品升級。

設計意圖：學有余力的學生能夠通過自學進一步提高程序設計的能力，其他學生也能夠通過閱讀拓展視野。最終所有學生通過編寫代碼解決實際問題，體驗編程的快樂。

5.知識梳理

知識技能：循環語句的格式、注意事項、使用技巧。活動形式：討論交流學習體會;討論智能家居其他場合可以用到循環;完成評價量規表。

設計后感

循環作為程序設計中一個極其重要的知識點，需要每一位學生深入學習并掌握其使用方法。本教學設計通過引導學生對智能家居空氣監測系統使用過程的分析，歸納出智能系統的執行策略，結合循環語句的特性，學習運用編程加工信息來分析問題、解決問題的方法。項目式教學法作為一種行之有效的教學方法，對傳統的教學模式進行了突破，通過解決生活中的問題來幫助學生更加輕松、牢固地掌握知識，大大提高了學生的學習積極性，動手能力和解決問題的能力也得到了極大的鍛煉，有助于學生信息素養的提高。

作者單位：南京師范大學附屬中學