信息技術(shù)項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法的—以“實(shí)智踐能與盲人思伴考侶”為例

賀森 安徽省合肥市合肥一六八玫瑰園學(xué)校

儲(chǔ)君 清華附中合肥學(xué)校

●項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法的界定

項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法強(qiáng)調(diào)學(xué)生在做中學(xué)，學(xué)生是項(xiàng)目學(xué)習(xí)的主體，學(xué)生借助實(shí)驗(yàn)探究法，驗(yàn)證項(xiàng)目猜想、攻克項(xiàng)目難點(diǎn)、優(yōu)化項(xiàng)目方案，在實(shí)施項(xiàng)目的整個(gè)過程中，探究科技原理并解決現(xiàn)實(shí)問題。項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種重視實(shí)踐的教學(xué)模式，學(xué)生通過親身實(shí)踐逐漸構(gòu)建知識，體驗(yàn)科學(xué)研究的過程，提升創(chuàng)新思維與實(shí)踐能力。

●項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法的課堂流程

筆者基于科學(xué)出版社出版的初中信息科技第5冊第一單元《了解機(jī)器人的感官》中的章節(jié)知識設(shè)計(jì)了“智能盲人伴侶設(shè)計(jì)”項(xiàng)目，要求學(xué)生使用Arduino Nano主控板以及紅外、超聲波等開源硬件完成智能盲人伴侶的設(shè)計(jì)、搭建和編程，而項(xiàng)目方案的確定、項(xiàng)目器材的選擇以及項(xiàng)目產(chǎn)品的調(diào)試和完善需要依托實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，本節(jié)課選用項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法，以發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目問題、實(shí)驗(yàn)探究驗(yàn)證、解決項(xiàng)目問題為主線展開，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用信息技術(shù)解決實(shí)際問題的能力，具體課堂流程如圖1所示。

圖1

●項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法的實(shí)施過程

1.項(xiàng)目目標(biāo)

①通過網(wǎng)絡(luò)搜索、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取有效信息，完善智能盲人伴侶的設(shè)計(jì)。（信息意識）

②通過制訂智能盲人伴侶項(xiàng)目方案，學(xué)會(huì)將大問題劃分為多個(gè)可解決的小問題，提升問題解決的能力，并遷移至生活中其他問題的解決。（計(jì)算思維）

③理解紅外避障傳感器和超聲波傳感器的探障原理和探障影響因素，搭建智能盲人伴侶，優(yōu)化智能盲人伴侶的探障準(zhǔn)確性。提升根據(jù)實(shí)際需求獲取有效信息解決實(shí)際問題的能力。（數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）

④培養(yǎng)借助科技手段關(guān)愛特殊群體的社會(huì)責(zé)任。（信息社會(huì)責(zé)任）

2.項(xiàng)目導(dǎo)入

學(xué)生觀看短片《盲人出行現(xiàn)狀》，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)導(dǎo)盲拐杖探障不準(zhǔn)確，因此，提出借助智能科技手段設(shè)計(jì)一款盲人拐杖，使其能夠在不受環(huán)境的干擾下，精準(zhǔn)探測到遠(yuǎn)距離、多方位、面積小的障礙物，從而保障盲人的出行安全。由此，引出項(xiàng)目“智能盲人伴侶”。

3.項(xiàng)目準(zhǔn)備

（1）討論方案。經(jīng)過交流討論、上網(wǎng)搜索和測試，學(xué)生確定初步方案，即選用超聲波傳感器作為盲人伴侶的探障傳感器，并配合語音傳感器提示前方是否有障礙物。針對如何解決“提升盲人伴侶的探障準(zhǔn)確性”的現(xiàn)實(shí)問題，學(xué)生提出以下三點(diǎn)設(shè)計(jì)猜想：①探測范圍更廣；②能探測到小物體；③免受環(huán)境的干擾。在這個(gè)過程中，學(xué)生學(xué)會(huì)將大問題劃分為多個(gè)可解決的小問題，提升了計(jì)算思維。

（2）器材準(zhǔn)備。學(xué)生根據(jù)初步方案搭建智能盲人伴侶，為驗(yàn)證三點(diǎn)設(shè)計(jì)猜想，自主確定實(shí)驗(yàn)方案，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案準(zhǔn)備需要的實(shí)驗(yàn)器材。

（3）驗(yàn)證方案。學(xué)生需根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案完成實(shí)驗(yàn)探究，得出結(jié)論。

①實(shí)驗(yàn)一：探究超聲波傳感器的探障準(zhǔn)確性。

急性闌尾炎是臨床十分常見的急腹癥，其在急腹癥中發(fā)病率居于首位，主要由闌尾腔堵塞及細(xì)菌入侵引起，血象增高、麥?zhǔn)宵c(diǎn)壓痛反跳痛、轉(zhuǎn)移性右下腹疼痛是診斷急性闌尾炎的金標(biāo)準(zhǔn)，但是部分患者不存在上述典型癥狀，同時(shí)急性胰腺炎、泌尿系結(jié)石、膽囊壞疽穿孔等其他急腹癥同樣存在上述癥狀，因此有效診斷、鑒別急性闌尾炎具有重要意義[1-2]。本研究分析急性闌尾炎的CT診斷及其應(yīng)用價(jià)值，現(xiàn)報(bào)道如下：

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模阂约t外避障傳感器為參照物，探測超聲波傳感器的最大探測距離和最大探測角度，從而判斷超聲波傳感器能否探測到左右兩邊障礙物。

提出假設(shè)：相比紅外避障傳感器，超聲波傳感器探障準(zhǔn)確性更高，能探測到左右兩邊的障礙物。

實(shí)驗(yàn)器材：教師自制實(shí)驗(yàn)器材。當(dāng)實(shí)驗(yàn)器材探測到障礙物時(shí)，器材報(bào)警并顯示障礙物與器材的距離；當(dāng)實(shí)驗(yàn)器材不能探測到障礙物時(shí)，器材不報(bào)警并顯示默認(rèn)值2000。

實(shí)驗(yàn)方案：學(xué)生固定紅外、超聲波傳感器，由近及遠(yuǎn)移動(dòng)障礙物，測量傳感器能探測的最大距離。以傳感器為圓心（障礙物做圓周運(yùn)動(dòng)），測量傳感器能探測的最大角度。

實(shí)驗(yàn)流程：第一步，連接傳感器，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)器材，開始實(shí)驗(yàn)。第二步，記錄多次數(shù)據(jù)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總。第三步，得出結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：超聲波傳感器探測距離＞紅外避障傳感器探測距離，超聲波傳感器探測角度＞紅外避障傳感器探測角度，因此選用超聲波傳感器。但超聲波傳感器的最大探測角度為40度，超聲波傳感器無法探測左右兩側(cè)的障礙物。

②實(shí)驗(yàn)二：探究障礙物大小對盲人伴侶探障準(zhǔn)確性的影響。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^實(shí)驗(yàn)判斷超聲波傳感器能否探測到小面積障礙物，如果面積較小障礙物都可以被探測到，那么證明盲人伴侶探障的準(zhǔn)確性高。

實(shí)驗(yàn)器材：教師自制實(shí)驗(yàn)器材、大小不同的方塊。

實(shí)驗(yàn)方案：學(xué)生采用控制變量法，選用大小不同的方塊；固定超聲波傳感器，將大小方塊放在距離傳感器60cm和120cm的位置，判斷傳感器能否探測到障礙物。

實(shí)驗(yàn)流程：第一步，連接傳感器，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)器材，開始實(shí)驗(yàn)。第二步，記錄多次數(shù)據(jù)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總。第三步，得出結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：當(dāng)障礙物面積小時(shí)，探障數(shù)據(jù)值為2000，因此，超聲波傳感器無法探測到面積較小的障礙物。

③實(shí)驗(yàn)三：探究環(huán)境因素對盲人伴侶探障準(zhǔn)確性的影響。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄坑晁⒄駝?dòng)、光線、風(fēng)量四個(gè)環(huán)境因素對超聲波傳感器探障的影響。

提出假設(shè)：雨水、振動(dòng)、光線、風(fēng)量四個(gè)環(huán)境因素對超聲波傳感器探障沒有影響。

實(shí)驗(yàn)器材：教師自制實(shí)驗(yàn)器材、滴管、吹風(fēng)機(jī)、燈光環(huán)境。

實(shí)驗(yàn)方案：雨水小組使用滴管在超聲波傳感器上滴加少量液體來實(shí)現(xiàn)水滴的附著。振動(dòng)小組用手輕晃超聲波傳感器來模擬環(huán)境顛簸。光線小組通過控制開關(guān)燈來實(shí)現(xiàn)白天黑夜的切換。風(fēng)量小組使用吹風(fēng)機(jī)來控制風(fēng)量。

實(shí)驗(yàn)流程：第一步，連接傳感器，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)器材，分組實(shí)驗(yàn)。第二步，記錄多次數(shù)據(jù)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總。第三步，得出結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：光線、風(fēng)量、振動(dòng)對超聲波探障沒有影響。只有當(dāng)雨水附著時(shí)，雨水被超聲波傳感器視為障礙物，探障距離讀數(shù)與障礙物實(shí)際距離不相等，因此雨水環(huán)境因素對超聲波傳感器探障有影響。

4.項(xiàng)目優(yōu)化

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論為：①超聲波傳感器只能探測到盲人伴侶前方的障礙物，無法探測到盲人伴侶左右兩側(cè)的障礙物。②超聲波傳感器無法探測到面積較小的障礙物。③超聲波傳感器探障能力會(huì)受到雨水環(huán)境因素的影響。

針對以上三點(diǎn)結(jié)論，學(xué)生對盲人伴侶項(xiàng)目方案進(jìn)一步優(yōu)化，提出改進(jìn)策略：①為了使盲人伴侶能探測到左右兩方的障礙物，可以在盲人伴侶左右兩側(cè)各安裝一個(gè)超聲波傳感器，當(dāng)超聲波傳感器探測到前方障礙物時(shí)，語音提示“您的前方有障礙物”，當(dāng)超聲波傳感器探測到右方障礙物時(shí)，語音提示“您的右方有障礙物”，當(dāng)超聲波傳感器探測到左方障礙物時(shí)，語音提示“您的左方有障礙物”。②為了提示盲人前方有小障礙物，如行走時(shí)可能會(huì)遇到的瓶蓋、彈珠等障礙物，可以在盲人伴侶的前方再加裝一個(gè)超聲波傳感器。③為了避免盲人伴侶受到雨水的影響，可以為盲人伴侶上方制作遮擋板（如圖2）。

圖2

5.項(xiàng)目拓展

鼓勵(lì)學(xué)生用人工智能技術(shù)手段，如圖像識別、導(dǎo)航等技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化智能盲人伴侶，從而啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，拓展項(xiàng)目的技術(shù)深度。

●結(jié)語

①從課堂教學(xué)實(shí)踐來看，在項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生積極思考提出創(chuàng)新性的解決方案，鍛煉了創(chuàng)新精神和解決實(shí)際問題的能力。②在項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生需要與團(tuán)隊(duì)成員密切合作，分工扮演領(lǐng)導(dǎo)、設(shè)計(jì)、研發(fā)、實(shí)施等不同角色，共同完成項(xiàng)目的各個(gè)階段，培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。③項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)還可以幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用所學(xué)知識。學(xué)生在完成項(xiàng)目時(shí)，將需要解決的項(xiàng)目問題拆解轉(zhuǎn)化為學(xué)科問題，借助學(xué)科知識解決項(xiàng)目問題。學(xué)生通過實(shí)踐性的學(xué)習(xí)和探究，能夠更加深入地理解所學(xué)知識的本質(zhì)和應(yīng)用，加深對知識的記憶和理解。

因此，在信息科技課程的教學(xué)中，采用項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法開展教學(xué)，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力，提升學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，有效地培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。