指向計算思維發(fā)展的信息科技實驗教學(xué)設(shè)計
——以“足球追蹤”實驗項目學(xué)習(xí)為例

柳軍才 浙江省金華市金東區(qū)教育體育局教育中心

鄭鋒華 浙江省金華市金東區(qū)實驗小學(xué)

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）指出：遴選科學(xué)原理和實踐應(yīng)用并重的課程內(nèi)容，從信息科技實踐應(yīng)用出發(fā)，注重幫助學(xué)生理解基本概念和基本原理，引導(dǎo)學(xué)生認識信息科技對人類社會的貢獻與挑戰(zhàn)，提升學(xué)生知識遷移能力和學(xué)科思維水平，體現(xiàn)“科”與“技”并重。[1]新課標(biāo)強調(diào)了科學(xué)原理和實踐應(yīng)用的結(jié)合，在這一框架下，開展實驗教學(xué)就成為邏輯上的必然選擇。實驗教學(xué)以科學(xué)原理為基礎(chǔ)，指導(dǎo)學(xué)生進行實踐應(yīng)用，從而深化對信息科技的理解和應(yīng)用能力，是發(fā)展學(xué)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(xué)中落實計算思維的培養(yǎng)。

● 把“計算思維”融入信息科技實驗設(shè)計的價值分析

第一，提升學(xué)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(xué)中，運用計算思維可以促進學(xué)生的實驗規(guī)劃能力，提升學(xué)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(xué)科知識的理解和運用，提高在生活和學(xué)習(xí)中應(yīng)用信息科技的素養(yǎng)。[2]

第二，培養(yǎng)學(xué)生問題解決能力中的“抽象與建模能力”。信息科技領(lǐng)域存在各種復(fù)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(xué)生的邏輯思維和系統(tǒng)思考能力，還能使其學(xué)會用抽象與建模的思想來應(yīng)對復(fù)雜問題的能力。

第三，激發(fā)學(xué)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(lǐng)域，只有培養(yǎng)學(xué)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(xué)可以為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)和實踐的機會，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能，培養(yǎng)學(xué)生面對復(fù)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(xué)能實現(xiàn)課程的育人價值。信息科技實驗教學(xué)通過學(xué)科實踐和實驗教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)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(xué)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。

● 計算思維融入信息科技實驗設(shè)計的基本框架

信息科技實驗教學(xué)一般分成驗證性實驗、探究性實驗、創(chuàng)新應(yīng)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(yīng)用模塊，結(jié)合人工智能硬件的應(yīng)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(xué)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(yīng)用實驗課。

跨學(xué)科學(xué)習(xí)主題設(shè)計：本案例中的足球機器人設(shè)計涉及信息科技、數(shù)學(xué)、科學(xué)、藝術(shù)等學(xué)科，如信息科技學(xué)科中的“過程與控制”，人工智能攝像頭的應(yīng)用、程序編寫，數(shù)學(xué)學(xué)科中的坐標(biāo)、計算、參數(shù)，科學(xué)、藝術(shù)學(xué)科中的機械結(jié)構(gòu)、外形設(shè)計等。案例基于跨學(xué)科整體設(shè)計，進而提高學(xué)生的數(shù)字素養(yǎng)與技能。

信息科技不同于常規(guī)科學(xué)實驗的一個重要突破點是把計算思維融入實驗的設(shè)計與實施，尤其是基于跨學(xué)科的整體設(shè)計，以問題為導(dǎo)向，通過提出問題、分析問題、解決問題的思維過程來設(shè)計實驗教學(xué)流程，對問題進行抽象、分解、建模，形成實驗設(shè)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）。

● 案例設(shè)計（人工智能課程——足球追蹤）

1.教學(xué)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(yīng)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(xué)設(shè)計綱要

主題：足球追蹤。

年級：六年級。

課時：三課時。

跨學(xué)科：信息科技、數(shù)學(xué)、科學(xué)、藝術(shù)。

教學(xué)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(xué)目標(biāo)

（1）總體教學(xué)目標(biāo)

①在教師的指導(dǎo)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(xué)習(xí)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(guān)系。(信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任)

③綜合運用數(shù)學(xué)、藝術(shù)、科學(xué)及信息科技等學(xué)科的知識與技能，采用相關(guān)硬件設(shè)備設(shè)計、搭建足球追蹤系統(tǒng)，通過建立一個真實的情境，提升學(xué)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(xué)思維、數(shù)據(jù)分析、創(chuàng)意設(shè)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(biāo)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(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)科學(xué)知識的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字素養(yǎng)，促進學(xué)校科創(chuàng)工作的發(fā)展。(信息意識、技術(shù)運用、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任、計算思維)

（2）跨學(xué)科學(xué)習(xí)教學(xué)目標(biāo)

①信息科技：采用人工智能傳感器、主控板和電機等相關(guān)硬件設(shè)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(biāo)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(guān)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(guān)系，能夠利用監(jiān)測的輸出值，反饋到輸入端，與預(yù)設(shè)的目標(biāo)值進行比較，再次進行計算輸出。

②數(shù)學(xué)：比較足球坐標(biāo)對應(yīng)數(shù)值，掌握輸入數(shù)值與輸出數(shù)值之間的關(guān)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(guān)系解決問題，初步學(xué)會用數(shù)學(xué)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(xué)：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(xué)學(xué)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(shè)計，分析科學(xué)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(xué)科學(xué)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(xué)生展開想象，為足球機器人設(shè)計個性化外觀。提高學(xué)生的視覺審美能力，促進創(chuàng)意思維和技術(shù)應(yīng)用能力。

4.教學(xué)重難點

重點：人工智能應(yīng)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(guān)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(xué)流程

（1）創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

信息科技新課標(biāo)倡導(dǎo)真實性學(xué)習(xí)，要求以真實問題和項目驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)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(xué)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(xué)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(shè)想，從而明確實驗任務(wù)，完成追蹤系統(tǒng)的需求分析，為接下來的實驗設(shè)計、實驗驗證做好準(zhǔn)備。

（2）分析問題，制訂實驗計劃

分析問題要重視學(xué)生的思維過程，鼓勵學(xué)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(xué)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(lǐng)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(shè)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(guān)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(xué)生完成項目的過程中，始終要讓學(xué)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(guān)聯(lián)問題。學(xué)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(biāo)數(shù)值變化。教師引導(dǎo)學(xué)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）。

表1 足球定位的實驗數(shù)據(jù)對照分析表

引導(dǎo)學(xué)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(biāo)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(biāo)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(yīng)關(guān)注學(xué)生的進度確保學(xué)生都在認真合作探究，并根據(jù)課堂上學(xué)生遇到的困難及時給予指導(dǎo)與建議。學(xué)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(shè)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(guān)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(xué)生獲得了足球位置反饋數(shù)據(jù)與機器人之間的關(guān)系。接著引導(dǎo)學(xué)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（如下頁表2）。

表2 “足球追蹤”技術(shù)實驗記錄表

實驗交流與改進：學(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)進展和成就。通過展示鍛煉了學(xué)生的語言表達能力和溝通技巧，有助于學(xué)生深化知識記憶和理解計算思維，促進學(xué)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(xué)生將在一個情境中習(xí)得的技能應(yīng)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(xué)想到了可以將足球追蹤的算法應(yīng)用到人臉追蹤中去，制作一些類似智能風(fēng)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。

● 案例效果分析

本教學(xué)案例涵蓋了跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)、人工智能應(yīng)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(xué)習(xí)為形式，以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)，從真實情境入手，引導(dǎo)學(xué)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(xué)科概念，從而培養(yǎng)學(xué)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(xué)習(xí)的方式實現(xiàn)了跨學(xué)科的融合，建立了知識之間的聯(lián)系，有助于學(xué)生形成綜合性的認知結(jié)構(gòu)，也培養(yǎng)了學(xué)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(xué)過程中，激發(fā)了學(xué)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)。