建立自然世界與數(shù)字世界的聯(lián)系

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）提出，教師在教學(xué)中，要培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)與技能的提升，創(chuàng)新教學(xué)方式，以真實(shí)問題或項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷原理運(yùn)用過程、計(jì)算思維過程和數(shù)字化工具應(yīng)用過程，幫助學(xué)生建構(gòu)知識(shí)，提升問題解決能力。基于此，在初中信息科技課程“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與探索”內(nèi)容的教學(xué)中，筆者進(jìn)行了項(xiàng)目化嘗試，設(shè)計(jì)從“真實(shí)世界→數(shù)字世界→真實(shí)世界”的探究過程，引導(dǎo)學(xué)生理解學(xué)科概念，認(rèn)識(shí)物聯(lián)網(wǎng)是自然世界與數(shù)字世界之間的橋梁，讓學(xué)生通過收集和分析數(shù)據(jù)，建立自然世界與數(shù)字世界的聯(lián)系。

一、創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，明確自然世界對(duì)數(shù)字世界的需求

數(shù)字世界的收集、存儲(chǔ)和處理等功能能夠幫助社會(huì)優(yōu)化資源分配和管理，預(yù)測(cè)未來的變化趨勢(shì)。在信息科技課程教學(xué)中，教師可以將知識(shí)與現(xiàn)實(shí)情境相結(jié)合，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到連接自然世界和數(shù)字世界的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值，這有助于學(xué)生更好地適應(yīng)未來社會(huì)的發(fā)展。

例如，筆者根據(jù)真實(shí)情境“某城市潮汐車道啟用條件”作為項(xiàng)目背景，確定項(xiàng)目主題“設(shè)計(jì)智能導(dǎo)流機(jī)器人”，讓學(xué)生設(shè)計(jì)出導(dǎo)流機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)合適時(shí)機(jī)開通潮汐車道功能，輔助交通警察完成任務(wù)，目標(biāo)指向物聯(lián)網(wǎng)在生活中的創(chuàng)新和應(yīng)用，根據(jù)現(xiàn)實(shí)情境建立自然世界與數(shù)字世界的聯(lián)系，發(fā)揮數(shù)字世界的價(jià)值。根據(jù)學(xué)生實(shí)際，筆者設(shè)計(jì)了如下問題引導(dǎo)學(xué)生思考：

（1）如何讓機(jī)器人自動(dòng)采集車流量信息，并轉(zhuǎn)變成數(shù)字信息？

（2）如何設(shè)計(jì)程序流程，自動(dòng)處理數(shù)字信息？

（3）如何將數(shù)字信息反饋到自然世界，控制導(dǎo)流機(jī)器人下達(dá)指令？

【設(shè)計(jì)意圖】筆者通過真實(shí)情境，提煉現(xiàn)實(shí)問題，引導(dǎo)學(xué)生觀察生活，嘗試思考如何把數(shù)字技術(shù)運(yùn)用到生活中去，明確自然世界對(duì)數(shù)字世界的需求具有多樣性、創(chuàng)新性和持續(xù)性等特點(diǎn)。選擇的情境一方面契合學(xué)科概念，幫助學(xué)生構(gòu)建信息系統(tǒng)三個(gè)階段的邏輯關(guān)系——信息輸入、信息處理和信息輸出；另一方面，利用學(xué)生身邊事、身邊人，強(qiáng)化了他們對(duì)家鄉(xiāng)建設(shè)、社區(qū)貢獻(xiàn)的參與感和使命感。

二、探尋科學(xué)真理，建立自然世界與數(shù)字世界的聯(lián)系

針對(duì)問題（1），筆者同樣以問題的形式引導(dǎo)學(xué)生探究。首先，筆者提出：“如何采集車流信息？”讓學(xué)生基于生活常識(shí)大膽假設(shè)。希望學(xué)生能提出“利用紅外探測(cè)、聲音探測(cè)、距離探測(cè)”等設(shè)想，并能對(duì)不同類型的傳感器所探測(cè)到的物理信息進(jìn)行深入思考，以選擇合適的設(shè)備。接著，筆者就“物理信息如何向數(shù)字信息轉(zhuǎn)換”這一問題，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)溫度、聲音、圖像的數(shù)字化處理進(jìn)行學(xué)習(xí)，讓學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)查閱資料，理解物理傳感器的工作原理，逐步理解自然世界與數(shù)字世界的轉(zhuǎn)化關(guān)系。最后，根據(jù)學(xué)生調(diào)研，筆者再提出：“傳感器要檢測(cè)哪些信息？如何檢測(cè)？何時(shí)檢測(cè)？”等問題，引導(dǎo)學(xué)生利用調(diào)研結(jié)果，根據(jù)傳感器的工作原理解決問題。

【設(shè)計(jì)意圖】筆者引導(dǎo)學(xué)生在復(fù)雜多變的環(huán)境中探尋科學(xué)真理，理解自然世界與數(shù)字世界的轉(zhuǎn)化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)學(xué)科概念的遷移和應(yīng)用。整個(gè)過程由問題驅(qū)動(dòng)，讓學(xué)生在解決問題中不斷學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生獨(dú)立探究能力，以及解決問題的能力。在探究過程中，學(xué)生需要將知識(shí)從離散的現(xiàn)實(shí)中抽象出來，用科學(xué)的方式解決現(xiàn)實(shí)問題，實(shí)現(xiàn)“具體→抽象→具體”的探究過程，提升分析問題的能力。

三、建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，將自然信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)

數(shù)學(xué)建模在信息科技領(lǐng)域扮演著重要角色，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、算法開發(fā)和數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)過程中，教師應(yīng)注重對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，指導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、抽象概念、建立數(shù)學(xué)模型，以及合理處理數(shù)據(jù)。

例如，針對(duì)問題（2），筆者首先讓學(xué)生對(duì)項(xiàng)目問題進(jìn)行梳理，然后引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，讓學(xué)生以流程圖的形式呈現(xiàn)實(shí)施脈絡(luò)，并從“程序流程總結(jié)構(gòu)”中分解出“如何探測(cè)車流量”和“是否啟用潮汐車道”兩大主線問題。流程包括兩個(gè)步驟，一是利用探測(cè)器探測(cè)信號(hào)獲得車輛數(shù)（圖1右），二是根據(jù)車流量判斷是否啟用潮汐車道（圖1左）。同時(shí)，流程中的難點(diǎn)要加以引導(dǎo)，比如在探測(cè)器探測(cè)車輛數(shù)時(shí)，筆者提出問題：“是以單位時(shí)間為一個(gè)周期（比如60秒），測(cè)量這段時(shí)間內(nèi)經(jīng)過的車輛數(shù)，還是計(jì)算經(jīng)過的車輛總和？”以此，讓學(xué)生根據(jù)實(shí)際學(xué)會(huì)用科學(xué)的思維去思考問題。學(xué)生經(jīng)過思考，會(huì)想到機(jī)器人開啟潮汐車道是根據(jù)程序輸出的車輛數(shù)來判斷的，因此，測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過的車輛數(shù)更加合理。

在計(jì)算車輛數(shù)這一模塊處理的過程中，學(xué)生根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn)，還會(huì)發(fā)現(xiàn)車輛長(zhǎng)時(shí)間停留，以及從上一輛出現(xiàn)到下一輛出現(xiàn)的標(biāo)記處理等問題，因此，這一模塊還需進(jìn)一步細(xì)化。在學(xué)生逐步求精，系統(tǒng)逐步迭代過程中，程序逐漸被完善。

【設(shè)計(jì)意圖】隨著項(xiàng)目的展開，學(xué)生不斷發(fā)現(xiàn)問題并嘗試解決問題，經(jīng)歷分解、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和迭代的學(xué)習(xí)過程，從而建構(gòu)出學(xué)科認(rèn)知，形成科學(xué)意識(shí)。學(xué)生通過建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，深入理解了數(shù)字信號(hào)是如何服務(wù)于現(xiàn)實(shí)世界，親身經(jīng)歷了“算法工程師”解決問題的過程。這個(gè)過程不僅提升了學(xué)生的綜合素養(yǎng)，還促使他們能夠運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)和技能應(yīng)對(duì)未來的復(fù)雜挑戰(zhàn)。

四、還原現(xiàn)實(shí)模型，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為自然信號(hào)

以往的信息科技教學(xué)，教師通常采用讓學(xué)生在虛擬場(chǎng)景中運(yùn)用知識(shí)來解決問題，知識(shí)遷移性較差。新課標(biāo)提倡數(shù)字化創(chuàng)新，因此，教師應(yīng)打破固有思維限制，在開展項(xiàng)目化學(xué)習(xí)過程中應(yīng)盡可能地向現(xiàn)實(shí)生活還原，形成“自然世界→數(shù)字世界→自然世界”邏輯關(guān)聯(lián)。

針對(duì)問題（3），筆者首先讓學(xué)生在科創(chuàng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試導(dǎo)流機(jī)器人，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的過程中，一系列的問題隨之產(chǎn)生。例如，導(dǎo)流機(jī)器人移動(dòng)的時(shí)間和距離如何設(shè)置；導(dǎo)流機(jī)器人的能源問題；一條潮汐車道上放置幾個(gè)導(dǎo)流機(jī)器人等。這些問題均須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件、設(shè)備條件等才能發(fā)現(xiàn)和解決。隨后，筆者帶領(lǐng)學(xué)生到室外場(chǎng)地進(jìn)行了模擬，學(xué)生又發(fā)現(xiàn)如何排除非主要信號(hào)的干擾；傳感器的靈敏度及使用范圍會(huì)使檢測(cè)準(zhǔn)確性產(chǎn)生偏差等問題。在反復(fù)調(diào)整、迭代和創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，學(xué)生親身體驗(yàn)了數(shù)字信號(hào)如何精確還原現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜性，深刻領(lǐng)悟到科學(xué)進(jìn)步的艱辛歷程。

【設(shè)計(jì)意圖】項(xiàng)目源于現(xiàn)實(shí)生活，以抽象路徑形成策略，最后還要作用于現(xiàn)實(shí)世界。學(xué)生在真實(shí)場(chǎng)景中能理解現(xiàn)實(shí)世界的復(fù)雜多變性、理論聯(lián)系實(shí)際的重要性，以及產(chǎn)生向新的應(yīng)用方向拓展和轉(zhuǎn)化的意識(shí)，并能感悟到前人歷經(jīng)艱辛創(chuàng)造科學(xué)的偉大。教師在教學(xué)中，既是知識(shí)的傳播者，又是學(xué)生成長(zhǎng)的引導(dǎo)者；既要教授知識(shí)，也要讓學(xué)生理解信息科技對(duì)人類社會(huì)的貢獻(xiàn)，培養(yǎng)他們對(duì)科學(xué)的敬畏之情。

本案例嘗試把物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的學(xué)科知識(shí)運(yùn)用到項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)物聯(lián)系統(tǒng)，掌握學(xué)科知識(shí)，形成學(xué)科思維，感受萬物互聯(lián)的社會(huì)意義，以期達(dá)成對(duì)自然世界與數(shù)字世界的關(guān)系的概念理解。在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)體驗(yàn)的過程中，學(xué)生逐步學(xué)會(huì)用數(shù)字形式表達(dá)信息，了解了其中的科學(xué)原理、思維方法。以項(xiàng)目化學(xué)習(xí)為載體提升信息科技課程的教學(xué)實(shí)效，教師應(yīng)進(jìn)一步實(shí)踐探索和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，準(zhǔn)確把握教育要求，理解課程的科學(xué)本質(zhì)，真正落實(shí)新課標(biāo)育人要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)。

（作者單位：江蘇省常州市實(shí)驗(yàn)初級(jí)中學(xué)）