高中信息技術項目式學習支架設計與實踐

【摘 要】本文以“傳感器與信息獲取”一課為例，詳細介紹了學習支架的具體設計和在課堂教學中的應用過程，同時在教學中融入人工智能應用（AI編程助手），以豐富教學內容和方法，提高學生的參與度和學習效果。

【關鍵詞】高中信息技術；項目化教學；學習支架；傳感器；人工智能

【中圖分類號】G434 【文獻標志碼】B

【論文編號】1671-7384（2024）09-063-02

《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》倡導基于項目的學習方式，將知識建構、技能培養與思維發展融入運用數字化工具解決問題和完成任務的過程之中[1]。項目式學習是一種以學生為中心、以問題為導向的教學方法，它將傳統的教師知識傳授轉變為以項目為導向的學生探究式學習。在項目式學習的實施過程中，如何有效地設計學習支架，以支持學生的自主學習和協作探究，成為了一個亟待解決的問題。

學習支架在項目式學習中的作用和設計原則

1976年，美國心理學家伍德提出了學習支架的定義：在學習者需要解決問題時，為他們提供所需的資料和解決問題的工具，幫助學習者完成任務并提升能力達到目標。研究表明，學習支架訓練不僅可以促進學生的自我學習能力，也是減輕認知負荷，促進學生認知發展的有效途徑[2]。因此，教師提供有效的學習支架是保障信息技術學科項目式學習成效的重要手段和工具。筆者通過長期的教學實踐體會到，在設計學習支架時應遵循但不局限于以下幾個原則。

1.針對性原則

在設計學習支架時，首先需要對項目任務進行深入分析，了解其核心目標和關鍵要素。例如，在“傳感器與信息獲取”項目式學習中，如果目標是讓學生理解并應用傳感器進行數據收集，學習支架應提供關于傳感器工作原理的基礎知識，以及如何將傳感器集成到系統中的相關知識。

2.引導性原則

學習支架設計應能夠激發學生的好奇心和探究欲。例如，在編程環節，學習支架可以設計一系列由淺入深的編程任務，每個任務都包含引導性問題，鼓勵學生思考如何使用代碼來控制傳感器。同時，提供即時反饋機制，如在線代碼測試工具，讓學生能夠快速看到自己編碼的效果，從而增強學習動機。

3.多樣性原則

學習支架的形式和內容應具有多樣性，以適應不同學生的學習風格和需求。在項目的不同階段，如需求分析、系統設計、編程實現等環節提供思維導圖工具、流程圖軟件、代碼編輯器插件等不同形式的學習支架，以支持學生的多樣化學習路徑。

4.適時性原則

學習支架的提供應恰到好處，既不過早也不滯后。例如，在學生開始進行硬件測試之前，教師可以提供一份詳細的硬件測試指南，包括常見問題和解決方案；在學生遇到具體問題時，教師可以提供一對一的指導或指向相關的學習資源，幫助學生克服困難。

學習支架在教學中的具體設計及其在教學中的應用

本文的“傳感器與信息獲取”一課，選自2019年人民教育出版社和中國地圖出版社聯合出版的信息技術教材必修二。本課的教學設計采用基于項目化學習的大單元設計與課程實踐形式，以“搭建教室空氣質量監測系統”為主題，分為“利用物聯網技術，設計并搭建教室空氣質量監測系統”和“使用python處理空氣質量數據”兩個部分，以“大觀念、大概念和大情境”貫穿教學設計的始終，逐步提升學生的信息技術學科核心素養。為此，教師編寫了“項目學習手冊”，作為支撐和貫穿項目式學習全過程的主要學習支架，是針對整節課的各個學習環節需要進行的設計。“項目學習手冊”主要分為三個部分：項目情境與驅動性問題、導學案以及技術支持文檔。其中，導學案包含需求分析、功能設計、硬件測試、編程調試等環節的過程性記錄表格，以及系統分析和算法設計環節的待補全圖片；技術支持文檔則涵蓋了空氣質量傳感器、溫濕度傳感器、掌控板及其拓展板、MQTT服務器等的詳細介紹。同時輔以ClassPoint插件、示例程序等其他學習支架在不同環節給予學生支持。

1.需求分析和功能設計環節

在需求分析環節，學生圍繞核心驅動問題：“利用物聯網技術，如何設計并搭建一個教室空氣質量監測系統”，初步構思系統應具備的功能。教師通過ClassPoint插件的詞云功能匯集學生的分析結果，并在智慧大屏上即時展示，梳理出需要檢測的空氣質量指標，即二氧化碳（CO2）濃度、總揮發性有機化合物（TVOC）濃度和空氣質量指數（AQI）。在功能設計環節，學生通過對《項目學習手冊》中“技術支持”部分內容的學習，結合教師對核心概念的梳理與講解，確定系統預設功能的具體實現手段，通過學習支架開展自主探究，這充分體現學習支架的引導性。教師使用ClassPoint插件的簡答題功能匯集學生的功能設計結果并即時展示。

2.系統分析和算法設計環節

在系統分析和算法設計環節中，學生學習參考“項目學習手冊”中相關內容，使用教師提供的拼圖學習資源，以拼圖的方式完成系統分析，從數據傳輸的視角梳理系統各個組成部分之間的關系。同樣使用拼圖的方式，以流程圖的形式描述系統的工作過程，完成系統的算法設計。算法學習支架的制作并不復雜，教師在PPT中做好需要完成的拼圖主框架和可以拖動的填充方框即可。教師使用ClassPoint插件的圖片上傳功能匯集學生的算法設計結果。

3.硬件測試和編程調試環節

在硬件測試和編程調試環節中，學生自主學習“項目學習手冊”中技術支持部分內容，分組連接硬件（包括傳感器、掌控板及其拓展板、MQTT服務器），刷入示例程序（Mind+），排除硬件故障和連接錯誤等活動。根據算法流程圖編寫程序，連接掌控板并刷入程序，模擬系統投入使用時的各種可能情境，根據測試結果作出優化和調整。

由于高中學生自主編程的能力還有一定欠缺，教師引入“AI編程助手”作為支架，引導學生遇到程序代碼編寫問題時在“文心智能體平臺”上提問，該平臺可提供代碼自動補全、錯誤檢測和調試建議等功能，有效降低編程難度。授課教師在這兩個環節進行巡視指導并適時提供示例程序，這充分體現了學習支架的多樣性和適時性。

學習支架的實施效果與反思

本課中學習支架的有效設計，在促進學生對傳感器及其信息獲取方式的理解和應用、提高學生的學習興趣和積極性等方面起到了至關重要的作用。

通過本課的實踐，筆者認為高中信息技術項目式學習支架的設計和實施還應該關注以下四個方面：一是設計和提供多元化的項目主題支架，讓學生根據自己的興趣和專長選擇適合自己的項目，從而產生良好的學習成果。二是引入不同的學習方式，除了傳統的個人或小組項目外，還可以引入協作式學習、競賽式學習、角色扮演等多樣化的學習方式支架，激發學生的學習興趣，促進交流和合作。三是提供多樣化的學習資源支架，為學生提供更多類型的學習資源，如在線課程、專業書籍、行業報告、開源軟件等，幫助學生深入了解不同的信息學習資源，豐富學習成果。四是合理使用強大的人工智能學習支架，鼓勵學生利用AI資源進行自主探索，培養解決問題的能力和獨立思考的習慣。同時，教師也應持續評估AI學習支架的有效性，并根據學生的需要進行調整，以確保它們能夠真正支持學生的學習和有利于學生核心素養培養。

參考文獻

中華人民共和國教育部. 普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）[S]. 北京： 人民教育出版社，2020.

呂彩云. 高中信息技術項目式教學促進深度學習的實踐研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱師范大學，2022.