高中信息技術(shù)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的實(shí)踐與研究

【摘 要】本研究以高中信息技術(shù)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)為背景，以“生態(tài)校園土壤數(shù)據(jù)處理”項(xiàng)目為例，探討了在數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)實(shí)踐。該項(xiàng)目融合生態(tài)教育特色和數(shù)字環(huán)境，旨在引導(dǎo)學(xué)生感悟數(shù)據(jù)的魅力、探索數(shù)據(jù)的價(jià)值，提高用信息技術(shù)解決問題的能力，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】核心素養(yǎng)；項(xiàng)目化學(xué)習(xí)；數(shù)據(jù)處理；信息技術(shù)

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2024）010-068-03

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課標(biāo)》）指出，課程倡導(dǎo)基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式，將知識(shí)建構(gòu)、技能培養(yǎng)與思維發(fā)展融入運(yùn)用數(shù)字化工具解決問題和完成任務(wù)的過程中[1]。《課標(biāo)》模塊1“數(shù)據(jù)與計(jì)算”中的“數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用”部分，要求通過典型的應(yīng)用實(shí)例，了解數(shù)據(jù)采集、分析和可視化表達(dá)的基本方法。根據(jù)任務(wù)需求，學(xué)生需要學(xué)會(huì)選用恰當(dāng)?shù)能浖ぞ呋蚱脚_(tái)處理數(shù)據(jù)，完成分析報(bào)告，理解對數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)的意義。《高中信息技術(shù)課程·必修1數(shù)據(jù)與計(jì)算》（華東師范大學(xué)出版社）第三單元“數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用”中，設(shè)計(jì)了“交通數(shù)據(jù)利抉擇”項(xiàng)目活動(dòng)，該項(xiàng)目圍繞共享單車使用的“潮汐”現(xiàn)象，開展探究活動(dòng)。筆者通過問卷調(diào)查，了解到本校高一年級學(xué)生日常出行方式為共享單車的占比非常少，難以采用這一主題。為此，筆者結(jié)合學(xué)校倡導(dǎo)的生態(tài)教育特色，依托物語云智慧生態(tài)教育學(xué)習(xí)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了學(xué)習(xí)項(xiàng)目“生態(tài)校園土壤數(shù)據(jù)處理”，用于這一單元教學(xué)。其目的是以項(xiàng)目化學(xué)習(xí)重構(gòu)課堂教學(xué)組織形式，通過創(chuàng)設(shè)適合學(xué)生活動(dòng)的數(shù)字環(huán)境、數(shù)字資源，引導(dǎo)學(xué)生在校園土壤數(shù)據(jù)處理過程中感悟數(shù)據(jù)的魅力、探索數(shù)據(jù)的價(jià)值，提高用信息技術(shù)解決問題的能力，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)

1.選題背景：融合生態(tài)教育

項(xiàng)目化學(xué)習(xí)倡導(dǎo)通過問題驅(qū)動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)探索現(xiàn)實(shí)世界的問題，在項(xiàng)目活動(dòng)中深入領(lǐng)會(huì)核心知識(shí)和關(guān)鍵技能。為此，我校聚焦生態(tài)素養(yǎng)的培育，通過在必修課程中滲透融合，在選擇性必修課程中挖掘關(guān)聯(lián)，在選修課程中開放與引領(lǐng)，全面構(gòu)建“1+3+N”生態(tài)特色課程群，引導(dǎo)學(xué)生積極踐行“天、人、境”合一的大生態(tài)觀。本項(xiàng)目選題的靈感源于學(xué)校的生態(tài)特色教育理念，為學(xué)生創(chuàng)建生態(tài)人文環(huán)境、生態(tài)數(shù)字環(huán)境。筆者基于學(xué)校的數(shù)字平臺(tái)在土壤微觀察方面已積累了豐富的真實(shí)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了“生態(tài)校園土壤數(shù)據(jù)處理”項(xiàng)目，發(fā)動(dòng)學(xué)生通過觀察、分析校園環(huán)境中的土壤生態(tài)現(xiàn)象，結(jié)合實(shí)際操作，領(lǐng)悟?qū)W以致用的意義。

2.問題設(shè)計(jì)：源于現(xiàn)實(shí)生活

《課標(biāo)》要求，項(xiàng)目活動(dòng)通過創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生在解決問題的過程中感受信息技術(shù)對人們?nèi)粘Ｉ畹挠绊懀瑤椭麄兲骄繑?shù)據(jù)與計(jì)算的知識(shí)，提高利用信息技術(shù)解決問題的能力，發(fā)展計(jì)算思維。因此，項(xiàng)目活動(dòng)中的問題設(shè)計(jì)，要結(jié)合學(xué)生的現(xiàn)實(shí)生活和學(xué)習(xí)實(shí)踐，以引導(dǎo)學(xué)生在解決真實(shí)問題的過程中將“學(xué)技術(shù)”和“用技術(shù)”融為一體，提升學(xué)生思維品質(zhì)。

對此，筆者基于“為校園植物生長創(chuàng)設(shè)良好的環(huán)境”這一目標(biāo)，將本項(xiàng)目分為校園土壤數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理、分析、可視化四個(gè)子項(xiàng)目，并為每一個(gè)子項(xiàng)目設(shè)計(jì)了相應(yīng)的問題群。

3.數(shù)字賦能：創(chuàng)新育人場景

根據(jù)《上海市教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型“十四五”規(guī)劃》和《上海市教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型實(shí)施方案（2021—2023）》的要求，信息技術(shù)學(xué)科教師應(yīng)圍繞新課標(biāo)內(nèi)容，充分利用數(shù)字技術(shù)，發(fā)揮數(shù)據(jù)的作用，在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)數(shù)字育人場景。為此，筆者通過物語云智慧生態(tài)教育學(xué)習(xí)平臺(tái)，借助數(shù)字化學(xué)習(xí)資源，引導(dǎo)學(xué)生對傳感器采集到的土壤溫度、土壤濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與可視化處理，以引導(dǎo)學(xué)生理解土壤生態(tài)變化對植物生長的影響，培養(yǎng)學(xué)生利用信息技術(shù)解決生活中真實(shí)問題的能力，助力學(xué)生更好地適應(yīng)數(shù)字化生活和信息社會(huì)。

項(xiàng)目實(shí)施

1.提出探究問題

《晏子使楚》有言：“橘生淮南則為橘，生于淮北則為枳，葉徒相似，其實(shí)味不同。所以然者何？水土異也。”這說明同一種植物，種植在不同的地區(qū)，因?yàn)闅夂颦h(huán)境的差異導(dǎo)致其生長狀態(tài)不一。那么，導(dǎo)致植物個(gè)體產(chǎn)生差異的原因有哪些？如何更好地培育校園植物的生長？由此問題，我們引導(dǎo)學(xué)生投入探究學(xué)習(xí)。

2.提出學(xué)習(xí)目標(biāo)

本項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)為：通過實(shí)際操作，了解校園土壤數(shù)據(jù)的采集、分析和可視化表達(dá)的基本方法；針對校園土壤性質(zhì)的探究需求，選用恰當(dāng)?shù)能浖ぞ呋蚱脚_(tái)，對土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、預(yù)處理、分析與可視化呈現(xiàn)，形成表明校園植物生長之土壤現(xiàn)狀的數(shù)據(jù)分析報(bào)告；體驗(yàn)信息技術(shù)在生活中的應(yīng)用，感悟數(shù)據(jù)的魅力，理解數(shù)據(jù)保護(hù)的意義，樹立生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)。

3.項(xiàng)目活動(dòng)實(shí)施

（1）子項(xiàng)目一：校園土壤數(shù)據(jù)采集。首先，我們以問題“常用的數(shù)據(jù)采集方法有哪些”“如何采集校園土壤數(shù)據(jù)”，引領(lǐng)學(xué)生開展校園土壤數(shù)據(jù)采集活動(dòng)。學(xué)生通過觀看微視頻，了解一些常用的數(shù)據(jù)采集方法，包括傳感數(shù)據(jù)采集、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、問卷調(diào)查采集以及企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)采集等。其次，我們組織學(xué)生借助校園物聯(lián)設(shè)備，以小組形式探討數(shù)據(jù)采集方法。對此，教師為學(xué)生提供了豐富的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源，包括傳感數(shù)據(jù)采集的物聯(lián)設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的學(xué)習(xí)手冊。學(xué)生以小組為單位，利用土壤濕度傳感器采集土壤濕度數(shù)據(jù)，并學(xué)習(xí)通過互聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的方法，了解如何獲取土壤環(huán)境保護(hù)的相關(guān)網(wǎng)頁數(shù)據(jù)，解析網(wǎng)頁數(shù)據(jù)和保存數(shù)據(jù)，由此體驗(yàn)傳感數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集過程。最后，學(xué)生結(jié)合采集過程體會(huì)哪些數(shù)據(jù)屬于安全防護(hù)的重要數(shù)據(jù)，并結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)，交流生活中對數(shù)據(jù)進(jìn)行安全防護(hù)的措施，樹立數(shù)據(jù)安全意識(shí)。

（2）子項(xiàng)目二：校園土壤數(shù)據(jù)預(yù)處理。這項(xiàng)活動(dòng)要探究的問題是：數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法有哪些，如何利用Python語言處理校園土壤數(shù)據(jù)中的重復(fù)值、缺失值和異常值？我們先讓學(xué)生考察采集校園土壤數(shù)據(jù)，據(jù)此交流討論，以引出數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法。為幫助學(xué)生進(jìn)行自主探究，教師可提供“數(shù)據(jù)重復(fù)值處理”“數(shù)據(jù)缺失值處理”“數(shù)據(jù)異常值處理”三個(gè)微視頻。再提示學(xué)生借助數(shù)字化學(xué)習(xí)資源，使用Python語言進(jìn)行土壤數(shù)據(jù)的預(yù)處理，以備后續(xù)數(shù)據(jù)分析之需。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生用isnull（ ）函數(shù)識(shí)別缺失值，或notnull（ ）函數(shù)識(shí)別非缺失值，并使用dropna（ ）函數(shù)處理校園土壤數(shù)據(jù)中的缺失值，同時(shí)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)以備進(jìn)一步分析。在此過程中，學(xué)生分成小組討論數(shù)據(jù)異常值的處理方法，嘗試采用刪除異常數(shù)據(jù)、以平均值修正異常數(shù)據(jù)、或?qū)惓Ｖ狄暈槿笔е挡⒉捎萌笔е档奶幚矸椒▉磉M(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，從而整理與清洗數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和可視化表達(dá)提供更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

（3）子項(xiàng)目三：校園土壤數(shù)據(jù)分析。這項(xiàng)活動(dòng)要探究的問題是：常用的數(shù)據(jù)分析方法與分析工具有哪些；通過觀察，可發(fā)現(xiàn)校園土壤的濕度主要與哪些因素有關(guān)；對一個(gè)影響校園土壤濕度的因素進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，選擇它的理由是什么；如何利用Python語言統(tǒng)計(jì)2023年校園7—8月土壤濕度小于或等于20%的天數(shù)？教師為學(xué)生提供的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源主要是微視頻和學(xué)習(xí)手冊。學(xué)生通過觀看微視頻，可以了解常用的數(shù)據(jù)分析方法與分析工具；通過觀察校園土壤數(shù)據(jù)，可以分析土壤濕度與其他因素之間的關(guān)系。同時(shí)，學(xué)生可以選擇一個(gè)因素進(jìn)行深入研究，并解釋選擇該因素的理由。正式進(jìn)入數(shù)據(jù)分析階段后，學(xué)生使用Python語言來篩選出所需數(shù)據(jù)，并通過pandas庫中的value_counts（ ）函數(shù)統(tǒng)計(jì)相應(yīng)頻數(shù)，以及使用numpy庫中的sum（ ）函數(shù)進(jìn)行頻數(shù)求和，從而編程實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)2023年校園7—8月土壤濕度小于或等于20%的天數(shù)。

這一校園土壤數(shù)據(jù)分析活動(dòng)，不僅有利于促使學(xué)生掌握數(shù)據(jù)分析的方法，還有助于加深學(xué)生對學(xué)校生態(tài)系統(tǒng)的理解；通過深入研究土壤濕度與生態(tài)因素之間的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生對生態(tài)環(huán)保的興趣，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與生態(tài)環(huán)境的保護(hù)工作。

（4）子項(xiàng)目四：校園土壤數(shù)據(jù)可視化。這項(xiàng)活動(dòng)要探究的問題是：數(shù)據(jù)可視化的基本工具有哪些；Python語言中常用的數(shù)據(jù)可視化圖表有哪些，分別適用于什么樣的場景；選擇一個(gè)影響校園土壤濕度的主要因素，如何對它進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化處理，試用Python語言對校園土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的數(shù)據(jù)分析與可視化呈現(xiàn)。首先，學(xué)生可利用微視頻和學(xué)習(xí)手冊，探究數(shù)據(jù)可視化的基本工具，通過觀看微視頻獲得數(shù)據(jù)可視化的基礎(chǔ)知識(shí)，理解數(shù)據(jù)可視化的作用，為探究如何將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有意義的可視化呈現(xiàn)做鋪墊。其次，學(xué)生借助數(shù)字化學(xué)習(xí)手冊，深入學(xué)習(xí)Python語言中常用的數(shù)據(jù)可視化圖表及其適用場景，即折線圖適用于趨勢分析，散點(diǎn)圖適用于關(guān)聯(lián)關(guān)系的發(fā)現(xiàn)，柱狀圖適用于對比不同類別的數(shù)據(jù)，餅圖適用于展示比例關(guān)系，而箱形圖則有助于檢測異常值。此外，學(xué)生還可學(xué)到如何使用Python語言的matplotlib庫的pyplot子庫中的相應(yīng)函數(shù)，創(chuàng)建可視化圖表。掌握這些知識(shí)有助于學(xué)生分析數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，選擇合適的圖表類型進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化表達(dá)。最后是學(xué)以致用，學(xué)生選擇一個(gè)影響校園土壤濕度的主要因素，探究怎樣運(yùn)用Python語言進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化表達(dá)。通過深入分析土壤濕度與其他生態(tài)因素之間的關(guān)系，學(xué)生能夠更好地理解數(shù)據(jù)的意義與價(jià)值，更準(zhǔn)確地傳達(dá)數(shù)據(jù)信息，從而提高利用信息技術(shù)解決問題的能力。

項(xiàng)目評價(jià)

項(xiàng)目評價(jià)是項(xiàng)目化學(xué)習(xí)不可或缺的組成部分，是對學(xué)生項(xiàng)目化學(xué)習(xí)效果的檢驗(yàn)，也是學(xué)生之間相互學(xué)習(xí)的過程。項(xiàng)目評價(jià)依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，基于學(xué)科整合，聚焦學(xué)科核心素養(yǎng)，在真實(shí)情境中，將項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的基本要素融入測評活動(dòng)，讓學(xué)生在合作、探究、反思中，以計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題，形成這一類問題的解決方案，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。

“生態(tài)校園土壤數(shù)據(jù)處理”這一項(xiàng)目，筆者從信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)入手，設(shè)計(jì)了本項(xiàng)目的評價(jià)量規(guī)表（表1）。

成效思考

1.關(guān)注立德樹人，構(gòu)建數(shù)字化育人場景

普通高中課程方案指出，立德樹人是課程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想，課程設(shè)計(jì)要充分挖掘?qū)W科內(nèi)容中的思想、文化內(nèi)涵和育人因素。本項(xiàng)目以立德樹人為核心，以生態(tài)教育為切入點(diǎn)，將學(xué)生的學(xué)習(xí)與校園環(huán)境有機(jī)結(jié)合；通過探討“如何更好地培育校園植物生長”這一核心問題，將項(xiàng)目分為生態(tài)校園土壤數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)可視化四個(gè)子項(xiàng)目的育人場景，學(xué)生不僅獲得了數(shù)據(jù)處理的相關(guān)知識(shí)與技能，而且還親自體驗(yàn)了項(xiàng)目的探究過程。這有助于激發(fā)學(xué)生對自然環(huán)境的保護(hù)意識(shí)，使他們認(rèn)識(shí)到數(shù)據(jù)的真正意義與價(jià)值。

2.聚焦核心素養(yǎng)，創(chuàng)設(shè)數(shù)字化學(xué)習(xí)活動(dòng)

信息技術(shù)課程強(qiáng)調(diào)培育以學(xué)習(xí)為中心的教與學(xué)關(guān)系，在問題解決過程中提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。本項(xiàng)目聚焦信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)，依托物語云智慧生態(tài)教育學(xué)習(xí)平臺(tái)，創(chuàng)設(shè)了“傳感數(shù)據(jù)采集”“互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集”“土壤數(shù)據(jù)預(yù)處理”“土壤數(shù)據(jù)分析與可視化”等一系列的數(shù)字化學(xué)習(xí)活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生增強(qiáng)信息意識(shí)、發(fā)展計(jì)算思維、提高數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力、樹立正確的信息社會(huì)價(jià)值觀和責(zé)任感。

通過這一綜合性項(xiàng)目，學(xué)科教學(xué)落實(shí)了立德樹人根本任務(wù)，有效培育了學(xué)生的核心素養(yǎng)，為學(xué)生提供了豐富的數(shù)字化學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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