基于DBL理念的跨學科主題教學設計與實施
——以“在線數字氣象站”項目為例

林雄 福建省寧德市教師進修學院

鄔肖英 福建省寧德蕉城第五中學

● 前言

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱新課標）中設計了初中（第四學段）課程內容模塊（人工智能與智慧社會、物聯網實踐與探索、互聯網應用與創新），其中跨學科主題模塊下提供了五個“互聯智能設計”備選主題。筆者依據新課標并融合本地科技創新活動的開展初步規劃了區域初中跨學科主題項目學段與課時。其中，“在線數字氣象站”主題項目安排在八年級上學期（共7課時），其教學目標為感受跨學科知識在數字氣象站設計制作過程中的綜合應用，認識并通過傳感器、互聯網及物聯網技術采集、處理、呈現與對比分析不同時間、地點、方式的數據，體驗設計過程中計算思維的作用。

要讓課程規劃有效落地，需要有先進的教學思想理念做指導，筆者根據多年教研經驗發現，DBL教學對學生的跨學科學習能力和核心素養培養具有顯著的促進作用，有助于新課標的實施。

● DBL教學理念

DBL（Design Based Learning）教學是一種基于項目的探究性教學，學生基于真實的問題環境，綜合所學知識設計和制作相關主題作品，再通過反思評價對作品加以優化設計，整個過程循環反復。為了方便開展教學指導，筆者對其進行了適當的改進，改進后的基本環節如圖1所示。

圖1

①明確問題。教師創設貼近學生生活的問題情境，啟發學生思考并提出問題；學生根據情境感知、了解知識，明確問題與初步構思。②分析探究。教師提供導學資源輔助學生將復雜的大問題分解成若干小問題（明晰問題之間的邏輯關系）；學生通過收集資料、實地調查與測試等對分解的問題或任務展開合作探究。③規劃設計。分組制訂計劃，確立核心任務；圍繞核心任務開展頭腦風暴，運用設計工具理清思路，構思解決問題的方案，進行創意設計。④協同實施。引導學生運用探究過程中獲得的知識技能，協同學科教師和小組成員合作實現方案、完成作品。⑤交流評價。展示成果，交流探究過程,分享學習經驗和收獲等；開展多元學習評價，教師提出指導建議。⑥改進遷移。小組根據交流評價的意見與建議對作品進行設計改進，并遷移應用到新的問題情境中進行再創造。在規劃設計和協同實施環節可能出現多次迭代優化設計和實施，因此形成了圖1中大循環中嵌套小循環(虛線部分)的結構。

● 基于DBL理念的“在線數字氣象站”項目設計

基于DBL理念的“在線數字氣象站”項目教學設計以設計思想為指引，綜合運用跨學科內容，以氣象數據貫穿整個項目過程。教學目標：對比數字氣象傳感器和傳統氣象測量設備，綜合運用跨學科知識，在校內選址搭建多個在線數字氣象站模擬裝置，通過物聯網匯集設備并采集、處理、呈現與分析數據；嘗試將AI等技術應用在數據分析和預測上，初步探究規劃設計校際在線數字氣象站協作網與數據共享。

1.情境引入，明確問題（1課時）

教師活動：（創設情境）播放《氣象站變遷史》視頻，提出“運用數字氣象站研究校園氣候變化特征及對學習生活的影響”的探究主題；介紹常用的查找資料方法；指導如何甄別數據信息。

學生活動：①查找氣象站的相關資料，了解氣象站獲取各種測量數據的手段以及信息科技在氣象站應用發展的歷史。②選擇合適的在線氣象數據來源并進行甄別。

設計意圖：感受氣象站的發展變遷；激發設計在線數字氣象站的興趣，提升信息意識、數字化學習與創新能力。

2.分析主題，合作探究（2課時）

教師活動：①科學合理分組，挑選組長。②提供制作模型所需的開源硬件設備及軟件工具等（通過UMU學習平臺提供學習資源，如開源硬件使用說明、微課等）；指導合作探究活動。

學生活動：小組合作分析數字氣象站模型需要實現的功能，確定監測的氣象要素，認識監測溫度、濕度、雨滴、大氣壓力、光照、聲音等氣象傳感器，通過探究學會運用開源硬件編程的方式將傳感器采集到的數據顯示在終端屏幕上。

伊拉克魯邁拉地區鹽漬土工程施工特性分析…………………………………………………王強恒，藺泓瑞（2.81）

設計意圖：掌握在線數字氣象站的基本原理，初步經歷氣象數據的感知、傳輸、處理、呈現過程；深化對氣象知識和傳感器的了解。

3.分組規劃，綜合設計（2課時）

教師活動：提供設計思維工具等學習支架；參與小組討論，給予具體指導。

學生活動：分組對數字氣象站模型功能、數據呈現、選址及外觀等進行規劃設計；綜合考慮各種因素，對多種軟硬件方案進行選擇，最終確定數字氣象站的設計。

設計意圖：培養綜合運用知識的能力，為方案的實施做好準備；營造師生共創的學習氛圍。

4.共建支持，協同實施（2課時）

教師活動：①組織跨學科團隊為學生提供指導，并提供有效的課程知識支持；②指導數據對比分析，得出結論并探討結論的呈現形式；③組織學生撰寫在線數字氣象站工程日志。

學生活動：①通過對校園進行實地考察，交流溝通、達成共識后確定數字氣象站的位置；②在跨學科教師的幫助下，完成數字氣象站的部署、施工搭建與測試；③通過物聯網，對數字氣象傳感器的數據進行匯總測試；④對數字氣象傳感器的數據進行初步分析并得出結論。

設計意圖：通過小組合作和小組間的技術分享，提升學生的項目管理能力；通過對數據處理、呈現、分析與結論的實踐，培養學生的計算思維、數字化學習與創新能力素養。

5.展示交流，評價反思（1課時）

教師活動：召開項目總結分享會，引導學生繪制項目總結的思維導圖，從項目設計、實施、評價等維度進行總結。

設計意圖：培養學生的溝通能力和團隊協作能力；學會交流學習與評價。

6.改進拓展，遷移創新（1課時）

教師活動：提供相關的技術支持資源；幫助或指導學生解決在改進和創新過程中遇到的問題。

學生活動：修改和完善小組的設計；嘗試運用AI等技術優化在線數字氣象站設計；在教師的幫助下，初步規設校際數字氣象站協作網。

設計意圖：通過修正和完善作品，拓展項目的技術深度和應用廣度，培養學生的遷移創新能力。

● “在線數字氣象站”的教學實施

1.問題驅動，持續學習

將“在線數字氣象站”項目大問題分解為系列小問題，然后通過小問題驅動小組成員共同合作，持續探究學習、交流討論，逐一解決下表所示的項目學習問題。

2.因地制宜，設計模型

筆者根據所在學校的教學條件、本地的氣候狀況以及與學生學習生活密切相關的氣象要素，設計了基于開源硬件的簡易數字氣象站模型（如圖2）。該模型使用掌控板2.0與I/O擴展板連接各類傳感器，包括掌控板板載聲音傳感器、溫濕度傳感器DHT11、模擬環境光傳感器PT550、雨滴傳感器FC-37及大氣壓傳感器BMP388，成本低、易制作、效果好，比較適合初中生開展項目探究學習。

圖2

Blynk是一款開源的物聯網（IoT）平臺，具有多項獨特功能及快速便捷等優點；通過WI-FI將氣象站模型采集的數據上傳到Blynk Server服務器，在智能手機端安裝Blynk App就可以實時顯示采集到的數據及其圖表，其圖形直觀精美。

3.參與全程，歷經數據

在開展項目過程中，學生以小組為單位，全程參與，通過氣象數據的感知、采集、匯總、處理、呈現以及分析全過程形成項目研究報告。

學生在探究、制作數字氣象站模型活動中初步感知和采集了氣象傳感器數據，在此基礎上，通過Blynk物聯網平臺匯集校園不同時長、不同地點的實時氣象數據，并以折線圖等形式呈現（如圖3）。然后分別對各組氣象數據進行對比分析，總結出校園天氣變化的規律，測出校園正常學習生活的各項氣象數據閾值范圍，并增設當數據超出閾值范圍時，通過物聯網平臺發送報警信息的功能，以便提醒學生做好相應的防范準備。

問題一 氣象站獲取各種氣象數據的方法？在線氣象數據是否可靠？問題二 在線數字氣象站需要實現哪些功能？問題三 數字氣象站建在哪里合適？外觀設計有什么要求？問題四 如何通過物聯網頁面顯示所需的在線數字氣象站數據？問題五 如何進行數據處理和分析？數據分析的結論如何呈現？問題六 運用AI技術進行數據分析和預測的原理是什么？問題七 如何通過物聯網匯集多個在線數字氣象站數據并實現數據共享？

圖3

4.以評促學，提升管理

根據教學目標設計學習評價內容、方式和指標（在活動開始前讓學生知曉），采用過程性評價和總結性評價、量化評價和質性評價、自評互評和師評相結合的評價方式對小組及個人進行多元綜合評價，其中過程性評價要基于設計圖紙、實物分析、項目報告和作品等真實數據。筆者設計了《項目學習評價表》，在每節課結束前由組長填寫并提交到UMU平臺。項目成果從科學性、技術性、創新性、藝術性四個維度進行多元主體評價，形成總結性評價得分，最后將學習過程性評價和總結性評價得分按7∶3的比例相加得出學生的個人項目學分。

通過學習評價有效地促進了學生的學，提升了課堂管理，使學生不僅關注到自身的學習還關注到其他成員的學習,不僅關注到學習本身還關注到學習管理。

● 教學效果及反思

學生通過教師的指導、小組的合作探究設計制作了一個簡易的氣象站模型，并運用數字氣象站獲取的數據研究了校園氣候變化的特征以及對學習生活的影響。學生對氣象及氣象站有了更深入的認識、理解，還嘗試運用AI技術手段優化了在線數字氣象站的設計，并對校際在線數字氣象站協作網的建設做了初步的規劃設計，在實踐能力、問題解決能力、數字素養與技能等方面得到了一定的提升。

通過該項目教學的研究，筆者有以下三點思考：①一定數量與質量的硬件設備、環境設施支持是開展項目的基礎保障。②在項目實施過程中，由于受到課時的限制，需要引導學生充分利用課外時間（建議可以借助網絡教學平臺來彌補課時不足的問題）。③學生的學業質量評價中的計算思維、創新力等評價難以通過準確的定量評價來實現，目前的評價本質上還是定性評價，計劃將繼續深入研究。

● 結束語

基于DBL理念的信息科技跨學科主題項目教學，其具有的基礎性、應用性、融合性、創新性符合學生的認知規律，能有效地促進學生合作探究學習，提升信息科技學科核心素養，值得深入研究與改進推廣。