基于計算思維“跨學科學習”真實項目生成研究（上）

王愛勝

跨學科學習與項目學習有著必然的關聯，兩者的協調設計是一線教學最新的發展趨勢。本期解碼，讓我們從中小學不同內容的跨學科視角來探索如何進行真實的項目設計。

在項目學習中，最困難的是針對項目內容“真實性”特征進行項目設計。在實踐中，教師往往虛構項目應用，或者簡化技術功能，究其原因往往歸結為受多種因素的局限，如技術實現困難、學習時間不足、主題難以設計等。那么，如何打破局限，讓項目真實設計呢？本文結合高中必修一“數據計算”與必修二“信息系統設計”的內容，基于計算思維尋找算法與編程項目思維基礎，面向“名著閱讀跨學科學習”尋找項目主題，以“名著朗讀者”為真實項目設計過程，以“數據計算與信息系統設計”為學科內容，研究真實項目設計中的主題規劃、功能需求、技術現實的整體生成過程。本項目涉及的信息系統的概要設計如圖1所示。

項目設計價值定位

因為工作、時間等關系，我們常常不能總盯著電腦看文章，這對想閱讀名著的計劃實施十分不利。筆者曾嘗試利用文字處理工具在線朗讀，但速度偏慢，因此擬做一個朗讀文章的工具，并推薦給學生以“跨學科學習”項目來開展名著閱讀與信息系統設計學習，并在教學中指導學生整體體驗基于數據處理的計算思維養成，以實施基于計算思維核心素養發展意義的跨學科項目學習。為此，將項目主題設計確定為：名著朗讀者。

項目準備與技術探索

在項目開始時，我們對全面實現“朗讀”的方案、技術并不掌握，所以要先進行快速的探索與實驗，以形成相關的創作意識，其可在微項目1～2技術實驗中逐步形成。

微項目1：朗讀模塊安裝實驗。

在項目設計之前，首先準備要應用到的知識與技術，通過技術實驗做到“三軍未動糧草先行”。為設計“名著朗讀者”項目，查詢到的“朗讀模塊”較多，結合曾用過的winsoud模塊判斷不能在操作系統和Python版本上有局限，這樣才能方便不同環境使用。因此，擬采用跨系統的通用語音合成模塊pyttsx3進行技術實驗。

（1）技術實驗：安裝程序及錯誤排除。一般情況下，當安裝Python后，模塊安裝程序pip、pip3都是版本過低，根據提示更新卻往往不易成功，且pip文件全被刪除。這給模塊安裝造成困難，同時這也是設計類項目最制約初學者的困難。因此，通過搜索探討pip的修復、升級以及快速安裝的國內鏡像策略等。

（2）實驗結論。①pip的升級過程會有多種錯誤，可進行修復pip、更新，然后安裝模塊。②pip的路徑使用國內鏡像，速度更快，也更穩定。③pyttsx3模塊的語音合成與朗讀等基本功能能夠朗讀文本。

（3）實踐學習。①pyttsx3模塊的安裝是否存在問題？交流解決的方法。②在技術實驗中是否有需求萌發？隨時記錄想法，對規劃設計項目會有幫助。

微項目2：簡單文本的朗讀實現。

在測試中，實際是對項目的核心技術要素進行探究，可通過“簡單文本朗讀實現”完成。

（1）模塊測試實驗：模塊安裝是否成功。模塊方法較多，如用help（'模塊名'）檢測是否成功。

（2）技術測試實驗：朗讀與異常處理。結合try技術，進行Bug消除與異常預處理，也是較好的工程思維，符合計算思維的功能泛化要點，以適應更多的情況。進行基礎文字朗讀實驗，可以體驗技術效果。在非項目學習中，至此體驗即算完成關于“語音合成”模塊的純知識學習，對數據處理流程卻不能再有學習，由此可見項目學習的綜合價值更大。

（3）實驗結論：voice.say（text）是主體應用技術等。

（4）實踐學習：text可輸入任意文本進行測試。

項目規劃與概要設計

通過前期探索，筆者明白了一個道理：沒有基本知識去談項目規劃是空中樓閣、紙上談兵。所以，只有通過前面兩個微項目的學習，能夠用基礎知識實現“出聲朗讀”，才可進行項目活動的設計，才能與信息系統設計的概要設計相結合——包括需求分析、項目規劃、界面設計等。

微項目3：項目規劃與系統設計。

在信息系統設計中，項目規劃實際就是系統設計的流程，包括可行性分析、需求分析、概要（功能）設計與詳細（功能）設計及編程現實、產品測試與發布的整體規劃。這與項目活動過程設計也是一致的。系統設計的方法有快速原型、瀑布型兩類，可以兩者兼顧——先基于瀑布型概要設計，用快速原型快速搭建系統主體與主要功能，再逐步迭代、泛化完善整個信息系統，這正是計算思維的流程要素。

（1）可行性分析。基于Python的數據計算與信息系統設計方法，與名著文本結合，應能設計出閱讀、朗讀的基本功能；技術困難可以通過搜索、技術實驗（及后期遇到GPT的Cursor智能編程工具咨詢等）來解決。

（2）需求分析。能夠根據名著《瓦爾登湖》《詩經》等txt文件聆聽文字朗讀，按篇、分節學習名著；能夠較快地翻頁瀏覽文字、查找并統計關鍵詞等。

（3）概要設計。①文件操作：打開文件及文件夾，確定選中文件；使用相應模塊或功能打開文件，讀取數據；利用循環程序進行基礎的數據整理，進行數據分頁模型規劃等。②界面設計：方案一，用菜單功能操作提示，可用輸入/輸出語句及循環控制完成；方案二，采用圖形界面GUI設計需用GUI設計模塊等。③朗讀處理：訪問數據列表進行每頁數據的朗讀，并探索自動朗讀與自動翻頁。④數據處理：數據列表的讀取、屏蔽詞匯制作副本、分頁檢索、關鍵詞查詢等相應處理。⑤模塊化設計：使用自定義函數分別設計。

（4）項目實施。①問題分解：根據需求分析模塊設計，規范自定義函數（或子程序）、變量名等。②模型構建：建立數據存儲模型、檢索模型等。③編寫代碼：模塊代碼編寫與合成。④程序調試：分模塊進行斷點測試、整體軟件測試等。⑤學習評價：過程評價涉及設計組織與效率等，作品評價包括功能完善、設計創新等。⑥策略設計：采用半成品代碼中留白重要算法，代碼補充、技術實驗及問題解決等。

（5）項目交流。在進行功能代碼設計時，以哪種系統設計模型進行設計為宜？

微項目4：GUI圖形界面設計。

在概要設計中，界面設計非常重要，它對功能規劃、數據初步的輸出具有一定的意義，并隨時延伸到詳細設計進行探索。界面設計一般有兩種風格：一是，代碼編程的即時命令、菜單功能的風格，設計容易，代碼簡潔，但是友好度不高。二是，GUI即圖形用戶界面設計，涉及窗體、按鈕、標簽、文本框、對話框等控件設計，直觀、生動有趣，因技術復雜可借“半成品加工策略”來提高事件響應設計的學習效率。

下面以簡化重點代碼解析GUI設計過程。

（1）功能模塊導入（如圖2）。

（2）規劃全程變量（如圖3）。

（3）主體界面設計技術實驗。

在主程序中進行界面設計，其他功能不斷迭代補充。

（4）事件響應。事件響應指向自定義函數，可先提示事件已響應，方法如圖4代碼所示。

（5）實踐學習。①體驗控件創建：模仿樣例增加“前一頁”“退出”“自動朗讀”等按鈕控件；探索輸入頁碼的文本框創建等。②“半成品”加工設計：補充某些自定義函數的提示信息等。

（6）項目交流。①GUI控件有按鈕、標簽、文本輸入框、消息窗等，基本規則為定義、激活、布局，在定義中，事件指向自定義函數即可完成調用相應功能。②在方案設計初期，有人提出建議：其一，是把翻頁和頁碼放在底部，并增加兩條不同色的間隔線，形成“刻線”效果；其二，增加插圖比較困難，暫時改為增加LOGO圖像；其三，增加前搜、后搜功能實現全書統計與查詢。學習交流很好地體現出設計思維和項目設計的生成性。

項目數據模型與功能設計

在項目學習中，沒有真實數據的項目給人的感覺是只學技術，而不是解決問題。所以，需要探索搭建數據模型進行數據整理，依據數據模型進行顯示、查找、朗讀等功能設計。

微項目5：數據模型的建立與數據整理。

（1）數據模型。數據獲取、處理、顯示、查找等數據模型都與GUI設計關聯，如一頁20行的文本顯示可采取20行標簽控件顯示數據完成。本項目基礎數據模型包括但不限于以下幾種：①數據存儲模型：text=['a'，'b'，……]。②數據整理模型（長句切片模型）：text=['a'，'b'，'c1'，'c2'，'c3'，'d'……]，即c=c1+c2+c3。③數據訪問模型：text[textp+i]（每頁首行位置為textp，0<=i<20）。

（2）圖書數據的獲取與整理。獲得圖書數據，并進行規范化數據整理，這是信息系統設計項目的首要數據處理。例如，本項目可以用文件打開的方式，再進行空行、無效字符清洗以及長句的切片等處理。關鍵算法設計略。

（3）數據的分頁顯示技術實驗。讓數據按頁顯示成文字內容，可作為整個數據處理的中心，由它作為動態“模型”來接駁翻頁、檢索、朗讀以及后期迭代“屏蔽朗讀詞匯”等功能，所有的功能都可以針對數據訪問模型text[textp+i]（0<=i<20）進行設計。

（4）實踐學習。①模仿學習：參考分頁顯示文字的功能，構造clear（）清空20行功能，體驗循環控制對激活、設置控件的意義。②半成品加工設計：可對while x＜tl、while len（t）＞textn、text[x]=text[x][0：textn]等關鍵數據或算法進行技術留白，在分析、補充“長句不斷切片算法”構成中完成算法學習；對for i in range（1，21）進行技術留白，體驗循環的控制作用。由此深入體驗數據處理中計算思維的分解、模型與算法要素。

（5）項目交流。①數據模型：按一定格式進行數據存儲、訪問，觀察列表text的內容構成特點。②斷點測試：部分功能是否成功可以進行斷點測試。例如，text=[str（x）+"讀書" for x in range（10000）]，可不用圖書數據也能輕松產生3萬以上的文字進行技術實驗。

至此，通過5個微項目，從模塊安裝、技術實驗、模型構建到數據顯示，生成項目。在此過程中，根據教學進度，通過半成品策略對輸入輸出數據、列表構建數據模型、循環控制切片等基本算法進行補充，在學習與探索中較完整地實現真實項目對計算思維、設計思維的培養。