信息技術項目式實驗教學法的—以“實智踐能與盲人思伴考侶”為例

賀森 安徽省合肥市合肥一六八玫瑰園學校

儲君 清華附中合肥學校

●項目式實驗教學法的界定

項目式實驗教學法強調學生在做中學，學生是項目學習的主體，學生借助實驗探究法，驗證項目猜想、攻克項目難點、優化項目方案，在實施項目的整個過程中，探究科技原理并解決現實問題。項目式實驗教學是一種重視實踐的教學模式，學生通過親身實踐逐漸構建知識，體驗科學研究的過程，提升創新思維與實踐能力。

●項目式實驗教學法的課堂流程

筆者基于科學出版社出版的初中信息科技第5冊第一單元《了解機器人的感官》中的章節知識設計了“智能盲人伴侶設計”項目，要求學生使用Arduino Nano主控板以及紅外、超聲波等開源硬件完成智能盲人伴侶的設計、搭建和編程，而項目方案的確定、項目器材的選擇以及項目產品的調試和完善需要依托實驗數據。因此，本節課選用項目式實驗教學法，以發現項目問題、實驗探究驗證、解決項目問題為主線展開，培養學生運用信息技術解決實際問題的能力，具體課堂流程如圖1所示。

圖1

●項目式實驗教學法的實施過程

1.項目目標

①通過網絡搜索、分析實驗數據獲取有效信息，完善智能盲人伴侶的設計。（信息意識）

②通過制訂智能盲人伴侶項目方案，學會將大問題劃分為多個可解決的小問題，提升問題解決的能力，并遷移至生活中其他問題的解決。（計算思維）

③理解紅外避障傳感器和超聲波傳感器的探障原理和探障影響因素，搭建智能盲人伴侶，優化智能盲人伴侶的探障準確性。提升根據實際需求獲取有效信息解決實際問題的能力。（數字化學習與創新）

④培養借助科技手段關愛特殊群體的社會責任。（信息社會責任）

2.項目導入

學生觀看短片《盲人出行現狀》，發現傳統導盲拐杖探障不準確，因此，提出借助智能科技手段設計一款盲人拐杖，使其能夠在不受環境的干擾下，精準探測到遠距離、多方位、面積小的障礙物，從而保障盲人的出行安全。由此，引出項目“智能盲人伴侶”。

3.項目準備

（1）討論方案。經過交流討論、上網搜索和測試，學生確定初步方案，即選用超聲波傳感器作為盲人伴侶的探障傳感器，并配合語音傳感器提示前方是否有障礙物。針對如何解決“提升盲人伴侶的探障準確性”的現實問題，學生提出以下三點設計猜想：①探測范圍更廣；②能探測到小物體；③免受環境的干擾。在這個過程中，學生學會將大問題劃分為多個可解決的小問題，提升了計算思維。

（2）器材準備。學生根據初步方案搭建智能盲人伴侶，為驗證三點設計猜想，自主確定實驗方案，并根據實驗方案準備需要的實驗器材。

（3）驗證方案。學生需根據實驗方案完成實驗探究，得出結論。

①實驗一：探究超聲波傳感器的探障準確性。

急性闌尾炎是臨床十分常見的急腹癥，其在急腹癥中發病率居于首位，主要由闌尾腔堵塞及細菌入侵引起，血象增高、麥氏點壓痛反跳痛、轉移性右下腹疼痛是診斷急性闌尾炎的金標準，但是部分患者不存在上述典型癥狀，同時急性胰腺炎、泌尿系結石、膽囊壞疽穿孔等其他急腹癥同樣存在上述癥狀，因此有效診斷、鑒別急性闌尾炎具有重要意義[1-2]。本研究分析急性闌尾炎的CT診斷及其應用價值，現報道如下：

實驗目的：以紅外避障傳感器為參照物，探測超聲波傳感器的最大探測距離和最大探測角度，從而判斷超聲波傳感器能否探測到左右兩邊障礙物。

提出假設：相比紅外避障傳感器，超聲波傳感器探障準確性更高，能探測到左右兩邊的障礙物。

實驗器材：教師自制實驗器材。當實驗器材探測到障礙物時，器材報警并顯示障礙物與器材的距離；當實驗器材不能探測到障礙物時，器材不報警并顯示默認值2000。

實驗方案：學生固定紅外、超聲波傳感器，由近及遠移動障礙物，測量傳感器能探測的最大距離。以傳感器為圓心（障礙物做圓周運動），測量傳感器能探測的最大角度。

實驗流程：第一步，連接傳感器，啟動實驗器材，開始實驗。第二步，記錄多次數據，將實驗數據匯總。第三步，得出結論。

實驗結論：超聲波傳感器探測距離＞紅外避障傳感器探測距離，超聲波傳感器探測角度＞紅外避障傳感器探測角度，因此選用超聲波傳感器。但超聲波傳感器的最大探測角度為40度，超聲波傳感器無法探測左右兩側的障礙物。

②實驗二：探究障礙物大小對盲人伴侶探障準確性的影響。

實驗目的：通過實驗判斷超聲波傳感器能否探測到小面積障礙物，如果面積較小障礙物都可以被探測到，那么證明盲人伴侶探障的準確性高。

實驗器材：教師自制實驗器材、大小不同的方塊。

實驗方案：學生采用控制變量法，選用大小不同的方塊；固定超聲波傳感器，將大小方塊放在距離傳感器60cm和120cm的位置，判斷傳感器能否探測到障礙物。

實驗流程：第一步，連接傳感器，啟動實驗器材，開始實驗。第二步，記錄多次數據，將實驗數據匯總。第三步，得出結論。

實驗結論：當障礙物面積小時，探障數據值為2000，因此，超聲波傳感器無法探測到面積較小的障礙物。

③實驗三：探究環境因素對盲人伴侶探障準確性的影響。

實驗目的：探究雨水、振動、光線、風量四個環境因素對超聲波傳感器探障的影響。

提出假設：雨水、振動、光線、風量四個環境因素對超聲波傳感器探障沒有影響。

實驗器材：教師自制實驗器材、滴管、吹風機、燈光環境。

實驗方案：雨水小組使用滴管在超聲波傳感器上滴加少量液體來實現水滴的附著。振動小組用手輕晃超聲波傳感器來模擬環境顛簸。光線小組通過控制開關燈來實現白天黑夜的切換。風量小組使用吹風機來控制風量。

實驗流程：第一步，連接傳感器，啟動實驗器材，分組實驗。第二步，記錄多次數據，將實驗數據匯總。第三步，得出結論。

實驗結論：光線、風量、振動對超聲波探障沒有影響。只有當雨水附著時，雨水被超聲波傳感器視為障礙物，探障距離讀數與障礙物實際距離不相等，因此雨水環境因素對超聲波傳感器探障有影響。

4.項目優化

根據實驗結果，得出結論為：①超聲波傳感器只能探測到盲人伴侶前方的障礙物，無法探測到盲人伴侶左右兩側的障礙物。②超聲波傳感器無法探測到面積較小的障礙物。③超聲波傳感器探障能力會受到雨水環境因素的影響。

針對以上三點結論，學生對盲人伴侶項目方案進一步優化，提出改進策略：①為了使盲人伴侶能探測到左右兩方的障礙物，可以在盲人伴侶左右兩側各安裝一個超聲波傳感器，當超聲波傳感器探測到前方障礙物時，語音提示“您的前方有障礙物”，當超聲波傳感器探測到右方障礙物時，語音提示“您的右方有障礙物”，當超聲波傳感器探測到左方障礙物時，語音提示“您的左方有障礙物”。②為了提示盲人前方有小障礙物，如行走時可能會遇到的瓶蓋、彈珠等障礙物，可以在盲人伴侶的前方再加裝一個超聲波傳感器。③為了避免盲人伴侶受到雨水的影響，可以為盲人伴侶上方制作遮擋板（如圖2）。

圖2

5.項目拓展

鼓勵學生用人工智能技術手段，如圖像識別、導航等技術，進一步優化智能盲人伴侶，從而啟發學生的創新思維，拓展項目的技術深度。

●結語

①從課堂教學實踐來看，在項目式實驗教學中，學生積極思考提出創新性的解決方案，鍛煉了創新精神和解決實際問題的能力。②在項目式實驗教學中，學生需要與團隊成員密切合作，分工扮演領導、設計、研發、實施等不同角色，共同完成項目的各個階段，培養了團隊協作精神。③項目式實驗教學還可以幫助學生更好地理解和應用所學知識。學生在完成項目時，將需要解決的項目問題拆解轉化為學科問題，借助學科知識解決項目問題。學生通過實踐性的學習和探究，能夠更加深入地理解所學知識的本質和應用，加深對知識的記憶和理解。

因此，在信息科技課程的教學中，采用項目式實驗教學法開展教學，可以激發學生的學習興趣和創造力，提升學生的創新精神和實踐能力，有效地培養學生的核心素養，促進學生的全面發展。