培育核心素養的小學信息科技項目式學習實踐研究
——以“隧道智能排水系統”為例

徐毅 廣東省深圳市光明區光明小學

陳陸 廣東省深圳市光明區龍豪小學

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）指出，信息科技課程旨在培養學生科學精神和科技倫理，提升數字素養與技能，倡導以真實問題或項目為驅動，引導學生經歷計算思維和數字化工具應用過程，鼓勵“做中學”“用中學”“創中學”，凸顯學生的主體性。[1]而在眾多被認為能夠培養學生學科素養的教學方式中，項目式學習以其真實性、實踐性、主體性、持續性、遷移性等特征受廣大一線教師青睞。而以真實情境中的真實問題為切入點，開展大單元主題活動可以幫助學生提升數字素養和創新應用能力。[2]

●項目設計

1.項目背景

新課標將該學科的課程內容按照年級劃分為9個模塊，而小學六年級對應的學習內容是過程與控制，本部分內容的學習旨在讓學生認識到過程與控制廣泛存在于日常生活中，知道反饋、環路、優化等概念，針對簡單的過程與控制系統，可以借助編程來加以驗證。

“隧道智能排水系統”項目以真實情境中的隧道或地下車庫等低洼處排水為切入點，借助開源硬件設備和圖形化編程軟件，讓學生在設計和制作作品的過程中，理解過程與控制的原理，了解其特征，掌握計算機解決問題的手段，感受和認知信息科技對生活的影響和價值。同時，通過項目化的學習，讓學生在實踐中提升數字素養和科學精神，增強合作探究、知識遷移、創新應用等高階思維能力。

2.學情分析

該項目的實施對象是學校人工智能社團的學生，以六年級學生為主。該年齡段的學生思維正處于形式運算階段，有一定的邏輯思維能力和數字化學習能力，善于思考，喜歡“做中學”。他們掌握了程序算法和圖形化編程的部分知識，但是利用開源硬件設備和圖像化編程軟件并結合數字化的學習工具完成一項創客類作品的設計和制作還存在一定的困難。此外，他們對控制系統還缺少一定的認知。

3.內容設計

本單元對應的是六年級“過程與控制”模塊，按照項目式學習的實施流程，該項目主要包括確定問題、設計方案、解決問題、展示評價四個環節。

（1）確定問題。分析隧道智能排水系統的功能需求，包括哪幾個模塊、作品最終要呈現出怎樣的效果。

（2）方案設計。針對提出的問題，科學制訂有效的實施方案。該項目的方案主要包括七個環節：確定問題—選擇工具—確定技術—設計模型—編寫程序—調試反饋—作品展示。

（3）解決問題。問題解決環節也是方案實施的過程，主要包括作品模型設計與制作、編寫程序驗證、調試反饋優化。

（4）展示評價。學生展示小組作品，小組之間相互評價，根據評價進行后續的修改和完善。

其具體學習內容和課時安排如表1所示。

表1 《隧道智能排水系統》學習內容

4.目標設計

過程與控制對于六年級的學生來說是比較抽象難懂的術語，按照新課標要求，教師在講授的過程中要從學生身邊的控制系統入手，采用項目式學習，通過自主探究和協作學習，激發學生的學習興趣，使其了解過程與控制的原理和特征，并能夠用計算機編程完成驗證。因此，本項目的最終目標是學生通過制作“隧道智能排水系統”，理解系統實現過程與控制原理，感受信息科技的魅力。具體目標如下：①通過確定作品功能，初步了解過程與控制可以抽象為“輸入—計算—輸出”三個典型環節；一個系統可以劃分為幾個模塊，并能夠將它們歸納出來；②通過計算機編程實現過程與控制，并理解閾值、開關量和連續量的概念，了解連續量可以經由閾值判斷形成開關量。③通過項目學習，提升計算思維、數字化學習與創新等學科素養，感受信息科技對生活的影響和價值。

●項目實施

1.問題確定

近年來，因為暴雨導致下水道、車庫等低洼處被淹的事件屢見不鮮，那么，能否利用所學知識制作一款模擬的智能排水裝置呢？根據自己的理解并結合生活中的智能設備，想一想這樣的裝置應該包含哪些功能？

從學生身邊的現象入手，可以更好地幫助學生把握作品的功能。例如，開車進出小區，當攝像頭識別到車牌時，道閘就會自動抬起；在樓道的聲控燈系統中，當聲音達到一定程度時，樓道燈就會亮等。根據這些現象并結合學生的生活經驗引導學生思考該作品的最終效果應該包括哪些，各小組借助思維導圖工具形成功能方案并進行匯報交流，形成最終方案。如圖1所示，教師可以通過對作品功能的講解讓學生明白過程與控制系統在生活中廣泛存在而且可以劃分為幾個模塊。

圖1 “隧道智能排水系統”功能

2.方案設計

對于創客類項目的設計與開發，在系統功能確定以后，教師不要急于要求學生編寫程序，而是要幫助學生確定開源的硬件設備和圖形化的編程工具，理清模塊與模塊以及輸入量和輸出量之間的邏輯關系，并借助數字化學習工具描述項目所需技術種類和技術實現過程。

本單元主題在實施過程中所用的開源硬件是掌控板，而對于開發軟件，不同的學生有不同的選擇。在技術工具確定以后還需要讓學生理清技術實現的路徑，這也是培養學生計算思維的重要環節，通過這一環節不僅可以幫助學生了解閾值、開關量和連續量的概念，為后續的編程驗證打下良好的基礎，更重要的是提升了學生的計算思維能力。“隧道智能排水系統”的技術實現路徑如圖2所示。

圖2 “隧道智能排水系統”技術實現路徑

3.創作作品

該部分包括模型設計與制作、siot物聯網平臺的搭建、掌控板編程以及Appinventor編程四個方面的內容，共14個課時。

模型的結構主要根據功能進行設計，用到的軟件為CorelDraw軟件，設計完成以后在教師的指導下利用激光切割技術完成切割和組裝；對掌控板的編程主要利用Mind＋和mPhyton軟件；而搭建siot物聯網平臺和Appinventor編程是比較新的知識。

學生通過計算機編程并驗證自己的想法，可以更好地理解過程與控制的核心概念和實現原理，這對歸納和總結出生活中過程與控制系統的“輸入—計算—輸出”典型環節有非常大的幫助。例如，本項目中雨水的增加為輸入，掌控板通過程序運算判斷水位是否達到了設置的閾值，如果達到了閘機關閉，車輛禁止通行，舵機開始抽水工作，而水位傳感器則將水位數據實時傳送給掌控板，當水位再次低于設置的閾值時，則閘機打開，車輛通行，抽水機停止抽水，其中執行器的工作即為系統的輸出。此外，通過移動端發出抽水和查看水位的過程也可以歸納為“輸入—計算—輸出”三個典型環節。因此，利用數字化編程工具編寫程序不僅可以增強學生對數字化工具的使用能力，而且可以提升學生的計算思維能力和創新應用能力。

4.方案優化

程序調試是設計開發類項目中的重要一環，也是優化方案的必經之路。程序調試可以幫助學生借助邏輯運算和編程實現對控制器的過程控制，通過實驗加以驗證和深入學習，在優化作品的同時加深對計算機實現過程與控制的理解，提升發現問題、思考問題、解決問題的高階思維能力。例如，有的小組在實現物聯網和WIFI鏈接成功以后，MP3模塊播報鏈接成功的語音提示，但是經過測試以后發現Mind＋軟件無法實現，而用mPhyton編程軟件則可以成功實現。

5.交流反饋

每一小組派一名代表對本組的作品進行分享和講解，分享完成以后，由其他組成員對該作品進行點評，說出優缺點和改進之處。通過此環節，筆者發現六年級的學生樂意分享自己的作品，并能夠清晰地表達自己的想法，而且有部分小組在原有的功能基礎上還增加了其他效果，如在水位達到設定的閾值以后添加警報提示功能，將物聯網和WIFI連接后設置語音提示功能等。

6.評價總結

項目式學習主要采用過程性評價和總結性評價相結合的方式。過程性評價主要從學生學習態度、小組合作、個人貢獻、課堂表現方面進行評價，而總結性評價則包括作品效果以及知識技能兩個維度。此外，對學生的學習效果的評價主要以自評和師評相結合的方式進行，自評為主，師評為輔。具體的評價內容如表2所示。

表2 “隧道智能排水系統”評價表

●項目總結

本次項目式學習歷時6周，從學生的參與程度和最終的作品效果來看，絕大多數學生都參與到項目過程中并能夠實現作品效果。

●結語

自新課標頒布以來，一線信息科技教育工作者都在探索如何落地實施新課標中的教學內容，而源自美國教育家杜威的“做中學”教育理論的項目式學習強調從真實的問題情境入手，引導學生以小組協作的方式探究并解決真實的、劣構的問題，從而幫助學生完成知識遷移和素養提升。[3]新課標中的“教學建議”環節也提倡采用項目式學習的方式開展教學實踐。因此，項目式學習是實現課堂深度學習、提升學生高階思維能力的最佳路徑。本項目的實施對象是有一定認知基礎的社團學生，實施效果良好，而在今后的常態課中的實施效果還不得而知，所以還需進行進一步的實踐探索。