基于PBL模式的高中技術(shù)（科創(chuàng)類）課程探索

閔慜

摘要：本文以教科版高中信息技術(shù)必修2《信息系統(tǒng)與社會(huì)》第2單元“信息系統(tǒng)的集成”為藍(lán)本，通過(guò)高中信息技術(shù)課程與通用技術(shù)課程相關(guān)內(nèi)容的融合，設(shè)計(jì)了基于PBL模式的“無(wú)人駕駛智能小車”綜合項(xiàng)目的實(shí)施指南，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)際項(xiàng)目中感知程序語(yǔ)言中分支、循環(huán)結(jié)構(gòu)的作用，體驗(yàn)信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的獲取、處理、測(cè)試等過(guò)程，提高了學(xué)生綜合思維能力和科技創(chuàng)新素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：PBL項(xiàng)目式學(xué)習(xí)；信息系統(tǒng)；無(wú)人駕駛智能小車；分支、循環(huán)結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2024）02-0038-03

根據(jù)《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的精神，教科版高中信息技術(shù)教材、通用技術(shù)教材充分融合了PBL模式的理念，將學(xué)科知識(shí)融合到具體的項(xiàng)目或?qū)嶋H問(wèn)題中，讓學(xué)生在解決實(shí)際項(xiàng)目或問(wèn)題中習(xí)得知識(shí)與技能。為更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和科技素養(yǎng)，筆者融合所在學(xué)校的科創(chuàng)教育軟硬件資源，基于學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)，以教科版高中信息技術(shù)必修2《信息系統(tǒng)與社會(huì)》第2單元“信息系統(tǒng)的集成”為藍(lán)本，結(jié)合通用技術(shù)課程中《機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作》的相關(guān)內(nèi)容，以信息技術(shù)程序教學(xué)中綜合使用分支、循環(huán)結(jié)構(gòu)的課型為研究主體，構(gòu)建了以“智能信息系統(tǒng)”為主題的校本課程，為學(xué)生提供了更具針對(duì)性和實(shí)用性的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，為其綜合素養(yǎng)和科技創(chuàng)新能力的提升奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

尋求課程要點(diǎn)融合，探尋軟硬件有機(jī)整合

在教科版高中信息技術(shù)必修2《信息系統(tǒng)與社會(huì)》第2單元“信息系統(tǒng)的集成”中的“2.4 基于物聯(lián)網(wǎng)的信息系統(tǒng)”和“2.6 小型信息系統(tǒng)的組建”中均介紹了常見(jiàn)的傳感器以及傳感器在信息系統(tǒng)中的作用，然而傳感器的使用及傳感器中數(shù)據(jù)的獲取與處理需結(jié)合實(shí)際的信息系統(tǒng)，即只有通過(guò)信息系統(tǒng)產(chǎn)生的具體反饋，才能幫助學(xué)生更好地理解傳感器的作用以及數(shù)據(jù)處理的過(guò)程。但教材中相關(guān)知識(shí)的介紹相對(duì)比較簡(jiǎn)單，學(xué)生無(wú)法具象感知信息系統(tǒng)的組建及工作的流程。

因此，筆者以信息技術(shù)教材中的“無(wú)人駕駛汽車”內(nèi)容為切入口，結(jié)合所在學(xué)校現(xiàn)有的WeeeMake探索機(jī)器人、基于Arduino平臺(tái)的YahBoom探測(cè)車等軟硬件資源，融合信息技術(shù)課程中分支、循環(huán)結(jié)構(gòu)程序思想，探尋以“無(wú)人駕駛智能小車”為模型的校本課程模塊。該模塊主要研究無(wú)人駕駛智能小車系統(tǒng)硬件的搭建、小車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、紅外線控制系統(tǒng)、智能巡線系統(tǒng)、超聲波避障系統(tǒng)等功能的組建與調(diào)試。“無(wú)人駕駛智能小車”項(xiàng)目融合學(xué)校現(xiàn)有的軟硬件資源，結(jié)合PBL模式的一般框架，融入編程思想，讓學(xué)生在軟硬件資源有機(jī)結(jié)合中，具象地感知信息系統(tǒng)的概念、組建與調(diào)試過(guò)程，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和科技素養(yǎng)。

發(fā)揮PBL模式特點(diǎn)，優(yōu)化教學(xué)一般流程

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)通過(guò)解決實(shí)際項(xiàng)目或問(wèn)題，使學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R(shí)應(yīng)用于實(shí)踐。本課程以“無(wú)人駕駛智能小車”為總項(xiàng)目，以“探尋動(dòng)力系統(tǒng)—讓智能小車動(dòng)起來(lái)”“探究分支條件下智能小車巡線功能”“組建小車超聲波自主避障系統(tǒng)”等為子項(xiàng)目，通過(guò)多節(jié)課的自主體驗(yàn)與練習(xí)，讓學(xué)生完成總項(xiàng)目的搭建、編譯與調(diào)試，在項(xiàng)目中感知信息的收集、操作、存儲(chǔ)與傳播過(guò)程，感受各類傳感器在信息系統(tǒng)中的作用。項(xiàng)目基于PBL模式實(shí)施指南開(kāi)展，從而幫助學(xué)生更好地明晰項(xiàng)目要求，了解項(xiàng)目實(shí)施的流程，助力各類子項(xiàng)目的達(dá)成。下面，筆者以“探究分支條件下智能小車巡線功能”為例進(jìn)行綜合闡述。

1.設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)施指南，明晰項(xiàng)目執(zhí)行要求（如右表）

2.項(xiàng)目效果實(shí)時(shí)反饋，優(yōu)化程序參數(shù)調(diào)試

通過(guò)項(xiàng)目步驟的提示及學(xué)習(xí)支架的輔助，學(xué)生完成智能小車巡線程序的設(shè)置。巡線程序的設(shè)置既可以通過(guò)WeeeCode軟件中積木程序模塊完成搭建，也可以通過(guò)程序語(yǔ)句直接編譯。學(xué)生可以根據(jù)自身的學(xué)習(xí)水平進(jìn)行選擇。兩種程序編碼模式的選擇以及循環(huán)結(jié)構(gòu)的加入如下頁(yè)圖1所示。

在程序編譯完成后，學(xué)生將程序上傳至智能小車，并將智能小車置于指定地圖上進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題：①智能小車并未按指定路線運(yùn)行；②智能小車在過(guò)彎道時(shí)容易超出指定線路。因項(xiàng)目二中僅讓學(xué)生設(shè)置了分支結(jié)構(gòu)，并沒(méi)有設(shè)置循環(huán)結(jié)構(gòu)，學(xué)生會(huì)認(rèn)為在分支設(shè)置好后，智能小車就會(huì)反復(fù)讀取數(shù)據(jù)，但通過(guò)直觀現(xiàn)象（智能小車僅讀取了第一次測(cè)試狀態(tài)的數(shù)據(jù)，并一直以第一次獲得的數(shù)據(jù)狀態(tài)運(yùn)行），學(xué)生發(fā)現(xiàn)智能小車并未按照他們理想的狀態(tài)運(yùn)行，由此思考問(wèn)題原因并重新調(diào)整程序（巡線傳感器在獲取數(shù)值信息后進(jìn)行分支結(jié)構(gòu)的判斷是單次的，如果要反復(fù)獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行判斷，需要在分支結(jié)構(gòu)外再加上循環(huán)結(jié)構(gòu)，才能實(shí)現(xiàn)傳感器接收到數(shù)值的反復(fù)讀取及判斷，從而讓智能小車在運(yùn)行過(guò)程中不斷地調(diào)整狀態(tài)）。學(xué)生通過(guò)對(duì)代碼的不斷調(diào)整及優(yōu)化，深入理解分支結(jié)構(gòu)中條件的判斷、循環(huán)結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)反復(fù)讀取的意義，更好地實(shí)現(xiàn)其程序編譯、問(wèn)題分析、合作探討等核心素養(yǎng)的提升。

搭建同類型學(xué)習(xí)支架，實(shí)現(xiàn)不同功能項(xiàng)目遷移

結(jié)合對(duì)智能小車前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)力參數(shù)的設(shè)置以及智能小車巡線功能項(xiàng)目的體驗(yàn)，并且在前期學(xué)習(xí)支架、微課介紹等輔助手段的助力下，學(xué)生對(duì)無(wú)人駕駛智能小車的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式逐漸熟悉，這對(duì)智能小車其他功能系統(tǒng)的組建、程序編譯和調(diào)試方面起到了很好的知識(shí)遷移作用。例如，學(xué)生在體驗(yàn)智能小車的超聲波避障功能時(shí)，能夠在前期學(xué)習(xí)支架以及相關(guān)知識(shí)遷移的基礎(chǔ)上，快速地掌握超聲波模塊的搭建。超聲波模塊的程序編譯與巡線功能類似（如圖2），主要由多分支結(jié)構(gòu)感知物體與障礙物之間的距離—當(dāng)測(cè)得距離大于指定距離時(shí)，智能小車前進(jìn)；當(dāng)測(cè)得距離小于指定距離時(shí)，說(shuō)明有障礙物出現(xiàn)，智能小車停止或者可以讓智能小車左轉(zhuǎn)后再次測(cè)距。在相似的分支結(jié)構(gòu)中，不同的是分支判斷的條件變成了智能小車與障礙物之間的距離。智能小車通過(guò)超聲波測(cè)距傳感器不斷地接收與障礙物之間的距離數(shù)據(jù)，在進(jìn)行距離判斷后，調(diào)整動(dòng)力方向。這樣的模式依然是一種分支、循環(huán)結(jié)構(gòu)。因此，學(xué)生通過(guò)典型的項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，能在相同類型不同功能的分支、循環(huán)結(jié)構(gòu)模型的項(xiàng)目上產(chǎn)生知識(shí)的遷移，從而進(jìn)一步探索智能小車的不同功能，完成整體項(xiàng)目的構(gòu)建。

無(wú)人駕駛智能小車是一個(gè)集成性比較高的信息系統(tǒng)，它包含了很多有趣的功能模塊，而很多功能模塊均需使用程序中的分支、循環(huán)結(jié)構(gòu)。通過(guò)PBL模式建立智能小車總項(xiàng)目，利用多節(jié)信息技術(shù)課或者信息類校本課程開(kāi)展教學(xué)，能幫助學(xué)生建立整體項(xiàng)目概念，在學(xué)習(xí)支架和知識(shí)遷移的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生完成項(xiàng)目的綜合技能，使其直觀感受程序的編譯、數(shù)據(jù)的獲取與反饋、問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)與解決的過(guò)程，更好地培養(yǎng)學(xué)生自主探究意識(shí)、綜合思維能力，提升其科技創(chuàng)新素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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本文為蘇州市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度立項(xiàng)課題“PBL模式下高中科創(chuàng)技術(shù)類校本課程的研究”（2021/LX/02/233/04）的研究成果。