基于项目的信息技术学习

曹蓉

摘要：以开源硬件为载体的人工智能课程十分适合基于项目的学习方式。《智能声控灯》一课的设计思路为：采用项目学习方式，学生小组合作探究，经历“需求分析—方案设计—项目实施—项目优化—项目评价”的学习过程。项目施行过程中，应明确每个步骤要做的事情，及时分析需要跨学科解决的问题，注重过程中的真实性，采用多元评价。

关键词：项目学习Arduino算法智能声控灯

《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》指出，普通高中信息技术课程倡导基于项目的学习方式，将知识构建、技能培养与思维发展融入运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中。

诸多学者对项目学习做了深入研究，衍伸出项目化学习、项目式学习等相关的研究。2019年，夏雪梅博士比较了国内外项目学习，界定核心素养指导下的项目学习理念为：在一段时间内，学生对与学科或跨学科有关的驱动性问题进行深入持续的探究，调动所有知识、能力、品质等，创造性地解决新问题、形成公开成果，对核心知识和学习历程产生深刻理解，并能够在新情境中进行迁移。同年，胡佳怡博士提出，项目式学习的本源特征是它的真实性;项目式学习的“真实性”包括真实问题、真实情境、真实学习和真实评价这四个要素。

在以开源硬件为载体的人工智能课程中，如果仅仅是理解算法，不涉及传感器与Arduino芯片之间的硬件连接原理，学生就无法真正理解传感器如何感知世界、Arduino芯片如何根据感知的数据给出相应的反应，那么知识内化与能力构建均会浮于表面，举一反三的思维迁移更是难以完成;只有掌握硬件接线原理、理解数据输入、芯片程序设计工作原理、输出的整个流程，才能真正理解开源硬件工作原理，做到结合实际迁移学习及创新。显然，这十分契合也迫切要求“基于项目的学习方式”。

一、实践：基于项目的《智能声控灯》教学设计

本次教学设计思路为：采用项目学习方式，学生小组合作探究，经历“需求分析（做什么）—方案设计（怎么做）—项目实施（具体落实硬件连接和程序设计）—项目优化（思维迁移）—项目评价（社会责任和人性化考虑）”的学习过程。

（一）需求分析

（播放智能家居相关视频：阿里巴巴无人酒店以及学校楼梯口的智能灯）生活中，当我们行走在学校、小区、商场的楼道里，看不见东西的时候，拍拍手或跺跺脚，灯亮了，过一会，灯又灭了。这就是智能声控灯。智能声控灯是什么原理呢？我们是否也能自己做出来呢？今天，就让我们一起学习并尝试。

[设计意图：伊始，让学生通过观看视频了解智能家居目前的发展情况，结合真实情境，明确本次项目学习的主题。]

（二）方案设计

完成这样的智能声控灯需要哪些传感器呢？请大家阅读“学习材料”（学生端电脑桌面上“学习包”文件夹里的PDF文件）的第一页，小组讨论分析：除了Arduino芯片和灯，智能声控灯需要什么传感器？除了硬件，还有程序设计，能否用自然语言尝试描述智能声控灯的工作原理？

（学生阅读“学习材料”，小组思考、讨论。师生共同总结：如图1所示，制作智能声控灯，除了Arduino芯片和LED灯，还需要声音传感器;工作原理为如果有声音或声音大，灯亮。）

[设计意图：让学生自己阅读传感器说明材料，分析项目设计方案，给学生充分的时间和学习材料，通过自主学习，明确本次项目要做什么。根据需求选择合适硬件，并总结出算法，符合新课标提倡的学会学习的理念。]

（三）项目实施

1.硬件连接。

教师出示接口说明表（如表1所示），学生小组完成硬件实物接线，成品如图2所示。

[设计意图：理解接线原理，传感器正极接主板正极，负极接主板上的GND，符合物理接线原理：传感器需要电才能工作，因此正负极一定要接对;此外，传感器还需要传递声音信号给Arduino芯片，Arduino芯片根据接收的声音信号指示LED灯做出相应的反应。只有将物理接线原理理解透彻，才能在此基础上实现算法。]

2.算法实现。

LED灯亮的条件是音量大于某个数值，那如何检测音量？

（教師演示如图3所示的方法。学生观察后尝试操作，检测声音音量，得到数值，填写实验手册，总结：音量越大，数值越大。）

如何实现程序？

（学生阅读如表2所示的积木块功能介绍，尝试实现算法。）

[设计意图：方案设计中，教师展示了基于真实情境的程序设计作品——智能声控灯，引导学生针对生活中熟悉的情境展开需求分析，总结出算法初步模型“如果音量大于某个数值，灯亮”。在此基础上寻找实现算法的关键步骤：即音量如何测量、“如果”如何实现。根据现实情境又提出改进，即灯亮一段时间如何实现，最终设计出完整的算法解决方案并程序实现。学生在互相合作中完成了智能声控灯1.0方案，学评一致性在此过程中充分展现。]

（四）项目优化

通过同学们刚刚的操作，我们实现了“有声音，灯亮一段时间”，而现在是白天，智能声控灯有声音就亮，显然不够节能，智能化程度不够高。如何让它白天不亮晚上亮？

（学生在智能声控灯1.0版本基础上迁移思考，尝试自己根据传感器说明图实现光传感器接入，设计算法并实现程序。）

[设计意图：学生刚才已经初步学会了测音量、编写选择结构程序解决，优化方案其实是智能声控灯1.0方案的举一反三：再接一个光线传感器，当光传感器检测出是晚上，灯亮。根据实际情况优化算法，体现了信息社会的要求。学生能够举一反三将光传感器加入且设计出算法，则更是对所学知识迁移应用的极好体现。]

（五）项目评价

课尾，首先让学生分小组展示项目学习成果。然后，引导他们继续讨论：实际生活中，其他的声音也可能导致灯亮，影响睡眠，也不节能，所以智能声控灯还可以继续优化，将人体传感器加进来，实现“晚上感应到人，灯亮”，让灯更智能化。

然后，师生共同总结Arduino开源硬件的工作原理：如图4所示，根据不同的传感器输入不同信号（声、光、人体等），Arduino芯片指挥不同的输出设备（智能聲控灯）显示相应的信号。

小组成员互评：根据实验手册完成情况，评价本次课自己的学习效果，交流反思问题及改进方案。

[设计意图：由现象到本质，为未来更好的设计及创新打基础。]

二、思考：基于项目的信息技术学习注意点

（一）明确每个步骤要做的事情

项目学习过程中，需求分析及方案设计非常重要，这两步决定了整个项目的走向。本次项目学习的步骤及主要活动内容为：（1）需求分析。从实际生活中寻找需求，明确做什么。（2）项目方案设计。明确用什么做、怎么做。需要的跨学科知识则采用STEM教育方式开展学习活动。（3）项目实施。落实怎么做。针对跨学科问题，如果个人无法解决，可寻求相关学科教师的帮助，在问题解决过程中发展核心素养。（4）项目优化。以阶段性成果促进方案改进，引领自主学习、迁移学习，为创新打下基础。（5）项目评价。展示评价、自评、互评，检测整体解决方案。

（二）及时分析需要跨学科解决的问题

整个开源硬件的课程教学都可以浓缩为理解“传感器输入信号—Arduino处理信号—灯、电风扇、排水器等输出信号”。只有透彻地理解物理接线，才能明白传感器是如何传输信号给Arduino芯片以及Arduino芯片是如何通过程序指挥输出设备的。这部分内容，如果信息技术教师不能很好地讲清楚原理，可在备课时候请教学校物理教师，甚至可以设计由两科教师共同完成的项目学习活动。这也许是未来高中教学的一个方向。

（三）注重过程中的真实性

本次课，从真实情境中引出问题，到最终解决问题，学生在项目学习活动过程中通过自主学习、小组交流讨论、寻求教师指导等方式，分析需求，界定问题，设计算法并逐步解决其中的关键问题，初步编程实现;再根据实现效果改进算法;最终，根据真实世界的实际需求再优化算法。学生的计算思维在解决问题的过程中逐步形成，且形成过程是符合他们的思维发展水平及认知规律。

（四）采用多元评价

时下倡导以评价促进学习，本教学设计中也努力实践多元评价：实验报告促使学生在实验过程中自我评价，最终的展示及讨论也可以帮助学生知道自己及同学的学习情况，更在讨论中发展了批判性思维，了解到项目在真实的生活中不同情况下不同的优化方向，完成项目学习的同时培育了信息社会的责任感。

*本文系江苏省教育科学“十三五”规划立项课题“信息学拔尖创新人才培养模式的校本探索”（编号：Bb/2020/02/70）的阶段性研究成果。

参考文献：

[1] 夏雪梅.从设计教学法到项目化学习：百年变迁重蹈覆辙还是涅槃重生？[J].中国教育学刊，2019（4）.

[2] 胡佳怡.真实性：项目式学习的本源[J].中国教师，2019（7）.

[3] 祝智庭，李锋.面向学科思维的信息技术课程设计：以高中信息技术课程为例[J].电化教育研究，2015（1）.