探索智能家居空气监测的奥秘

包凌琰

《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》提出了培养学科核心素养的概念。要求学生能够寻求恰当方式获取与处理信息（信息意识）;能够采用计算机科学领域的思想方法解决问题（计算思维）。本案例基于教育科学出版社高中版信息技术必修教材《数据与计算》第二单元“编程计算”第3节的内容，旨在培养学生抽象与逻辑思维的能力、创新能力以及分析和解决问题的能力。

学生能利用流程图来描述简单问题并转为程序代码，但熟练度还有所欠缺。本课涉及的知识点较多，要求学生有较强的逻辑思维能力。基于课程标准要求、学情分析，教学目标定为：掌握循环的结构和执行过程;运用循环解决实际问题。教學重点为：for语句含步长的格式与功能;for与while的联系与区别。教学难点为：循环语句的格式与调试;运用循环语句解决实际问题。

项目概述

如今，健康养生成为关注热点，人们对空气质量关注度也越来越高。本项目学生通过对空气监测结果的分析，结合循环语句特性，学习运用计算思维解决问题。教学策略上以学生为主，教师引导。学生在不断发现问题、分析问题、解决问题的过程中，养成严谨的逻辑思维习惯，培养自主学习、协同学习的能力。

项目教学准备

硬件环境：网络机房;学习工具：python3.0;教学资源：PPT课件、程序半成品、学生学案。

教学过程

1.项目引入

问题：健康对每个人都至关重要，智能家居可以监控我们的环境并评估，如空气中的pm2.5，其数据往往很多，如何实现对大量数据的高效处理呢？假设传感器每小时向系统传递一次数值（实际频率更高），如何评估当天空气质量的好坏呢？

2.项目分析

活动1：分析问题，确定需求，资料收集

知识技能：掌握从程序设计的角度分析问题的常见思路;掌握列表的基本使用方法。问题：如果你是系统工程师，以监测pm2.5为例，你觉得工作需分为几个步骤？学生活动：分析讨论并回答。教师小结：空气质量的评估需要经过以下步骤：①获取pm2.5数据并传给系统;②通过某种策略计算，得出结果;③将结果与标准对比，得出结论。

问题：其中最大的阻碍是什么？能否克服？学生活动：小组讨论并回答。教师小结：不难发现，数据统计时数据量较大，程序处理困难。因而急需一种数据结构，希望其能够方便地对大量数据进行读、写等操作。学生活动：打开学案，自学列表知识。

设计意图：列表知识并非由教师强行灌输，而是学生在研究问题过程中的自发需求，是学生主动要求了解掌握的知识与技能。列表只需掌握最基本的读写操作即可，其他可以作为拓展资料由学生自学。

3.项目设计

活动2：讨论可行计算方案，选择一种方案设计出算法

知识技能：将解决问题的思路转化为流程图或伪代码。问题：哪种数据分析策略更加科学呢？学生活动：小组讨论分析策略。

设计意图：数据分析方法不唯一，可能用到均值、方差等各种知识，学生通过对问题的不断思考与讨论，锻炼解决问题的能力。

教师：确定方案并绘制流程图。

设计意图：求平均值的方案简单易懂，流程图绘制难度较低，确保每位学生项目顺利推进。

4.项目实现

活动3：编写程序实现算法

知识与技能：掌握循环的各种功能与格式。教师：若市场上还没有类似产品，请工程师们通过“人无我有”策略来抢占市场。学生活动：结合学案，参照流程图编写程序，调试并运行;作品展示。

设计意图：教师利用半成品及学案资料保障学生项目的顺利实施。

教师：能否用while实现功能？学生活动：分组讨论;通过代码展示的形式共同探讨多种结构的异同点。

教师：若市场上已有类似产品，请工程师们通过“人有我优”策略来抢占市场。假设传感器不仅能够测得pm2.5，还能测得CO2的浓度数值。程序该如何修改？拓展：学生结合学案中for循环含步长的格式，实现产品升级。

设计意图：学有余力的学生能够通过自学进一步提高程序设计的能力，其他学生也能够通过阅读拓展视野。最终所有学生通过编写代码解决实际问题，体验编程的快乐。

5.知识梳理

知识技能：循环语句的格式、注意事项、使用技巧。活动形式：讨论交流学习体会;讨论智能家居其他场合可以用到循环;完成评价量规表。

设计后感

循环作为程序设计中一个极其重要的知识点，需要每一位学生深入学习并掌握其使用方法。本教学设计通过引导学生对智能家居空气监测系统使用过程的分析，归纳出智能系统的执行策略，结合循环语句的特性，学习运用编程加工信息来分析问题、解决问题的方法。项目式教学法作为一种行之有效的教学方法，对传统的教学模式进行了突破，通过解决生活中的问题来帮助学生更加轻松、牢固地掌握知识，大大提高了学生的学习积极性，动手能力和解决问题的能力也得到了极大的锻炼，有助于学生信息素养的提高。

作者单位：南京师范大学附属中学