面向未来学校的高中信息技术《社区防疫检测系统》教学案例研究

刘一童 樊姝玲

早在20世纪80年代，我国就提出“教育要面向现代化，面向世界，面向未来”的方针。在这样一个科学技术日新月异的时代，我们更需要面向未来学校，思考教育教学的各个环节：未来需要怎样的人才？我们应该如何设计教育从而培养出创新的、适应未来的、能与世界竞争的人才？这就要求教师站在学生的角度开展课程的重构，对学习环境、学习方法进行创新。

● 案例背景

随着《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》的颁布，信息技术课程定位已经从“常识”教育转变到了“学科核心素养”教育，教学目标、教学流程和评价方式都亟须转变与重塑。设计思维是一种支持创意活动的思维方式，提供了问题解决的系统依据，有助于转变教学流程，引导学生进行创新设计，促进学生核心素养和创新能力的培育。本课将设计思维融入教学设计各环节，能够解决“创新能力培养不足”“学习活动目标与支架不够清晰”“学习动机继发与维持不足”等问题。

● 总体设计

《社区防疫检测系统》一课利用设计思维所提供的适切思维支架及方法支持引导学生从定义问题开始，充分发挥现有材料、科学技术的优势，逐步掌握创意构思、原型迭代、测试等一系列创新方法技能，最终实现问题的创新解决或产品的创新设计。

美国斯坦福大学d.school团队给出了设计思维的EDIPT五阶段模型：①同理心。换位思考，通过交流或调查获取用户的想法。②需求定义。分析用户想法，得出用户的根本需求，用通俗语言描述问题的解决方案。③设想。开展头脑风暴，鼓励组员发散思考，获得数量多、方向多、差异多的解决方案。④原型化。将脑海中的想法快速且灵活地呈现出来，并对其进行试验测试，尽可能早地发现其中的问题。⑤测试反馈。找到不同原型的优势并整合，反复迭代，优化解决方案。

由EDIPT五阶段模型可以看出，设计思维非常注重用户的想法，将开展活动的前提建立在对用户心理把握的基础上。在此基础上，学生可以创造性地定义问题，主动地思考问题，利用设计思维的理论和方法解决问题，进而激发创新能力、学习热情和工程意识。

通过项目实践，学生能够高效掌握设计思维的方法论：通过同理心定义问题后，快速生成原型并测试优化，不断迭代直至最优方案的生成。迭代的动力就是在“同理心”“需求定义”“设想”三个步骤中不断进行实验反思所获得的用户“痛点”，利用创新性思考将这些“痛点”转变为产品的“创新点”，再通过“测试反馈”获得用户对产品的优化意见。

设计思维提供了“同理心—需求定义—设想—原型化—测试反馈”的创新思维框架与方法，细化了教学活动。其为教学活动所提供的丰富的创新思维方法和工具，还有利于支持学生的个性学习与创新思维发展，促进学生考虑实际需求、解决实际问题并创新设计制品。

● 信息技术支撑方法

本课选取的教学环境是新课标提倡建设的信息技术专用课堂，本教室主要用于创客类课程的授课。除配备多媒体教学系统和教师机/学生机之外，本课所使用的创客教室空间更大，学生桌面留出的空间及课桌间的间距也更为合理，有利于小组合作及动手操作活动的开展。同时，教室内配备了1套录播系统、2台3D打印机、若干套树莓派套件等。

在这样的教学环境中，教师可以运用各种多媒体资源创设教学情境。课前播放新冠病例单点出现的新闻报道，以及某些小区自治管理人员的采访视频等，让学生体会到设计开发这样一个系统的意义，增强学生的创作动力。除此之外，在不同教学环节中，教师可以通过教师机的“监控”功能同时查看所有学生的桌面，动态掌握并对比各组学生的进度或学习情况，进行针对性干预，如点对点发送学习资料或提供操作支架等。

学生在这样的教学环境中，可以通过网络查找到多种多样的资源，辅助前期的新冠疫情防控政策调查与硬件拓展知识、Python程序撰写知识的学习和探究。除此之外，学生还可以利用多媒体环境开展多种形式的小组合作和头脑风暴等。

《社区防疫检测系统》教学案例设计

案例设计

1.前期分析

（1）教学目标

知识与技能目标：寻求恰当的方式进行信息检索，合理判断信息来源的可靠性、内容的准确性、指向的目的性，并将信息进行汇总与加工。

过程与方法目标：在实际操作中总结出人工智能应用系统的开发流程以及利用计算机解决问题的过程与方法，并迁移到其他问题的解决中。根据任务复杂程度和个人习惯，合理运用数字化环境收集资料，辅助传感器特性、API概念学习及程序编写。

情感态度与价值观目标：降低对人工智能的疏离感，辩证地看待人工智能的问题，思考人工智能“是什么—为什么—怎么做”的问题。

（2）学习者特征分析

通过高中信息技术前序知识的学习，学生的信息素养得到了初步提升，有一定的Python语言编程基础和开源硬件知识储备，能够对数据进行基础分析处理，能够简单描述人工智能相关技术与理论。

（3）教法学法选择

为了促进学生完成知识的有意义建构，本课将设计思维融入项目式教学，并综合运用情境创设教学策略、支架式教学策略、自主探究学习策略、合作学习策略等。

（4）教学环境整合

利用现有的信息技术教室开展教学，提供树莓派、红外测温仪、摄像头等开源硬件、外接传感器设备。

2.教学流程设计（如下图）

（1）情境导入与问题发现

情境导入：某市制订了一套新冠疫情防控应急方案，当本市出现病例后，立即在辖区内所有住宅小区启动该预案。其中，关于小区进出门禁的具体措施如下：①业主每次进出小区前应接受体温测量，体温正常方可放行。②每户每两日可有一人外出采购生活用品，且外出时间应少于4个小时。

发现问题：物業防疫人员有时无法准确记录业主的进出时间及次数，且防疫人员工作强度太大。

设计意图：教师引导学生思考解决方案，并结合人工智能的背景，将问题转化为如何设计并开发一个“社区防疫检测系统”。

（2）问题思考与任务分解

问题思考：围绕该问题，学生需要解决一系列“子问题”。首先，学生代入社区居民角色，运用同理心进行社区防疫系统功能的初步设定。

任务分解：学生根据社区防疫系统的实现目标，自由组建小组进行任务的细化分解并根据成员特点进行角色与任务分工。

设计意图：本项目设置了半开放式的任务情境以促进学生的学习投入与主动探究。教师抛出一系列问题，在总体上规划学生的目标方向，使学习活动朝着有利于创新思维、学科素养培育的方向开展。

（3）调查需求与制订计划

学生在教师的指导下，从国家、省市、小区三个层面收集防疫工作的具体要求，通过线上线下多种渠道广泛查找资料，在头脑风暴中进行信息的筛选、整理、汇编。通过作图、作表等可视化方式，进行“需求定义”，思考并找到切实的源头性问题，最终确定项目计划及日程。

设计意图：学生通过本环节完成信息的检索和处理，最终得到“防疫工作要求”汇编。主要考查学生的信息获取、辨别、处理能力。

（4）草图绘制与硬件安装

学生按照要求进行图纸绘制。在这个环节中，学生先进行个人设计再在组内开展头脑风暴，最终形成终稿。按照图纸，各小组完成硬件的连接与部分外形的创作后，运用必修模块所学知识，编写简单程序测试硬件连接是否通畅。

设计意图：促使学生能快速设计简单原型，并不断进行优化。

（5）程序编写与优化迭代

教师讲解API的含义及OpenCV库的使用，为学生提供案例支架，帮助学生掌握相关内容，学生利用Python调用OpenCV库，不断调试实现人脸识别功能，并进行测试与优化展示。

各小组在一轮测试中收集用户的体验感受和程序的反馈，从体验感和准确率两方面优化方案。经过多次优化与完善后，各组分别进行展示。

设计意图：学生完成程序的初步撰写后开始不断优化，设计思维的五阶段模型在本阶段中不是线性展开的，而是根据作品的完成情况被反复运用的，学生在本环节中能够逐渐理解优化迭代的意义。

（6）评价总结与报告撰写

小组展示结束后，教师组织学生使用Jigsaw拼图式分组讨论，并整理该项目的所有材料，按照规范撰写项目报告。

设计意图：运用Jigsaw拼图式分組开展讨论有助于学生合作学习的开展，产生积极的互赖关系。

（7）教师评价与师生反馈

教师通过活动留痕文件及任务报告内容对班级成员进行评价打分（1～5分，1分为非常差，5分为非常好），将评价结果存档以便下次对照，并撰写评语。

设计意图：将评价结果存档有助于形成学生的个人档案，有助于整体分析学生阶段性的素养达成情况;评语则能够让学生在第一时间得到反馈，以便对照自己的学习情况进行改进。

● 教学反思

设计思维为未来学校的信息技术课程教学提供了一个突破口，它能够满足信息技术课堂技术性与应用性的需求，有助于激发学生的学习动机，培养创新意识。但在实际教学中，笔者发现本课还存在以下问题：由于本案例的教学周期较长，知识点难度较高，学生对知识点掌握的情况不好，作品完成度不高;就现有的课时划分来说，课时之间难度不够均匀，会出现部分课时教学时长不够、无法完成既定教学计划的情况。针对上述情况，在之后的教学实践中，首先应当降低部分知识点的难度;其次要按照知识点的难易程度设置单元目标，分配课时，减少教师讲解部分的课时，增加学生自主探究、合作学习的课时，充分发挥学生的主观能动性;最后，尽量做到两节课连堂开展教学活动，这样可以有至少90分钟的连续授课时间，保证教学的连贯性。

参考文献：

李彦，刘红围，李梦蝶，等.设计思维研究综述[J].机械工程学报，2017，53（15）：1-20.