当信息技术触碰自然——“基于自然物的创意物化”的跨学科教师研修项目实践

汪玥辉 熊珺洁 上海大学附属中学

一、项目背景

2017 年《中小学综合实践活动课程指导纲要》颁布。综合实践活动是从学生真实生活和发展需要出发，通过探究、制作等方式，培养学生综合素质的跨学科实践性课程。义务教育阶段要求综合实践活动课时占比6%～8%。而纲要中对教师的跨学科知识整合能力、活动设计和实施能力、资源开发和利用能力也提出了师训、教研方面的要求。

当然也有专家认为当前我国基础教育较长时间内仍将以学科教学为主，开展跨学科教学仍处于探索阶段，不管是对于教师个人能力和素质的要求，还是班级人数等客观事实，都表明当前的跨学科课程可以在学科教学中渗透，慢起步、缓前行，为教师成长和能力培养提供一定的缓冲期。

上海市宝山区教育学院师训办于2021 年启动建设“宝山区教师跨学科能力培育项目”，旨在陶行知教育思想引领下，以项目聚集、招募教师，通过项目实作拓展教师跨学科视野，熟悉并分享跨学科项目建设与实施路径、运作策略等，从而激发教师职业追求与认同感、体验职业幸福与成就感，进而满足中小学课程改革与中高考改革等带来的跨学科课程建设的需求，破解跨学科师资缺失与培养困难的现实问题。

二、教师跨学科研修

“基于自然物的创意物化”项目是宝山区教师跨学科能力培育项目中的试点项目之一，由原宝山区触碰自然工作室和机电工程工作室两位领衔人联合开发。一方面工程技术可以作为观察自然、记录自然、改造自然的手段，另一方面通过各类自然物的创意物化情境也可以了解许多有趣的新技术。作为参与培训的高中教师，在自己经历观察思考、创新设计、动手制作以后，我们从学生的视角积极开展体验式跨学科教师研修。

跨学科课程的开发需要教师逐步培养跨学科的思维，而活动化策略无论是在教师研修还是在学生学习中均起着重要的作用。针对跨学科项目活动，项目组确立了教师技术能力的培养、活动流程的设计以及从学科逻辑到生活逻辑的问题情境的创设三个培训的具体目标。一方面包括外在的动手实践的感性活动，同时也关注内在的思维心理的理性活动，达到跨学科能力培养的研修目的。正如陶行知先生所言：“单单劳力，单单劳心，都不算是真正之做，真正之做是在劳力上劳心”。

目前我们已参与的教师研修项目如下：

项目1 创意花盆的制作：主要面向加工技术应用，内容包含手工电动工具的操作使用、计算机辅助设计与制造。通过动手设计和制作花盆，结合植物生长规律，关注花盆的结构与功能，并实现从手动工具到激光切割机体验加工技术的演变。

项目2 植物养护系统：主要面向数据测量与分析，内容包含不同浓度营养液对比实验、传感器土壤湿度对比。通过对植物生长环境的测量，探寻影响植物健康相关数据的测量与记录，探寻复杂自然物系统中的规律。

项目3 石头的前世与今生：主要面向场馆资源利用，内容包含实地参观了解矿晶的形成、微观观察感受自然之美、矿物识别卡与珊瑚石手工制作等。从地质科学到人文历史，从微观世界到宏观宇宙，多角度感受石文化的魅力。

三、教学案例设计

在体验了教师研修项目之后，学员需要结合自己学科或学校工作开展跨学科项目资源的开发实践，具体实施形式可以结合实际多样化设计。作为高中信息技术学科教师，我们从信息技术新课程标准中挑选了选择性必修中的开源硬件、三维设计、人工智能等内容进行了跨学科活动案例的设计，具体实施则结合学科选修课程和综合实践活动等形式加以展开。

（一）教师项目活动案例：基于开源硬件的智能花盆设计（传感器数据采集问题）

植物养护是学生与自然物接触中最多的一类场景。通过各学科的学习，学生已基本了解土壤、水分、养料对植物生长的影响。“智能花盆”项目通过开源硬件和传感器模块，对选取的土壤湿度这一个指标进行检测与分析。

“智能花盆”项目主要用于开源硬件入门，包含四个项目活动步骤。步骤一是对资料进行检索和查新，构思并设计一个创意花盆的信息系统。步骤二利用三维建模等加工手段，优化设计并3D 打印花盆的主体结构。以上两个步骤关注信息意识和数字化学习与创新。步骤三是使用开源硬件为花盆增加智能效果，通过电路连接和图形化编程完成小型信息系统的搭建。通过万用表测量模拟信号和数字信号，进而通过串口通讯读取连续的传感器数据，连续读取的数据可通过数据可视化等方式加以分析。步骤四为项目作品的交流与展示，模拟产品发布会，完成产品口号和广告牌等的设计。以上两个步骤关注计算思维和信息社会责任。

（二）教师项目活动案例：基于人工智能的鸢尾花分类（神经网络分类问题）

植物物种识别是自然物认知中普遍的问题，学生在日常生活中也能看到“识花君”等类似应用。“鸢尾花分类”项目通过4 个数值（花瓣长、花瓣宽、花萼长、花萼宽）来识别鸢尾花属于3 个分类（山鸢尾、变色鸢尾、维吉尼亚鸢尾）中的哪一个。项目活动中使用到了人工神经网络技术，也可涵盖KNN 算法、决策树算法等传统机器学习解决该问题算法的普及介绍。这样的设计优化了教学材料，按照近邻原则呈现的教学材料，能减少学生的注意力分散，降低学生的外在认知负荷。

“鸢尾花分类”项目主要用于人工智能入门，包含四个课时。第一课时重在体验人工智能应用，讲授人工智能模型的数学本质，关注信息核心素养中的信息社会责任、信息意识和计算思维。第二课时，学生自己阅读资料，学习人工神经网络的结构与历史，在教师的指导下为经典的“鸢尾花分类”项目探索神经网络模型解决方案，关注信息核心素养中的信息社会责任和计算思维。第三课时，学生通过阅读和修改代码探索鸢尾花的数据，理解不同数值（花瓣长、花瓣宽、花萼长、花萼宽）对应不同类别的花朵，通过数据可视化方法知道少数几朵花的数值虽然差不多，但是却属于不同的类别，而这样的花朵会降低分类的准确率。本课时关注信息核心素养中的数字化学习与创新和计算思维。第四课时，学生通过阅读和修改代码创建和修改神经网络模型，重点理解模型训练的参数epoch（训练次数）。阅读模型训练结果则需要重点理解acc 和val_acc 的含义，学会根据这两个数值评判模型的优劣。本课时主要关注信息核心素养中的信息意识、数字化学习与创新和计算思维。

作为入门级的跨学科项目活动体验课程，以上教学内容主要在选修和综合实践活动中加以展开，对于前置的信息系统、图像处理等内容则可在必修课程中的单元设计中加以渗透。值得欣慰的是，在跨学科项目的实施过程中，我们也陆续收到学生对课程的正面反馈，更有一部分学生结合高中研究性学习任务将所学知识加以实践应用，开展自主研究项目的设计。我们在课程中也遴选出了其中优秀的项目，供学生在格式模板和技术路线上作为其今后研学项目的参考。

（三）学生研究性学习案例：基于3D 打印的仿生弹跳结构

学生视角：前期通过“智能花盆”项目活动学习到了开源硬件、三维建模等内容，在校冬令营期间开展了为期三天的仿生弹跳机器人沉浸式综合实践活动。活动主题源自上海市机械工程创新实践工作站项目课程，综合运用物理、通用技术、信息技术等学科知识开展弹跳机器人的仿生分析、三维建模和机械改造。

作品摘要：人类对机器人的结构设计和改进中，弹跳结构作为其中最具挑战的内容之一，已有许多成熟的设计方案。本项目以制作一个“一蹦三尺高”的弹跳机器人为目标，经历了弹跳的方式及原理查新、弹跳结构的选择以及控制机器人弹跳高度的因素。探究项目模型采用了弹簧储能的弹跳原理，对已有儿童玩具进行了拆解和组装。具体研究过程涉及弹簧储能的参数测量、理论高度计算、3D 打印轻量化设计等，最终通过减少装置、选择弹射角度使得原有装置弹跳高度提升至86 cm，并仍有上升改进的空间。弹跳机器人既可以作为趣味玩具，也可以在搜救排险等特殊场合发挥重要作用，未来项目组将进一步优化装置提升弹跳高度，也进一步关注落地的稳定性的设计。

（四）学生研究性学习案例：基于人工智能的药品用量识别系统

学生视角：前期基于“鸢尾花分类”项目活动学习到了人工智能神经网络相关知识，在自主研学任务中关注了老年人用药不便的社会问题，利用图像识别的思维从技术角度设计了相关应用解决相应问题。项目源自学生自己身边的问题发现，综合运用了图像识别、语义分析、合成语音等信息技术知识。

作品摘要：药盒和药瓶上的文字通常比较小，老年人由于视力不佳给服药带来不便。针对该问题，目前老人主要是通过强制记忆或者借助放大镜来识别，也有通过家人或社区工作人员帮助来实现每天的服药，存在不便捷、自主性差的缺点，也缺少有效的药品剂量识别和提醒办法。本项目创建了基于人工智能的药品用量识别系统，系统使用了百度AI 的图片文字识别和文字转化为语音的功能，通过识别短视频中的多张图片提高识别的准确率。老人使用手机拍摄药瓶或者药品包装盒，将拍摄的视频上传本系统，系统识别出多张图片中的文字，根据关键字从中查找剂量信息，若多张图片的剂量识别结果一致，则将获得的剂量信息文字转化为音频，进行语音播报。系统能将自行拍摄的视频识别后的结果转化为语音播报，极大地方便了老人服药时查看药品文字的需求。

四、讨论与反思

信息技术新课标的核心素养关注了四个层面：信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任。具体课程模块设计如表1所示：

表1

以人工智能、三维设计、开源硬件为活动载体，结合自然物为主题的跨学科探究融入了生命观念、科学探究、图样表达、物化能力等多个学科的核心素养要求，在解决基于真实场景下问题的过程中关注系统与模型、变化与恒定、结构与功能等跨学科的思维方式。

通过我们的跨学科课程实践，基于信息技术学科在信息意识、计算思维上的核心素养具体要求，学生在教师引导下可以充分理解项目的跨学科情境，但在算法设计、编程代码等具体实操上还有门槛要跨越。因此，对今后信息技术的跨学科项目活动实施我们也提出了如下的建议：

1.信息技术相关跨学科课程知识面的选择不能太广。教学应以点带面，有更多需求的学生可举一反三。如开源硬件涉及开源协议、物理电路、图形化编程、通讯协议等多个内容，案例中仅关注传感器如何读取土壤湿度这一个场景。又如人工神经网络这一个技术就涉及神经网络的结构、激活函数、优化器、全连接层、卷积层、池化层等知识点，建议让学生学会使用全连接层设计出简单的多层神经网络即可。

2.学习活动所涉及的知识难度不能太深，代码量需做减法且可读性较高。以数据预处理为例，代码中使用的子函数将其当做黑盒即可，因为数据预处理的代码量很大，涉及数据的各种结构，而数据结构则是大学阶段才会学习的内容，学生只需要掌握基本的数据类型即可。

3.为了降低学生的认知负荷，要按照邻近原则选择和呈现多个项目。项目活动的螺旋上升可提高学生感知、理解和掌握信息技术核心知识和技术的能力。例如在人工智能活动中通过经历难度由浅入深的两个人图像识别项目活动后，完整理解和感知人工智能的模型设计的学生数量会有大幅提高。

4.项目活动类课程的授课频率不宜过低，结合综合实践活动的沉浸式学习效果更佳。例如开源硬件项目受限于每周一次的授课频率，在器材准备、旧知回顾、作品保管等方面一定程度降低了课堂的效率，在课后的调研中不少同学都认同一周两次课的授课频率。相对而言结合冬令营、夏令营等的沉浸式综合实践活动能带给学生更完整的项目体验，还可结合科技周、嘉年华等进行全校性的成果展示，提升校园研究性学习的氛围。

随着宝山区跨学科教师研修项目的深入，教师在培训中体验学习者与引导者的双重角色，不断实践学科专业素养叠加跨学科思维的活动设计。跨有道，学有法，研修项目在诞生诸多跨学科项目活动的同时，也助力教师跨学科能力提升，德业兼修、知行合一。