信息技术项目式实验教学法的—以“实智践能与盲人思伴考侣”为例

贺森 安徽省合肥市合肥一六八玫瑰园学校

储君 清华附中合肥学校

●项目式实验教学法的界定

项目式实验教学法强调学生在做中学，学生是项目学习的主体，学生借助实验探究法，验证项目猜想、攻克项目难点、优化项目方案，在实施项目的整个过程中，探究科技原理并解决现实问题。项目式实验教学是一种重视实践的教学模式，学生通过亲身实践逐渐构建知识，体验科学研究的过程，提升创新思维与实践能力。

●项目式实验教学法的课堂流程

笔者基于科学出版社出版的初中信息科技第5册第一单元《了解机器人的感官》中的章节知识设计了“智能盲人伴侣设计”项目，要求学生使用Arduino Nano主控板以及红外、超声波等开源硬件完成智能盲人伴侣的设计、搭建和编程，而项目方案的确定、项目器材的选择以及项目产品的调试和完善需要依托实验数据。因此，本节课选用项目式实验教学法，以发现项目问题、实验探究验证、解决项目问题为主线展开，培养学生运用信息技术解决实际问题的能力，具体课堂流程如图1所示。

图1

●项目式实验教学法的实施过程

1.项目目标

①通过网络搜索、分析实验数据获取有效信息，完善智能盲人伴侣的设计。（信息意识）

②通过制订智能盲人伴侣项目方案，学会将大问题划分为多个可解决的小问题，提升问题解决的能力，并迁移至生活中其他问题的解决。（计算思维）

③理解红外避障传感器和超声波传感器的探障原理和探障影响因素，搭建智能盲人伴侣，优化智能盲人伴侣的探障准确性。提升根据实际需求获取有效信息解决实际问题的能力。（数字化学习与创新）

④培养借助科技手段关爱特殊群体的社会责任。（信息社会责任）

2.项目导入

学生观看短片《盲人出行现状》，发现传统导盲拐杖探障不准确，因此，提出借助智能科技手段设计一款盲人拐杖，使其能够在不受环境的干扰下，精准探测到远距离、多方位、面积小的障碍物，从而保障盲人的出行安全。由此，引出项目“智能盲人伴侣”。

3.项目准备

（1）讨论方案。经过交流讨论、上网搜索和测试，学生确定初步方案，即选用超声波传感器作为盲人伴侣的探障传感器，并配合语音传感器提示前方是否有障碍物。针对如何解决“提升盲人伴侣的探障准确性”的现实问题，学生提出以下三点设计猜想：①探测范围更广；②能探测到小物体；③免受环境的干扰。在这个过程中，学生学会将大问题划分为多个可解决的小问题，提升了计算思维。

（2）器材准备。学生根据初步方案搭建智能盲人伴侣，为验证三点设计猜想，自主确定实验方案，并根据实验方案准备需要的实验器材。

（3）验证方案。学生需根据实验方案完成实验探究，得出结论。

①实验一：探究超声波传感器的探障准确性。

急性阑尾炎是临床十分常见的急腹症，其在急腹症中发病率居于首位，主要由阑尾腔堵塞及细菌入侵引起，血象增高、麦氏点压痛反跳痛、转移性右下腹疼痛是诊断急性阑尾炎的金标准，但是部分患者不存在上述典型症状，同时急性胰腺炎、泌尿系结石、胆囊坏疽穿孔等其他急腹症同样存在上述症状，因此有效诊断、鉴别急性阑尾炎具有重要意义[1-2]。本研究分析急性阑尾炎的CT诊断及其应用价值，现报道如下：

实验目的：以红外避障传感器为参照物，探测超声波传感器的最大探测距离和最大探测角度，从而判断超声波传感器能否探测到左右两边障碍物。

提出假设：相比红外避障传感器，超声波传感器探障准确性更高，能探测到左右两边的障碍物。

实验器材：教师自制实验器材。当实验器材探测到障碍物时，器材报警并显示障碍物与器材的距离；当实验器材不能探测到障碍物时，器材不报警并显示默认值2000。

实验方案：学生固定红外、超声波传感器，由近及远移动障碍物，测量传感器能探测的最大距离。以传感器为圆心（障碍物做圆周运动），测量传感器能探测的最大角度。

实验流程：第一步，连接传感器，启动实验器材，开始实验。第二步，记录多次数据，将实验数据汇总。第三步，得出结论。

实验结论：超声波传感器探测距离＞红外避障传感器探测距离，超声波传感器探测角度＞红外避障传感器探测角度，因此选用超声波传感器。但超声波传感器的最大探测角度为40度，超声波传感器无法探测左右两侧的障碍物。

②实验二：探究障碍物大小对盲人伴侣探障准确性的影响。

实验目的：通过实验判断超声波传感器能否探测到小面积障碍物，如果面积较小障碍物都可以被探测到，那么证明盲人伴侣探障的准确性高。

实验器材：教师自制实验器材、大小不同的方块。

实验方案：学生采用控制变量法，选用大小不同的方块；固定超声波传感器，将大小方块放在距离传感器60cm和120cm的位置，判断传感器能否探测到障碍物。

实验流程：第一步，连接传感器，启动实验器材，开始实验。第二步，记录多次数据，将实验数据汇总。第三步，得出结论。

实验结论：当障碍物面积小时，探障数据值为2000，因此，超声波传感器无法探测到面积较小的障碍物。

③实验三：探究环境因素对盲人伴侣探障准确性的影响。

实验目的：探究雨水、振动、光线、风量四个环境因素对超声波传感器探障的影响。

提出假设：雨水、振动、光线、风量四个环境因素对超声波传感器探障没有影响。

实验器材：教师自制实验器材、滴管、吹风机、灯光环境。

实验方案：雨水小组使用滴管在超声波传感器上滴加少量液体来实现水滴的附着。振动小组用手轻晃超声波传感器来模拟环境颠簸。光线小组通过控制开关灯来实现白天黑夜的切换。风量小组使用吹风机来控制风量。

实验流程：第一步，连接传感器，启动实验器材，分组实验。第二步，记录多次数据，将实验数据汇总。第三步，得出结论。

实验结论：光线、风量、振动对超声波探障没有影响。只有当雨水附着时，雨水被超声波传感器视为障碍物，探障距离读数与障碍物实际距离不相等，因此雨水环境因素对超声波传感器探障有影响。

4.项目优化

根据实验结果，得出结论为：①超声波传感器只能探测到盲人伴侣前方的障碍物，无法探测到盲人伴侣左右两侧的障碍物。②超声波传感器无法探测到面积较小的障碍物。③超声波传感器探障能力会受到雨水环境因素的影响。

针对以上三点结论，学生对盲人伴侣项目方案进一步优化，提出改进策略：①为了使盲人伴侣能探测到左右两方的障碍物，可以在盲人伴侣左右两侧各安装一个超声波传感器，当超声波传感器探测到前方障碍物时，语音提示“您的前方有障碍物”，当超声波传感器探测到右方障碍物时，语音提示“您的右方有障碍物”，当超声波传感器探测到左方障碍物时，语音提示“您的左方有障碍物”。②为了提示盲人前方有小障碍物，如行走时可能会遇到的瓶盖、弹珠等障碍物，可以在盲人伴侣的前方再加装一个超声波传感器。③为了避免盲人伴侣受到雨水的影响，可以为盲人伴侣上方制作遮挡板（如图2）。

图2

5.项目拓展

鼓励学生用人工智能技术手段，如图像识别、导航等技术，进一步优化智能盲人伴侣，从而启发学生的创新思维，拓展项目的技术深度。

●结语

①从课堂教学实践来看，在项目式实验教学中，学生积极思考提出创新性的解决方案，锻炼了创新精神和解决实际问题的能力。②在项目式实验教学中，学生需要与团队成员密切合作，分工扮演领导、设计、研发、实施等不同角色，共同完成项目的各个阶段，培养了团队协作精神。③项目式实验教学还可以帮助学生更好地理解和应用所学知识。学生在完成项目时，将需要解决的项目问题拆解转化为学科问题，借助学科知识解决项目问题。学生通过实践性的学习和探究，能够更加深入地理解所学知识的本质和应用，加深对知识的记忆和理解。

因此，在信息科技课程的教学中，采用项目式实验教学法开展教学，可以激发学生的学习兴趣和创造力，提升学生的创新精神和实践能力，有效地培养学生的核心素养，促进学生的全面发展。