基于无人机环境下的高中信息技术项目化学习教学实践

陈观水

摘 要：在高中信息技术教学中，《算法与程序设计》主要涉及python语言的学习。Python具有较强的可读性、简洁性以及可拓展性，是比较适合高中生学习的一种编程语言。但是由于大部分学生是第一次接触编程，缺乏编程基础和思想，因此传统的教学方法很难达到预想的效果，也比较难以培养学生核心素养。所以，笔者对教材进行了重构，加入了实物无人机，增强课堂的趣味性和可操作性。并且通过项目化学习的方式，让学生在完成项目的过程中，学习知识，促进学生解决问题能力的提升。这样能够较好地提升教学的有效性，并达成核心素养培养目标。文中介绍了如何基于无人机来重构教学，希望能够带给大家一点启迪。

关键词：项目化学习；信息技术；无人机

2017年颁布的《普通高中信息技术课程标准》强调高中信息技术教学要在问题解决过程中提升学生的信息素养，激发学生开放、合作、协商的行动意识[1]。在这种背景下，项目化学习成为此次新课程改革中大家所推崇的一种新的教学模式，随着课改的不断推进，项目化学习也在实践中用得越来越多。它是将学生核心素养的培养作为信息素养的培养目标，强调学生在信息社会中的学习能力。

“算法与程序设计”是高中信息技术必修模块一《数据与计算》中的重要组成部分。在课程标准中这部分的目标是：1.能够从生活问题出发，描述算法的概念和特征，使用合适的方式和结构表示算法；2.能够掌握一门基础程序设计语言，并能够实现简单算法。通过解决实际问题，体验程序设计的基本流程，感受算法的效率，掌握程序调试与运行的方法。

python语言具有易懂性、开放性与操作性等特征，其语法相对于其他语言比较简洁和简单。学生更容易接受和学习。因此在大部分教材中，算法与程序设计内容使用的都是python语言。本地区使用的是人教地图版的高中信息技术教材。在算法与程序板块中，该教材设计的是“编程控灯利出行”的项目。但由于编程语言本身的抽象性，学生在这个项目中很难持续，虽然能够理解python语言，但是很难利用所学知识，系统、有效地解决问题。

基于此，对“算法与程序设计”板块内容进行了重构。结合科创硬件资源，将无人机引入课程中。设计的项目不是写python语句画红、绿、黄的灯，而是通过编写程序控制无人机，并且完成一个一个的任务。该项目具有操作性、现实性。将枯燥的编程教学变得更有趣。学生在一次一次的飞行中学习到相关编程的知识。下面就针对此章节设计做具体的说明。

一、项目相关介绍

（一）项目背景

我国的火星探测车“祝融号”于2020 年7月23日由长征五号遥四运载火箭发射升空，于2021年5月15日成功着陆火星乌托邦平原（Utopia Planitia）南部，开启了我国火星的科学探测任务。这是我国在太空探索上的又一个跨越式的进步[2]。同时，为了提高探索效率，我国的火星无人机也在抓紧研制中。这里要提及，美国的火星无人机——机制号已经在火星上执行探测任务了。无人机也能够飞行在火星的上空。相对于手动操控无人机的延迟问题，通过程序控制火星上的无人机更具可行性。下面就要来学习如何通过编写程序控制无人机的飞行，完成相应的任务。

（二）项目目标

火星探测是利用先进的信息技术手段，通过控制无人机对火星进行探索，为人类探索宇宙提供了重要的参考和启示。无人机作为比较便利的探索方式和手段，是火星探测的重要工具。本章通过“无人机火星探测”项目，探讨如何利用无人机执行各项飞行任务，完成探索火星控制策略和编程实现方式。

1.围绕无人机火星探测项目的问题，进行需求分析和功能分解，设计问题解决和实施方案。

2.掌握Python语言基本知识与编程方法，能编写程序实现简单问题的求解。

3.通过解决项目问题，掌握用计算机解决问题的基本方法，并能迁移解决其他问题。

（三）项目准备

1.寻找2名同伴，3人一组，在项目实施过程中通过小组合作、互帮互助的方式完成任务。

2.搭建“无人机火星探测”项目实施的python语言环境。

3.硬件准备：两个小组共用一台无人机和无线网卡（无计算机教室电脑自带无线网卡可以不单独准备）。

（四）项目设计

在“无人机火星探索”的项目下，划分若干子项目，具体如下：

（一）子项目一：无人机的控制飞行

1.学习目标

（1）认识python编程环境。

（2）会无人机和控制电脑的无线连接。

（3）体验简单的python程序控制无人机飞行。

2.项目说明

当无人机在火星上的时候，就只能通过电磁波信号给无人机发送相关指令来执行任务。那么无人机如何和控制电脑建立连接？如何编写程序发送给无人机呢？

3.课时安排

1个课时。

（二）子项目二：无人机安全起飞

1.学习目标

（1）经历用计算机解决问题的基本过程，并能应用于实际问题的解决。

（2）体验编程解决问题的基本方法，激发学生对学习算法与程序的兴趣，发展计算思维。

（3）掌握Python语言的基本知识，体验通过编程解决问题的基本过程，感受计算机编程的魅力。

（4）运用顺序、选择三种结构编写程序，提高利用计算机解决问题的能力。

2.项目说明

火星上的環境相较于地球环境比较复杂，如它的气温变化在35℃—-135℃之间。但无人机只适合在35℃—-30℃之间飞行。所以，要让无人机根据获取的火星温度进行判断是否可以起飞。除了气温条件，为了保证无人机的安全飞行，还要考虑哪些因素？

3.课时安排

3个课时。

（三）子项目三：无人机观察周边地形

1.学习目标

（1）掌握python语言的基本知识，体验通过编程解决问题的基本过程。

（2）运用循环结构编写程序，提高利用计算机解决问题的能力。

2.项目说明

在前面的学习中，已经能够利用程序设计，控制无人机安全起飞和降落。要让无人机完成在火星上的第一个任务——观察四周地形，了解周边的环境。

3.课时安排

1个课时。

（四）子项目四：无人机破解密码

1.学习目标

（1）理解枚举算法，编程实现简单问题求解。

（2）认识问题解决中不同算法的效率，完成项目程序的调试与运行。

2.项目说明

为了测试无人机的主机运行正常，控制台给无人机起飞设置了3位数的整数起飞密令，无人机须破解密码后方可起飞。

3.课时安排

1个课时。

（五）子项目五：无人机飞越峡谷

1.学习目标

（1）理解解析算法，编程实现简单问题求解。

（2）认识问题解决中不同算法的效率，完成项目程序的调试与运行。

2.项目说明

现在无人机需要飞越米拉斯峡谷，到峡谷的对面进行探测。无人机电池每10米消耗2%电量。如何能够保证无人机安全返回。

3.课时安排

1个课时。

二、具体课例

课例以该项目中的子项目三——“无人机观察周边地形”为例进行设计

（一）主题

单元主題：语句与程序结构

单元课时：1个课时。

项目名称：观察周边地形

项目课时：1个课时。

（二）教前分析

1.课标及学业要求：

（1）掌握python语言的基本知识，体验通过编程解决问题的基本过程。

（2）运用循环结构编写程序，提高利用计算机解决问题的能力。

2.教材分析

本课教学内容选自人教版高中信息技术必修一——《程序设计基本知识》，“FOR循环语句”是《程序设计基本知识》中第4课时中的内容，是算法的三种基本结构中较难的一种，循环语句中的“FOR语句”是循环运算的专家，其作用是使一段程序反复执行，简单地说，它能使计算机以非常快的速度进行重复的计算。FOR语句的教学内容包括FOR语句的格式、执行过程及语句的应用。FOR循环语句学习的好坏程度，将影响到学生对学习程序设计的兴趣[3]。让学生学会应用FOR循环语句解决简单的问题，使学生对算法有一个更深入的理解，为了让学生学习运用程序设计解决实际问题，来提升学生的独立思考、分析问题、探究问题、解决问题的能力，让学生在按照一定的流程解决问题的过程中去体会和理解程序的设计思想。

3.学情分析

（1）从学生的认知水平来看，学生的逻辑思维能力在逐步趋于成熟，可以有条理地用语言表达一个过程或规则，为进一步培养学生的计算思维，创造了有利的条件。

（2）学生通过前面章节的学习，可以自然地理解用流程图表示算法的方法，但对用编程语言来进行程序设计还有很大的困难，因此在课前教师准备了充足的学习资料帮助学生学习。

（3）学生初步尝试了利用程序解决问题的过程，在学习的过程中，体会到了程序设计的乐趣。通过分层任务的方式，让每位同学都能够体验编程解决问题的一般过程，学生期待着能够用计算机编程解决更多问题。

（三）项目简述

1.项目背景

这是大主题项目“无人机火星探索”中的一个子项目“观察周边地形”。人类的无人机已经到达了火星，开始了火星探测之旅。在前面的学习中，已经能够利用程序设计，控制无人机安全起飞和降落。要让无人机完成在火星上的第一个任务，观察四周地形，了解周边的环境。

2.项目驱动问题

如何通过程序控制无人机360°无死角地观察它所处的四周环境情况？

3.预设项目成果

利用python语言，编写程序让无人机起飞后能够完成观察四周地形的任务。

（四）教学及素养目标设计

1.教学目标

（1）理解FOR语句的作用。

（2）掌握FORfor语句的基本格式、执行过程及特点。

（3）理解应用FOR语句解决实际问题的要素；初步学会用FOR语句解决简单的实际问题的方法。

2.教学重点

理解应用FOR语句解决实际问题的要素；初步学会用FOR语句解决简单的实际问题的方法。

3.教学难点

熟悉FOR循环语句的基本格式及执行过程，加强for语句的综合利用以解决实际问题，并可以编写简单程序。

4.教学策略

项目主线：无人机在火星上完成观察周边地形的任务。

知识主线：FOR和whlie循环语句的学习和应用。

5.教学资源（环境）

无人机、计算机教室、无线网卡。

6.教学过程

（1）入项活动

①教师活动

讲解：在前面的学习中完成了无人机在火星上的安全起飞任务，这一次的项目是对无人机所处的四周进行观察，那么在前一节课的基础上，如何实现通过编写程序来完成观察周边地形的任务，需要做什么呢？

活动1：如何通过编写代码完成观察四周的任务？

活动2：能不能用更简便的语句来完成此项任务？学习FOR和while语法。

活动3：如何提高自由度，通过之前学习的input函数，输入每次旋转的度数。

②学生活动

思考和回答问题。

③设计意图

在之前学习的基础上，让学生在熟悉的情境中，回顾前面的知识点，进一步激发对即将学习的知识点的兴趣，也就是把前面学习的知识点与即将学习的知识点连接起来。

④评价方式

完成评价量表，写出大致的思路。

（2）项目探究

①教师活动

活动1：如何通过编写代码完成观察四周的任务？

活动2：能不能用更简便的语句来完成此项任务？学习FOR和while语法。

活动3：如何提高自由度，通过之前学习的input函数，输入每次旋转的度数。

②学生活动

活动1：完成任务1。

活动2：通过教师提供的学习资料和网络资料，学习FOR和while的循环结构的语法，并完成相应任务。

任务3：开拓思维，灵活应用之前所學知识，通过程序代码的优化，提升任务完成的质量。

③设计意图

通过分层任务，让学生体验编程解决问题的一般过程，培养学生的计算思维能力。通过自主学习和小组合作学习，培养学生的数字化学习能力。通过分层任务，让同学们感受程序的魅力。

④评价方式

完成评价量表，通过个人自评、组内互评的方式进行过程性评价。促进学生的学习。

（3）项目展示与评价

①教师活动

活动：小组展示

评价：1.是否结合之前所学知识？2.是否能够安全起飞，并且完成观察周边地形的任务？3.程序结构是否完整，逻辑是否清晰，设计是否合理？

②学生活动

活动：连接大疆tt无人机，展示代码，运行程序。

评价：其他小组成员对展示小组的代码进行点评，指出优点或者缺点。

③设计意图

通过展示和对比不同小组的任务完成情况，让同学们能够看到自己的不足，学习到别人的优点。让做得好的学生分享他们的做法和经验[4]，大家共同进步。

④评价方式

通过展示和汇报完成成果性评价。

结束语

通过在python语言的学习中引入无人机实物，让学习变得更真实而有趣，能够极大地提高学生学习积极性和主动性。学生在自主探究的过程中掌握和学习到了相关知识，提升自我的学习能力、协作能力、问题解决能力等。以“火星探索”为背景设计项目，学生不仅学习到了编程的知识，也了解到了“火星探索”的相关资讯，让学习更有目标性和价值性，也能够在学生的心里埋下科技的种子，种下为祖国科技发展而学习的目标。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中信息技术课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]夏学梅.项目化学习设计：学习素养视角下的国际与本土实践[M].北京：教育科学出版社，2018.

[3]博斯 ， 拉尔默 .项目式教学：为学生创造沉浸式学习体验[M].北京：中国人民大学出版社，2020.

[4]杨向东，崔允漷.课堂评价：促进学生的学习和发展[M].上海：华东师范大学出版社，2012.

本文系2021年贵州省教育科学规划课题重点课题“基于深度学习的高中信息技术学科项目化学习实践与研究”（课题编号：2021A076）的研究成果。