建立自然世界与数字世界的联系

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）提出，教师在教学中，要培养学生核心素养，促进学生数字素养与技能的提升，创新教学方式，以真实问题或项目驱动，引导学生经历原理运用过程、计算思维过程和数字化工具应用过程，帮助学生建构知识，提升问题解决能力。基于此，在初中信息科技课程“物联网实践与探索”内容的教学中，笔者进行了项目化尝试，设计从“真实世界→数字世界→真实世界”的探究过程，引导学生理解学科概念，认识物联网是自然世界与数字世界之间的桥梁，让学生通过收集和分析数据，建立自然世界与数字世界的联系。

一、创设真实情境，明确自然世界对数字世界的需求

数字世界的收集、存储和处理等功能能够帮助社会优化资源分配和管理，预测未来的变化趋势。在信息科技课程教学中，教师可以将知识与现实情境相结合，让学生认识到连接自然世界和数字世界的现实意义和应用价值，这有助于学生更好地适应未来社会的发展。

例如，笔者根据真实情境“某城市潮汐车道启用条件”作为项目背景，确定项目主题“设计智能导流机器人”，让学生设计出导流机器人，实现合适时机开通潮汐车道功能，辅助交通警察完成任务，目标指向物联网在生活中的创新和应用，根据现实情境建立自然世界与数字世界的联系，发挥数字世界的价值。根据学生实际，笔者设计了如下问题引导学生思考：

（1）如何让机器人自动采集车流量信息，并转变成数字信息？

（2）如何设计程序流程，自动处理数字信息？

（3）如何将数字信息反馈到自然世界，控制导流机器人下达指令？

【设计意图】笔者通过真实情境，提炼现实问题，引导学生观察生活，尝试思考如何把数字技术运用到生活中去，明确自然世界对数字世界的需求具有多样性、创新性和持续性等特点。选择的情境一方面契合学科概念，帮助学生构建信息系统三个阶段的逻辑关系——信息输入、信息处理和信息输出；另一方面，利用学生身边事、身边人，强化了他们对家乡建设、社区贡献的参与感和使命感。

二、探寻科学真理，建立自然世界与数字世界的联系

针对问题（1），笔者同样以问题的形式引导学生探究。首先，笔者提出：“如何采集车流信息？”让学生基于生活常识大胆假设。希望学生能提出“利用红外探测、声音探测、距离探测”等设想，并能对不同类型的传感器所探测到的物理信息进行深入思考，以选择合适的设备。接着，笔者就“物理信息如何向数字信息转换”这一问题，引导学生对温度、声音、图像的数字化处理进行学习，让学生通过网络查阅资料，理解物理传感器的工作原理，逐步理解自然世界与数字世界的转化关系。最后，根据学生调研，笔者再提出：“传感器要检测哪些信息？如何检测？何时检测？”等问题，引导学生利用调研结果，根据传感器的工作原理解决问题。

【设计意图】笔者引导学生在复杂多变的环境中探寻科学真理，理解自然世界与数字世界的转化关系，实现学科概念的迁移和应用。整个过程由问题驱动，让学生在解决问题中不断学习，发展学生独立探究能力，以及解决问题的能力。在探究过程中，学生需要将知识从离散的现实中抽象出来，用科学的方式解决现实问题，实现“具体→抽象→具体”的探究过程，提升分析问题的能力。

三、建构数学模型，将自然信号转化为数字信号

数学建模在信息科技领域扮演着重要角色，在系统设计、算法开发和数据分析等领域中广泛应用。在项目化学习过程中，教师应注重对学生计算思维的培养，指导学生发现问题、抽象概念、建立数学模型，以及合理处理数据。

例如，针对问题（2），笔者首先让学生对项目问题进行梳理，然后引导学生建构数学模型，让学生以流程图的形式呈现实施脉络，并从“程序流程总结构”中分解出“如何探测车流量”和“是否启用潮汐车道”两大主线问题。流程包括两个步骤，一是利用探测器探测信号获得车辆数（图1右），二是根据车流量判断是否启用潮汐车道（图1左）。同时，流程中的难点要加以引导，比如在探测器探测车辆数时，笔者提出问题：“是以单位时间为一个周期（比如60秒），测量这段时间内经过的车辆数，还是计算经过的车辆总和？”以此，让学生根据实际学会用科学的思维去思考问题。学生经过思考，会想到机器人开启潮汐车道是根据程序输出的车辆数来判断的，因此，测量单位时间内经过的车辆数更加合理。

在计算车辆数这一模块处理的过程中，学生根据日常经验，还会发现车辆长时间停留，以及从上一辆出现到下一辆出现的标记处理等问题，因此，这一模块还需进一步细化。在学生逐步求精，系统逐步迭代过程中，程序逐渐被完善。

【设计意图】随着项目的展开，学生不断发现问题并尝试解决问题，经历分解、设计、验证和迭代的学习过程，从而建构出学科认知，形成科学意识。学生通过建构数学模型，深入理解了数字信号是如何服务于现实世界，亲身经历了“算法工程师”解决问题的过程。这个过程不仅提升了学生的综合素养，还促使他们能够运用所学的知识和技能应对未来的复杂挑战。

四、还原现实模型，将数字信号转化为自然信号

以往的信息科技教学，教师通常采用让学生在虚拟场景中运用知识来解决问题，知识迁移性较差。新课标提倡数字化创新，因此，教师应打破固有思维限制，在开展项目化学习过程中应尽可能地向现实生活还原，形成“自然世界→数字世界→自然世界”逻辑关联。

针对问题（3），笔者首先让学生在科创实验室测试导流机器人，在现实应用的过程中，一系列的问题随之产生。例如，导流机器人移动的时间和距离如何设置；导流机器人的能源问题；一条潮汐车道上放置几个导流机器人等。这些问题均须结合现场条件、设备条件等才能发现和解决。随后，笔者带领学生到室外场地进行了模拟，学生又发现如何排除非主要信号的干扰；传感器的灵敏度及使用范围会使检测准确性产生偏差等问题。在反复调整、迭代和创新设计中，学生亲身体验了数字信号如何精确还原现实的复杂性，深刻领悟到科学进步的艰辛历程。

【设计意图】项目源于现实生活，以抽象路径形成策略，最后还要作用于现实世界。学生在真实场景中能理解现实世界的复杂多变性、理论联系实际的重要性，以及产生向新的应用方向拓展和转化的意识，并能感悟到前人历经艰辛创造科学的伟大。教师在教学中，既是知识的传播者，又是学生成长的引导者；既要教授知识，也要让学生理解信息科技对人类社会的贡献，培养他们对科学的敬畏之情。

本案例尝试把物联网相关的学科知识运用到项目化学习中，引导学生设计物联系统，掌握学科知识，形成学科思维，感受万物互联的社会意义，以期达成对自然世界与数字世界的关系的概念理解。在项目化学习体验的过程中，学生逐步学会用数字形式表达信息，了解了其中的科学原理、思维方法。以项目化学习为载体提升信息科技课程的教学实效，教师应进一步实践探索和经验总结，准确把握教育要求，理解课程的科学本质，真正落实新课标育人要求，实现对学生的培养目标。

（作者单位：江苏省常州市实验初级中学）