汪玥輝 熊珺潔 上海大學附屬中學

一、項目背景

2017 年《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》頒布。綜合實踐活動是從學生真實生活和發(fā)展需要出發(fā)，通過探究、制作等方式，培養(yǎng)學生綜合素質的跨學科實踐性課程。義務教育階段要求綜合實踐活動課時占比6%～8%。而綱要中對教師的跨學科知識整合能力、活動設計和實施能力、資源開發(fā)和利用能力也提出了師訓、教研方面的要求。

當然也有專家認為當前我國基礎教育較長時間內仍將以學科教學為主，開展跨學科教學仍處于探索階段，不管是對于教師個人能力和素質的要求，還是班級人數等客觀事實，都表明當前的跨學科課程可以在學科教學中滲透，慢起步、緩前行，為教師成長和能力培養(yǎng)提供一定的緩沖期。

上海市寶山區(qū)教育學院師訓辦于2021 年啟動建設“寶山區(qū)教師跨學科能力培育項目”，旨在陶行知教育思想引領下，以項目聚集、招募教師，通過項目實作拓展教師跨學科視野，熟悉并分享跨學科項目建設與實施路徑、運作策略等，從而激發(fā)教師職業(yè)追求與認同感、體驗職業(yè)幸福與成就感，進而滿足中小學課程改革與中高考改革等帶來的跨學科課程建設的需求，破解跨學科師資缺失與培養(yǎng)困難的現(xiàn)實問題。

二、教師跨學科研修

“基于自然物的創(chuàng)意物化”項目是寶山區(qū)教師跨學科能力培育項目中的試點項目之一，由原寶山區(qū)觸碰自然工作室和機電工程工作室兩位領銜人聯(lián)合開發(fā)。一方面工程技術可以作為觀察自然、記錄自然、改造自然的手段，另一方面通過各類自然物的創(chuàng)意物化情境也可以了解許多有趣的新技術。作為參與培訓的高中教師，在自己經歷觀察思考、創(chuàng)新設計、動手制作以后，我們從學生的視角積極開展體驗式跨學科教師研修。

跨學科課程的開發(fā)需要教師逐步培養(yǎng)跨學科的思維，而活動化策略無論是在教師研修還是在學生學習中均起著重要的作用。針對跨學科項目活動，項目組確立了教師技術能力的培養(yǎng)、活動流程的設計以及從學科邏輯到生活邏輯的問題情境的創(chuàng)設三個培訓的具體目標。一方面包括外在的動手實踐的感性活動，同時也關注內在的思維心理的理性活動，達到跨學科能力培養(yǎng)的研修目的。正如陶行知先生所言：“單單勞力，單單勞心，都不算是真正之做，真正之做是在勞力上勞心”。

目前我們已參與的教師研修項目如下：

項目1 創(chuàng)意花盆的制作：主要面向加工技術應用，內容包含手工電動工具的操作使用、計算機輔助設計與制造。通過動手設計和制作花盆，結合植物生長規(guī)律，關注花盆的結構與功能，并實現(xiàn)從手動工具到激光切割機體驗加工技術的演變。

項目2 植物養(yǎng)護系統(tǒng)：主要面向數據測量與分析，內容包含不同濃度營養(yǎng)液對比實驗、傳感器土壤濕度對比。通過對植物生長環(huán)境的測量，探尋影響植物健康相關數據的測量與記錄，探尋復雜自然物系統(tǒng)中的規(guī)律。

項目3 石頭的前世與今生：主要面向場館資源利用，內容包含實地參觀了解礦晶的形成、微觀觀察感受自然之美、礦物識別卡與珊瑚石手工制作等。從地質科學到人文歷史，從微觀世界到宏觀宇宙，多角度感受石文化的魅力。

三、教學案例設計

在體驗了教師研修項目之后，學員需要結合自己學科或學校工作開展跨學科項目資源的開發(fā)實踐，具體實施形式可以結合實際多樣化設計。作為高中信息技術學科教師，我們從信息技術新課程標準中挑選了選擇性必修中的開源硬件、三維設計、人工智能等內容進行了跨學科活動案例的設計，具體實施則結合學科選修課程和綜合實踐活動等形式加以展開。

（一）教師項目活動案例：基于開源硬件的智能花盆設計（傳感器數據采集問題）

植物養(yǎng)護是學生與自然物接觸中最多的一類場景。通過各學科的學習，學生已基本了解土壤、水分、養(yǎng)料對植物生長的影響?！爸悄芑ㄅ琛表椖客ㄟ^開源硬件和傳感器模塊，對選取的土壤濕度這一個指標進行檢測與分析。

“智能花盆”項目主要用于開源硬件入門，包含四個項目活動步驟。步驟一是對資料進行檢索和查新，構思并設計一個創(chuàng)意花盆的信息系統(tǒng)。步驟二利用三維建模等加工手段，優(yōu)化設計并3D 打印花盆的主體結構。以上兩個步驟關注信息意識和數字化學習與創(chuàng)新。步驟三是使用開源硬件為花盆增加智能效果，通過電路連接和圖形化編程完成小型信息系統(tǒng)的搭建。通過萬用表測量模擬信號和數字信號，進而通過串口通訊讀取連續(xù)的傳感器數據，連續(xù)讀取的數據可通過數據可視化等方式加以分析。步驟四為項目作品的交流與展示，模擬產品發(fā)布會，完成產品口號和廣告牌等的設計。以上兩個步驟關注計算思維和信息社會責任。

（二）教師項目活動案例：基于人工智能的鳶尾花分類（神經網絡分類問題）

植物物種識別是自然物認知中普遍的問題，學生在日常生活中也能看到“識花君”等類似應用?！傍S尾花分類”項目通過4 個數值（花瓣長、花瓣寬、花萼長、花萼寬）來識別鳶尾花屬于3 個分類（山鳶尾、變色鳶尾、維吉尼亞鳶尾）中的哪一個。項目活動中使用到了人工神經網絡技術，也可涵蓋KNN 算法、決策樹算法等傳統(tǒng)機器學習解決該問題算法的普及介紹。這樣的設計優(yōu)化了教學材料，按照近鄰原則呈現(xiàn)的教學材料，能減少學生的注意力分散，降低學生的外在認知負荷。

“鳶尾花分類”項目主要用于人工智能入門，包含四個課時。第一課時重在體驗人工智能應用，講授人工智能模型的數學本質，關注信息核心素養(yǎng)中的信息社會責任、信息意識和計算思維。第二課時，學生自己閱讀資料，學習人工神經網絡的結構與歷史，在教師的指導下為經典的“鳶尾花分類”項目探索神經網絡模型解決方案，關注信息核心素養(yǎng)中的信息社會責任和計算思維。第三課時，學生通過閱讀和修改代碼探索鳶尾花的數據，理解不同數值（花瓣長、花瓣寬、花萼長、花萼寬）對應不同類別的花朵，通過數據可視化方法知道少數幾朵花的數值雖然差不多，但是卻屬于不同的類別，而這樣的花朵會降低分類的準確率。本課時關注信息核心素養(yǎng)中的數字化學習與創(chuàng)新和計算思維。第四課時，學生通過閱讀和修改代碼創(chuàng)建和修改神經網絡模型，重點理解模型訓練的參數epoch（訓練次數）。閱讀模型訓練結果則需要重點理解acc 和val_acc 的含義，學會根據這兩個數值評判模型的優(yōu)劣。本課時主要關注信息核心素養(yǎng)中的信息意識、數字化學習與創(chuàng)新和計算思維。

作為入門級的跨學科項目活動體驗課程，以上教學內容主要在選修和綜合實踐活動中加以展開，對于前置的信息系統(tǒng)、圖像處理等內容則可在必修課程中的單元設計中加以滲透。值得欣慰的是，在跨學科項目的實施過程中，我們也陸續(xù)收到學生對課程的正面反饋，更有一部分學生結合高中研究性學習任務將所學知識加以實踐應用，開展自主研究項目的設計。我們在課程中也遴選出了其中優(yōu)秀的項目，供學生在格式模板和技術路線上作為其今后研學項目的參考。

（三）學生研究性學習案例：基于3D 打印的仿生彈跳結構

學生視角：前期通過“智能花盆”項目活動學習到了開源硬件、三維建模等內容，在校冬令營期間開展了為期三天的仿生彈跳機器人沉浸式綜合實踐活動。活動主題源自上海市機械工程創(chuàng)新實踐工作站項目課程，綜合運用物理、通用技術、信息技術等學科知識開展彈跳機器人的仿生分析、三維建模和機械改造。

作品摘要：人類對機器人的結構設計和改進中，彈跳結構作為其中最具挑戰(zhàn)的內容之一，已有許多成熟的設計方案。本項目以制作一個“一蹦三尺高”的彈跳機器人為目標，經歷了彈跳的方式及原理查新、彈跳結構的選擇以及控制機器人彈跳高度的因素。探究項目模型采用了彈簧儲能的彈跳原理，對已有兒童玩具進行了拆解和組裝。具體研究過程涉及彈簧儲能的參數測量、理論高度計算、3D 打印輕量化設計等，最終通過減少裝置、選擇彈射角度使得原有裝置彈跳高度提升至86 cm，并仍有上升改進的空間。彈跳機器人既可以作為趣味玩具，也可以在搜救排險等特殊場合發(fā)揮重要作用，未來項目組將進一步優(yōu)化裝置提升彈跳高度，也進一步關注落地的穩(wěn)定性的設計。

（四）學生研究性學習案例：基于人工智能的藥品用量識別系統(tǒng)

學生視角：前期基于“鳶尾花分類”項目活動學習到了人工智能神經網絡相關知識，在自主研學任務中關注了老年人用藥不便的社會問題，利用圖像識別的思維從技術角度設計了相關應用解決相應問題。項目源自學生自己身邊的問題發(fā)現(xiàn)，綜合運用了圖像識別、語義分析、合成語音等信息技術知識。

作品摘要：藥盒和藥瓶上的文字通常比較小，老年人由于視力不佳給服藥帶來不便。針對該問題，目前老人主要是通過強制記憶或者借助放大鏡來識別，也有通過家人或社區(qū)工作人員幫助來實現(xiàn)每天的服藥，存在不便捷、自主性差的缺點，也缺少有效的藥品劑量識別和提醒辦法。本項目創(chuàng)建了基于人工智能的藥品用量識別系統(tǒng)，系統(tǒng)使用了百度AI 的圖片文字識別和文字轉化為語音的功能，通過識別短視頻中的多張圖片提高識別的準確率。老人使用手機拍攝藥瓶或者藥品包裝盒，將拍攝的視頻上傳本系統(tǒng)，系統(tǒng)識別出多張圖片中的文字，根據關鍵字從中查找劑量信息，若多張圖片的劑量識別結果一致，則將獲得的劑量信息文字轉化為音頻，進行語音播報。系統(tǒng)能將自行拍攝的視頻識別后的結果轉化為語音播報，極大地方便了老人服藥時查看藥品文字的需求。

四、討論與反思

信息技術新課標的核心素養(yǎng)關注了四個層面：信息意識、計算思維、數字化學習與創(chuàng)新、信息社會責任。具體課程模塊設計如表1所示：

表1

以人工智能、三維設計、開源硬件為活動載體，結合自然物為主題的跨學科探究融入了生命觀念、科學探究、圖樣表達、物化能力等多個學科的核心素養(yǎng)要求，在解決基于真實場景下問題的過程中關注系統(tǒng)與模型、變化與恒定、結構與功能等跨學科的思維方式。

通過我們的跨學科課程實踐，基于信息技術學科在信息意識、計算思維上的核心素養(yǎng)具體要求，學生在教師引導下可以充分理解項目的跨學科情境，但在算法設計、編程代碼等具體實操上還有門檻要跨越。因此，對今后信息技術的跨學科項目活動實施我們也提出了如下的建議：

1.信息技術相關跨學科課程知識面的選擇不能太廣。教學應以點帶面，有更多需求的學生可舉一反三。如開源硬件涉及開源協(xié)議、物理電路、圖形化編程、通訊協(xié)議等多個內容，案例中僅關注傳感器如何讀取土壤濕度這一個場景。又如人工神經網絡這一個技術就涉及神經網絡的結構、激活函數、優(yōu)化器、全連接層、卷積層、池化層等知識點，建議讓學生學會使用全連接層設計出簡單的多層神經網絡即可。

2.學習活動所涉及的知識難度不能太深，代碼量需做減法且可讀性較高。以數據預處理為例，代碼中使用的子函數將其當做黑盒即可，因為數據預處理的代碼量很大，涉及數據的各種結構，而數據結構則是大學階段才會學習的內容，學生只需要掌握基本的數據類型即可。

3.為了降低學生的認知負荷，要按照鄰近原則選擇和呈現(xiàn)多個項目。項目活動的螺旋上升可提高學生感知、理解和掌握信息技術核心知識和技術的能力。例如在人工智能活動中通過經歷難度由淺入深的兩個人圖像識別項目活動后，完整理解和感知人工智能的模型設計的學生數量會有大幅提高。

4.項目活動類課程的授課頻率不宜過低，結合綜合實踐活動的沉浸式學習效果更佳。例如開源硬件項目受限于每周一次的授課頻率，在器材準備、舊知回顧、作品保管等方面一定程度降低了課堂的效率，在課后的調研中不少同學都認同一周兩次課的授課頻率。相對而言結合冬令營、夏令營等的沉浸式綜合實踐活動能帶給學生更完整的項目體驗，還可結合科技周、嘉年華等進行全校性的成果展示，提升校園研究性學習的氛圍。

隨著寶山區(qū)跨學科教師研修項目的深入，教師在培訓中體驗學習者與引導者的雙重角色，不斷實踐學科專業(yè)素養(yǎng)疊加跨學科思維的活動設計?？缬械?，學有法，研修項目在誕生諸多跨學科項目活動的同時，也助力教師跨學科能力提升，德業(yè)兼修、知行合一。