柳軍才 浙江省金華市金東區(qū)教育體育局教育中心

鄭鋒華 浙江省金華市金東區(qū)實驗小學

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）指出：遴選科學原理和實踐應用并重的課程內(nèi)容，從信息科技實踐應用出發(fā)，注重幫助學生理解基本概念和基本原理，引導學生認識信息科技對人類社會的貢獻與挑戰(zhàn)，提升學生知識遷移能力和學科思維水平，體現(xiàn)“科”與“技”并重。[1]新課標強調(diào)了科學原理和實踐應用的結合，在這一框架下，開展實驗教學就成為邏輯上的必然選擇。實驗教學以科學原理為基礎，指導學生進行實踐應用，從而深化對信息科技的理解和應用能力，是發(fā)展學生信息科技核心素養(yǎng)的重要途徑。本文以“足球追蹤”的實驗項目為例，著重探討如何在信息科技實驗教學中落實計算思維的培養(yǎng)。

● 把“計算思維”融入信息科技實驗設計的價值分析

第一，提升學生實踐能力和動手能力中必需的“規(guī)劃能力”。信息科技是一門實踐性強的課程，在實驗教學中，運用計算思維可以促進學生的實驗規(guī)劃能力，提升學生實踐動手能力，在實驗探索、問題解決、反思遷移的過程，加深對學科知識的理解和運用，提高在生活和學習中應用信息科技的素養(yǎng)。[2]

第二，培養(yǎng)學生問題解決能力中的“抽象與建模能力”。信息科技領域存在各種復雜的問題和挑戰(zhàn)，經(jīng)過收集數(shù)據(jù)、分析結果和提出解決方案等一系列實驗過程，不僅能夠培養(yǎng)學生的邏輯思維和系統(tǒng)思考能力，還能使其學會用抽象與建模的思想來應對復雜問題的能力。

第三，激發(fā)學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)造力，促進“迭代、優(yōu)化”能力。信息科技是一個不斷創(chuàng)新的領域，只有培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力，才能使其跟上科技的快速發(fā)展。實驗教學可以為學生提供自主學習和實踐的機會，激發(fā)學生的創(chuàng)新潛能，培養(yǎng)學生面對復雜問題時的觀察力、創(chuàng)造力以及迭代和優(yōu)化的能力。

第四，信息科技實驗教學能實現(xiàn)課程的育人價值。信息科技實驗教學通過學科實踐和實驗教學，引導學生在使用信息科技解決問題的過程中理解道德規(guī)范和科技倫理，培育學生正確的世界觀、人生觀、價值觀，實現(xiàn)信息科課程技育人價值。

● 計算思維融入信息科技實驗設計的基本框架

信息科技實驗教學一般分成驗證性實驗、探究性實驗、創(chuàng)新應用性實驗和虛擬仿真實驗。本實驗案例選自六年級下冊“過程與控制”綜合應用模塊，結合人工智能硬件的應用，最終完成一個可以實現(xiàn)追蹤足球的機器人作品。按教學目的歸類，本課屬于“過程與控制”的探究性實驗，從作品的呈現(xiàn)來看本課也是一節(jié)人工智能創(chuàng)新應用實驗課。

跨學科學習主題設計：本案例中的足球機器人設計涉及信息科技、數(shù)學、科學、藝術等學科，如信息科技學科中的“過程與控制”，人工智能攝像頭的應用、程序編寫，數(shù)學學科中的坐標、計算、參數(shù)，科學、藝術學科中的機械結構、外形設計等。案例基于跨學科整體設計，進而提高學生的數(shù)字素養(yǎng)與技能。

信息科技不同于常規(guī)科學實驗的一個重要突破點是把計算思維融入實驗的設計與實施，尤其是基于跨學科的整體設計，以問題為導向，通過提出問題、分析問題、解決問題的思維過程來設計實驗教學流程，對問題進行抽象、分解、建模，形成實驗設計方案，在實驗仿真、驗證中解決問題，通過反思優(yōu)化實驗方案，最后評價總結，進行并知識遷移來解決其他問題，突出了計算思維的培養(yǎng)（如圖1）。

● 案例設計（人工智能課程——足球追蹤）

1.教學內(nèi)容分析

本課例是控制系統(tǒng)的綜合性實踐案例，通過足球追蹤的實踐應用，了解計算機用于實現(xiàn)過程與控制，并在實驗系統(tǒng)中通過編程等手段加以驗證。理解在用計算機實現(xiàn)過程與控制時存在的安全問題，了解自主可控系統(tǒng)在解決安全問題時的重要性。

2.教學設計綱要

主題：足球追蹤。

年級：六年級。

課時：三課時。

跨學科：信息科技、數(shù)學、科學、藝術。

教學資源：計算機、主控器、馬達2只、人工智能攝像頭、結構積木件、編程平臺。

3.教學目標

（1）總體教學目標

①在教師的指導下，運用自然語言描述、流程圖繪制，通過程序編寫等活動，掌握足球機器人運動的方法。(計算思維、信息意識)

②通過微課學習人工智能攝像頭使用方法，搭建足球追蹤系統(tǒng)，分析傳感器采集數(shù)值和電機輸出數(shù)值之間的數(shù)據(jù)關系。(信息意識、計算思維、數(shù)字化學習與創(chuàng)新、信息社會責任)

③綜合運用數(shù)學、藝術、科學及信息科技等學科的知識與技能，采用相關硬件設備設計、搭建足球追蹤系統(tǒng)，通過建立一個真實的情境，提升學生合作、探究、交流、數(shù)據(jù)分析與發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。(科學思維、數(shù)據(jù)分析、創(chuàng)意設計、變量分析)

④通過建立足球追蹤系統(tǒng)，實時觀測傳感器采集足球位置坐標的輸入和輸出數(shù)據(jù)，掌握控制機器人運動的方法，提高學生學習相關科學知識的興趣，培養(yǎng)學生的數(shù)字素養(yǎng)，促進學?？苿?chuàng)工作的發(fā)展。(信息意識、技術運用、科學態(tài)度與責任、計算思維)

（2）跨學科學習教學目標

①信息科技：采用人工智能傳感器、主控板和電機等相關硬件設計并搭建足球機器人，可以連續(xù)地根據(jù)足球所在位置的坐標數(shù)值變化，調(diào)整機器人的運行；編寫程序讀取、處理傳感器中的數(shù)據(jù)并與閾值進行比較，作出相關判斷；探索追蹤足球中輸入、計算、輸出三個環(huán)節(jié)之間的關系，能夠利用監(jiān)測的輸出值，反饋到輸入端，與預設的目標值進行比較，再次進行計算輸出。

②數(shù)學：比較足球坐標對應數(shù)值，掌握輸入數(shù)值與輸出數(shù)值之間的關系，確認傳感器采集數(shù)值的可靠性；在數(shù)值比較過程中，能分析與表達數(shù)值所蘊含的信息，形成初步的數(shù)據(jù)意識。運用常見的數(shù)量關系解決問題，初步學會用數(shù)學的眼光觀察，能夠嘗試、探索發(fā)現(xiàn)并提出問題、分析問題與解決問題。

③科學：能基于足球機器人的結構、功能等展開想象，能基于科學學科原理提出具有一定新穎性和合理性的觀點；能進行初步的創(chuàng)意設計，分析科學實驗中的變量控制；能有依據(jù)地質(zhì)疑別人的觀點，嘗試利用所學科學原理，運用多種材料、多種思路、多種方法完成探究和實踐。

④藝術：在搭建出足球機器人功能外形后，激發(fā)學生展開想象，為足球機器人設計個性化外觀。提高學生的視覺審美能力，促進創(chuàng)意思維和技術應用能力。

4.教學重難點

重點：人工智能應用、算法實現(xiàn)、理解“過程與控制”。

難點：解決足球定位數(shù)據(jù)與動力系統(tǒng)關聯(lián)問題。

5.實施過程（如圖2）

圖2 指向計算思維的信息科技實驗教學流程

（1）創(chuàng)設情境，提出問題

信息科技新課標倡導真實性學習，要求以真實問題和項目驅(qū)動，引導學生在解決真實情境問題過程中，積極參與、建構知識、解決問題、提升素養(yǎng)。本實驗教學從真實情境出發(fā)，揭示實驗內(nèi)容。通過足球賽視頻鏈接現(xiàn)實生活，提出問題“如何追蹤足球”，引出實驗課題“足球追蹤”。讓學生對機器人追蹤足球進行自然語言算法描述，用生活經(jīng)驗激活信息意識，對足球追蹤系統(tǒng)的原理提出自己的設想，從而明確實驗任務，完成追蹤系統(tǒng)的需求分析，為接下來的實驗設計、實驗驗證做好準備。

（2）分析問題，制訂實驗計劃

分析問題要重視學生的思維過程，鼓勵學生分享他們的問題解決路徑和策略，以便于他們理解并改進自己的思維方式；同時，鼓勵學生合作交流，在小組內(nèi)合作解決問題，與同伴、教師交流思想，獲得不同的觀點和解決問題的方法。開展小組內(nèi)合作，在組長帶領下制訂項目實施計劃。

①通過小組討論,分解實驗項目。以小組為單位展開問題討論，將機器人追蹤足球的問題，分解成若干個子問題，如車子如何設計？足球如何定位？足球如何追蹤？

②根據(jù)需求分析,明確實驗分工。小組討論交流，制訂項目計劃包含所有需要使用的硬件、器材和相關材料清單；根據(jù)分解的實驗項目并由組長進行協(xié)調(diào)形成合理的分工。教師則根據(jù)分解項目的難度給出合理的修改建議，便于后面小組合作的順利進行和項目順利實施。

③對問題進行簡化,抽象特征，完成建模。在學生完成項目的過程中，始終要讓學生用計算思維來解決問題，如分解問題、簡化要素、抽象特征，并在這個過程中完成對問題解決方案的建模，形成解決問題的思路與方法。

在以上問題分解中，最難的是解決足球定位數(shù)據(jù)與動力系統(tǒng)關聯(lián)問題。學生根據(jù)硬件手冊搭建智能攝像頭，調(diào)用足球識別模塊，可以觀察到足球的坐標數(shù)值變化。教師引導學生進行實驗觀察，形成足球定位數(shù)據(jù)對照分析表（如表1）。

表1 足球定位的實驗數(shù)據(jù)對照分析表

引導學生思考，通過人工智能攝像頭的實時輸入可以獲得足球的坐標數(shù)據(jù)，同時也可以通過控制機器人的移動改變足球坐標值，將問題簡化為：通過機器人左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、前進后退來調(diào)整足球在攝像頭中的位置，進而形成解決問題的模型。

（3）搭建硬件環(huán)境，編寫程序進行項目實驗

①根據(jù)足球追蹤系統(tǒng)的實現(xiàn)要求選擇主控板、傳感器、結構件等進行搭建，教師應關注學生的進度確保學生都在認真合作探究，并根據(jù)課堂上學生遇到的困難及時給予指導與建議。學生要明確本組的構思，小組成員根據(jù)分工展開各自的活動，合作完成作品。

②分析實現(xiàn)足球追蹤系統(tǒng)的功能進行程序編寫。先用自然語言進行描述，再以小組為單位討論程序流程圖算法設計，在流程圖上確定需要用到的程序結構，如循環(huán)結構、分支結構，了解相關程序算法的使用。知道輸入、計算后得到的輸出能夠反饋到控制的過程（如圖3）。

圖3 足球追蹤程序流程

③根據(jù)實驗結果優(yōu)化實驗，分享實驗數(shù)據(jù)。根據(jù)前期實驗，學生獲得了足球位置反饋數(shù)據(jù)與機器人之間的關系。接著引導學生利用機器人電機進行足球位置矯正實驗，并完成技術實驗過程記錄表（如下頁表2）。

表2 “足球追蹤”技術實驗記錄表

實驗交流與改進：學生通過實驗，發(fā)現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速及輪速差對機器人追蹤足球的效果有很大的影響。合理的電機轉(zhuǎn)速和左右輪速差可以達到效果與效率的平衡。小組之間進行匯報，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分享。在討論的過程中，小組之間不斷完善算法，并在作品測試過程中進行程序的調(diào)整與優(yōu)化。

（4）評價總結，知識遷移

以小組為單位完整展現(xiàn)作品進行合作演示，教師可以更清楚地了解學生的學習進展和成就。通過展示鍛煉了學生的語言表達能力和溝通技巧，有助于學生深化知識記憶和理解計算思維，促進學生養(yǎng)成自我評價和相互評價的批判性思維。

知識遷移則要求學生將在一個情境中習得的技能應用到新的、可能完全不同的情境中，這增強了他們的問題解決能力。在本課中，就有同學想到了可以將足球追蹤的算法應用到人臉追蹤中去，制作一些類似智能風扇、智能電暖等產(chǎn)品，體現(xiàn)了創(chuàng)新思維和知識遷移能力。

● 案例效果分析

本教學案例涵蓋了跨學科主題學習、人工智能應用，以及“過程與控制”算法的實現(xiàn)和程序編寫等多個方面。案例以項目化學習為形式，以培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)為目標，從真實情境入手，引導學生體驗問題解決的全過程，并通過實驗報告來展示實驗結果。通過足球追蹤的案例，探索利用數(shù)據(jù)控制輸出的過程，深入理解“過程與控制”這一學科概念，從而培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)分析處理和問題解決能力。

案例采用項目化學習的方式實現(xiàn)了跨學科的融合，建立了知識之間的聯(lián)系，有助于學生形成綜合性的認知結構，也培養(yǎng)了學生的協(xié)作和溝通能力。本案例在提出問題、解決問題、遷移問題的實驗教學過程中，激發(fā)了學生分析數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)意識，提升了他們抽象、分解、建模的計算思維能力，培養(yǎng)了他們驗證、反思、迭代、優(yōu)化、遷移等信息素養(yǎng)。