【摘 要】本文以“傳感器與信息獲取”一課為例，詳細介紹了學(xué)習(xí)支架的具體設(shè)計和在課堂教學(xué)中的應(yīng)用過程，同時在教學(xué)中融入人工智能應(yīng)用（AI編程助手），以豐富教學(xué)內(nèi)容和方法，提高學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)效果。

【關(guān)鍵詞】高中信息技術(shù)；項目化教學(xué)；學(xué)習(xí)支架；傳感器；人工智能

【中圖分類號】G434 【文獻標(biāo)志碼】B

【論文編號】1671-7384（2024）09-063-02

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》倡導(dǎo)基于項目的學(xué)習(xí)方式，將知識建構(gòu)、技能培養(yǎng)與思維發(fā)展融入運用數(shù)字化工具解決問題和完成任務(wù)的過程之中[1]。項目式學(xué)習(xí)是一種以學(xué)生為中心、以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法，它將傳統(tǒng)的教師知識傳授轉(zhuǎn)變?yōu)橐皂椖繛閷?dǎo)向的學(xué)生探究式學(xué)習(xí)。在項目式學(xué)習(xí)的實施過程中，如何有效地設(shè)計學(xué)習(xí)支架，以支持學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和協(xié)作探究，成為了一個亟待解決的問題。

學(xué)習(xí)支架在項目式學(xué)習(xí)中的作用和設(shè)計原則

1976年，美國心理學(xué)家伍德提出了學(xué)習(xí)支架的定義：在學(xué)習(xí)者需要解決問題時，為他們提供所需的資料和解決問題的工具，幫助學(xué)習(xí)者完成任務(wù)并提升能力達到目標(biāo)。研究表明，學(xué)習(xí)支架訓(xùn)練不僅可以促進學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力，也是減輕認知負荷，促進學(xué)生認知發(fā)展的有效途徑[2]。因此，教師提供有效的學(xué)習(xí)支架是保障信息技術(shù)學(xué)科項目式學(xué)習(xí)成效的重要手段和工具。筆者通過長期的教學(xué)實踐體會到，在設(shè)計學(xué)習(xí)支架時應(yīng)遵循但不局限于以下幾個原則。

1.針對性原則

在設(shè)計學(xué)習(xí)支架時，首先需要對項目任務(wù)進行深入分析，了解其核心目標(biāo)和關(guān)鍵要素。例如，在“傳感器與信息獲取”項目式學(xué)習(xí)中，如果目標(biāo)是讓學(xué)生理解并應(yīng)用傳感器進行數(shù)據(jù)收集，學(xué)習(xí)支架應(yīng)提供關(guān)于傳感器工作原理的基礎(chǔ)知識，以及如何將傳感器集成到系統(tǒng)中的相關(guān)知識。

2.引導(dǎo)性原則

學(xué)習(xí)支架設(shè)計應(yīng)能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心和探究欲。例如，在編程環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)支架可以設(shè)計一系列由淺入深的編程任務(wù)，每個任務(wù)都包含引導(dǎo)性問題，鼓勵學(xué)生思考如何使用代碼來控制傳感器。同時，提供即時反饋機制，如在線代碼測試工具，讓學(xué)生能夠快速看到自己編碼的效果，從而增強學(xué)習(xí)動機。

3.多樣性原則

學(xué)習(xí)支架的形式和內(nèi)容應(yīng)具有多樣性，以適應(yīng)不同學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格和需求。在項目的不同階段，如需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、編程實現(xiàn)等環(huán)節(jié)提供思維導(dǎo)圖工具、流程圖軟件、代碼編輯器插件等不同形式的學(xué)習(xí)支架，以支持學(xué)生的多樣化學(xué)習(xí)路徑。

4.適時性原則

學(xué)習(xí)支架的提供應(yīng)恰到好處，既不過早也不滯后。例如，在學(xué)生開始進行硬件測試之前，教師可以提供一份詳細的硬件測試指南，包括常見問題和解決方案；在學(xué)生遇到具體問題時，教師可以提供一對一的指導(dǎo)或指向相關(guān)的學(xué)習(xí)資源，幫助學(xué)生克服困難。

學(xué)習(xí)支架在教學(xué)中的具體設(shè)計及其在教學(xué)中的應(yīng)用

本文的“傳感器與信息獲取”一課，選自2019年人民教育出版社和中國地圖出版社聯(lián)合出版的信息技術(shù)教材必修二。本課的教學(xué)設(shè)計采用基于項目化學(xué)習(xí)的大單元設(shè)計與課程實踐形式，以“搭建教室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)”為主題，分為“利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計并搭建教室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)”和“使用python處理空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)”兩個部分，以“大觀念、大概念和大情境”貫穿教學(xué)設(shè)計的始終，逐步提升學(xué)生的信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)。為此，教師編寫了“項目學(xué)習(xí)手冊”，作為支撐和貫穿項目式學(xué)習(xí)全過程的主要學(xué)習(xí)支架，是針對整節(jié)課的各個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)需要進行的設(shè)計。“項目學(xué)習(xí)手冊”主要分為三個部分：項目情境與驅(qū)動性問題、導(dǎo)學(xué)案以及技術(shù)支持文檔。其中，導(dǎo)學(xué)案包含需求分析、功能設(shè)計、硬件測試、編程調(diào)試等環(huán)節(jié)的過程性記錄表格，以及系統(tǒng)分析和算法設(shè)計環(huán)節(jié)的待補全圖片；技術(shù)支持文檔則涵蓋了空氣質(zhì)量傳感器、溫濕度傳感器、掌控板及其拓展板、MQTT服務(wù)器等的詳細介紹。同時輔以ClassPoint插件、示例程序等其他學(xué)習(xí)支架在不同環(huán)節(jié)給予學(xué)生支持。

1.需求分析和功能設(shè)計環(huán)節(jié)

在需求分析環(huán)節(jié)，學(xué)生圍繞核心驅(qū)動問題：“利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，如何設(shè)計并搭建一個教室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)”，初步構(gòu)思系統(tǒng)應(yīng)具備的功能。教師通過ClassPoint插件的詞云功能匯集學(xué)生的分析結(jié)果，并在智慧大屏上即時展示，梳理出需要檢測的空氣質(zhì)量指標(biāo)，即二氧化碳（CO2）濃度、總揮發(fā)性有機化合物（TVOC）濃度和空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）。在功能設(shè)計環(huán)節(jié)，學(xué)生通過對《項目學(xué)習(xí)手冊》中“技術(shù)支持”部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，結(jié)合教師對核心概念的梳理與講解，確定系統(tǒng)預(yù)設(shè)功能的具體實現(xiàn)手段，通過學(xué)習(xí)支架開展自主探究，這充分體現(xiàn)學(xué)習(xí)支架的引導(dǎo)性。教師使用ClassPoint插件的簡答題功能匯集學(xué)生的功能設(shè)計結(jié)果并即時展示。

2.系統(tǒng)分析和算法設(shè)計環(huán)節(jié)

在系統(tǒng)分析和算法設(shè)計環(huán)節(jié)中，學(xué)生學(xué)習(xí)參考“項目學(xué)習(xí)手冊”中相關(guān)內(nèi)容，使用教師提供的拼圖學(xué)習(xí)資源，以拼圖的方式完成系統(tǒng)分析，從數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊暯鞘崂硐到y(tǒng)各個組成部分之間的關(guān)系。同樣使用拼圖的方式，以流程圖的形式描述系統(tǒng)的工作過程，完成系統(tǒng)的算法設(shè)計。算法學(xué)習(xí)支架的制作并不復(fù)雜，教師在PPT中做好需要完成的拼圖主框架和可以拖動的填充方框即可。教師使用ClassPoint插件的圖片上傳功能匯集學(xué)生的算法設(shè)計結(jié)果。

3.硬件測試和編程調(diào)試環(huán)節(jié)

在硬件測試和編程調(diào)試環(huán)節(jié)中，學(xué)生自主學(xué)習(xí)“項目學(xué)習(xí)手冊”中技術(shù)支持部分內(nèi)容，分組連接硬件（包括傳感器、掌控板及其拓展板、MQTT服務(wù)器），刷入示例程序（Mind+），排除硬件故障和連接錯誤等活動。根據(jù)算法流程圖編寫程序，連接掌控板并刷入程序，模擬系統(tǒng)投入使用時的各種可能情境，根據(jù)測試結(jié)果作出優(yōu)化和調(diào)整。

由于高中學(xué)生自主編程的能力還有一定欠缺，教師引入“AI編程助手”作為支架，引導(dǎo)學(xué)生遇到程序代碼編寫問題時在“文心智能體平臺”上提問，該平臺可提供代碼自動補全、錯誤檢測和調(diào)試建議等功能，有效降低編程難度。授課教師在這兩個環(huán)節(jié)進行巡視指導(dǎo)并適時提供示例程序，這充分體現(xiàn)了學(xué)習(xí)支架的多樣性和適時性。

學(xué)習(xí)支架的實施效果與反思

本課中學(xué)習(xí)支架的有效設(shè)計，在促進學(xué)生對傳感器及其信息獲取方式的理解和應(yīng)用、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性等方面起到了至關(guān)重要的作用。

通過本課的實踐，筆者認為高中信息技術(shù)項目式學(xué)習(xí)支架的設(shè)計和實施還應(yīng)該關(guān)注以下四個方面：一是設(shè)計和提供多元化的項目主題支架，讓學(xué)生根據(jù)自己的興趣和專長選擇適合自己的項目，從而產(chǎn)生良好的學(xué)習(xí)成果。二是引入不同的學(xué)習(xí)方式，除了傳統(tǒng)的個人或小組項目外，還可以引入?yún)f(xié)作式學(xué)習(xí)、競賽式學(xué)習(xí)、角色扮演等多樣化的學(xué)習(xí)方式支架，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進交流和合作。三是提供多樣化的學(xué)習(xí)資源支架，為學(xué)生提供更多類型的學(xué)習(xí)資源，如在線課程、專業(yè)書籍、行業(yè)報告、開源軟件等，幫助學(xué)生深入了解不同的信息學(xué)習(xí)資源，豐富學(xué)習(xí)成果。四是合理使用強大的人工智能學(xué)習(xí)支架，鼓勵學(xué)生利用AI資源進行自主探索，培養(yǎng)解決問題的能力和獨立思考的習(xí)慣。同時，教師也應(yīng)持續(xù)評估AI學(xué)習(xí)支架的有效性，并根據(jù)學(xué)生的需要進行調(diào)整，以確保它們能夠真正支持學(xué)生的學(xué)習(xí)和有利于學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)。

參考文獻

中華人民共和國教育部. 普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S]. 北京： 人民教育出版社，2020.

呂彩云. 高中信息技術(shù)項目式教學(xué)促進深度學(xué)習(xí)的實踐研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱師范大學(xué)，2022.