基于计算思维能力培养的教学...联网信息系统的教学过程为例_黄志锋.pdf

532023.07课程建设与教学改革研究 基于计算思维能力培养的教学设计以物联网信息系统的教学过程为例黄志锋摘要：计算思维是信息技术学科四大核心素养之一，提升计算思维能力是培养学生信息素养与增强学生综合能力的重要内容。研究依托项目式教学，从生活中选取素材，采用基于物联网信息系统的案例进行分析，探索提升高中学生计算思维能力培养的策略。关键词：计算思维；物联网；高中信息技术中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1672-1438(2023)14-0053-05作者简介：黄志锋，硕士，一级教师。苏州大学附属中学，215100基金项目：苏州市教育科学“十四五”规划2021年度课题大概念视域下信息技术学科项目化学习的实践研究(编号：2021/LX/02/257/09)。普通高中信息技术课程标准(2017年版)指出：计算思维是个体运用计算机科学领域的思维方法，在形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动。培养学生的计算思维能力和解决实际问题的能力，教师需要从生活中选取恰当的素材，运用情境设计，以项目式教学的方式，让学生主动地参与到课堂教学中来，积极思考，合作探究，感受用计算机科学方法解决问题的过程，在动脑与动手中提升计算思维能力，培养其解决问题的综合能力。一、高中学生培养计算思维的必要性高中阶段常常会提到数学思维与工程思维，随着信息技术的发展，特别是现代社会已经进入数字时代，数字经济已成为衡量社会发展的一个重要指标，数字素养也成为数字公民的必备品格和关键能力。工作学习方式的变革、新的思路与模式随着计算机科学的发展不断涌现，计算思维成为一种重要的高品质思维方式，培养高中学生计算思维的必要性日益凸显。与数学思维和工程思维相比，计算思维聚焦如何用计算机科学方法找到更好的解决方法。计算思维能提高学生科学思考问题的能力，使其在解决问题的过程中锻炼如下四方面的能力：分析问题、建立模型、设计算法、程序实现。课堂教学要促进计算思维的培养必然体现在以上的能力训练中。高中信息技术课堂经过多年的探索与实践，已逐渐由以教师为主导的“教”转为以学生为主体的“学”。计算思维注重学生对生活的观察与思考，而对真实问题的探究能够激发学生的学习兴趣。学生常常会提问：如何制作空调或电视的遥控器、植物如何实现自动浇水、自动驾驶技术如何实现、扫地机器人如何工作等问题。这些问题反映了“三新”改革(新课程、新教材、新高考)背景下大概念、大单元与跨学科教学的要求，既体现了信息技术和其他学科的关联，又有不同知识、技术、模式的相互融合与创新。选择基于物联网技术的案例正是源于这样的背景，既与生活紧密联系，又符合大学科背景下的计算思维培养。所以，基于物联网的信息系统非常适合以项目化的方式融入高中信息技术课堂，并通过合作探究的方式促进学生计算思维能力的提升。二、基于物联网信息系统展开教学的行为分析学生虽然学习了互联网知识，但对物联网并不熟悉。而实际上，一些学生家里已具备物联网相关设备，因此不管是在学校还是在家里，学生可能无时无刻不处于物联网环境之中。物联网的概念比互联网更进一层，物联网的组成包含很多新技术，如传感器、扫描仪、二维码、蓝牙、RFID或NFC等。基于物联网技术的案例设计教学，首先要找准切入点；其次要了解学生的学习情况，掌握他们对技术的接受能力，预DOI:10.13492/ki.cmee.2023.14.007542023.07课程建设与教学改革研究 估学生对学习内容的接受程度；最后要选择和设计符合学生学习特点的实验器材与学习环境。为了让学生从物联网中获得更多应用计算思维的思考，切入生活的案例选择很重要：如教室里的植物经过一个暑假无人照看，大部分都会因缺水而无法存活，如何解决无人值守时的浇水问题；又如外出后家里的电器忘记关闭，如何查看正在使用的电器并实现远程关闭。这些问题都非常值得教师去研究和开展教学设计，同时也是学生生活中会遇到的问题，能够激发其探索的兴趣。此外，了解学生的学习水平也很重要。有些物联网设备需要学生自制，有些开源设备需要学生学习如何使用，实现算法需要学生编写程序，这些都有一定难度。而有的则是模块化的语句，只需要拼装就可以完成程序编写。入门门槛过高，会影响学生的体验，不利于其后续的学习，因此教师要通过课前设计和课中引导帮助学生。现在物联网设备很多，功能各不相同，比较主流的有：Arduino，Micro:bit，树莓派和掌控板。教师要在充分了解的基础上，根据教学目标和内容，选择合适的进行教学设计。三、基于计算思维能力培养的教学设计实例学生大多已习惯与基于物联网的信息系统打交道，却不了解它采用了什么技术，是如何工作的。因此要让学生正确认识、了解，并能利用物联网技术解决生活中的实际问题，就要通过搭建基于物联网的信息系统来提高学生运用计算机科学解决问题的能力。1.教学对象分析高一年级学生通过前面的学习已经对计算机系统的互联和通信有了一定了解：知道了网络信息系统的概念，初步建立了设计、构建信息系统的科学思维方法。学生对日常生活中的智能化应用有了一定了解，对传感器有了一定接触，能说出红外传感器及其应用，并对物联网表现出学习兴趣，但还缺乏运用物联网技术解决实际问题的经验和能力。这也正是教师带领学生走进物联网世界的一个契机，即在基于实际问题的项目式教学探究中，引导学生从科学角度出发，通过运用正确的方法，用数字化的方式合理解决问题。2.目标设定第一，通过体验带有传感器的信息系统，探究信息获取的新途径。第二，通过自制湿度传感器，了解传感器的基本结构与工作原理。第三，通过组建自动浇水系统，体验基于物联网的信息系统的功能与作用。第四，通过体验物联网在日常生活中的应用，激发学生创造美好生活环境的愿望。3.教学重难点重点：传感器感知、识别物体的原理，完善信息系统的搭建。难点：通过土壤湿度的感知与识别，实现给植物自动浇水的功能。4.教学思路生活中的实际问题一般是大家关注的焦点问题，更能引发学生的学习兴趣。本项目结合生活中常见的给植物浇水问题设计。利用物联网概念设计一个贴近实际生活的案例，不仅能拉近课堂与学生的距离，激发学生的学习兴趣，锻炼其动手动脑能力，而且能具体形象地向学生展示物联网的概念和原理。通过生活实际中的常用器件与材料构建物联网信息系统，既体现了案例的真实性，又让学生在项目活动中体验科学思维的过程。通过算法优化，搭建智能信息系统，让学生感受到计算思维的重要性，提高数字化综合素养。5.教学过程设计(1)项目引入 华为ADS高阶自动驾驶技术教师展示华为ADS高阶自动驾驶技术相关视频，提问：自动驾驶能模拟人类哪些驾驶动作？用到了什么技术？学生回答问题。活动总结：自动驾驶技术视频把学生带入物联网的世界，激发了他们探索物联网的学习兴趣。(2)项目分析 探究生活中的传感器组织学生开展探究传感器作用及种类的活动。教师：其实很多智能化产品都是对物联网的应用，除了刚刚提到的自动驾驶技术，生活中还有哪些智能化应用？学生：还有ETC、智能手环、二维码、扫地机器人、小爱同学等。用到的技术有RFID、蓝牙、二维码、语音识别、人工智能等。教师总结并引导学生归纳物联网的概念。552023.07课程建设与教学改革研究 学生思考：物联网如何感知物体？结合不同传感器的作用填写表1。表1 各种传感器及应用样表传感器名称 模拟的人类感官 涉及的器官生活应用光敏传感器视觉眼睛汽车根据环境光线自动开启与关闭车灯声敏传感器听觉耳朵气敏传感器嗅觉鼻子化学传感器味觉舌头压敏传感器触觉皮肤热敏传感器触觉皮肤设计意图：让学生通过观看视频、举例说明、讨论交流等，了解智能设备及其使用的技术，了解物联网的具体应用，归纳总结对物联网的理解及其概念，并引导学生认识传感器在物联网信息系统中的重要作用。(3)项目实施 贡献智慧解决问题任务一：以湿度传感器为例，理解传感器的工作原理。教师：通过哪些方式来判断植物是否需要浇水？学生讨论方法，并归纳总结：一是植物的状态(如叶子的状态)，可通过植物观测、图像识别、含水量检测、固定时间浇水等解决；二是土壤的湿度可通过土壤观测、含水量检测、图像识别、固定时间浇水等解决。教师：哪些是人工的方式，哪些是机器的方式？哪种方法实现起来更容易、更轻松？学生：通过检测土壤湿度值来判断植物是否缺水更容易。教师组织学生开展模型设计。教师：土壤湿度如何检测？湿度的变化会引起哪些物理、化学、生物的反应？学生讨论，并提出方法：土壤可以看作一个导体，湿度的变化可能会引起电阻的变化，因此会引起电流的变化(见图1)。图1 土壤湿度传感器的模型设计设计意图：分析土壤中湿度变化的物理状态，引发学生思考，说出检测湿度变化的方法，从而把实际的问题转化为物理中的电流-电阻变化，建立问题分析的模型，为下一步数字化处理做准备。任务二：自制湿度传感器，检测土壤湿度。开展自制湿度传感器的实验(见表2)。表2 自制湿度传感器的实验材料实物图程序设计土壤监测5号电池2个电池组1个Micro:bit主控板1个长铁钉2个鳄鱼夹2个 铁钉插入泥土鳄鱼夹一头连接主控板0号和1号脚，另一头连接铁钉在MakeCode中编写程序将程序烧录至主控板启动电源，观察程序读到的数据调整铁钉的位置，继续观察依据测量值读取和图形化观测的需求设计算法，在在线编辑器中完成图形化代码的编写。图形化代码比较形象和直观，减少了编写程序的复杂度，有助于学生专注于系统设计和功能实现，有利于学生项目式探究活动。设计意图：通过自制传感器活动让学生了解传感器的运行原理，利用Micro:bit主控板完成对土壤湿度数据的观察，增强了学生信息获取的意识与能力，提高了其用计算机科学方法解决问题的能力。任务三：给植物浇水。第一步，课前准备自动浇水系统模型构建的材料清单(见表3)，将准备好的材料组装起来，完成线路连接，准备将程序写入设备。表3 自动浇水系统模型构建材料清单材料清单实物效果面包板 拓展板土壤湿度检测器杜邦线鳄鱼夹电磁继电器Micro:bit 主控板小水泵第二步，设计算法，并根据算法来编写程序(见表4)。562023.07课程建设与教学改革研究 表4 自动植物浇水实验的算法和程序算法实现编写算法设计程序的流程图：编写的模块化程序：将小水泵连接到Micro:bit，小水泵的使用显然在系统搭建和控制上更方便、更有效。设定土壤湿度值的临界点，当系统检测到湿度值大于临界点时，就会向电磁继电器发出高频信号，为主电路供电，控制水泵开始工作，开始给植物浇水。通过设计算法编写代码并将程序写入设备，验证湿度传感器与取水系统是否能完美配合，从而完成给植物自动浇水。设计意图：利用传感器感知物体并通过信息系统将感知到的信息数字化，实现物与物的通信连接、控制和管理。通过体验基于物联网的植物自动浇水系统，让学生了解物联网的具体作用，体验信息系统搭建的过程，增强利用基于传感器技术的物联网信息系统解决实际问题的能力，提高数字化能力与素养。第三步，调试设备，测试系统是否正常工作。教师：不同的植物对水分的需求不一样。如果用任务三中的自动浇水系统给不同的植物浇水，结果会怎么样？会不会出现“洪涝灾害”或者“地面干旱”的情况？怎么修改？学生：如果换一盆不同的植物，原来的系统设计可能就不合理了，可以通过修改土壤湿度值来解决这个问题。教师：利用物联网技术，除了实现给植物自动浇水，还可以对本节课所搭建的系统做哪些功能调整？学生讨论方法，并归纳得出：一是可智能识别植物的种类，自动调整需要判断的湿度值；二是可针对不同植物增加自动光照等效果；三是可利用无线通信技术实现智能识别与控制。学生观看RFID的相关视频，了解射频识别技术。设计意图：基于物联网的信息系统具有一定智能的作用，但要真正做到物物相联还需加入身份标识与识别，并通过互联网实现通信与控制。引入RFID与NFC，进一步拓展物联网的概念，为搭建基于无线通信技术的智能网联系统做好准备。6.项目总结 开展信息社会责任教育教师对本节课进行回顾小结：第一，物联网可通过传感器感知和智能识别物体；第二，信息系统可通过物联网实现对物体的控制、管理并进行科学决策；第三，合理应用物联网技术能让生活更加