信息技術(shù)項目式實驗教學(xué)法的—以“實智踐能與盲人思伴考侶”為例

賀森 安徽省合肥市合肥一六八玫瑰園學(xué)校

儲君 清華附中合肥學(xué)校

●項目式實驗教學(xué)法的界定

項目式實驗教學(xué)法強調(diào)學(xué)生在做中學(xué)，學(xué)生是項目學(xué)習(xí)的主體，學(xué)生借助實驗探究法，驗證項目猜想、攻克項目難點、優(yōu)化項目方案，在實施項目的整個過程中，探究科技原理并解決現(xiàn)實問題。項目式實驗教學(xué)是一種重視實踐的教學(xué)模式，學(xué)生通過親身實踐逐漸構(gòu)建知識，體驗科學(xué)研究的過程，提升創(chuàng)新思維與實踐能力。

●項目式實驗教學(xué)法的課堂流程

筆者基于科學(xué)出版社出版的初中信息科技第5冊第一單元《了解機器人的感官》中的章節(jié)知識設(shè)計了“智能盲人伴侶設(shè)計”項目，要求學(xué)生使用Arduino Nano主控板以及紅外、超聲波等開源硬件完成智能盲人伴侶的設(shè)計、搭建和編程，而項目方案的確定、項目器材的選擇以及項目產(chǎn)品的調(diào)試和完善需要依托實驗數(shù)據(jù)。因此，本節(jié)課選用項目式實驗教學(xué)法，以發(fā)現(xiàn)項目問題、實驗探究驗證、解決項目問題為主線展開，培養(yǎng)學(xué)生運用信息技術(shù)解決實際問題的能力，具體課堂流程如圖1所示。

圖1

●項目式實驗教學(xué)法的實施過程

1.項目目標(biāo)

①通過網(wǎng)絡(luò)搜索、分析實驗數(shù)據(jù)獲取有效信息，完善智能盲人伴侶的設(shè)計。（信息意識）

②通過制訂智能盲人伴侶項目方案，學(xué)會將大問題劃分為多個可解決的小問題，提升問題解決的能力，并遷移至生活中其他問題的解決。（計算思維）

③理解紅外避障傳感器和超聲波傳感器的探障原理和探障影響因素，搭建智能盲人伴侶，優(yōu)化智能盲人伴侶的探障準(zhǔn)確性。提升根據(jù)實際需求獲取有效信息解決實際問題的能力。（數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）

④培養(yǎng)借助科技手段關(guān)愛特殊群體的社會責(zé)任。（信息社會責(zé)任）

2.項目導(dǎo)入

學(xué)生觀看短片《盲人出行現(xiàn)狀》，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)導(dǎo)盲拐杖探障不準(zhǔn)確，因此，提出借助智能科技手段設(shè)計一款盲人拐杖，使其能夠在不受環(huán)境的干擾下，精準(zhǔn)探測到遠(yuǎn)距離、多方位、面積小的障礙物，從而保障盲人的出行安全。由此，引出項目“智能盲人伴侶”。

3.項目準(zhǔn)備

（1）討論方案。經(jīng)過交流討論、上網(wǎng)搜索和測試，學(xué)生確定初步方案，即選用超聲波傳感器作為盲人伴侶的探障傳感器，并配合語音傳感器提示前方是否有障礙物。針對如何解決“提升盲人伴侶的探障準(zhǔn)確性”的現(xiàn)實問題，學(xué)生提出以下三點設(shè)計猜想：①探測范圍更廣；②能探測到小物體；③免受環(huán)境的干擾。在這個過程中，學(xué)生學(xué)會將大問題劃分為多個可解決的小問題，提升了計算思維。

（2）器材準(zhǔn)備。學(xué)生根據(jù)初步方案搭建智能盲人伴侶，為驗證三點設(shè)計猜想，自主確定實驗方案，并根據(jù)實驗方案準(zhǔn)備需要的實驗器材。

（3）驗證方案。學(xué)生需根據(jù)實驗方案完成實驗探究，得出結(jié)論。

①實驗一：探究超聲波傳感器的探障準(zhǔn)確性。

急性闌尾炎是臨床十分常見的急腹癥，其在急腹癥中發(fā)病率居于首位，主要由闌尾腔堵塞及細(xì)菌入侵引起，血象增高、麥?zhǔn)宵c壓痛反跳痛、轉(zhuǎn)移性右下腹疼痛是診斷急性闌尾炎的金標(biāo)準(zhǔn)，但是部分患者不存在上述典型癥狀，同時急性胰腺炎、泌尿系結(jié)石、膽囊壞疽穿孔等其他急腹癥同樣存在上述癥狀，因此有效診斷、鑒別急性闌尾炎具有重要意義[1-2]。本研究分析急性闌尾炎的CT診斷及其應(yīng)用價值，現(xiàn)報道如下：

實驗?zāi)康模阂约t外避障傳感器為參照物，探測超聲波傳感器的最大探測距離和最大探測角度，從而判斷超聲波傳感器能否探測到左右兩邊障礙物。

提出假設(shè)：相比紅外避障傳感器，超聲波傳感器探障準(zhǔn)確性更高，能探測到左右兩邊的障礙物。

實驗器材：教師自制實驗器材。當(dāng)實驗器材探測到障礙物時，器材報警并顯示障礙物與器材的距離；當(dāng)實驗器材不能探測到障礙物時，器材不報警并顯示默認(rèn)值2000。

實驗方案：學(xué)生固定紅外、超聲波傳感器，由近及遠(yuǎn)移動障礙物，測量傳感器能探測的最大距離。以傳感器為圓心（障礙物做圓周運動），測量傳感器能探測的最大角度。

實驗流程：第一步，連接傳感器，啟動實驗器材，開始實驗。第二步，記錄多次數(shù)據(jù)，將實驗數(shù)據(jù)匯總。第三步，得出結(jié)論。

實驗結(jié)論：超聲波傳感器探測距離＞紅外避障傳感器探測距離，超聲波傳感器探測角度＞紅外避障傳感器探測角度，因此選用超聲波傳感器。但超聲波傳感器的最大探測角度為40度，超聲波傳感器無法探測左右兩側(cè)的障礙物。

②實驗二：探究障礙物大小對盲人伴侶探障準(zhǔn)確性的影響。

實驗?zāi)康模和ㄟ^實驗判斷超聲波傳感器能否探測到小面積障礙物，如果面積較小障礙物都可以被探測到，那么證明盲人伴侶探障的準(zhǔn)確性高。

實驗器材：教師自制實驗器材、大小不同的方塊。

實驗方案：學(xué)生采用控制變量法，選用大小不同的方塊；固定超聲波傳感器，將大小方塊放在距離傳感器60cm和120cm的位置，判斷傳感器能否探測到障礙物。

實驗流程：第一步，連接傳感器，啟動實驗器材，開始實驗。第二步，記錄多次數(shù)據(jù)，將實驗數(shù)據(jù)匯總。第三步，得出結(jié)論。

實驗結(jié)論：當(dāng)障礙物面積小時，探障數(shù)據(jù)值為2000，因此，超聲波傳感器無法探測到面積較小的障礙物。

③實驗三：探究環(huán)境因素對盲人伴侶探障準(zhǔn)確性的影響。

實驗?zāi)康模禾骄坑晁⒄駝?、光線、風(fēng)量四個環(huán)境因素對超聲波傳感器探障的影響。

提出假設(shè)：雨水、振動、光線、風(fēng)量四個環(huán)境因素對超聲波傳感器探障沒有影響。

實驗器材：教師自制實驗器材、滴管、吹風(fēng)機、燈光環(huán)境。

實驗方案：雨水小組使用滴管在超聲波傳感器上滴加少量液體來實現(xiàn)水滴的附著。振動小組用手輕晃超聲波傳感器來模擬環(huán)境顛簸。光線小組通過控制開關(guān)燈來實現(xiàn)白天黑夜的切換。風(fēng)量小組使用吹風(fēng)機來控制風(fēng)量。

實驗流程：第一步，連接傳感器，啟動實驗器材，分組實驗。第二步，記錄多次數(shù)據(jù)，將實驗數(shù)據(jù)匯總。第三步，得出結(jié)論。

實驗結(jié)論：光線、風(fēng)量、振動對超聲波探障沒有影響。只有當(dāng)雨水附著時，雨水被超聲波傳感器視為障礙物，探障距離讀數(shù)與障礙物實際距離不相等，因此雨水環(huán)境因素對超聲波傳感器探障有影響。

4.項目優(yōu)化

根據(jù)實驗結(jié)果，得出結(jié)論為：①超聲波傳感器只能探測到盲人伴侶前方的障礙物，無法探測到盲人伴侶左右兩側(cè)的障礙物。②超聲波傳感器無法探測到面積較小的障礙物。③超聲波傳感器探障能力會受到雨水環(huán)境因素的影響。

針對以上三點結(jié)論，學(xué)生對盲人伴侶項目方案進(jìn)一步優(yōu)化，提出改進(jìn)策略：①為了使盲人伴侶能探測到左右兩方的障礙物，可以在盲人伴侶左右兩側(cè)各安裝一個超聲波傳感器，當(dāng)超聲波傳感器探測到前方障礙物時，語音提示“您的前方有障礙物”，當(dāng)超聲波傳感器探測到右方障礙物時，語音提示“您的右方有障礙物”，當(dāng)超聲波傳感器探測到左方障礙物時，語音提示“您的左方有障礙物”。②為了提示盲人前方有小障礙物，如行走時可能會遇到的瓶蓋、彈珠等障礙物，可以在盲人伴侶的前方再加裝一個超聲波傳感器。③為了避免盲人伴侶受到雨水的影響，可以為盲人伴侶上方制作遮擋板（如圖2）。

圖2

5.項目拓展

鼓勵學(xué)生用人工智能技術(shù)手段，如圖像識別、導(dǎo)航等技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化智能盲人伴侶，從而啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，拓展項目的技術(shù)深度。

●結(jié)語

①從課堂教學(xué)實踐來看，在項目式實驗教學(xué)中，學(xué)生積極思考提出創(chuàng)新性的解決方案，鍛煉了創(chuàng)新精神和解決實際問題的能力。②在項目式實驗教學(xué)中，學(xué)生需要與團隊成員密切合作，分工扮演領(lǐng)導(dǎo)、設(shè)計、研發(fā)、實施等不同角色，共同完成項目的各個階段，培養(yǎng)了團隊協(xié)作精神。③項目式實驗教學(xué)還可以幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用所學(xué)知識。學(xué)生在完成項目時，將需要解決的項目問題拆解轉(zhuǎn)化為學(xué)科問題，借助學(xué)科知識解決項目問題。學(xué)生通過實踐性的學(xué)習(xí)和探究，能夠更加深入地理解所學(xué)知識的本質(zhì)和應(yīng)用，加深對知識的記憶和理解。

因此，在信息科技課程的教學(xué)中，采用項目式實驗教學(xué)法開展教學(xué)，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力，提升學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，有效地培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。