建立自然世界與數(shù)字世界的聯(lián)系

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）提出，教師在教學(xué)中，要培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)與技能的提升，創(chuàng)新教學(xué)方式，以真實問題或項目驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷原理運(yùn)用過程、計算思維過程和數(shù)字化工具應(yīng)用過程，幫助學(xué)生建構(gòu)知識，提升問題解決能力?；诖?，在初中信息科技課程“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”內(nèi)容的教學(xué)中，筆者進(jìn)行了項目化嘗試，設(shè)計從“真實世界→數(shù)字世界→真實世界”的探究過程，引導(dǎo)學(xué)生理解學(xué)科概念，認(rèn)識物聯(lián)網(wǎng)是自然世界與數(shù)字世界之間的橋梁，讓學(xué)生通過收集和分析數(shù)據(jù)，建立自然世界與數(shù)字世界的聯(lián)系。

一、創(chuàng)設(shè)真實情境，明確自然世界對數(shù)字世界的需求

數(shù)字世界的收集、存儲和處理等功能能夠幫助社會優(yōu)化資源分配和管理，預(yù)測未來的變化趨勢。在信息科技課程教學(xué)中，教師可以將知識與現(xiàn)實情境相結(jié)合，讓學(xué)生認(rèn)識到連接自然世界和數(shù)字世界的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值，這有助于學(xué)生更好地適應(yīng)未來社會的發(fā)展。

例如，筆者根據(jù)真實情境“某城市潮汐車道啟用條件”作為項目背景，確定項目主題“設(shè)計智能導(dǎo)流機(jī)器人”，讓學(xué)生設(shè)計出導(dǎo)流機(jī)器人，實現(xiàn)合適時機(jī)開通潮汐車道功能，輔助交通警察完成任務(wù)，目標(biāo)指向物聯(lián)網(wǎng)在生活中的創(chuàng)新和應(yīng)用，根據(jù)現(xiàn)實情境建立自然世界與數(shù)字世界的聯(lián)系，發(fā)揮數(shù)字世界的價值。根據(jù)學(xué)生實際，筆者設(shè)計了如下問題引導(dǎo)學(xué)生思考：

（1）如何讓機(jī)器人自動采集車流量信息，并轉(zhuǎn)變成數(shù)字信息？

（2）如何設(shè)計程序流程，自動處理數(shù)字信息？

（3）如何將數(shù)字信息反饋到自然世界，控制導(dǎo)流機(jī)器人下達(dá)指令？

【設(shè)計意圖】筆者通過真實情境，提煉現(xiàn)實問題，引導(dǎo)學(xué)生觀察生活，嘗試思考如何把數(shù)字技術(shù)運(yùn)用到生活中去，明確自然世界對數(shù)字世界的需求具有多樣性、創(chuàng)新性和持續(xù)性等特點。選擇的情境一方面契合學(xué)科概念，幫助學(xué)生構(gòu)建信息系統(tǒng)三個階段的邏輯關(guān)系——信息輸入、信息處理和信息輸出；另一方面，利用學(xué)生身邊事、身邊人，強(qiáng)化了他們對家鄉(xiāng)建設(shè)、社區(qū)貢獻(xiàn)的參與感和使命感。

二、探尋科學(xué)真理，建立自然世界與數(shù)字世界的聯(lián)系

針對問題（1），筆者同樣以問題的形式引導(dǎo)學(xué)生探究。首先，筆者提出：“如何采集車流信息？”讓學(xué)生基于生活常識大膽假設(shè)。希望學(xué)生能提出“利用紅外探測、聲音探測、距離探測”等設(shè)想，并能對不同類型的傳感器所探測到的物理信息進(jìn)行深入思考，以選擇合適的設(shè)備。接著，筆者就“物理信息如何向數(shù)字信息轉(zhuǎn)換”這一問題，引導(dǎo)學(xué)生對溫度、聲音、圖像的數(shù)字化處理進(jìn)行學(xué)習(xí)，讓學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)查閱資料，理解物理傳感器的工作原理，逐步理解自然世界與數(shù)字世界的轉(zhuǎn)化關(guān)系。最后，根據(jù)學(xué)生調(diào)研，筆者再提出：“傳感器要檢測哪些信息？如何檢測？何時檢測？”等問題，引導(dǎo)學(xué)生利用調(diào)研結(jié)果，根據(jù)傳感器的工作原理解決問題。

【設(shè)計意圖】筆者引導(dǎo)學(xué)生在復(fù)雜多變的環(huán)境中探尋科學(xué)真理，理解自然世界與數(shù)字世界的轉(zhuǎn)化關(guān)系，實現(xiàn)學(xué)科概念的遷移和應(yīng)用。整個過程由問題驅(qū)動，讓學(xué)生在解決問題中不斷學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生獨(dú)立探究能力，以及解決問題的能力。在探究過程中，學(xué)生需要將知識從離散的現(xiàn)實中抽象出來，用科學(xué)的方式解決現(xiàn)實問題，實現(xiàn)“具體→抽象→具體”的探究過程，提升分析問題的能力。

三、建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，將自然信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號

數(shù)學(xué)建模在信息科技領(lǐng)域扮演著重要角色，在系統(tǒng)設(shè)計、算法開發(fā)和數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。在項目化學(xué)習(xí)過程中，教師應(yīng)注重對學(xué)生計算思維的培養(yǎng)，指導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、抽象概念、建立數(shù)學(xué)模型，以及合理處理數(shù)據(jù)。

例如，針對問題（2），筆者首先讓學(xué)生對項目問題進(jìn)行梳理，然后引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，讓學(xué)生以流程圖的形式呈現(xiàn)實施脈絡(luò)，并從“程序流程總結(jié)構(gòu)”中分解出“如何探測車流量”和“是否啟用潮汐車道”兩大主線問題。流程包括兩個步驟，一是利用探測器探測信號獲得車輛數(shù)（圖1右），二是根據(jù)車流量判斷是否啟用潮汐車道（圖1左）。同時，流程中的難點要加以引導(dǎo)，比如在探測器探測車輛數(shù)時，筆者提出問題：“是以單位時間為一個周期（比如60秒），測量這段時間內(nèi)經(jīng)過的車輛數(shù)，還是計算經(jīng)過的車輛總和？”以此，讓學(xué)生根據(jù)實際學(xué)會用科學(xué)的思維去思考問題。學(xué)生經(jīng)過思考，會想到機(jī)器人開啟潮汐車道是根據(jù)程序輸出的車輛數(shù)來判斷的，因此，測量單位時間內(nèi)經(jīng)過的車輛數(shù)更加合理。

在計算車輛數(shù)這一模塊處理的過程中，學(xué)生根據(jù)日常經(jīng)驗，還會發(fā)現(xiàn)車輛長時間停留，以及從上一輛出現(xiàn)到下一輛出現(xiàn)的標(biāo)記處理等問題，因此，這一模塊還需進(jìn)一步細(xì)化。在學(xué)生逐步求精，系統(tǒng)逐步迭代過程中，程序逐漸被完善。

【設(shè)計意圖】隨著項目的展開，學(xué)生不斷發(fā)現(xiàn)問題并嘗試解決問題，經(jīng)歷分解、設(shè)計、驗證和迭代的學(xué)習(xí)過程，從而建構(gòu)出學(xué)科認(rèn)知，形成科學(xué)意識。學(xué)生通過建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，深入理解了數(shù)字信號是如何服務(wù)于現(xiàn)實世界，親身經(jīng)歷了“算法工程師”解決問題的過程。這個過程不僅提升了學(xué)生的綜合素養(yǎng)，還促使他們能夠運(yùn)用所學(xué)的知識和技能應(yīng)對未來的復(fù)雜挑戰(zhàn)。

四、還原現(xiàn)實模型，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為自然信號

以往的信息科技教學(xué)，教師通常采用讓學(xué)生在虛擬場景中運(yùn)用知識來解決問題，知識遷移性較差。新課標(biāo)提倡數(shù)字化創(chuàng)新，因此，教師應(yīng)打破固有思維限制，在開展項目化學(xué)習(xí)過程中應(yīng)盡可能地向現(xiàn)實生活還原，形成“自然世界→數(shù)字世界→自然世界”邏輯關(guān)聯(lián)。

針對問題（3），筆者首先讓學(xué)生在科創(chuàng)實驗室測試導(dǎo)流機(jī)器人，在現(xiàn)實應(yīng)用的過程中，一系列的問題隨之產(chǎn)生。例如，導(dǎo)流機(jī)器人移動的時間和距離如何設(shè)置；導(dǎo)流機(jī)器人的能源問題；一條潮汐車道上放置幾個導(dǎo)流機(jī)器人等。這些問題均須結(jié)合現(xiàn)場條件、設(shè)備條件等才能發(fā)現(xiàn)和解決。隨后，筆者帶領(lǐng)學(xué)生到室外場地進(jìn)行了模擬，學(xué)生又發(fā)現(xiàn)如何排除非主要信號的干擾；傳感器的靈敏度及使用范圍會使檢測準(zhǔn)確性產(chǎn)生偏差等問題。在反復(fù)調(diào)整、迭代和創(chuàng)新設(shè)計中，學(xué)生親身體驗了數(shù)字信號如何精確還原現(xiàn)實的復(fù)雜性，深刻領(lǐng)悟到科學(xué)進(jìn)步的艱辛歷程。

【設(shè)計意圖】項目源于現(xiàn)實生活，以抽象路徑形成策略，最后還要作用于現(xiàn)實世界。學(xué)生在真實場景中能理解現(xiàn)實世界的復(fù)雜多變性、理論聯(lián)系實際的重要性，以及產(chǎn)生向新的應(yīng)用方向拓展和轉(zhuǎn)化的意識，并能感悟到前人歷經(jīng)艱辛創(chuàng)造科學(xué)的偉大。教師在教學(xué)中，既是知識的傳播者，又是學(xué)生成長的引導(dǎo)者；既要教授知識，也要讓學(xué)生理解信息科技對人類社會的貢獻(xiàn)，培養(yǎng)他們對科學(xué)的敬畏之情。

本案例嘗試把物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的學(xué)科知識運(yùn)用到項目化學(xué)習(xí)中，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計物聯(lián)系統(tǒng)，掌握學(xué)科知識，形成學(xué)科思維，感受萬物互聯(lián)的社會意義，以期達(dá)成對自然世界與數(shù)字世界的關(guān)系的概念理解。在項目化學(xué)習(xí)體驗的過程中，學(xué)生逐步學(xué)會用數(shù)字形式表達(dá)信息，了解了其中的科學(xué)原理、思維方法。以項目化學(xué)習(xí)為載體提升信息科技課程的教學(xué)實效，教師應(yīng)進(jìn)一步實踐探索和經(jīng)驗總結(jié)，準(zhǔn)確把握教育要求，理解課程的科學(xué)本質(zhì)，真正落實新課標(biāo)育人要求，實現(xiàn)對學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)。

（作者單位：江蘇省常州市實驗初級中學(xué)）