高中信息技術(shù)項目化學(xué)習(xí)的實踐與研究

【摘 要】本研究以高中信息技術(shù)項目化學(xué)習(xí)為背景，以“生態(tài)校園土壤數(shù)據(jù)處理”項目為例，探討了在數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域的項目化學(xué)習(xí)實踐。該項目融合生態(tài)教育特色和數(shù)字環(huán)境，旨在引導(dǎo)學(xué)生感悟數(shù)據(jù)的魅力、探索數(shù)據(jù)的價值，提高用信息技術(shù)解決問題的能力，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】核心素養(yǎng)；項目化學(xué)習(xí)；數(shù)據(jù)處理；信息技術(shù)

【中圖分類號】G434 【文獻標(biāo)志碼】A

【論文編號】1671-7384（2024）010-068-03

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課標(biāo)》）指出，課程倡導(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)的過程中[1]?！墩n標(biāo)》模塊1“數(shù)據(jù)與計算”中的“數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用”部分，要求通過典型的應(yīng)用實例，了解數(shù)據(jù)采集、分析和可視化表達(dá)的基本方法。根據(jù)任務(wù)需求，學(xué)生需要學(xué)會選用恰當(dāng)?shù)能浖ぞ呋蚱脚_處理數(shù)據(jù)，完成分析報告，理解對數(shù)據(jù)進行保護的意義?！陡咧行畔⒓夹g(shù)課程·必修1數(shù)據(jù)與計算》（華東師范大學(xué)出版社）第三單元“數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用”中，設(shè)計了“交通數(shù)據(jù)利抉擇”項目活動，該項目圍繞共享單車使用的“潮汐”現(xiàn)象，開展探究活動。筆者通過問卷調(diào)查，了解到本校高一年級學(xué)生日常出行方式為共享單車的占比非常少，難以采用這一主題。為此，筆者結(jié)合學(xué)校倡導(dǎo)的生態(tài)教育特色，依托物語云智慧生態(tài)教育學(xué)習(xí)平臺，設(shè)計了學(xué)習(xí)項目“生態(tài)校園土壤數(shù)據(jù)處理”，用于這一單元教學(xué)。其目的是以項目化學(xué)習(xí)重構(gòu)課堂教學(xué)組織形式，通過創(chuàng)設(shè)適合學(xué)生活動的數(shù)字環(huán)境、數(shù)字資源，引導(dǎo)學(xué)生在校園土壤數(shù)據(jù)處理過程中感悟數(shù)據(jù)的魅力、探索數(shù)據(jù)的價值，提高用信息技術(shù)解決問題的能力，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。

項目設(shè)計

1.選題背景：融合生態(tài)教育

項目化學(xué)習(xí)倡導(dǎo)通過問題驅(qū)動，鼓勵學(xué)生主動探索現(xiàn)實世界的問題，在項目活動中深入領(lǐng)會核心知識和關(guān)鍵技能。為此，我校聚焦生態(tài)素養(yǎng)的培育，通過在必修課程中滲透融合，在選擇性必修課程中挖掘關(guān)聯(lián)，在選修課程中開放與引領(lǐng)，全面構(gòu)建“1+3+N”生態(tài)特色課程群，引導(dǎo)學(xué)生積極踐行“天、人、境”合一的大生態(tài)觀。本項目選題的靈感源于學(xué)校的生態(tài)特色教育理念，為學(xué)生創(chuàng)建生態(tài)人文環(huán)境、生態(tài)數(shù)字環(huán)境。筆者基于學(xué)校的數(shù)字平臺在土壤微觀察方面已積累了豐富的真實數(shù)據(jù)，設(shè)計了“生態(tài)校園土壤數(shù)據(jù)處理”項目，發(fā)動學(xué)生通過觀察、分析校園環(huán)境中的土壤生態(tài)現(xiàn)象，結(jié)合實際操作，領(lǐng)悟?qū)W以致用的意義。

2.問題設(shè)計：源于現(xiàn)實生活

《課標(biāo)》要求，項目活動通過創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生在解決問題的過程中感受信息技術(shù)對人們?nèi)粘Ｉ畹挠绊?，幫助他們探究?shù)據(jù)與計算的知識，提高利用信息技術(shù)解決問題的能力，發(fā)展計算思維。因此，項目活動中的問題設(shè)計，要結(jié)合學(xué)生的現(xiàn)實生活和學(xué)習(xí)實踐，以引導(dǎo)學(xué)生在解決真實問題的過程中將“學(xué)技術(shù)”和“用技術(shù)”融為一體，提升學(xué)生思維品質(zhì)。

對此，筆者基于“為校園植物生長創(chuàng)設(shè)良好的環(huán)境”這一目標(biāo)，將本項目分為校園土壤數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理、分析、可視化四個子項目，并為每一個子項目設(shè)計了相應(yīng)的問題群。

3.數(shù)字賦能：創(chuàng)新育人場景

根據(jù)《上海市教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型“十四五”規(guī)劃》和《上海市教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型實施方案（2021—2023）》的要求，信息技術(shù)學(xué)科教師應(yīng)圍繞新課標(biāo)內(nèi)容，充分利用數(shù)字技術(shù)，發(fā)揮數(shù)據(jù)的作用，在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)數(shù)字育人場景。為此，筆者通過物語云智慧生態(tài)教育學(xué)習(xí)平臺，借助數(shù)字化學(xué)習(xí)資源，引導(dǎo)學(xué)生對傳感器采集到的土壤溫度、土壤濕度等數(shù)據(jù)進行分析與可視化處理，以引導(dǎo)學(xué)生理解土壤生態(tài)變化對植物生長的影響，培養(yǎng)學(xué)生利用信息技術(shù)解決生活中真實問題的能力，助力學(xué)生更好地適應(yīng)數(shù)字化生活和信息社會。

項目實施

1.提出探究問題

《晏子使楚》有言：“橘生淮南則為橘，生于淮北則為枳，葉徒相似，其實味不同。所以然者何？水土異也?！边@說明同一種植物，種植在不同的地區(qū)，因為氣候環(huán)境的差異導(dǎo)致其生長狀態(tài)不一。那么，導(dǎo)致植物個體產(chǎn)生差異的原因有哪些？如何更好地培育校園植物的生長？由此問題，我們引導(dǎo)學(xué)生投入探究學(xué)習(xí)。

2.提出學(xué)習(xí)目標(biāo)

本項目學(xué)習(xí)目標(biāo)為：通過實際操作，了解校園土壤數(shù)據(jù)的采集、分析和可視化表達(dá)的基本方法；針對校園土壤性質(zhì)的探究需求，選用恰當(dāng)?shù)能浖ぞ呋蚱脚_，對土壤數(shù)據(jù)進行采集、預(yù)處理、分析與可視化呈現(xiàn)，形成表明校園植物生長之土壤現(xiàn)狀的數(shù)據(jù)分析報告；體驗信息技術(shù)在生活中的應(yīng)用，感悟數(shù)據(jù)的魅力，理解數(shù)據(jù)保護的意義，樹立生態(tài)環(huán)境保護意識。

3.項目活動實施

（1）子項目一：校園土壤數(shù)據(jù)采集。首先，我們以問題“常用的數(shù)據(jù)采集方法有哪些”“如何采集校園土壤數(shù)據(jù)”，引領(lǐng)學(xué)生開展校園土壤數(shù)據(jù)采集活動。學(xué)生通過觀看微視頻，了解一些常用的數(shù)據(jù)采集方法，包括傳感數(shù)據(jù)采集、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、問卷調(diào)查采集以及企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)采集等。其次，我們組織學(xué)生借助校園物聯(lián)設(shè)備，以小組形式探討數(shù)據(jù)采集方法。對此，教師為學(xué)生提供了豐富的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源，包括傳感數(shù)據(jù)采集的物聯(lián)設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的學(xué)習(xí)手冊。學(xué)生以小組為單位，利用土壤濕度傳感器采集土壤濕度數(shù)據(jù)，并學(xué)習(xí)通過互聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的方法，了解如何獲取土壤環(huán)境保護的相關(guān)網(wǎng)頁數(shù)據(jù)，解析網(wǎng)頁數(shù)據(jù)和保存數(shù)據(jù)，由此體驗傳感數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集過程。最后，學(xué)生結(jié)合采集過程體會哪些數(shù)據(jù)屬于安全防護的重要數(shù)據(jù)，并結(jié)合生活經(jīng)驗，交流生活中對數(shù)據(jù)進行安全防護的措施，樹立數(shù)據(jù)安全意識。

（2）子項目二：校園土壤數(shù)據(jù)預(yù)處理。這項活動要探究的問題是：數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法有哪些，如何利用Python語言處理校園土壤數(shù)據(jù)中的重復(fù)值、缺失值和異常值？我們先讓學(xué)生考察采集校園土壤數(shù)據(jù)，據(jù)此交流討論，以引出數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法。為幫助學(xué)生進行自主探究，教師可提供“數(shù)據(jù)重復(fù)值處理”“數(shù)據(jù)缺失值處理”“數(shù)據(jù)異常值處理”三個微視頻。再提示學(xué)生借助數(shù)字化學(xué)習(xí)資源，使用Python語言進行土壤數(shù)據(jù)的預(yù)處理，以備后續(xù)數(shù)據(jù)分析之需。同時，引導(dǎo)學(xué)生用isnull（ ）函數(shù)識別缺失值，或notnull（ ）函數(shù)識別非缺失值，并使用dropna（ ）函數(shù)處理校園土壤數(shù)據(jù)中的缺失值，同時儲存數(shù)據(jù)以備進一步分析。在此過程中，學(xué)生分成小組討論數(shù)據(jù)異常值的處理方法，嘗試采用刪除異常數(shù)據(jù)、以平均值修正異常數(shù)據(jù)、或?qū)惓Ｖ狄暈槿笔е挡⒉捎萌笔е档奶幚矸椒▉磉M行數(shù)據(jù)預(yù)處理，從而整理與清洗數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和可視化表達(dá)提供更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

（3）子項目三：校園土壤數(shù)據(jù)分析。這項活動要探究的問題是：常用的數(shù)據(jù)分析方法與分析工具有哪些；通過觀察，可發(fā)現(xiàn)校園土壤的濕度主要與哪些因素有關(guān)；對一個影響校園土壤濕度的因素進行數(shù)據(jù)分析，選擇它的理由是什么；如何利用Python語言統(tǒng)計2023年校園7—8月土壤濕度小于或等于20%的天數(shù)？教師為學(xué)生提供的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源主要是微視頻和學(xué)習(xí)手冊。學(xué)生通過觀看微視頻，可以了解常用的數(shù)據(jù)分析方法與分析工具；通過觀察校園土壤數(shù)據(jù)，可以分析土壤濕度與其他因素之間的關(guān)系。同時，學(xué)生可以選擇一個因素進行深入研究，并解釋選擇該因素的理由。正式進入數(shù)據(jù)分析階段后，學(xué)生使用Python語言來篩選出所需數(shù)據(jù)，并通過pandas庫中的value_counts（ ）函數(shù)統(tǒng)計相應(yīng)頻數(shù)，以及使用numpy庫中的sum（ ）函數(shù)進行頻數(shù)求和，從而編程實現(xiàn)統(tǒng)計2023年校園7—8月土壤濕度小于或等于20%的天數(shù)。

這一校園土壤數(shù)據(jù)分析活動，不僅有利于促使學(xué)生掌握數(shù)據(jù)分析的方法，還有助于加深學(xué)生對學(xué)校生態(tài)系統(tǒng)的理解；通過深入研究土壤濕度與生態(tài)因素之間的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生對生態(tài)環(huán)保的興趣，鼓勵學(xué)生積極參與生態(tài)環(huán)境的保護工作。

（4）子項目四：校園土壤數(shù)據(jù)可視化。這項活動要探究的問題是：數(shù)據(jù)可視化的基本工具有哪些；Python語言中常用的數(shù)據(jù)可視化圖表有哪些，分別適用于什么樣的場景；選擇一個影響校園土壤濕度的主要因素，如何對它進行數(shù)據(jù)可視化處理，試用Python語言對校園土壤數(shù)據(jù)進行合理的數(shù)據(jù)分析與可視化呈現(xiàn)。首先，學(xué)生可利用微視頻和學(xué)習(xí)手冊，探究數(shù)據(jù)可視化的基本工具，通過觀看微視頻獲得數(shù)據(jù)可視化的基礎(chǔ)知識，理解數(shù)據(jù)可視化的作用，為探究如何將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有意義的可視化呈現(xiàn)做鋪墊。其次，學(xué)生借助數(shù)字化學(xué)習(xí)手冊，深入學(xué)習(xí)Python語言中常用的數(shù)據(jù)可視化圖表及其適用場景，即折線圖適用于趨勢分析，散點圖適用于關(guān)聯(lián)關(guān)系的發(fā)現(xiàn)，柱狀圖適用于對比不同類別的數(shù)據(jù)，餅圖適用于展示比例關(guān)系，而箱形圖則有助于檢測異常值。此外，學(xué)生還可學(xué)到如何使用Python語言的matplotlib庫的pyplot子庫中的相應(yīng)函數(shù)，創(chuàng)建可視化圖表。掌握這些知識有助于學(xué)生分析數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，選擇合適的圖表類型進行數(shù)據(jù)可視化表達(dá)。最后是學(xué)以致用，學(xué)生選擇一個影響校園土壤濕度的主要因素，探究怎樣運用Python語言進行數(shù)據(jù)可視化表達(dá)。通過深入分析土壤濕度與其他生態(tài)因素之間的關(guān)系，學(xué)生能夠更好地理解數(shù)據(jù)的意義與價值，更準(zhǔn)確地傳達(dá)數(shù)據(jù)信息，從而提高利用信息技術(shù)解決問題的能力。

項目評價

項目評價是項目化學(xué)習(xí)不可或缺的組成部分，是對學(xué)生項目化學(xué)習(xí)效果的檢驗，也是學(xué)生之間相互學(xué)習(xí)的過程。項目評價依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，基于學(xué)科整合，聚焦學(xué)科核心素養(yǎng)，在真實情境中，將項目化學(xué)習(xí)的基本要素融入測評活動，讓學(xué)生在合作、探究、反思中，以計算機科學(xué)領(lǐng)域的思想方法發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題，形成這一類問題的解決方案，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。

“生態(tài)校園土壤數(shù)據(jù)處理”這一項目，筆者從信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)入手，設(shè)計了本項目的評價量規(guī)表（表1）。

成效思考

1.關(guān)注立德樹人，構(gòu)建數(shù)字化育人場景

普通高中課程方案指出，立德樹人是課程設(shè)計的指導(dǎo)思想，課程設(shè)計要充分挖掘?qū)W科內(nèi)容中的思想、文化內(nèi)涵和育人因素。本項目以立德樹人為核心，以生態(tài)教育為切入點，將學(xué)生的學(xué)習(xí)與校園環(huán)境有機結(jié)合；通過探討“如何更好地培育校園植物生長”這一核心問題，將項目分為生態(tài)校園土壤數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)可視化四個子項目的育人場景，學(xué)生不僅獲得了數(shù)據(jù)處理的相關(guān)知識與技能，而且還親自體驗了項目的探究過程。這有助于激發(fā)學(xué)生對自然環(huán)境的保護意識，使他們認(rèn)識到數(shù)據(jù)的真正意義與價值。

2.聚焦核心素養(yǎng)，創(chuàng)設(shè)數(shù)字化學(xué)習(xí)活動

信息技術(shù)課程強調(diào)培育以學(xué)習(xí)為中心的教與學(xué)關(guān)系，在問題解決過程中提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。本項目聚焦信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)，依托物語云智慧生態(tài)教育學(xué)習(xí)平臺，創(chuàng)設(shè)了“傳感數(shù)據(jù)采集”“互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集”“土壤數(shù)據(jù)預(yù)處理”“土壤數(shù)據(jù)分析與可視化”等一系列的數(shù)字化學(xué)習(xí)活動，促進學(xué)生增強信息意識、發(fā)展計算思維、提高數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力、樹立正確的信息社會價值觀和責(zé)任感。

通過這一綜合性項目，學(xué)科教學(xué)落實了立德樹人根本任務(wù)，有效培育了學(xué)生的核心素養(yǎng)，為學(xué)生提供了豐富的數(shù)字化學(xué)習(xí)體驗。

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.