基于問題解決的高中信息技術(shù)課程教學(xué)設(shè)計(jì)

“數(shù)據(jù)處理與問題解決”是人民教育出版社與中國地圖出版社聯(lián)合出版的高中信息技術(shù)必修1第3章的內(nèi)容，旨在通過實(shí)際案例，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用信息技術(shù)手段解決實(shí)際問題的能力，特別是在數(shù)據(jù)收集、整理、分析及呈現(xiàn)等方面的技能，同時(shí)促進(jìn)學(xué)生邏輯思維、創(chuàng)新思維及團(tuán)隊(duì)合作能力的提升。

一、教學(xué)目標(biāo)

1.信息意識(shí)：增強(qiáng)學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)的敏感度，能夠識(shí)別生活中需要數(shù)據(jù)處理的問題，理解數(shù)據(jù)在決策中的支撐作用。

2.數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新：掌握數(shù)據(jù)處理的基本方法和技術(shù)，包括使用軟件工具（如Excel、Python等）進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、分析，并能創(chuàng)造性地運(yùn)用數(shù)據(jù)分析結(jié)果解決實(shí)際問題。

3.信息社會(huì)責(zé)任：在數(shù)據(jù)處理過程中，培養(yǎng)學(xué)生尊重?cái)?shù)據(jù)隱私、確保數(shù)據(jù)安全的意識(shí)，以及負(fù)責(zé)任地使用和分享數(shù)據(jù)的道德觀念。

4.問題解決：通過小組合作，經(jīng)歷從問題識(shí)別、方案設(shè)計(jì)、實(shí)施操作到成果展示的全過程，提升跨學(xué)科整合能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

二、教學(xué)內(nèi)容

1.數(shù)據(jù)收集：介紹不同數(shù)據(jù)來源，如網(wǎng)絡(luò)調(diào)查、傳感器收集等，以及如何有效收集數(shù)據(jù)。

2.數(shù)據(jù)清洗：學(xué)習(xí)識(shí)別并處理數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤、重復(fù)、缺失值等問題。

3.數(shù)據(jù)分析：掌握基本的數(shù)據(jù)分析方法，如統(tǒng)計(jì)描述、圖表展示、趨勢(shì)預(yù)測(cè)等。

4.問題解決應(yīng)用：選取一個(gè)貼近學(xué)生生活的實(shí)際問題，如校園餐飲滿意度調(diào)查、學(xué)生成績(jī)分析等，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理實(shí)踐。

三、教學(xué)過程

（一）情境導(dǎo)入

上課鈴聲響起，學(xué)生陸續(xù)走進(jìn)信息技術(shù)教室，臉上帶著對(duì)新知識(shí)的期待。教室的大屏幕上，滾動(dòng)播放著一系列與數(shù)據(jù)相關(guān)的圖片：從繁忙的電商后臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)控，到科研人員對(duì)氣象數(shù)據(jù)的精密分析，再到城市規(guī)劃者依據(jù)人口流動(dòng)數(shù)據(jù)制定策略……畫面最后定格在一張校園生活的照片上，配以文字：“在我們的日常學(xué)習(xí)生活中，數(shù)據(jù)無處不在，它們是如何被收集、處理，并幫助我們做出更好決策的呢？”

教師站在講臺(tái)前，面帶微笑，環(huán)視全班，緩緩開口：“同學(xué)們有沒有想過，每天我們刷的社交媒體、做的在線測(cè)試甚至是我們校園里的一餐一飯，背后都離不開數(shù)據(jù)的支撐。今天，我們就來一起探索數(shù)據(jù)的奧秘，看看它是如何在我們的生活中發(fā)揮重要作用的。”

教師：誰能舉一個(gè)自己生活中遇到的數(shù)據(jù)應(yīng)用的例子呢？

學(xué)生A（興奮地舉手）：老師，我知道！我每次在網(wǎng)上購物后，平臺(tái)都會(huì)給我推薦我可能喜歡的商品，這就是根據(jù)我的瀏覽和購買數(shù)據(jù)來的吧！

教師（點(diǎn)頭贊許）：非常好，你提到的個(gè)性化推薦，正是大數(shù)據(jù)分析在我們?nèi)粘Ｉ钪械囊粋€(gè)典型應(yīng)用。那么，這個(gè)過程大致是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？

學(xué)生B（思考后回答）：應(yīng)該是先收集我們的瀏覽記錄、購買記錄數(shù)據(jù)，然后分析我們的喜好，最后給我們推薦相似的東西。

教師（微笑）：你的回答很到位。確實(shí)，從數(shù)據(jù)收集到分析，再到應(yīng)用，這是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)處理流程。但在這個(gè)過程中，我們還需要考慮數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、安全性，以及如何在海量數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的信息。今天，我們就以“校園餐飲滿意度調(diào)查”為例，一起動(dòng)手實(shí)踐這個(gè)流程，看看我們能否通過數(shù)據(jù)處理找到提升校園餐飲服務(wù)的方法。

教師切換大屏幕，展示一份校園餐飲調(diào)查問卷的樣本，并解釋：假設(shè)我們是學(xué)校后勤管理部門，想要了解同學(xué)們對(duì)食堂的滿意度，以便做出改進(jìn)。首先，我們需要設(shè)計(jì)問卷，收集數(shù)據(jù)。但收集到的數(shù)據(jù)往往是雜亂無章的，這就需要我們進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，去除無效信息，修正錯(cuò)誤。其次，我們會(huì)運(yùn)用數(shù)據(jù)分析工具，如Excel或Python來統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)的得分，分析哪些菜品受歡迎，哪些時(shí)段人流密集等。最后，根據(jù)分析結(jié)果，我們可以提出具體的改進(jìn)建議。這個(gè)過程，就是我們將要在本節(jié)課中深入學(xué)習(xí)的“數(shù)據(jù)處理與問題解決”。

（二）任務(wù)驅(qū)動(dòng)

在情境導(dǎo)入后，學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)處理的興趣已被充分激發(fā)，教室里彌漫著一種躍躍欲試的氛圍。教師站在講臺(tái)上，準(zhǔn)備將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐操作，通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式，讓學(xué)生親身體驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的全過程。

教師清了清嗓子，說道：同學(xué)們，現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了數(shù)據(jù)處理的基本流程，接下來，我們將以“校園餐飲滿意度調(diào)查”為例，進(jìn)行一場(chǎng)實(shí)戰(zhàn)演練。我們的目標(biāo)是通過數(shù)據(jù)處理找出提升校園餐飲服務(wù)的關(guān)鍵點(diǎn)。為此，我將大家分為四個(gè)小組，每組負(fù)責(zé)一個(gè)具體環(huán)節(jié)：數(shù)據(jù)收集組、數(shù)據(jù)清洗組、數(shù)據(jù)分析組和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)組。每個(gè)小組都將扮演不可或缺的角色，共同完成任務(wù)。

隨著教師的指令，學(xué)生迅速行動(dòng)起來，按照興趣和能力自行分組。教室里頓時(shí)熱鬧起來，各組開始熱烈討論各自的任務(wù)細(xì)節(jié)。

教師（走向數(shù)據(jù)收集組）：數(shù)據(jù)收集組的同學(xué)們，你們計(jì)劃如何收集數(shù)據(jù)？有沒有考慮過樣本的代表性和數(shù)量？

學(xué)生C（數(shù)據(jù)收集組組長）：我們打算設(shè)計(jì)一份在線問卷，通過學(xué)校平臺(tái)發(fā)送給全校師生。為了確保樣本的代表性，我們會(huì)盡量覆蓋不同年級(jí)、性別和飲食習(xí)慣的學(xué)生。

教師（點(diǎn)頭）：很好，記得在設(shè)計(jì)問卷時(shí)，問題要具體、清晰，避免引導(dǎo)性提問，這樣才能收集到更真實(shí)、客觀的數(shù)據(jù)。另外，你們打算如何確保問卷的回收率和有效性？

學(xué)生D（補(bǔ)充）：我們打算設(shè)置一些小獎(jiǎng)勵(lì)（如參與抽獎(jiǎng)），來提高大家的參與熱情。同時(shí)，我們會(huì)在問卷結(jié)束后設(shè)置一些篩選問題，如“你是否認(rèn)真閱讀了以上問題”，來排除隨意填寫的問卷。

教師（贊許）：非常棒！記住，數(shù)據(jù)收集是數(shù)據(jù)處理的第一步，也是至關(guān)重要的一步。

教師（轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)清洗組）：數(shù)據(jù)清洗組的同學(xué)們，你們將面對(duì)的是大量原始數(shù)據(jù)，可能會(huì)遇到各種數(shù)據(jù)問題，如缺失值、異常值等。你們打算如何處理這些問題？

學(xué)生E（數(shù)據(jù)清洗組組長）：我們計(jì)劃先使用Excel的篩選功能，找出并處理缺失值和異常值。對(duì)于缺失值，如果數(shù)量不多，我們考慮用平均值或中位數(shù)填充；對(duì)于異常值，我們會(huì)根據(jù)具體情況決定是刪除還是修正。

教師（提醒）：很好，但記得在清洗數(shù)據(jù)前，要先備份原始數(shù)據(jù)，以防萬一。另外，對(duì)于異常值，大家一定要謹(jǐn)慎處理，有時(shí)候它們可能隱藏著重要的信息。

教師（接著走向數(shù)據(jù)分析組和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)組）：數(shù)據(jù)分析組的同學(xué)們，你們將負(fù)責(zé)從清洗后的數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的信息，如哪些菜品最受歡迎，哪些時(shí)段食堂最擁擠等。而數(shù)據(jù)呈現(xiàn)組則需要將這些信息以直觀、易懂的方式呈現(xiàn)出來。你們有什么計(jì)劃嗎？

學(xué)生F（數(shù)據(jù)分析組組長）：我們打算使用Excel的數(shù)據(jù)透視表功能，對(duì)問卷結(jié)果進(jìn)行分類匯總，找出關(guān)鍵指標(biāo)。同時(shí)，我們還想嘗試用Python進(jìn)行更深入的數(shù)據(jù)分析，如通過聚類分析找出不同群體的飲食偏好。

學(xué)生G（數(shù)據(jù)呈現(xiàn)組組長）：至于呈現(xiàn)，我們計(jì)劃用圖表來展示分析結(jié)果，如柱狀圖展示菜品受歡迎程度，折線圖展示不同時(shí)段的食堂人流量。我們還會(huì)用PPT制作一份詳細(xì)的報(bào)告，方便向?qū)W校后勤管理部門匯報(bào)。

（三）講練結(jié)合

在明確了各自的任務(wù)后，學(xué)生躍躍欲試，準(zhǔn)備投入數(shù)據(jù)處理的實(shí)際操作中。教師則適時(shí)地調(diào)整教學(xué)策略，采用講練結(jié)合的方式，一邊講解數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)和方法，一邊引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，確保理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合。

教師（站在講臺(tái)前，打開投影儀）：同學(xué)們，數(shù)據(jù)清洗是數(shù)據(jù)處理中非常關(guān)鍵的一步。在開始操作之前，我們先來復(fù)習(xí)一下數(shù)據(jù)清洗的基本技巧。首先，我們要識(shí)別并處理數(shù)據(jù)中的缺失值。誰還記得處理缺失值的幾種方法？

學(xué)生H（舉手回答）：可以用刪除法去掉含有缺失值的記錄，或者用均值、中位數(shù)、眾數(shù)等填充缺失值，還可以根據(jù)算法預(yù)測(cè)缺失值。

教師（點(diǎn)頭）：很好，你總結(jié)得很全面。在實(shí)際操作中，我們要根據(jù)數(shù)據(jù)的性質(zhì)和缺失值的比例來選擇最合適的方法。接下來，我們看一個(gè)具體的例子……

教師打開Excel，展示一份包含缺失值的模擬數(shù)據(jù)集，并詳細(xì)演示如何使用Excel的“查找和替換”、數(shù)據(jù)篩選以及條件格式等功能來識(shí)別和處理缺失值。同時(shí)，教師還強(qiáng)調(diào)了數(shù)據(jù)備份的重要性，以防在清洗過程中誤刪重要信息。

教師（轉(zhuǎn)向?qū)W生）：現(xiàn)在，輪到你們上場(chǎng)了。數(shù)據(jù)清洗組的同學(xué)們，請(qǐng)打開你們電腦上的數(shù)據(jù)集，嘗試用我們剛才講到的方法，對(duì)這份數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗。記住，每做一步操作前，都要先思考它的目的和影響。

學(xué)生立刻行動(dòng)起來，教室里響起了鍵盤敲擊聲。教師則在各組之間巡回指導(dǎo)，解答疑問，糾正錯(cuò)誤。

教師（走到數(shù)據(jù)清洗組的一名學(xué)生旁邊，看到他在處理一個(gè)復(fù)雜的缺失值問題）：××同學(xué)，你這里遇到了什么困難嗎？

學(xué)生I（皺眉）：老師，這個(gè)數(shù)據(jù)集里的缺失值很多，而且分布不規(guī)律，我不知道該用哪種方法填充比較好。

教師（耐心指導(dǎo)）：遇到這種情況，我們可以先分析一下缺失值產(chǎn)生的原因。如果是因?yàn)槟承┯涗浳赐耆顚?，那么用平均值或中位?shù)填充可能是合理的。但如果缺失值是由于某種特定原因（如設(shè)備故障）導(dǎo)致的，那么填充可能就不合適了，我們需要考慮刪除這些記錄或者使用更復(fù)雜的方法來處理。你可以試著分析一下這份數(shù)據(jù)，看看缺失值是否有明顯的規(guī)律或模式。

學(xué)生I（若有所思）：哦，我明白了，我先分析一下缺失值的分布情況。

在學(xué)生忙碌的同時(shí)，教師繼續(xù)為數(shù)據(jù)分析組的學(xué)生講解數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)知識(shí)，包括如何使用Excel的數(shù)據(jù)透視表、圖表功能，以及如何用Python進(jìn)行基本的數(shù)據(jù)分析。教師通過實(shí)例演示，讓學(xué)生直觀地理解數(shù)據(jù)分析的步驟和方法。

教師（鼓勵(lì)數(shù)據(jù)分析組的學(xué)生）：現(xiàn)在，輪到你們上場(chǎng)了。請(qǐng)打開你們的數(shù)據(jù)集，嘗試用我們剛才講到的方法分析這份數(shù)據(jù)。記住，數(shù)據(jù)分析的目的是發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的規(guī)律和趨勢(shì)，為決策提供依據(jù)。

數(shù)據(jù)分析組的學(xué)生迅速投入工作中，他們或操作Excel，或編寫Python代碼。教室里充滿了專注和探索的氛圍。教師則在一旁觀察，適時(shí)給予指導(dǎo)和鼓勵(lì)。

教師（走到數(shù)據(jù)分析組的一名學(xué)生旁邊，看到他正在嘗試用Python進(jìn)行數(shù)據(jù)分析）：××同學(xué)，你的進(jìn)展如何？有沒有遇到什么問題？

學(xué)生J（興奮地展示屏幕）：老師，我用Python的pandas庫成功加載了數(shù)據(jù)，并且用groupby函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分組統(tǒng)計(jì)。但是，我想進(jìn)一步分析不同年級(jí)學(xué)生的飲食偏好差異，不知道該怎么做。

教師（微笑）：很好，你已經(jīng)掌握了pandas的基本操作。接下來，你可以嘗試用pivot_table函數(shù)來創(chuàng)建透視表，以年級(jí)為行索引、菜品為列索引，統(tǒng)計(jì)每個(gè)年級(jí)對(duì)每種菜品的喜好程度。這樣，你就能直觀地看到不同年級(jí)學(xué)生的飲食偏好了。

學(xué)生J（眼睛一亮）：哇，這么簡(jiǎn)單！我馬上試試！

（四）合作探究

隨著數(shù)據(jù)清洗和初步分析的完成，各小組開始進(jìn)入合作探究階段。教室里，學(xué)生圍坐在一起，或熱烈討論，或埋頭苦干，空氣中彌漫著濃厚的學(xué)術(shù)氛圍。教師則穿梭于各組之間，既是引導(dǎo)者，又是參與者，鼓勵(lì)學(xué)生相互學(xué)習(xí)，共同解決問題。

數(shù)據(jù)呈現(xiàn)組的學(xué)生正圍坐在大屏幕前，屏幕上展示著他們初步制作的數(shù)據(jù)分析報(bào)告。報(bào)告中，雖然數(shù)據(jù)圖表齊全，但整體布局略顯雜亂，信息傳達(dá)不夠清晰。

教師（走到數(shù)據(jù)呈現(xiàn)組旁邊，仔細(xì)觀察屏幕）：你們的數(shù)據(jù)分析報(bào)告已經(jīng)很有雛形了，但還有改進(jìn)的空間。比如，這個(gè)圖表和旁邊的文字說明有點(diǎn)擠，閱讀起來可能會(huì)感到吃力。你們能不能試著調(diào)整一下布局，讓報(bào)告更加整潔、易讀？

學(xué)生K（數(shù)據(jù)呈現(xiàn)組組長，皺眉思考）：老師，我們確實(shí)注意到了這個(gè)問題，但不知道該怎么調(diào)整。您能給我們一些建議嗎？

教師（微笑）：當(dāng)然可以。首先，你們可以嘗試將圖表和文字說明分開，每個(gè)圖表下方或旁邊留出足夠的空間來放置說明。其次，可以考慮使用不同大小或顏色的字體來區(qū)分標(biāo)題、正文和注釋，這樣讀者就能更快地抓住重點(diǎn)。最后，不要忘了檢查報(bào)告的邏輯結(jié)構(gòu)，確保信息的流暢傳遞。

學(xué)生L（數(shù)據(jù)呈現(xiàn)組成員，靈機(jī)一動(dòng)）：老師，我們可不可以用PPT的“母版”功能來統(tǒng)一設(shè)置幻燈片的布局和樣式？這樣既能保持整體風(fēng)格的一致性，又能提高工作效率。

教師（贊許）：非常好的主意！使用母版確實(shí)可以大大提高報(bào)告的專業(yè)性和美觀度。你們可以嘗試一下，看看效果如何。

數(shù)據(jù)呈現(xiàn)組的學(xué)生立刻行動(dòng)起來，他們分工合作，有的調(diào)整圖表布局，有的修改字體樣式，有的負(fù)責(zé)整體邏輯的梳理。不一會(huì)兒，一份更加整潔、易讀的數(shù)據(jù)分析報(bào)告就呈現(xiàn)在大屏幕上。

教師（環(huán)視全班）：同學(xué)們，數(shù)據(jù)處理是一個(gè)團(tuán)隊(duì)工作，不同小組之間需要密切合作，才能共同完成任務(wù)?，F(xiàn)在，我想邀請(qǐng)數(shù)據(jù)清洗組和分析組的學(xué)生來分享一下你們的成果，看看能否讓數(shù)據(jù)呈現(xiàn)組的學(xué)生從中獲得新的靈感。

數(shù)據(jù)清洗組和分析組的代表分別上臺(tái)詳細(xì)介紹了自己在數(shù)據(jù)清洗和分析過程中遇到的挑戰(zhàn)、采取的方法以及得到的結(jié)論。數(shù)據(jù)呈現(xiàn)組的學(xué)生聽得津津有味，不時(shí)點(diǎn)頭贊同或提出疑問。

學(xué)生M（數(shù)據(jù)呈現(xiàn)組成員，提問）：在分析組的報(bào)告中，我看到你們用聚類分析找出了不同群體的飲食偏好。我們能不能在報(bào)告中也加入這部分內(nèi)容，用圖表展示出來？

學(xué)生N（分析組成員，回應(yīng)）：當(dāng)然可以！我們可以提供聚類分析的結(jié)果和數(shù)據(jù)，你們可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)制作圖表，這樣報(bào)告就會(huì)更加豐富和全面。

教師（總結(jié)發(fā)言）：同學(xué)們今天的合作表現(xiàn)得非常出色！通過跨組交流，你們不僅分享了自己的成果，還從他人身上學(xué)到了新知識(shí)，這就是合作探究的魅力所在。記住，數(shù)據(jù)處理是一個(gè)復(fù)雜而龐大的任務(wù)，需要不同技能和知識(shí)的融合。大家只有開放心態(tài)、相互學(xué)習(xí)，才能不斷突破自我，創(chuàng)造出更大的價(jià)值。

四、總結(jié)與展望

本節(jié)課通過“數(shù)據(jù)處理與問題解決”的教學(xué)實(shí)踐，不僅讓學(xué)生掌握了數(shù)據(jù)處理的基本技能，更重要的是培養(yǎng)了他們?cè)谛畔r(shí)代下的問題解決能力和創(chuàng)新思維。未來教學(xué)中，我將進(jìn)一步探索更多與生活實(shí)際相結(jié)合的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，不斷培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)和綜合能力，為他們的終身學(xué)習(xí)和未來發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（作者單位：甘肅省慶陽市寧縣第一中學(xué)）

編輯：趙文靜