信息科技跨学科学习项目的科学设计与有效实施——以“古桥健康监测系统设计”为例.pdf

36|信息科技跨学科学习项目的科学设计与有效实施数字课堂 跨学科学习是一种新兴的学习理念和课程形态。为发展学生的跨学科思维，我国在义务教育课程体系中系统设置了跨学科学习。义务教育课程方案（2022 年版）明确提出“要开展跨学科主题教学，强化课程协同育人功能”。义务教育信息科技课程标准（2022 年版）（以下简称“课标”）提出要“设立跨学科主题学习活动，加强学科间相互关联”1，并且在每个学段的最后部分均设置跨学科主题学习活动。跨学科学习具有情境真实、多学科融合、问题解决等特征2。学生参与跨学科学习活动，学会用多学科的视角去分析问题，并综合运用多学科的知识和技能解决问题，可以提高他们解决真实世界中的复杂问题的能力。教师设计跨学科学习项目面临着一些挑战，需要整合不同的学科，要考虑的因素很多。基于此，笔者提出了跨学科学习项目设计要领，设计了“古桥健康监测系统设计”跨学科学习项目，并面向无锡市某中学八年级学生开展教学实践，期望通过这一实践与研究，为教师设计跨学科学习项目提供参考。一、跨学科学习项目的设计要领对于如何科学设计跨学科学习项目，笔者从学科知识和能力目标、任务设置、学习支架、项目流程和项目评价方面进行分析和总结。（一）设计知识和能力目标跨学科学习是基于学科学习展开的一种活动，最终要回到学科本身。教师要加深学生对学科知识的理解，对于跨学科学习项目中涉及的各学科知识和能力目标要科学呈现。因此，教师要以“古桥健康监测系统设计”为例信息科技跨学科学习项目的科学设计与有效实施文|孔丽丽 明确项目涵盖的各个学科概念，设计项目涉及的各学科的知识与能力目标。（二）将问题转化为表现性的阶段任务真实情境往往呈现的是需要解决的跨学科问题。学生在面对真实问题时，可能没有头绪，或者思考不全面。教师应分解问题，即把一个大问题转化成一个个阶段性任务，并且是需要通过设计或实践后有“实体”呈现的表现性任务3，让学生通过完成阶段性任务逐步实现项目目标。（三）持续提供必要的学习支架在项目设计阶段，教师要根据其对教学的设想，为学生提供一些预设的学习支架，比如团队合作计划、项目进度表、设计手册、拓展资料、微视频等。除此之外，在项目活动过程中，有些学生在完成某些任务时可能遇到教师不曾考虑到的难题并产生疑惑。教师要对学生可能遇到的困难保持警惕，并及时提供相应的学习支架。（四）优化流程支持学生跨学科探究 项目式学习大体分为四个阶段：引入、建构知识和技能、完成作品、呈现作品4。跨学科学习和项目式学习都是面向问题解决的，因此，教师宜围绕“发现问题分析问题解决问题”的探究过程，基于项目式学习流程设计跨学科学习项目的流程（如图 1）。笔者将教学流程分为五个环节：（1）教师借助多媒体等手段，创设真实的问题情境，引入项目主题；（2）学生通过实地考察、上网搜索等手段进行调查分析，确定项目的关键问题；（3）学生分组讨论，在教师的指导下，设计解决问题的方案；（4）小组合作，制作实体作品，解决问题；（5）学生展示本小组作品，2024 年第 1 期 中小学数字化教学|37数字课堂开展自评、互评，并接受教师评价，反思改进。心知识和能力目标指所跨学科各自的核心知识与能力，解决项目问题涉及的学科包括信息科技、工程、美术和数学。笔者对各学科的知识和技能目标做了明确的说明（见表 1），兼顾对学生的高阶思维的培养。通用能力包括合作交流能力、动手实践能力和创新创造力。价值观目标为培养学生保护历史文化遗产的社会责任意识。图 1 跨学科学习项目流程（五）项目评价应多维度、可持续 教师评价学生应是持续的，既要有贯穿项目活动全过程的过程评价，给学生提供及时的反馈，指引后续行动，又要有总结评价，检验学生是否达成特定的学习目标。教师对学生的评价应该是多维度的：有对学生在小组合作中的表现的自我评价和同伴反馈，也有对小组合作过程（包括展示交流）的学生自我反思和教师评价，还有对小组作品的自我评价和他人评价。教师实施持续性、多维度的项目评价，给学生提供多方面的反馈，有利于促进学生深度学习，帮助学生达成目标。二、跨学科学习项目的教学准备（一）确定主题初中阶段处于课标描述的第四学段，内容模块涉及互联网、物联网和人工智能相关知识与技能。在跨学科主题方面，初中信息科技教学偏向于互联智能设计。课标倡导真实性学习理念，注重创设真实情境。为了激发学生的探究欲和学习兴趣，笔者选择学生比较熟悉的无锡本地的著名景点也是文化遗产清名桥，唤起学生关注和保护本地文化遗产的责任意识。笔者借此引导学生综合运用信息科技、工程、美术、数学等知识，借助物联网手段设计制作一个古桥健康监测系统，守护清名桥的“健康”。基于以上分析，笔者确定了“古桥健康监测系统设计”主题，将保护传统文化遗产和学校课程结合，开展基于真实问题的跨学科主题学习。（二）分析目标跨学科项目学习目标包括学科核心知识和能力、通用能力及价值观三个方面。其中，学科核表 1“古桥健康监测系统设计”项目的学科核心知识和能力目标学科类别知识目标能力目标信息科技掌握基本的程序结构；理解常见的物联网系统的一般组成；分析各个电子模块是如何收集信息、传递信息和处理信息的针对现实问题能评估并优选传感器和执行器；会针对需要解决的问题，对电子模块编写对应的程序，探索使用物联网中数据收集、处理、反馈控制等基本功能；会使用 3D 建模软件设计桥的模型工程（通用技术）能够根据现实中的古桥外形，按比例设计出桥的模型；理解拼插结构，会利用拼插结构的设计规则会利用拼插件组装古桥模型；会正确连接各电子模块，搭建功能系统；能够根据现实情况评估确定电子模块安装的位置美术知道古桥的类型和结构会对桥的美观性进行评价数学会进行数字运算和比例计算在设计古桥模型时，会精确计算每块拼插件的尺寸、拼插结构的位置三、跨学科学习项目的教学实践（一）项目设计与实施“古桥健康监测系统设计”是笔者基于信息科技学科“物联网实践与探索”这一核心教学模块设计的跨学科学习项目，适合八年级教学（计划 6 课时）。围绕“如何守护清名桥的健康”这一真实的复杂问题，学生通过网络搜索、调查、访谈等手段确定清名桥面临的问题；分组合作探究，应用多门学科的知识和技能，设计古桥健康监测系统；编写程序，连接电子模块，实现系统功能；设计并搭建清名桥模型，将其作为电子模块的实际载体，安装电子模块到模型中构建该系统实体，提出解决问题的具体方案。下面阐述具38|信息科技跨学科学习项目的科学设计与有效实施数字课堂体的项目实施过程。1.创设真实情境学生观看中国十大古桥视频，了解我国有名的古桥，认知古桥的价值。笔者首先出示一些古桥遭到自然或人为破坏的案例，让学生认识到保护古桥的紧迫性；然后呈现清名桥桥碑上的文字，展示清名桥的图片，加深学生对清名桥的认识，激发他们保护清名桥的欲望。“有着四百多年历史的清名桥，它现在面临着什么健康问题呢？我们又该如何利用知识来守护清名桥的健康呢？”由此引入项目主题：设计古桥健康监测系统，守护清名桥的“健康”。笔者编写了古桥健康监测系统设计手册，这是提供给学生的第一个，也是贯穿整个项目活动的脚手架。笔者带领学生浏览手册，让学生了解全景，明确阶段性的任务、截止时间及最终需要呈现的成果。学生根据项目流程进行小组内分工，填写项目进度表（见表 2），为后续学习做准备。从表 2 可以看出，每个阶段性任务都是具体的、有成果呈现的表现性任务。2.确定关键问题清名桥到底面临哪些问题，需要学生实地调研，并对问题进行分析与分解，确定关键问题。学生以小组为单位，实地考察清名桥，对周围的居民进行调查，并且上网查找古石桥常见的问题。学生通过多渠道搜集，在设计手册上记录清名桥的现存问题。汇集问题之后，小组内讨论解决这些问题的可行性，对信息数据进行整理。各小组汇总发现的问题后，师生共同对问题进行归类，确定了三类问题：环境信息、桥身状况、人为破坏。3.设计解决问题的方案项目总任务是设计并制作古桥健康监测系统。监测系统应能实时有效采集清名桥的状态信息并作出相应行动，守护清名桥的“健康”。学生应根据清名桥的结构及面临的问题，结合现实情况，选择合适的传感器收集信息，并选择合适的执行器传达给相关监管人员或者直接作出反应，防止发生问题或造成不良后果。笔者提供给学生一些关于“现代桥梁保护所用的高科技方法”的资料，学生对调研中发现的问题进行分析，参考类似的保护方法，寻找并选定合适的传感器和执行器，然后填写在设计手册上。针对学生在活动中可能用到传感器等工具的情况，笔者提供了相关的文字和视频资料。学生利用自己的知识储备学习传感器等工具的用法。随后，学生规划电子模块的安装位置，并在设计手册上的古桥图片上标出，然后进行小组分享。师生一起探讨各组设计的系统的合理性。学生参考教师和同学的建议，对原来的设计进行修改。4.方案的实施与改进小组成员分工合作，搭建古桥健康监测系统。其中两名学生负责利用 MakerBrush 软件设计古桥模型（如图 2），并使用激光切割机进行打磨。另两名学生负责使用 xDing 编程和连接电子器件实现监测系统的功能。之后小组成员分工合作，完成以下工作：拼装古桥模型，并将健康监测电子模块安装到桥模型的合适位置。制作完成后，学生对监测系统进行测试，发现存在的问题，对系统进行修改。表 2“古桥健康监测系统设计”项目进度表时间节点项目过程任务要求负责人完成情况备注第一周创设真实情境确定分工名单组长第二周确定关键问题确定清名桥面临的关键问题（实地调研、查找资料），填写设计系统规划表组长第三周设 计 解 决 问 题的方案设计古桥健康监测系统（确定电子模块的类型和安装位置），填写设计系统规划表按团队分工第四周方 案 的 实 施 与改进设计古桥模型、编写古桥健康监测程序，保存在小组电子档案袋中按团队分工第五周切割并拼装古桥模型、组装健康监测电子模块、撰写解说词（初稿）按团队分工第六周展示评价与反思 展示并解说古桥健康监测系统模型按团队分工2024 年第 1 期 中小学数字化教学|39数字课堂给他们。对于其中的一些创意设计，他们给予了肯定，希望未来能够真正用于保护清名桥。跨学科学习是义务教育课程改革倡导的一种重要学习方式。信息科技课程跨学科学习的项目设计是教学中实施跨学科学习的有效方式，包含确定项目主题、确定目标、设计与实施、评价等环节。在这些环节中，教师坚持原则，采用恰当的设计策略，能保障跨学科学习项目的科学设计与有效实施。在确定项目目标时，教师要设计融合性的学科知识和能力目标，实现多学科融合；在设计项目活动时，宜按照支持跨学科探究的项目流程来预设；在实施项目活动时，宜设计表现性的阶段性任务，并提供持续且必要的学习支架，使合作学习真实发生；在开展项目评价时，进行持续性、多维度的项目评价，保证达成目标。学生在“古桥健康监测系统设计”跨学科学习过程中，综合应用了信息科技、工程、美术和数学学科的知识和技能，实现了多学科融合，锻炼了人际交往与合作能力，提高了创造力，也意识到保护历史古迹的重要性，增强了社会责任感。图 2 学生设计的古桥模型注：本文系江苏省教育科学“十四五”规划 2021 年度青年教师专项重点课题“面向计算思维发展的初中开源编程项目式教学设计研究”（项目编号：C-b/2021/02/61）的研究成果。1中华人民共和国教育部.义务教育信息科技课程标准：2022 年版 S.北京：北京师范大学出版社,2022.2张玉华.核心素养视域下跨学科学习的内涵认识与实践路径J.上海教育科研,2022(5):7.3张华.跨学科学习的本质内涵与实施路径 J.教育家,2022(24):3.4夏雪梅.项目化学习设计：学习素养视角下的国际与本土实践M.北京：教育科学出版社,2021.参考文献（作者系江苏省无锡市蠡园中学信息科技教师）责任编辑：祝元志5.展示评价与反思项目汇报展示以“产品发布会”的形式开展。各项目组汇报展示的流程为展示评价反思。展示环节：展示小组将本组的设计图在交互式电子白板上呈现。由一个发言人展示本组的作品，讲解本组的设计思路，比如针对各监测项目使用了哪些传感器和执行器、安装位置是如何确定的。由编写程序的学生讲述各传感器和执行器在系统中的作用，并展示编程及实现的功能。评价环节：在小组展示完毕后，笔者和其他小组的学生进行点评，指出优点和不足，甚至质疑。展示小组对问题进行回应。根据展示和回答情况，笔者和其他小组在项目总结性评价量表上对展示小组打分。各组也要对本组的作品进行自我评价，填写总结性评价量表。每个学生对自己在项目学习过程中的表现进行评价，接受小组内同伴互评，填写过程性评价量表，并根据教师和其他小组的意见或建议对监测系统进行改进。反思环节：每人撰写一篇反思日志，从项目缘起、实施过程、实施效果、评价反思几个维度进行反思总结。（二）教学实效 学校在科技基地设立“保护运河古桥”主题馆，展示学生的创意作品，以这种方式鼓励学生科技创新并增强保护文物古迹的责任意识。为了让学生的作品更具有现实意义、社会价值和未来功能，学校联系了街道办事处、古运河运维企业和通信等相关部门，将学生的创意设计作品展示