“数字化学习与创新”素养培养的教学实践 论文

“数字化学习与创新”素养培养的教学实践——以信息科技新课标《构建物联网系统原型》为例摘要：“数字化学习与创新”作为信息科技核心素养之一，其内涵可概括为：适应数字化环境、利用数字化工具或资源、开展数字化协同创新。本文论述了如何在课堂上创设数字化学习环境，改变学生学习方式，开展创新实践活动，从而培养学生数字化创新能力。关键词：数字化学习与创新；数字化学习平台；项目式学习；掌控板；实验探究核心素养是课程育人价值的集中体现，2022年教育部颁布《义务教育信息科技课程标准》中明确了信息科技学科核心素养，包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任。其中“数字化学习与创新”指的是“通过选用合适的数字设备、平台和资源，有效地管理学习过程与学习资源，开展探究性学习，创造性地解决问题”的能力，表现在学习过程中便是学生能合理运用信息科技，开展自主学习、合作探究、分享交流和创新创造。物联网的基本含义是“万物互联”，即在互联网的基础上，将人与人的互联延伸扩展到人与物、物与物的互联。物联网分为感知层、网络层和应用层三层架构，这三部分相对独立又相互联系，每一部分都蕴含着丰富的内容，在较短的学时内无法融会贯通。初中物联网课程需要学生会分析物联网的工作原理，了解物联网的生活应用，能设计并实现具有简单物联功能的数字系统。笔者以“数字化学习与创新”素养为指导，基于掌控板展开了初中信息科技新课标《构建物联网系统原型》教学实践研究。为了让学生真正掌握物联网技术，笔者设计“智能生活类”主题，搭建数字化平台展开项目式学习，指导学生利用实验设备搭建简易物联系统，围绕主题形成微项目，包括项目规划、项目实施、交流总结等环节。其中项目实施由三个递进的实验探究活动组成，分别体验物联网的数据采集、网络传输和反馈控制过程，进一步理解物联网的工作原理，使“数字化学习与创新”素养从内涵形式转化为可操作、可评价的课堂教学行为。一、借助数字化设备，创设真实情境前导课中，学生对于物联网的传感技术、识别技术、通信技术等有了一定的了解，但还处于比较浅显的层次，没有深入思考其背后的原理和工作过程。《构建物联网系统原型》中涉及的知识庞杂，如果通过实验设备亲自搭建简易物联系统，学生更容易体验到物联网技术的独特魅力。因此，笔者设置了“物联网灯”这样一个真实案例，帮助学生体验物联网的数据采集、网络传输和反馈控制过程。这个“真”既是情境的真实，又是源自于生活。笔者在导入环节中创设真实情境，通过播放视频，了解生活中的典型物联应用，和小爱音箱对话控制智能台灯，激发学生的学习兴趣。再设计问卷调查，分析学生对于智能护眼台灯控制方式的需求，从而规划合理的主题——设计一款根据环境光强度自动调节亮度的灯。项目的实施主体是学生，只有贴近学生的兴趣和能力的项目才能让他们产生完成的内驱力。此处体现的“数字化学习与创新”素养，是为学生创设发现问题、产生信息加工需求的情境，从而让他们选择合适的数字化工具对信息进行加工，在数字化环境中进行真实性学习，以数字化工具处理真实性任务。二、搭建数字化学习平台，改变学习方式物联网课程适宜采用项目式学习方式，以学生为主体，以项目为主线，以任务为驱动，以体验为促进，在相互交流合作中完成项目。在项目活动设计之初，笔者曾构思项目活动手册引导学生自主学习、小组协作。但由于传统方式的制约，学生查找资料费时费力、效果不佳，无法进行个性化学习；在小组协作中组员无法有效分工，组长难以掌握项目整体进度；教学评价主体单一、流于形式，无法关注到每位学生的个体发展。于是笔者考虑采用技术手段提升学习体验及学习成果，经多方比较，选用GateFace软件搭建物联网项目学习平台。GateFace软件为一款所见即所得的网页编辑器，可以轻松制作专业网站，较传统学习资源具有多媒体化、超文本、上传下载、资源共享、实时交互等特点。学生在局域网环境仅需输入教师机IP地址即可访问，也可在家远程登录使用，既衔接了课前、课中、课后的学习过程，又管理了学习资料和资源。学生充分利用数字化学习平台支持学习，改变学习方式，极大地提高学习的效率。数字化平台可以让项目式学习落到实处，学生在数字化平台的支持下完成课程预习、自主探究与协同创新等多种学习活动。教师的教从传授型向引导型转变，学生的学从被动型向主动型转变。1．方案领航，理清思路项目式学习中，教师要精心设计项目主题和任务，包括项目主题介绍、项目学习导学案、任务分工表、项目支持资源等，这些是项目式学习顺利实施的重要保障。笔者在物联网项目学习平台“方案设计”栏目提供项目方案参考样例，串联学习环节，明确学习步骤，引导自主学习。方案里有项目的分工及其具体任务、前导知识、器材清单、实验探究步骤等，帮助学生理清思路。由于前导课已对物联网三层结构进行了较为详细的讲解，因此，本课教学内容以体验物联网工作过程为主，侧重知识的应用，采用实验探究的方式提高学生的实践和动手能力。2．微课助力，突破难点物联网项目学习平台除了可以上传文字、图片等资源，还可以上传微课视频等资源。微课是一种优质的数字化学习资源，它能更好地满足学生进行个性化学习。学生根据自己的特点和需求安排学习进度，既可查缺补漏又能强化巩固知识。笔者使用万彩动画大师制作了系列动画微课，内容生动有趣，既有原理的讲解，又有程序的编写，还有实验的过程，学生根据需要自主学习，利于突破难点。平台还提供拓展知识和丰富的课外资源，满足学生多元需求，促进学生个性发展。3．自主学习，小组协作在项目式学习中，学生是主体。通过分组，可以让学生之间进行讨论，互相启迪思维，共享学习成果。在项目完成的过程中，离不开每个组员的分工合作。学生在小组协作的过程中，在数字化学习环境中发挥自主学习能力，主动探索新知识与新技能，设计和创作具有个性化的作品。本课利用数字化平台、工具和资源，引导学生自主学习、小组协作。笔者安排4人一组，组员两两相对而坐，便于讨论交流。组员合理分工，充分调动组员积极性。如：甲负责项目整体规划、统筹协调，乙探究掌控板的硬件连接，丙利用mPython软件完善并调试程序，丁负责成果汇报。当然在课堂中，学生可根据实际情况进行调整。在物联网项目学习平台的“方案设计”和“上传下载”栏目中，小组成员可共享本组资源和成果，协调项目进度。学生在数字化学习环境中开展小组协作，形成数字化学习能力。4．互动交流，优化评价交流与评价是对项目活动过程及结果进行测量和价值判断的过程，有利于加快项目实施进程，验收项目成果。学生通过展示交流可以分享学习收获，通过评价可以收获学习信心。展示交流要注重过程和体验，评价要强调评价主体多元化、评价方式多样化、评价内容多维化，尽可能给予学生中肯的学习反馈，对学生产生激励效应。笔者在物联网项目学习平台设计了“上传下载”、“点赞投票”、“讨论分享”等栏目，丰富了学生互动交流的形式。如：学生可上传作业到展示交流区，供师生观摩评论；还可发帖阐述本组创新应用，其余学生跟帖发表自己的评论；小组实物展示学习成果等。以上环节落实了过程性评价，记录了学生上课所学、所思，实现系统自评、学生互评、教师点评等，以评促教、以评促学。此处体现的“数字化学习与创新”素养，是支持学生在数字化学习环境中自我规划、自我管理和自我评价，体现了“以学习者为中心”。三、提供掌控板等数字设备，开展创新实践活动学生在日常生活中或多或少接触或使用过物联网，教师单纯的讲解是枯燥且没有意义的，如果只是介绍传感器等物联网设备，展示物联网的神奇应用，那学生最终只能了解物联网技术的皮毛。因此，笔者设计一个具体的项目，提供相应的数字设备，让学生参与到简易物联系统的设计搭建中去，体验物联网的数据采集、网络传输和反馈控制等功能，在剖析物联网三层架构的过程中，深入理解物联网的工作原理。这一学习过程不仅培养学生问题解决的能力，激发学生的探究欲，也能让主题学习更真实。在选择教学软硬件等数字设备上，笔者经过了多方比较，并亲自体验，既要成本低廉，又要容易操作，还要适合开发物联网项目，便于后期推广、落地。其中开源硬件方面：相比Arduino套件的连线不便且不易收纳、micro:bit的非自主可控且功能简单，笔者选取了国内第一款100%自主知识产权的教学用开源智能硬件——掌控板。我们在教育学生自主可控技术的重要性时，从硬件的选择、平台的搭建就要注意使用国产的优秀产品。支持掌控板的图形化编程软件主要有：mPython、Mind+、Mixly（米思齐）等，经过比较后发现mPython编程软件更易阅读且易维护，可离线安装使用，可简单仿真，且可加载多种扩展，如AI摄像头、无人机、气象站等硬件扩展，OneNet、SIoT、MQTT、Blynk等物联网应用扩展，适合开发各类物联网项目。因此笔者除了为学生提供了电脑、平板等常规数字设备外，还提供了掌控板、mPython编程软件、微信小程序，方便学生进行数据分析、模拟验证等方式开展探究实验。在本节课中，掌控板、mPython编程软件和微信小程序使用到的功能如下：1．掌控板掌控板采用国产ESP32双核芯片，集成蓝牙和Wi-Fi双模通信，可作为物联网节点，将采集的数据实时传输到微信小程序上；掌控板的板载光线传感器，无需另外连接传感器或模块，避免了线路连接给初学者带来的困扰，光线传感器感知周围环境的光线变化，生成模拟光线值，当光照越强，光线值越大，反之，光照越弱，光线值越小；通过集成好的杜邦线（红、黄、黑三条一组，黑色连接GND接口）连接掌控板的拓展接口和WS2812B全彩灯带，掌控板再连接微信小程序，可实现远程控制灯带亮度，学生容易观察实验现象，得出实验结论。2．mPython编程软件mPython的图形化编程界面对初学者非常友好，积木块的拖动操作接近自然语言的理解，学生容易上手。笔者提前编写好程序主体结构，由学生修改部分内容或参数，完成实验探究。在探究光线传感器数据采集范围时，学生将代码刷入掌控板后，用遮盖光线传感器、手电筒照射光线传感器等方式，将采集的数据在探究区以点线图的可视化方式呈现，观察光线值的实时变化，并得出结论：光线传感器监测的数据范围是0~4095。加载mPython软件中的高级模块——微信小程序，输入Wi-Fi名称、密码及掌控板的名称即可连接手机或平板，再修改灯带的引脚和数量，实现手机/平板远程控制灯带的功能。3．微信小程序“掌控板物联网”是掌控板开发的微信小程序，与掌控板通过Wi-Fi进行通信，用于掌控板控制及显示数据。本案例中，笔者提前注册好微信小程序，并与掌控板配对，完成相关的组件配置。学生将掌控板作为物联网节点进行光线监测，将光线传感器的数据实时传输到微信小程序端，通过微信小程序远程控制掌控板，如开灯、关灯、拖动滑块调节灯带的亮度……通过一块小小的掌控板，学生对于物联网的数据采集、网络传输和反馈控制有了进一步的认识。既增加了课程的趣味性，也提高了课程的实用性，做到学以致用。此处体现的“数字化学习与创新”素养，是学生围绕学习任务，利用数字设备与组内成员合作解决学习问题，协同完成学习任务，在“做中学”、“用中学”，逐步形成应用信息科技进行合作的意识。四、运用数字化工具，激发创意应用经过上述实验探究，学生体验了物联网数据采集、网络传输和反馈控制过程，理解了物联网的工作过程。在此基础上，引导学生用思维导图总结物联网系统原型。播放视频短片，启发学生创新思维，畅想物联网应用场景。引导学生根据想实现的功能，思考需要采集的数据和传输方式，鼓励他们按照物联网的三层结构探索创意应用，实现更加智能化的控制，为后续物联网的创新应用打好基础。在创意过程中，没有解决问题的标准答案，给予学生充分的想象与创新空间，利用平台交流分享、协同创新，促进学生相互学习、实现共同进步。此处体现的“数字化学习与创新”素养，是学生主动探索新知识与新技能，设计和表达具有个性化的作品，在“创中学”的过程中，提升自己的创新能力。数字化学习与创新是信息科技学科的重要核心素养，学生的创新培养离不开教师的创新教学。教师要勇于迈出探索的步伐，才能更好地培养学生的创新思维。基于“数字化学习与创新”素养的信息科技课，通过设计真实的学习与生活情境，提供数字化平台、资源和工具，让学生在情境中发现和思考问题，恰当运用数字技术解决问题，最终创造性完成任务或形成创新性的数字化成果。只有在这样的学习经历中