“1+N+1+N”信息科技跨学科微项目设计与实践

【摘要】本文构建了一种跨学科微项目式学习的教学设计模型。该模型以信息科技为主学科、其他学科为副学科，通过“1+N+1+N”四个步骤进行教学设计。为验证模型应用效果，本文开展了初中人工智能跨学科微项目“预测色彩的时间之旅”的教学设计与实践，以期为同行教师开展项目式学习提供实践参考。【关键词】中小学信息科技；跨学科学习；微项目随着《义务教育课程方案（2022年版）》的颁布，跨学科学习已经成为我国义务教育阶段倡导的一种重要学习方式。跨学科学习的开展，能够深化和拓展学习者对学科知识与学科方法的理解，引导学生进行真实的问题解决，更好地发展学习者的高阶思维、关键技能与核心素养。为落实跨学科主题学习，《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》按照学生认知特征和学科逻辑主线设计了多个跨学科主题活动，强调以真实问题或项目引导学生经历跨学科主题活动的全过程，凸显综合实践的独特育人价值[1]。然而，在跨学科教学实践过程中，一线信息科技教师却遇到跨学科知识薄弱、课时紧、设计难等诸多困难。笔者构建了一种以信息科技学科为主的跨学科微项目教学设计模型，并基于此模型开展了以“预测色彩的时间之旅”为主题的初中人工智能跨学科微项目教学实践。概念与模型1.项目式学习的微缩项目式学习通常包括四个阶段：创设情境，确定主题；设计论证，制定方案；合作探究，创意物化；总结展示，知识迁移[2]，需投入较长的时间。而中小学信息科技课通常较为分散，一定程度上影响了项目式学习的连贯性，给项目式学习的开展增加了困难。因此，笔者尝试设计能够在1-2课时完成的项目式学习任务，相较于传统的项目式学习，时间短、任务轻，故称为“微项目”。2.主副学科的划分中小学信息科技跨学科学习是以义教阶段的信息科技课程为主体，突破学科边界，整合并合理运用其他学科的知识、技能、方法和思维，促使学生围绕主题开展综合性学习的一种学习方式。笔者构建的中小学信息科技跨学科微项目，是以信息科技作为“主学科”，整合其他一个或多个学科为“副学科”。“副学科”主要提供情境问题，作为项目开展的目的；提供学科知识，作为项目开展的基础。在项目实践过程中，学生将建构“主学科”的新知识、新方法。具体而言，从内容的角度，信息科技学科领域的目标将作为教学目标，信息科技学科领域的内容将作为教学重点；从学情的角度，学生将在本节课学习信息科技学科领域的新内容，而并不会学习其他学科的新内容，但是会复习、应用其他学科的内容，同时形成开展跨学科学习实践的思路。3.教学设计的模型基于以上分析，笔者构建了中小学信息科技跨学科微项目的设计模型，如图1所示。图1"中小学信息科技跨学科微项目设计模型本模型共包含四个步骤，与传统的项目式学习具有一定的对应关系。（1）从1个副学科找真实情境，提出问题。项目式学习的第一步是“创设情境，确定主题”。本模型同样从情境出发，以问题的形式引导学生开展学习。合适的情境与问题是项目式学习的关键，能够调动学生积极性、为学生带来成就感[3]。为实现学科融合，从副学科出发，创设情境、发现问题，可以提出“在某个具体的情境下，如何用学科知识满足我们的需求”这一类驱动性问题。例如，人教版初中语文七年级上册课本第一课就有课后习题：“在作者朱自清笔下，春天就像一幅幅美丽的图画。有感情地朗读课文《春》，看看课文描绘了哪些春日图景。你最喜欢其中哪一幅画面？说说你的理由。”由此展开，学生既可以探讨语文学科中阅读与鉴赏的相关知识，也可以探究如何使用信息科技的AI绘画工具、演示文稿工具和音视频编辑工具，将画面展示、评析，开展图文并茂的读书分享。从副学科出发的情境与问题，自然带有副学科的相关知识，为解决问题，学生需要主动复习知识、积极应用知识。同时，主学科信息科技具有一定的工具性[4]，能够为学生提供解决问题的知识与方法，二者结合，为学科融合和项目实施提供了保障。（2）用N个副学科作为知识基础，制定方案。项目式学习的第二步是“设计论证，制定方案”。本模型则将重点放在调用已有知识，制定项目方案。由于项目的情境与问题来自副学科，因此首先需要进行副学科知识的复习回顾，并以项目式学习的思路，引导学生进行合作交流，制定解决问题的方案。教师不需要强行加入信息科技的内容，而应该引导学生站在解决问题、形成成果的角度，发现仅用单一学科的现有知识，不能很好地解决问题，不能形成完善的项目成果，从而自然引出需要学习新的知识和方法，尤其是信息科技的知识和方法。这一阶段的驱动性问题是“在现有知识不足的情况下，怎样用信息科技知识助力问题解决”。信息科技具有一定的工具性，可以为解决问题助力。例如，使用互联网可以提供丰富的工具与资源、应用过程与控制方法可以得到指定问题的输出结果、结合物联网软硬件可以实现创新的功能设计，尤其是使用人工智能工具，可以辅助学生思考、辅助成果产出，几乎在任何项目中都可以大显身手。在这样的思路下制定的方案，是一个主动学习信息科技知识，并将其与副学科知识结合、用以解决问题的方案。从中可以看到学生的积极性与创造性，同时实现了项目式学习和跨学科学习的效果。（3）以1个主学科确定思路方法，解决问题。项目式学习的第三步是“合作探究，创意物化”。本模型的重点则是解决问题的思路与样例。这一阶段的驱动性问题是“在学习了信息科技知识后，如何形成问题解决样例”。由于问题来自副学科，不一定是实践性问题，因此项目的成果不一定是创客作品这类实物，也可能是一段程序、一篇报告、一个解决问题的样例。本阶段的重点是引导学生在学习信息科技的新知识、新方法后，进一步完善问题解决思路，力求将几个学科的知识和方法进行统整，形成问题解决样例。在这一阶段，信息科技将充分发挥主学科的作用，主导问题解决。（4）合N个主副学科融合思考，知识迁移。项目式学习的第四步是“总结展示，知识迁移”。本模型的重点在于总结学科融合的思路，交流学科融合的心得。这一阶段的驱动性问题是“在问题解决过程中，对学科知识的综合运用有了怎样的思考”。师生可以重新回顾整个项目的推进过程，关注主副学科如何交叉融合，并进行知识和方法的迁移应用。应用与实践笔者以“预测色彩的时间之旅”这一微项目为例，阐述中小学信息科技跨学科微项目设计思路。此项目针对八年级的学生，时长为1课时，以美术学科的染色作为情境和问题，以数学学科的一元一次函数作为基础知识，学习信息科技人工智能中的回归算法。1.学情分析学生对人工智能的概念和实现方式有初步的认识，具备进一步探索的能力；但是并没有深入学习人工智能的实现方式，不了解如何进行预测，这将是本课的主要内容。学生在七年级学习了平面直角坐标系，在八年级学习了一元一次函数，这是学习回归分析的基础。学生已经掌握了表格工具、人工智能编程平台的使用方法，能够在教师的指导下进行个性化的探究，这是开展项目的必要技能。2.目标确定（1）制定应用人工智能进行染色结果预测的方案。（2）了解回归算法的数学模型，理解一元线性回归的基本原理，掌握其在预测中的应用。（3）能够运用回归算法预测染色结果。（4）明确合理使用人工智能的重要性，树立科技强国的意识，提升文化自信。3.教学重难点教学重点：掌握一元线性回归在预测中的应用；教学难点：了解回归算法的数学模型，理解一元线性回归的基本原理。4.教学流程（1）探究草木染色，发现问题（5分钟）。教师提出问题：时间是否会对染色结果产生影响？如何进行预测？学生观看草木染色的图文介绍和视频后，小组讨论如何进行染色结果的预测，从而促进草木染色工艺的推广。（2）回顾数学知识，形成方案（10分钟）。教师提出问题：能否使用函数预测染色结果？师生回顾函数的相关知识，明确两个变量：时间（x）和染色结果（y）。进而形成预测方案：先通过计时和RGB数值提取，实现变量的数字化；再绘制散点图，验证数据点是否在一条直线上。预设：以时间为横轴，以蓝色值为纵轴，绘制散点图，发现几次染色结果并不在一条直线上，但是近似分布在一条直线附近。（3）实践人工智能，解决问题（20分钟）。驱动性问题：能否使用函数近似地预测染色结果？首先使用表格工具绘制函数图像，得到一个一元一次函数。其次使用示例数据验证函数预测的结果是否准确。然后更换训练数据为红色值、绿色值，重新绘制函数，检验算法的可推广性。最后对预测方法进行总结分析。学生容易发现，蓝色值的预测结果是准确可靠的，但是红色绿色值的预测结果是不可靠的，即算法的可推广性有限。这时由教师拓展更多的回归算法，演示如何用其他的函数图像进行红色绿色值的预测，并对回归算法进行整体介绍。（4）思考学科融合，反思总结（5分钟）。驱动性问题：对人工智能应用有没有新的想法？师生由染色预测展开，讨论科学技术与传统文化的关系，了解科技强国、文化自信等国家政策；明确中华优秀传统文化是科技文化创新的源头活水。教师还可以由此布置其他拓展任务。5.学习评价教师请学生从思考问题积极性、解决问题有效性、合作探究高效性、学习态度端正度四个角度，记录对自己、对小组的满意度，进行主观评价；再请学生完成相关练习题，进行客观评价。总结与反思本文阐