基于DBL理念的跨学科主题教学设计与实施——以“在线数字气象站”项目为例

林雄 福建省宁德市教师进修学院

邬肖英 福建省宁德蕉城第五中学

● 前言

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称新课标）中设计了初中（第四学段）课程内容模块（人工智能与智慧社会、物联网实践与探索、互联网应用与创新），其中跨学科主题模块下提供了五个“互联智能设计”备选主题。笔者依据新课标并融合本地科技创新活动的开展初步规划了区域初中跨学科主题项目学段与课时。其中，“在线数字气象站”主题项目安排在八年级上学期（共7课时），其教学目标为感受跨学科知识在数字气象站设计制作过程中的综合应用，认识并通过传感器、互联网及物联网技术采集、处理、呈现与对比分析不同时间、地点、方式的数据，体验设计过程中计算思维的作用。

要让课程规划有效落地，需要有先进的教学思想理念做指导，笔者根据多年教研经验发现，DBL教学对学生的跨学科学习能力和核心素养培养具有显著的促进作用，有助于新课标的实施。

● DBL教学理念

DBL（Design Based Learning）教学是一种基于项目的探究性教学，学生基于真实的问题环境，综合所学知识设计和制作相关主题作品，再通过反思评价对作品加以优化设计，整个过程循环反复。为了方便开展教学指导，笔者对其进行了适当的改进，改进后的基本环节如图1所示。

图1

①明确问题。教师创设贴近学生生活的问题情境，启发学生思考并提出问题；学生根据情境感知、了解知识，明确问题与初步构思。②分析探究。教师提供导学资源辅助学生将复杂的大问题分解成若干小问题（明晰问题之间的逻辑关系）；学生通过收集资料、实地调查与测试等对分解的问题或任务展开合作探究。③规划设计。分组制订计划，确立核心任务；围绕核心任务开展头脑风暴，运用设计工具理清思路，构思解决问题的方案，进行创意设计。④协同实施。引导学生运用探究过程中获得的知识技能，协同学科教师和小组成员合作实现方案、完成作品。⑤交流评价。展示成果，交流探究过程,分享学习经验和收获等；开展多元学习评价，教师提出指导建议。⑥改进迁移。小组根据交流评价的意见与建议对作品进行设计改进，并迁移应用到新的问题情境中进行再创造。在规划设计和协同实施环节可能出现多次迭代优化设计和实施，因此形成了图1中大循环中嵌套小循环(虚线部分)的结构。

● 基于DBL理念的“在线数字气象站”项目设计

基于DBL理念的“在线数字气象站”项目教学设计以设计思想为指引，综合运用跨学科内容，以气象数据贯穿整个项目过程。教学目标：对比数字气象传感器和传统气象测量设备，综合运用跨学科知识，在校内选址搭建多个在线数字气象站模拟装置，通过物联网汇集设备并采集、处理、呈现与分析数据；尝试将AI等技术应用在数据分析和预测上，初步探究规划设计校际在线数字气象站协作网与数据共享。

1.情境引入，明确问题（1课时）

教师活动：（创设情境）播放《气象站变迁史》视频，提出“运用数字气象站研究校园气候变化特征及对学习生活的影响”的探究主题；介绍常用的查找资料方法；指导如何甄别数据信息。

学生活动：①查找气象站的相关资料，了解气象站获取各种测量数据的手段以及信息科技在气象站应用发展的历史。②选择合适的在线气象数据来源并进行甄别。

设计意图：感受气象站的发展变迁；激发设计在线数字气象站的兴趣，提升信息意识、数字化学习与创新能力。

2.分析主题，合作探究（2课时）

教师活动：①科学合理分组，挑选组长。②提供制作模型所需的开源硬件设备及软件工具等（通过UMU学习平台提供学习资源，如开源硬件使用说明、微课等）；指导合作探究活动。

学生活动：小组合作分析数字气象站模型需要实现的功能，确定监测的气象要素，认识监测温度、湿度、雨滴、大气压力、光照、声音等气象传感器，通过探究学会运用开源硬件编程的方式将传感器采集到的数据显示在终端屏幕上。

伊拉克鲁迈拉地区盐渍土工程施工特性分析…………………………………………………王强恒，蔺泓瑞（2.81）

设计意图：掌握在线数字气象站的基本原理，初步经历气象数据的感知、传输、处理、呈现过程；深化对气象知识和传感器的了解。

3.分组规划，综合设计（2课时）

教师活动：提供设计思维工具等学习支架；参与小组讨论，给予具体指导。

学生活动：分组对数字气象站模型功能、数据呈现、选址及外观等进行规划设计；综合考虑各种因素，对多种软硬件方案进行选择，最终确定数字气象站的设计。

设计意图：培养综合运用知识的能力，为方案的实施做好准备；营造师生共创的学习氛围。

4.共建支持，协同实施（2课时）

教师活动：①组织跨学科团队为学生提供指导，并提供有效的课程知识支持；②指导数据对比分析，得出结论并探讨结论的呈现形式；③组织学生撰写在线数字气象站工程日志。

学生活动：①通过对校园进行实地考察，交流沟通、达成共识后确定数字气象站的位置；②在跨学科教师的帮助下，完成数字气象站的部署、施工搭建与测试；③通过物联网，对数字气象传感器的数据进行汇总测试；④对数字气象传感器的数据进行初步分析并得出结论。

设计意图：通过小组合作和小组间的技术分享，提升学生的项目管理能力；通过对数据处理、呈现、分析与结论的实践，培养学生的计算思维、数字化学习与创新能力素养。

5.展示交流，评价反思（1课时）

教师活动：召开项目总结分享会，引导学生绘制项目总结的思维导图，从项目设计、实施、评价等维度进行总结。

设计意图：培养学生的沟通能力和团队协作能力；学会交流学习与评价。

6.改进拓展，迁移创新（1课时）

教师活动：提供相关的技术支持资源；帮助或指导学生解决在改进和创新过程中遇到的问题。

学生活动：修改和完善小组的设计；尝试运用AI等技术优化在线数字气象站设计；在教师的帮助下，初步规设校际数字气象站协作网。

设计意图：通过修正和完善作品，拓展项目的技术深度和应用广度，培养学生的迁移创新能力。

● “在线数字气象站”的教学实施

1.问题驱动，持续学习

将“在线数字气象站”项目大问题分解为系列小问题，然后通过小问题驱动小组成员共同合作，持续探究学习、交流讨论，逐一解决下表所示的项目学习问题。

2.因地制宜，设计模型

笔者根据所在学校的教学条件、本地的气候状况以及与学生学习生活密切相关的气象要素，设计了基于开源硬件的简易数字气象站模型（如图2）。该模型使用掌控板2.0与I/O扩展板连接各类传感器，包括掌控板板载声音传感器、温湿度传感器DHT11、模拟环境光传感器PT550、雨滴传感器FC-37及大气压传感器BMP388，成本低、易制作、效果好，比较适合初中生开展项目探究学习。

图2

Blynk是一款开源的物联网（IoT）平台，具有多项独特功能及快速便捷等优点；通过WI-FI将气象站模型采集的数据上传到Blynk Server服务器，在智能手机端安装Blynk App就可以实时显示采集到的数据及其图表，其图形直观精美。

3.参与全程，历经数据

在开展项目过程中，学生以小组为单位，全程参与，通过气象数据的感知、采集、汇总、处理、呈现以及分析全过程形成项目研究报告。

学生在探究、制作数字气象站模型活动中初步感知和采集了气象传感器数据，在此基础上，通过Blynk物联网平台汇集校园不同时长、不同地点的实时气象数据，并以折线图等形式呈现（如图3）。然后分别对各组气象数据进行对比分析，总结出校园天气变化的规律，测出校园正常学习生活的各项气象数据阈值范围，并增设当数据超出阈值范围时，通过物联网平台发送报警信息的功能，以便提醒学生做好相应的防范准备。

问题一 气象站获取各种气象数据的方法？在线气象数据是否可靠？问题二 在线数字气象站需要实现哪些功能？问题三 数字气象站建在哪里合适？外观设计有什么要求？问题四 如何通过物联网页面显示所需的在线数字气象站数据？问题五 如何进行数据处理和分析？数据分析的结论如何呈现？问题六 运用AI技术进行数据分析和预测的原理是什么？问题七 如何通过物联网汇集多个在线数字气象站数据并实现数据共享？

图3

4.以评促学，提升管理

根据教学目标设计学习评价内容、方式和指标（在活动开始前让学生知晓），采用过程性评价和总结性评价、量化评价和质性评价、自评互评和师评相结合的评价方式对小组及个人进行多元综合评价，其中过程性评价要基于设计图纸、实物分析、项目报告和作品等真实数据。笔者设计了《项目学习评价表》，在每节课结束前由组长填写并提交到UMU平台。项目成果从科学性、技术性、创新性、艺术性四个维度进行多元主体评价，形成总结性评价得分，最后将学习过程性评价和总结性评价得分按7∶3的比例相加得出学生的个人项目学分。

通过学习评价有效地促进了学生的学，提升了课堂管理，使学生不仅关注到自身的学习还关注到其他成员的学习,不仅关注到学习本身还关注到学习管理。

● 教学效果及反思

学生通过教师的指导、小组的合作探究设计制作了一个简易的气象站模型，并运用数字气象站获取的数据研究了校园气候变化的特征以及对学习生活的影响。学生对气象及气象站有了更深入的认识、理解，还尝试运用AI技术手段优化了在线数字气象站的设计，并对校际在线数字气象站协作网的建设做了初步的规划设计，在实践能力、问题解决能力、数字素养与技能等方面得到了一定的提升。

通过该项目教学的研究，笔者有以下三点思考：①一定数量与质量的硬件设备、环境设施支持是开展项目的基础保障。②在项目实施过程中，由于受到课时的限制，需要引导学生充分利用课外时间（建议可以借助网络教学平台来弥补课时不足的问题）。③学生的学业质量评价中的计算思维、创新力等评价难以通过准确的定量评价来实现，目前的评价本质上还是定性评价，计划将继续深入研究。

● 结束语

基于DBL理念的信息科技跨学科主题项目教学，其具有的基础性、应用性、融合性、创新性符合学生的认知规律，能有效地促进学生合作探究学习，提升信息科技学科核心素养，值得深入研究与改进推广。