基于深度学习理论的信息科技单元教学设计策略——以“基于物联网的智慧苗圃系统”项目为例

邵帅 山东省威海市文登区三里河中学

深度学习本是机器人研究领域的一个名词，即让机器模仿人类大脑的计算和思维方式。而教育中的深度学习是以单元主题为主线，以学科核心素养为基础，设计具有挑战性的综合学习项目，将学生思维从低阶引向高阶的学习过程，着重体现信息科技学科方法和体系构建。

面向深度学习的单元教学设计主要有以下特征：①整合规划。单元整体教学从项目整体出发，制订单元设计教学方案，按照“整体设计—按序实施—持续评价”的主线流程，通过单元项目各个分支任务来完成综合目标，具备完整的评价方案用来对作品进行评估和改进。②服务教学。单元整体教学在实际应用中可以提高课堂效率，提升教师全局意识和教材把握能力，使教学单元整体发挥的作用大于课时简单叠加所产生的效用。③以生为本。以某一单元主题或者项目为主线，以学生为主体，以团队合作的形式来处理一个相对独立的项目，完成信息收集、方案的设计、项目实施及最终的成果展示。④迁移创造。单元整体教学设计需要教师对教材内容重新解读剖析，制订创新性的项目主题，没有统一不变的模式及课时规划，强化教师教学掌控能力和教学策略创新性探索能力。

面向深度学习的单元教学设计主要具有四个主要流程，分别为选择单元主题、确定单元目标、设计单元学习活动和开展持续评价。下面，笔者以“基于物联网的智慧苗圃系统”单元为例展开教学实践。

●选择单元主题

信息科技教育的价值观、知识观、学习观和评价观构成了课程标准制订所依据的观念体系，单元主题的选择需要体现以下课程理念。

1.单元主题反映数字时代育人方向

“基于物联网的智慧苗圃系统”主题对应《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）中的“物联网实践与探索”模块，根据基于物联网的智慧苗圃主题，动手搭建设计物联网原型系统，能够通过实验平台读取、发送、接收、使用数据，探索物联网中采集、处理、反馈控制等基本功能。感受互联网和物联网给人们生活带来的改变及智慧互联对国家未来发展的重要意义，展现现代化农业主要应用的技术，提升学生信息社会责任素养。

2.单元主题遵循以六大学科概念为明线、以学生认知发展为暗线的课程结构规律

“基于物联网的智慧苗圃系统”项目根据信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任四大核心素养，在7～9年级阶段设计跨学科主题式活动任务。通过6课时分别完成智能滴灌系统、智能苗圃培育系统、苗圃的洪涝灾害预防系统三个子项目主题，每个主题均包含入项课和实践课。入项课主要进行系统设计，主要内容有确定项目主题、设计项目规划书、绘制系统流程图或者草图、交流展示等。实践课主要进行系统实现，主要活动有传感器的认识、硬件搭建、Mixly开源硬件编程、实验测试等。在系统实验测试阶段，会结合手机APP获取传感器数据及控制电机装置进行远程管理农场，实现物联网概念及应用原理的渗透。三个项目主题螺旋递进，每个项目通过入项和实践两类型课程实施推进，呈现出的核心素养点侧重不同，遵循了学生认知发展规律。

3.单元主题注重科学原理和实践应用并重原则

“基于物联网的智慧苗圃系统”项目不是单纯地完成编程实验和模型搭建，更重要的是展示信息科技“科”的一面，建立核心知识体系和概念地图。在本项目中，学生在教师的指导下完成智慧苗圃滴灌系统实验，对物联网概念及应用有一定了解，掌握硬件编程的基础知识，设计基于物联网的智慧苗圃洪涝灾害预防系统主题，提升利用物联网解决实际问题的意识，侧重科学原理和概念理解的迁移应用，同时根据同一设计主题，采用不同的设计方案解决问题，提升数字化学习与创新能力，增强社会责任感。

4.单元主题倡导真实性学习

“基于物联网的智慧苗圃系统”项目设计了微型网站，主要包括主题介绍、预期成果、设计说明、作业设计、推进资源五方面导航栏目，学生根据项目规划书进行探究分析，实现自我规划、自我管理和自我评价。

●确定单元目标

如图1所示，深度学习目标中包含的学科核心素养，需要通过单元整体分析来确定，依据核心内容的学情分析和教材内容分析，将单元学习主题承载的信息核心素养进行提炼，探索本单元学习主题所映射的高阶思维和核心价值观，所以确定深度学习目标的基础就是依据单元教学内容整体分析。

图1

根据以上单元目标设计模型流程，笔者制订了“基于物联网的智慧苗圃系统”项目单元学习的目标。

1.整合重构，灵活处理单元内容

从物联网探索模块课程标准整体出发，挖掘核心概念之间的联系，形成具有整体性、阶梯性的物联网模块知识框架，探索单元内容体现的学科核心素养点，根据学生的认知规律，重新整合单元内容，如下页图2所示。

图2

2.预设调整，以生为本分析学情

新课标要求7～9年级的学生可以根据需要有效搜索学习资源，探究信息科技支持的新方法、新模式，能够根据任务需要借助在线平台，与伙伴协作设计和创作作品。

在智慧农场的设计实现过程中，学生必然会遇到各种预想不到的问题和难点，高年级的学生已经具备通过小组合作、在线资源搜索等来解决问题的能力，且对开源编程的选择结构和循环结构有一定的学习基础，进而能够根据主题活动任务探索出系统设计的模式。

3.素养导向，统筹制订单元目标

（1）单元学习目标

①通过搜集相关在线资源，了解智慧农场的概念，掌握智慧农场的主要功能及社会作用，提升信息社会责任素养。

②通过设计项目规划书，掌握本单元智慧农场三大主体功能，能够绘制相应的流程图或者项目草图，培养创新实践和协同合作能力。

③通过系统搭建实现的活动任务，掌握主要传感器的作用和硬件搭建知识，对硬件编程有更进一步的提升，加强硬件编程调试能力，进一步发展问题解决能力和提升计算思维。

④通过手机APP远程控制，实验项目主要功能，了解物联网的概念及应用，感受互联网和物联网给人们生活带来的改变及国家未来发展的重要意义。

（2）核心素养目标

①信息意识：通过体验智慧农场设计与远程控制系统实现，了解万物互联对现代社会发展的作用，增强自主解决问题的意识，激发物联网学习的兴趣和意识。

②计算思维：根据新课标要求，本节课属于科学原理与实践应用并重的学习内容，要求能够掌握获取环境数据的方法及原理，通过苗圃远程滴灌系统需求，设计相应的物联系统原型，在数据采集、分析和搭建物联网系统硬件的过程中，提升解决问题和动手实践的能力，将智能化渗透于生产和生活的各个角落，发展计算思维。

③数字化学习与创新：根据智慧苗圃主要需求，动手设计基于物联网系统的苗圃草图或者设计图，在创新活动中提升数字化学习的新方法和新模式。

④信息社会责任：利用物联网原型系统“大场景—小应用”的特点，体验科技应用于社会生活带来的发展变化，增强社会责任感，认识自主可控技术的重要意义。

●单元学习活动设计

1.“适度”路径：情境真实多样，突出自主探究

如表1所示，智能苗圃培育系统主要分为三个子项目主题——日照分析系统、温湿度检测系统、温室调控系统。这三个子项目分别有三条活动任务主线，学生只需选择其中一个子项目进行探索即可。三个活动虽然都指向同一目标靶心——植物培育系统，但是在有限的时间内学生通过了解不同的传感器的作用原理能更进一步掌握物联网控制的核心概念，在达成目标的同时又能体会成功的喜悦。

表1

2.“深度”路径：基于问题导向，落实核心素养

问题就是点燃思维的火花，是课堂活动之旅的“向导”，学生在问题的引导下入情入境，在与问题的互动中建构思考，解决问题的过程就是学科核心素养的着陆点。因此，扣人心弦的教学活动需要有深度的问题来体现，这里的“深度”并不意味着提升问题难度，而是通过横向问题集和纵向问题链构成问题系统来促进深度学习。

3.“梯度”路径：紧扣单元目标，任务螺旋上升

在单元教学设计中每个课时都拥有独立的教学活动，虽然路径不同但都指向单元目标。各个课时活动之间的逻辑关系缜密并层层递进，它们在支撑与发展的相互作用下朝着目标不断生长。只有扣主线、有梯度、能上升的教学活动，才能发展学生的高阶思维和关键能力的。

在智能苗圃培育系统项目的学习中，围绕驱动性核心问题，小组合作推进项目，并依据“情境引入—系统功能分析—系统硬件搭建—Mixly编程实验—展示交流”的流程开展序列化阶梯式活动，从而形成高阶认知。

●持续性评价设计

持续性评价是对学习达成目标的反馈，即为学生的深度学习活动持续地提供反馈，帮助学生改进和发展，促进学生课堂深度学习的持续推进。如表2所示，在预防洪涝灾害系统评价量规设计中，紧紧围绕核心素养和学科概念逻辑主线，评估每个活动任务素养目标达成情况。各项目分为“优秀、良好、合格、不合格”四个标准，分别用“A、B、C、D”在自评一列进行评价。

表2