教科版高中信息技術選擇性必修6開源硬件項目設計《第3單元科學探究型項目設計》大單元整體教學設計[2020課標]一、內容分析與整合二、《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》分解三、學情分析四、大主題或大概念設計五、大單元目標敘寫六、大單元教學重點七、大單元教學難點八、大單元整體教學思路九、學業評價十、大單元實施思路及教學結構圖十一、大情境、大任務創設十二、單元學歷案十三、學科實踐與跨學科學習設計十四、大單元作業設計十五、“教-學-評”一致性課時設計十六、大單元教學反思一、內容分析與整合（一）教學內容分析本單元的教學內容是“科學探究型項目設計”，隸屬于高中信息技術選擇性必修6“開源硬件項目設計”模塊。該單元通過三個具體的探究項目——水溫監測、單擺監測和電壓檢測，旨在引導學生利用開源硬件進行科學探究，培養學生的科學探究能力和信息技術應用能力。這三個項目不僅涵蓋了物理、化學等科學知識，還涉及傳感器技術、數據處理、程序設計等多個信息技術領域，是跨學科整合教學的典范。水溫監測：通過防水溫度傳感器實時監測水溫變化，探究不同材質杯子的保溫效果。此項目讓學生理解傳感器的工作原理，掌握數據收集與分析的方法。單擺監測：利用紅外數字避障傳感器監測單擺的振動，探究單擺周期與擺長、振幅等因素的關系。此項目旨在提升學生的實驗設計能力，加深對物理原理的理解。電壓檢測：通過電壓檢測模塊探究不同水果的導電性，理解水果電池的基本原理。此項目融合了化學與物理知識，強調跨學科知識的綜合應用。（二）單元內容分析本單元內容圍繞科學探究型項目設計展開，具有以下特點：實踐性強：每個項目都要求學生動手搭建實驗裝置、編寫程序、收集和分析數據，強調實踐操作能力的培養?？鐚W科整合：項目涉及物理、化學等多個學科的知識，旨在通過信息技術手段解決科學問題，實現跨學科知識的綜合應用。注重過程與方法：不僅關注探究結果，更重視探究過程和方法的培養，包括實驗設計、數據收集與分析、結論推導等。培養信息技術素養：通過開源硬件的使用，讓學生掌握傳感器技術、數據處理、程序設計等信息技術技能，提升信息技術素養。（三）單元內容整合為了更好地實現教學目標，本單元內容整合如下：主題整合：以“科學探究型項目設計”為主題，將水溫監測、單擺監測和電壓檢測三個項目整合為一個有機整體，每個項目都圍繞科學探究的一般過程展開。知識整合：將物理、化學等科學知識與傳感器技術、數據處理、程序設計等信息技術知識相整合，形成跨學科的知識體系。技能整合：通過三個項目的實踐操作，整合實驗設計、數據收集與分析、程序設計等技能，提升學生的綜合實踐能力。方法整合：強調科學探究方法的培養，包括提出問題、形成假設、設計實驗、收集數據、分析數據、得出結論等步驟，讓學生掌握科學探究的基本方法。二、《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》分解（一）信息意識對信息的敏感度：學生應能夠敏銳地感知到水溫、單擺振動周期、水果電壓等實驗數據的變化，理解這些數據所承載的信息。對信息價值的判斷力：學生應能夠判斷收集到的實驗數據對解決科學問題的重要性，理解數據在科學探究中的價值。信息來源的可靠性：學生應能夠識別實驗數據來源的可靠性，確保數據的準確性和有效性。信息分享與交流：學生應能夠在小組內分享實驗數據和分析結果，通過交流促進對科學問題的深入理解。（二）計算思維抽象與形式化：學生應能夠將科學問題抽象為數學模型，利用計算思維進行形式化描述，如將單擺周期問題抽象為振動次數與時間的比值。算法設計：學生應能夠設計算法來收集和處理實驗數據，如編寫程序來獲取和顯示水溫、計算單擺周期等。自動化與系統化：學生應能夠通過編寫程序實現數據收集、處理和分析的自動化，形成系統化的解決方案。問題解決與遷移：學生應能夠將利用計算思維解決科學問題的過程遷移到其他相關問題的解決中，提升問題解決的遷移能力。（三）數字化學習與創新數字化學習環境：學生應能夠利用開源硬件和計算機程序等數字化工具創設學習環境，進行科學探究。數字化學習資源的獲取與管理：學生應能夠獲取和管理數字化學習資源，如傳感器技術文檔、數據處理軟件等，支持科學探究的進行。數字化工具的應用與創新：學生應能夠創造性地應用數字化工具解決科學問題，如利用Arduino控制板和傳感器設計實驗裝置。知識分享與協同創新：學生應能夠在數字化學習環境中分享知識、協同創新，共同推進科學探究的進行。（四）信息社會責任信息安全與隱私保護：學生應能夠在科學探究過程中保護個人信息和實驗數據的安全，遵守信息安全法律法規。信息倫理與道德：學生應能夠遵守信息倫理道德規范，在科學探究中尊重知識產權，不抄襲、不剽竊他人成果。信息技術應用的積極態度：學生應能夠保持對信息技術應用的積極態度，認識到信息技術在科學探究中的重要作用。環境意識與可持續發展：學生應能夠在科學探究過程中關注環境問題，促進信息技術的可持續發展。通過以上對《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》的分解，我們可以更清晰地看到本單元教學內容與課程標準的內在聯系，從而更好地指導教學實踐，提升學生的信息技術素養和科學探究能力。三、學情分析（一）已知內容分析在進入本單元《科學探究型項目設計》之前，學生已經完成了對開源硬件的基礎知識學習，對Arduino等開源硬件平臺有了初步的了解，掌握了基本的編程技能，包括如何使用IDE編程環境進行程序編寫、上傳和調試。學生在之前的物理、化學課程中已經學習了相關的科學概念，如溫度、單擺周期、電壓等，為后續利用開源硬件進行科學探究打下了基礎。在信息技術必修課程的學習中，學生已經掌握了數據處理與分析的基本方法，能夠利用軟件工具或平臺對數據進行整理、組織、計算與呈現，并具備了一定的信息安全意識。通過“信息系統與社會”模塊的學習，學生了解了信息系統的基本組成與功能，為后續利用開源硬件搭建信息系統進行科學探究提供了理論基礎。（二）新知內容分析本單元《科學探究型項目設計》主要圍繞三個探究項目展開：水溫監測、單擺監測和電壓檢測。每個項目都要求學生利用開源硬件（如防水溫度傳感器、紅外數字避障傳感器、電壓檢測模塊等）進行科學探究，通過設計實驗、收集數據、分析數據并得出結論的過程，鞏固科學知識，提升科學探究能力。具體來說，新知內容包括：傳感器的使用方法：學生需要掌握防水溫度傳感器、紅外數字避障傳感器和電壓檢測模塊的使用方法，了解它們的工作原理和接線方式。實驗設計與數據收集：學生需要根據科學探究的一般過程，設計實驗方案，搭建實驗裝置，編寫程序收集實驗數據。數據分析與結論得出：學生需要利用Excel等數據統計軟件對收集到的數據進行分析，繪制圖表，比較不同條件下的實驗結果，得出結論?？鐚W科知識綜合應用：在電壓檢測項目中，學生需要結合化學知識理解水果電池的發電原理，體現多學科知識的綜合應用。（三）學生學習能力分析編程能力：通過之前的學習，學生已經具備了一定的編程基礎，能夠使用ArduinoIDE進行簡單的程序編寫和調試。對于復雜的實驗設計和數據處理，學生可能還需要進一步提升編程能力?？茖W探究能力：學生在物理、化學等課程中已經接觸過科學探究的基本方法，但利用開源硬件進行科學探究還是一個新的嘗試。學生需要在實踐中逐步掌握科學探究的一般過程和方法。跨學科知識整合能力：在電壓檢測項目中，學生需要結合化學知識理解實驗原理，這要求學生具備跨學科知識整合的能力。由于學科壁壘的存在，學生可能在這方面存在一定的困難。團隊協作能力：科學探究往往需要團隊合作，學生需要在小組中分工合作，共同完成實驗設計和數據收集任務。學生的團隊協作能力也是影響學習效果的重要因素。（四）學習障礙突破策略加強編程訓練：針對學生在編程能力上的不足，教師可以通過增加編程練習和案例分析的方式，幫助學生鞏固編程基礎，提升編程能力。教師可以提供編程模板和代碼庫，供學生參考和借鑒。引導科學探究：教師可以通過講解科學探究的一般過程和方法，引導學生逐步掌握科學探究的技能。在實驗設計階段，教師可以提供實驗設計方案模板和示例，幫助學生理清思路，明確實驗目的和步驟。在數據收集和分析階段，教師可以教授學生如何利用Excel等數據統計軟件進行分析和圖表繪制。促進跨學科知識整合：針對學生在跨學科知識整合上的困難，教師可以通過跨學科講座、案例分析等方式，幫助學生理解不同學科之間的聯系和區別。教師可以鼓勵學生在小組中分享各自學科的知識和經驗，促進跨學科知識的交流和整合。培養團隊協作能力：教師可以通過小組合作學習的方式，培養學生的團隊協作能力。在小組中，學生可以根據各自的興趣和特長進行分工合作，共同完成實驗任務。教師可以通過小組討論、匯報等方式，促進小組成員之間的交流和溝通，提升團隊協作能力。教師還可以采取以下措施來突破學生的學習障礙：提供豐富的學習資源：教師可以為學生提供豐富的學習資源，包括教材、參考書、網絡課程、視頻教程等，供學生自主學習和參考。開展實踐活動：教師可以通過組織實踐活動的方式，讓學生親身體驗科學探究的過程和方法，提升學習興趣和動力。加強反饋和評價：教師可以通過課堂觀察、作業檢查、小組討論等方式，及時了解學生的學習情況，并給予針對性的反饋和評價。教師可以鼓勵學生進行自我評價和互評，促進自我反思和提升。通過加強編程訓練、引導科學探究、促進跨學科知識整合和培養團隊協作能力等措施，教師可以有效地突破學生的學習障礙，提升學生的學習效果。教師還需要為學生提供豐富的學習資源和實踐活動機會，加強反饋和評價工作，以促進學生的全面發展。四、大主題或大概念設計本大單元的主題為“利用開源硬件進行科學探究”，圍繞這一主題，通過三個子課題“水溫監測”、“單擺監測”和“電壓檢測”的學習活動，旨在培養學生利用開源硬件進行科學探究的能力，并通過實踐活動增強他們的信息意識、計算思維、數字化學習與創新能力以及信息社會責任。五、大單元目標敘寫（一）信息意識增強信息敏感度：學生能夠敏銳地感知到利用開源硬件進行科學探究中的信息變化，包括傳感器數據的實時更新和實驗結果的即時反饋。提升信息價值判斷力：學生能夠判斷不同傳感器數據在科學探究中的重要性，并理解如何利用這些數據解決實際問題。促進信息共享：在小組合作中，學生能夠積極與團隊成員共享實驗數據和分析結果，共同討論和優化實驗方案。（二）計算思維形式化描述問題：學生能夠針對科學探究中的問題，用形式化的方法準確描述問題的特征和要求。抽象與建模：學生能夠基于實驗需求，對實際問題進行抽象處理，建立相應的結構模型，如水溫監測模型、單擺周期計算模型等。算法設計與實現：學生能夠設計合理的算法來收集、處理和分析傳感器數據，并利用編程語言實現這些算法。系統優化：在科學探究過程中，學生能夠根據實驗結果反饋，對實驗裝置和算法進行迭代優化，提高數據處理的準確性和效率。（三）數字化學習與創新適應數字化學習環境：學生能夠熟練掌握Arduino等開源硬件的開發環境，適應數字化學習工具的使用。資源利用與整合：學生能夠利用數字化資源和工具（如串口監視器、Excel等）進行數據采集、處理和分析，創造性地解決科學探究中的問題。協同工作與創新：在小組合作中，學生能夠利用數字化平臺進行協同工作，共同設計并實現科學探究項目，展現創新能力和團隊合作精神。（四）信息社會責任信息安全與隱私保護：在科學探究過程中，學生能夠遵守信息安全和隱私保護的相關法律法規，不泄露實驗數據和個人隱私。倫理道德：學生能夠理解并遵守信息社會的倫理道德規范，尊重知識產權，不抄襲他人成果。積極學習與理性判斷：對于科學探究中出現的新觀念和新事物，學生能夠保持積極學習的態度，進行理性判斷和負責行動。六、大單元教學重點開源硬件的基礎操作與應用：學生需要熟練掌握Arduino等開源硬件的基礎操作，包括控制板的連接、驅動安裝、編程環境的使用等。傳感器的選擇與使用：根據科學探究的需求，學生需要能夠選擇合適的傳感器（如防水溫度傳感器、紅外數字避障傳感器、電壓檢測模塊等），并了解它們的工作原理和使用方法。實驗設計與數據分析：學生能夠基于科學探究的問題，設計合理的實驗方案，收集并分析傳感器數據，得出科學結論?？鐚W科知識的綜合應用：在科學探究過程中，學生需要將物理、化學等學科知識與信息技術知識相結合，實現跨學科知識的綜合應用。七、大單元教學難點實驗裝置的搭建與調試：學生在搭建實驗裝置時，可能會遇到硬件連接錯誤、程序編譯失敗等問題，需要具備較強的動手能力和問題解決能力。數據的準確收集與處理：在科學探究中，數據的準確性對實驗結論至關重要。學生需要確保傳感器數據的準確收集，并學會利用數據處理軟件（如Excel）進行數據分析，以得出科學結論。跨學科知識的整合與應用：將物理、化學等學科知識與信息技術知識相結合進行科學探究，對學生來說是一個挑戰。學生需要具備較強的跨學科知識整合能力和應用能力。實驗方案的優化與創新：在科學探究過程中，學生需要根據實驗結果反饋不斷優化實驗方案，這需要學生具備較強的創新思維和問題解決能力。學生還需要在小組合作中積極交流、討論，共同推動實驗方案的改進和創新。教學實施建議創設真實情境：教師應結合學生生活實際和科學探究的需求，創設真實的學習情境，激發學生的學習興趣和探究欲望。項目驅動學習：通過項目驅動的方式，引導學生在完成具體科學探究項目的過程中，掌握開源硬件的基礎操作、傳感器的使用、實驗設計與數據分析等技能。小組合作與交流：鼓勵學生進行小組合作，共同設計實驗方案、搭建實驗裝置、收集和分析數據。在合作過程中，學生應積極交流、討論，共同解決問題。迭代優化與反思總結：在實驗過程中，教師應引導學生根據實驗結果反饋不斷迭代優化實驗方案，提高數據處理的準確性和效率。在實驗結束后，學生應進行反思總結，提煉實驗過程中的經驗和教訓。通過以上教學設計，旨在培養學生利用開源硬件進行科學探究的能力，提升他們的信息意識、計算思維、數字化學習與創新能力以及信息社會責任，為他們未來的學習和發展奠定堅實的基礎。八、大單元整體教學思路教學目標設定本單元的教學目標圍繞《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》中提出的學科核心素養，旨在通過開源硬件項目設計的教學，全面培養學生的信息意識、計算思維、數字化學習與創新能力，以及信息社會責任。具體目標設定如下：（一）信息意識對信息的敏感度：學生能夠敏銳地感知到生活中存在的科學問題，并意識到通過信息技術手段（如開源硬件）可以獲取并分析相關數據以解決問題。對信息價值的判斷力：學生能夠判斷哪些信息對于解決特定科學問題是有價值的，以及如何有效地利用這些信息來形成科學假設和設計方案。信息安全意識：在使用開源硬件進行數據收集和分析的過程中，學生能夠意識到信息安全的重要性，并采取措施保護數據的完整性和隱私性。（二）計算思維形式化描述問題：學生能夠運用計算機科學領域的思想方法，將科學探究問題抽象為可以形式化描述的問題，明確需要解決的關鍵問題。設計解決方案：針對提出的科學問題，學生能夠設計合理的解決方案，包括硬件搭建、軟件編程和數據分析等環節，并能夠評估不同方案的優劣。實現與優化方案：學生能夠運用編程語言或其他數字化工具實現解決方案，并在實踐中不斷優化和完善方案，提高問題解決的效率和準確性。（三）數字化學習與創新適應數字化學習環境：學生能夠適應基于開源硬件的數字化學習環境，掌握相關硬件和軟件工具的使用方法。創造性解決問題：在科學探究過程中，學生能夠利用數字化資源和工具創造性地解決問題，形成具有創新性的設計方案和實驗裝置。知識分享與協作學習：學生能夠通過網絡平臺或其他方式分享自己的學習成果和經驗，與同伴進行協作學習，共同提高數字化學習與創新能力。（四）信息社會責任遵守法律法規與倫理道德：在使用開源硬件進行科學探究的過程中，學生能夠自覺遵守相關法律法規和倫理道德規范，尊重知識產權和個人隱私。關注信息技術對社會的影響：學生能夠認識到信息技術在科學探究中的重要作用，并關注信息技術對社會發展和環境可能帶來的影響。積極傳播正能量：在分享學習成果和經驗的過程中，學生能夠積極傳播正能量，引導他人正確使用信息技術進行科學探究和學習。教學重點與難點教學重點開源硬件的使用方法：讓學生掌握開源硬件（如Arduino控制板、各種傳感器等）的基本使用方法，包括硬件連接、軟件編程和調試等?？茖W探究的一般過程：讓學生理解科學探究的一般過程，包括提出問題、形成假設、設計實驗、收集數據、分析數據和得出結論等環節。數字化工具的應用：讓學生學會利用數字化工具（如編程軟件、數據統計軟件等）進行數據處理和分析，提高問題解決的效率和準確性。教學難點跨學科知識的綜合運用：科學探究往往涉及多個學科的知識，如何引導學生綜合運用所學知識進行問題分析和解決是教學的難點之一。實驗裝置的設計與搭建：根據實驗需求設計和搭建合理的實驗裝置，需要學生具備較強的創新思維和實踐能力，這也是教學的難點之一。數據分析與結果解讀：收集到的數據往往需要進行深入的分析和解讀才能得出有意義的結論，如何引導學生正確地進行數據分析并解讀結果是教學的另一個難點。教學策略與方法教學策略項目式學習：以科學探究項目為主線，通過項目設計、實施和評價等環節，讓學生在實踐中掌握開源硬件的使用方法和科學探究的一般過程?？鐚W科整合：結合物理、化學等學科的知識，引導學生綜合運用所學知識進行問題分析和解決，培養學生的跨學科整合能力。合作學習：鼓勵學生進行小組合作學習，通過分工協作、資源共享和成果展示等方式，提高學生的團隊協作能力和數字化學習與創新能力。教學方法情境教學法：通過創設具體的科學探究情境，激發學生的學習興趣和探究欲望，引導學生主動發現問題并尋求解決方案。案例教學法：通過分析典型的科學探究案例，讓學生了解科學探究的一般過程和方法，并借鑒他人的成功經驗進行實踐探索。任務驅動法：給學生設定具體的任務目標，讓學生在完成任務的過程中掌握相關知識和技能，提高問題解決的實踐能力。教學實施步驟（一）單元導入（1課時）情境導入：通過展示一些利用開源硬件進行科學探究的實例或視頻，激發學生的學習興趣和探究欲望。目標闡述：明確本單元的教學目標和學習內容，讓學生了解本單元將要學習的知識和技能。任務布置：給學生布置本單元的學習任務，包括三個科學探究項目（水溫監測、單擺監測、電壓檢測）的設計與實施。（二）項目設計與實施（10課時）3.1水溫監測（3課時）形成實驗假設與設計實驗（1課時）活動1：不同杯子的保溫效果調研及實驗假設活動2：不同杯子的保溫效果探究實驗設計進行實驗探究與收集數據（1課時）活動1：探究不同杯子的保溫效果的硬件搭建活動2：探究不同杯子的保溫效果的程序編寫活動3：探究不同杯子的保溫效果的數據收集分析實驗數據與得出結論（1課時）活動：不同杯子保溫效果的數據分析與結論3.2單擺監測（3課時）形成實驗假設與設計實驗（1課時）活動1：單擺周期實驗的假設活動2：探究單擺周期的實驗設計進行實驗探究與收集數據（1課時）活動1：探究單擺周期的硬件搭建活動2：探究單擺周期的程序編寫活動3：探究單擺周期的數據收集分析實驗數據與得出結論（1課時）活動：探究單擺周期的數據分析與結論3.3電壓檢測（3課時）形成實驗假設與設計實驗（1課時）活動1：水果導電性影響因素調研活動2：探究不同水果導電性實驗設計進行實驗探究與收集數據（1課時）活動1：水果電池電壓檢測的硬件搭建活動2：水果電池電路設計活動3：編寫程序獲取電壓值活動4：收集數據分析實驗數據與得出結論（1課時）活動：分析數據并得出結論（三）作品發布與評價（2課時）作品發布：各小組展示自己的科學探究作品，包括實驗裝置、程序代碼、數據分析報告等。作品評價：采用自評、互評和教師評價相結合的方式，對各小組的作品進行評價，評價內容包括實驗裝置的合理性、程序的正確性、數據分析的準確性等方面。（四）單元總結與拓展（1課時）單元總結：回顧本單元的學習內容和學習過程，總結科學探究的一般過程和方法，以及開源硬件在項目設計中的應用。拓展練習：鼓勵學生結合所學知識，選擇一個感興趣的科學問題進行自主探究，設計并實施一個科學探究項目，體驗科學探究的樂趣和成就感。學業評價評價原則過程性評價與總結性評價相結合：注重對學生學習過程的評價，包括課堂參與度、小組合作情況、實驗裝置設計與搭建、程序編寫與調試等方面；也要對學生的最終作品進行總結性評價。多元化評價：采用自評、互評和教師評價相結合的方式，從不同角度全面評價學生的學習成果和表現。注重能力培養：在評價過程中，注重對學生信息意識、計算思維、數字化學習與創新能力和信息社會責任等學科核心素養的培養情況進行評價。評價內容與方法實驗設計與實施能力：通過觀察學生在實驗設計、硬件搭建、程序編寫和數據分析等方面的表現，評價其實驗設計與實施能力。數據分析與處理能力：通過分析學生的數據分析報告和實驗結果，評價其數據分析與處理能力。團隊合作與溝通能力：通過觀察學生在小組合作學習中的表現，評價其團隊合作與溝通能力。創新能力：通過評價學生的實驗裝置設計、程序編寫和數據分析等方面的創新性，評價其創新能力。信息意識與社會責任：通過觀察學生在信息獲取、使用和保護等方面的表現，以及其對相關法律法規和倫理道德的遵守情況，評價其信息意識和社會責任。通過以上教學思路的實施，旨在全面培養學生的信息意識、計算思維、數字化學習與創新能力以及信息社會責任，提高學生的科學素養和綜合素質。九、學業評價在進行《第3單元科學探究型項目設計》的教學評價時，我們將依據《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》的要求，結合本單元的教學內容，從信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任四個方面進行教學目標、學習目標及評價目標的設定。（一）信息意識教學目標：通過本單元的學習，學生能夠具備對信息的敏感度和對信息價值的判斷力，能夠根據解決問題的需要，自覺、主動地尋求恰當的方式獲取與處理信息，并在科學探究過程中有效運用信息技術工具。學習目標：能夠識別并獲取與科學探究相關的信息，如傳感器數據、實驗條件等。能夠判斷信息的準確性和可靠性，對實驗數據進行有效篩選和整理。在科學探究過程中，能夠主動利用信息技術工具（如Arduino控制板、傳感器等）獲取和處理信息。評價目標：信息敏感度：學生能否快速識別并獲取與水溫監測、單擺監測、電壓檢測等科學探究相關的信息。信息價值判斷力：學生能否準確判斷實驗數據的準確性和可靠性，并對數據進行有效篩選和整理。信息技術工具應用：學生能否在科學探究過程中主動利用信息技術工具獲取和處理信息，如利用Arduino控制板和傳感器獲取實驗數據。（二）計算思維教學目標：通過本單元的學習，學生能夠運用計算機科學領域的思想方法界定問題、抽象特征、建立結構模型、合理組織數據，并通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運用合理的算法形成解決問題的方案。學習目標：能夠針對科學探究問題，運用計算思維進行問題抽象和特征提取。能夠設計并實現基于開源硬件的數據采集和處理系統，如水溫監測裝置、單擺監測裝置等。能夠通過編程實現數據收集、處理和分析，形成科學結論。評價目標：問題抽象與特征提取：學生能否針對科學探究問題，運用計算思維進行問題抽象和特征提取，如將水溫變化、單擺振動周期等實際問題抽象為數學模型。系統設計與實現：學生能否設計并實現基于開源硬件的數據采集和處理系統，包括硬件連接、程序編寫和系統測試等環節。數據處理與分析：學生能否通過編程實現數據收集、處理和分析，如利用Arduino編程讀取傳感器數據，并進行分析以得出科學結論。（三）數字化學習與創新教學目標：通過本單元的學習，學生能夠認識數字化學習環境的優勢和局限性，適應數字化學習環境，掌握數字化學習系統、學習資源與學習工具的操作技能，利用數字化資源與工具創造性地解決問題，形成創新作品。學習目標：能夠適應數字化學習環境，掌握Arduino編程、傳感器使用等數字化學習工具的操作技能。能夠利用數字化學習資源和工具（如網絡搜索、數據分析軟件等）進行科學探究和數據分析。能夠在科學探究過程中發揮創新思維，設計并實現具有創新性的實驗裝置或解決方案。評價目標：數字化學習環境適應能力：學生能否適應數字化學習環境，熟練掌握Arduino編程、傳感器使用等數字化學習工具的操作技能。數字化學習資源利用能力：學生能否有效利用數字化學習資源和工具進行科學探究和數據分析，如利用網絡搜索相關資料、利用數據分析軟件處理實驗數據。創新能力：學生能否在科學探究過程中發揮創新思維，設計并實現具有創新性的實驗裝置或解決方案，如改進水溫監測裝置、設計新的單擺監測方法等。（四）信息社會責任教學目標：通過本單元的學習，學生能夠具有一定的信息安全意識與能力，遵守信息法律法規，信守信息社會的道德與倫理準則，在現實空間和虛擬空間中遵守公共規范，既能有效維護信息活動中個人的合法權益，又能積極維護他人合法權益和公共信息安全。學習目標：能夠了解并遵守信息法律法規和倫理道德準則，在科學探究過程中保護個人信息和實驗數據的安全。能夠識別并抵制不良信息行為，如篡改實驗數據、抄襲他人成果等。能夠積極維護信息社會的公共秩序和安全，如分享科學探究成果、參與學術交流等。評價目標：信息安全意識：學生能否了解并遵守信息法律法規和倫理道德準則，在科學探究過程中保護個人信息和實驗數據的安全，如妥善保管實驗數據、不泄露他人成果等。不良信息行為抵制能力：學生能否識別并抵制不良信息行為，如篡改實驗數據、抄襲他人成果等，保持學術誠信和科研道德。信息社會公共秩序維護：學生能否積極維護信息社會的公共秩序和安全，如分享科學探究成果、參與學術交流等，為信息社會的健康發展貢獻力量。評價實施為了全面、客觀地評價學生在本單元學習中的表現，我們將采用多種評價方式相結合的方法，包括課堂觀察、作品評價、實驗報告評價、同伴互評和自我評價等。課堂觀察：教師將通過觀察學生在課堂上的表現，如參與討論的積極性、提出問題的質量等，評價學生的信息意識和計算思維能力。作品評價：教師將對學生設計的實驗裝置、編寫的程序、制作的實驗報告等作品進行評價，重點關注作品的創新性、實用性和科學性，以此評價學生的數字化學習與創新能力和信息社會責任。實驗報告評價：學生將提交實驗報告，詳細記錄實驗過程、數據分析和結論等內容。教師將對實驗報告進行評價，重點關注報告的完整性、準確性和邏輯性，以此評價學生的計算思維和數字化學習與創新能力。同伴互評和自我評價：學生將進行同伴互評和自我評價，通過相互交流和反思，評價自己在信息意識、計算思維、數字化學習與創新和信息社會責任等方面的表現。這將有助于學生更全面地認識自己的優點和不足，促進自我提升和發展。通過本單元的學業評價，我們旨在全面、客觀地評價學生在信息意識、計算思維、數字化學習與創新和信息社會責任等方面的表現，促進學生全面發展，提高信息技術學科核心素養。十、大單元實施思路及教學結構圖一、大單元實施思路本大單元《科學探究型項目設計》的實施旨在通過一系列基于開源硬件的科學探究項目，培養學生的科學探究能力、信息技術應用能力及跨學科整合能力。實施思路如下：情境創設與問題提出：通過真實生活場景或科學現象引入探究問題，激發學生的學習興趣和探究欲望。知識與技能準備：介紹開源硬件的基礎知識、傳感器的使用方法及相關編程技能，為后續探究活動奠定基礎。項目設計與實驗方案制定：引導學生根據探究問題，設計實驗方案，明確實驗目的、自變量、因變量及控制變量。硬件搭建與程序編寫：指導學生搭建實驗裝置，編寫程序以收集和處理實驗數據。數據收集與分析：通過實驗收集數據，利用數據統計軟件或編程方法分析數據，得出結論。成果展示與評價：組織學生展示探究成果，進行自評和互評，分享探究經驗。拓展練習與深化理解：提供拓展練習，鼓勵學生自主選擇探究主題，深化對科學探究及信息技術應用的理解。二、教學目標設定（一）信息意識對信息的敏感度：能夠敏銳地捕捉到生活中的科學問題，意識到信息技術在科學探究中的應用價值。對信息價值的判斷力：能夠評估不同信息來源的可靠性，判斷實驗數據的有效性和準確性。（二）計算思維形式化：能夠將探究問題抽象為可計算的模型，用形式化的方法表述問題。模型化：能夠設計實驗方案，建立數學模型以模擬實驗過程。自動化：能夠編寫程序實現實驗數據的自動收集和處理，提高探究效率。系統化：能夠將科學探究過程系統化，明確各個環節的邏輯關系和先后順序。（三）數字化學習與創新數字化學習環境的創設：能夠利用開源硬件和編程環境創設數字化實驗環境。數字化學習資源的采集與管理：能夠收集和管理實驗數據，利用數據統計軟件進行分析。數字化學習資源的應用與創新：能夠創新性地應用數字化學習資源，設計具有新穎性的實驗方案。（四）信息社會責任信息安全意識：在實驗過程中注重個人信息的保護，不泄露實驗數據。法律法規遵守：遵守實驗室安全規范及信息技術相關法律法規。倫理道德：在探究過程中尊重科學事實，不偽造數據，秉持科學誠信。三、教學結構圖科學探究型項目設計|├──3.1水溫監測|├──情境創設與問題提出|├──知識與技能準備（溫度傳感器、編程基礎）|├──項目設計與實驗方案制定|├──硬件搭建與程序編寫|├──數據收集與分析|├──成果展示與評價|└──拓展練習|├──3.2單擺監測|├──情境創設與問題提出|├──知識與技能準備（紅外避障傳感器、編程進階）|├──項目設計與實驗方案制定|├──硬件搭建與程序編寫|├──數據收集與分析|├──成果展示與評價|└──拓展練習|├──3.3電壓檢測|├──情境創設與問題提出|├──知識與技能準備（電壓檢測模塊、編程綜合）|├──項目設計與實驗方案制定|├──硬件搭建與程序編寫|├──數據收集與分析|├──成果展示與評價|└──拓展練習|├──單元學習評價|├──科學探究能力評價|├──信息技術應用能力評價|├──跨學科整合能力評價|└──自評與互評|└──單元學習總結├──科學探究過程總結├──信息技術應用總結├──跨學科整合體會└──未來探究方向展望四、具體教學實施步驟3.1水溫監測情境創設與問題提出：展示不同材質的杯子，提問學生：“誰的杯子保溫效果更好？”引發學生思考。知識與技能準備：介紹防水溫度傳感器的工作原理和使用方法。講解Arduino編程基礎，包括串口通信、數據讀取等。項目設計與實驗方案制定：學生分組討論，形成實驗假設，如“塑料杯比陶瓷杯保溫效果好”。設計實驗方案，明確自變量（杯子材質）、因變量（水溫變化）及控制變量（初始水溫、水量、杯子形狀等）。硬件搭建與程序編寫：學生根據實驗方案搭建水溫監測裝置，將溫度傳感器連接到Arduino控制板。編寫程序，通過串口監視器顯示溫度數據，并每隔一定時間記錄一次數據。數據收集與分析：學生利用實驗裝置收集數據，填寫數據記錄表。利用Excel等軟件繪制圖表，分析不同材質杯子的保溫效果。成果展示與評價：學生展示實驗裝置和數據分析結果，進行小組自評和互評。教師總結點評，提出改進建議。拓展練習：學生自主選擇與溫度相關的探究問題，設計實驗方案并實施。3.2單擺監測情境創設與問題提出：通過擺鐘引入單擺概念，提問學生：“不同長度的單擺周期相同嗎？”引發學生思考。知識與技能準備：介紹紅外數字避障傳感器的工作原理和使用方法。講解Arduino編程進階知識，包括時間函數、條件判斷等。項目設計與實驗方案制定：學生分組討論，形成實驗假設，如“擺長越長，單擺周期越長”。設計實驗方案，明確自變量（擺長）、因變量（單擺周期）及控制變量（擺球質量、振幅等）。硬件搭建與程序編寫：學生根據實驗方案搭建單擺監測裝置，將紅外避障傳感器對準單擺小球。編寫程序，通過傳感器檢測單擺振動次數和時間，計算單擺周期。數據收集與分析：學生利用實驗裝置收集數據，填寫數據記錄表。利用數據統計軟件分析不同擺長下單擺周期的變化規律。成果展示與評價：學生展示實驗裝置和數據分析結果，進行小組自評和互評。教師總結點評，提出改進建議。拓展練習：學生自主選擇與單擺相關的探究問題，設計實驗方案并實施。3.3電壓檢測情境創設與問題提出：通過水果電池引入電壓概念，提問學生：“不同水果的導電性相同嗎？”引發學生思考。知識與技能準備：介紹電壓檢測模塊的工作原理和使用方法。講解Arduino編程綜合知識，包括模擬輸入、數據處理等。項目設計與實驗方案制定：學生分組討論，形成實驗假設，如“酸性水果的導電性更強”。設計實驗方案，明確自變量（水果種類）、因變量（電壓值）及控制變量（電極材料、間距等）。硬件搭建與程序編寫：學生根據實驗方案搭建水果電池電路，將電壓檢測模塊連接到Arduino控制板。編寫程序，讀取并輸出電壓值。數據收集與分析：學生利用實驗裝置收集數據，填寫數據記錄表。利用數據統計軟件分析不同水果的電壓值變化規律。成果展示與評價：學生展示實驗裝置和數據分析結果，進行小組自評和互評。教師總結點評，提出改進建議。拓展練習：學生自主選擇與電壓檢測相關的探究問題，設計實驗方案并實施。單元學習評價科學探究能力評價：評價學生在實驗設計、數據收集與分析等方面的能力。信息技術應用能力評價：評價學生在開源硬件使用、編程實現等方面的能力?？鐚W科整合能力評價：評價學生在物理、化學等學科知識綜合應用方面的能力。自評與互評：鼓勵學生進行自我評價和相互評價，促進反思與成長。單元學習總結科學探究過程總結：總結科學探究的一般過程和方法，強調觀察、假設、實驗、分析等環節的重要性。信息技術應用總結：總結開源硬件在科學探究中的應用價值，提升信息技術應用能力。跨學科整合體會：分享跨學科整合的體會和收獲，鼓勵學生在未來學習中注重跨學科知識的綜合應用。未來探究方向展望：-鼓勵學生根據本單元學習經驗，提出未來探究方向和目標，持續培養科學探究興趣和能力。十一、大情境、大任務創設一、大情境創設在當今科技飛速發展的時代，開源硬件已成為創新教育和科學探究的重要工具。開源硬件以其開放性、可擴展性和低成本等特點，為學生提供了實踐創新、動手操作的廣闊平臺。本次大單元教學將以“開源硬件與科學探究”為主題，通過一系列基于開源硬件的科學探究項目，引導學生深入理解科學探究的方法，提升信息技術應用能力，培養跨學科整合能力和創新思維。二、大任務創設本單元將通過三個具體的科學探究項目——水溫監測、單擺監測和電壓檢測，讓學生體驗科學探究的全過程，從提出問題、形成假設、設計實驗、收集數據到分析數據、得出結論，每一步都緊密結合開源硬件的應用。通過這三個項目，學生不僅能夠掌握開源硬件的基礎知識和操作技能，還能提升計算思維、數字化學習與創新能力和信息社會責任。三、教學目標設定（一）信息意識對信息的敏感度：學生能夠敏銳地捕捉到生活中的科學問題，意識到信息技術在科學探究中的應用價值。通過實際科學探究項目，學生能夠發現并提出與開源硬件相關的科學問題，如不同材質的杯子保溫效果、單擺的振動周期、水果的導電性等。對信息價值的判斷力：學生能夠評估不同信息來源的可靠性，判斷實驗數據的有效性和準確性。在科學探究過程中，學生能夠識別并篩選出有價值的信息，如傳感器的準確讀數、實驗數據的合理性等，以支持科學結論的形成。（二）計算思維形式化：學生能夠將探究問題抽象為可計算的模型，用形式化的方法表述問題。例如，在水溫監測項目中，學生能夠將水溫變化抽象為時間序列數據，用數學模型描述水溫隨時間的變化規律。模型化：學生能夠設計實驗方案，建立數學模型以模擬實驗過程。在單擺監測項目中，學生能夠根據單擺的運動規律建立數學模型，預測不同擺長下單擺的振動周期。自動化：學生能夠編寫程序實現實驗數據的自動收集和處理，提高探究效率。在電壓檢測項目中，學生能夠編寫Arduino程序，自動讀取水果電池的電壓值，并進行分析處理。系統化：學生能夠將科學探究過程系統化，明確各個環節的邏輯關系和先后順序。在三個項目中，學生能夠系統地規劃實驗步驟，從問題提出到數據收集、分析再到結論得出，每一步都緊密相連、邏輯清晰。（三）數字化學習與創新數字化學習環境的創設：學生能夠利用開源硬件和編程環境創設數字化實驗環境。通過Arduino等開源硬件平臺，學生能夠搭建物理裝置，結合編程實現數據的實時采集和處理。數字化學習資源的采集與管理：學生能夠收集和管理實驗數據，利用數據統計軟件進行分析。在科學探究過程中，學生能夠熟練使用Excel等數據統計軟件，對實驗數據進行整理、分析和可視化呈現。數字化學習資源的應用與創新：學生能夠創新性地應用數字化學習資源，設計具有新穎性的實驗方案。例如，在電壓檢測項目中，學生可以嘗試使用不同的電極材料或改變電極間距，探究這些因素對水果電池電壓的影響。（四）信息社會責任信息安全意識：在實驗過程中注重個人信息的保護，不泄露實驗數據。學生能夠認識到實驗數據的重要性，妥善保管實驗數據，確保數據的安全性和保密性。法律法規遵守：遵守實驗室安全規范及信息技術相關法律法規。學生能夠了解并遵守實驗室的安全操作規程，確保實驗過程的安全；能夠遵守信息技術相關的法律法規，如軟件版權、數據隱私等。倫理道德：在探究過程中尊重科學事實，不偽造數據，秉持科學誠信。學生能夠堅持實事求是的科學態度，不篡改或偽造實驗數據，確保實驗結果的客觀性和真實性。四、具體教學實施步驟3.1水溫監測情境創設與問題提出展示不同材質的杯子，提問學生：“誰的杯子保溫效果更好？”引發學生思考。通過這一情境創設，激發學生對水溫監測的興趣和探究欲望。知識與技能準備介紹防水溫度傳感器的工作原理和使用方法，講解Arduino編程基礎，包括串口通信、數據讀取等。為學生后續的實驗探究奠定知識和技能基礎。項目設計與實驗方案制定學生分組討論，形成實驗假設，如“塑料杯比陶瓷杯保溫效果好”。設計實驗方案，明確自變量（杯子材質）、因變量（水溫變化）及控制變量（初始水溫、水量、杯子形狀等）。硬件搭建與程序編寫學生根據實驗方案搭建水溫監測裝置，將溫度傳感器連接到Arduino控制板。編寫程序，通過串口監視器顯示溫度數據，并每隔一定時間記錄一次數據。數據收集與分析學生利用實驗裝置收集數據，填寫數據記錄表。利用Excel等軟件繪制圖表，分析不同材質杯子的保溫效果。成果展示與評價學生展示實驗裝置和數據分析結果，進行小組自評和互評。教師總結點評，提出改進建議。拓展練習學生自主選擇與溫度相關的探究問題，設計實驗方案并實施。如探究不同厚度杯子的保溫效果、不同環境溫度下杯子的保溫效果等。3.2單擺監測情境創設與問題提出通過擺鐘引入單擺概念，提問學生：“不同長度的單擺周期相同嗎？”引發學生思考。通過這一情境創設，激發學生對單擺監測的興趣和探究欲望。知識與技能準備介紹紅外數字避障傳感器的工作原理和使用方法，講解Arduino編程進階知識，包括時間函數、條件判斷等。為學生后續的實驗探究奠定知識和技能基礎。項目設計與實驗方案制定學生分組討論，形成實驗假設，如“擺長越長，單擺周期越長”。設計實驗方案，明確自變量（擺長）、因變量（單擺周期）及控制變量（擺球質量、振幅等）。硬件搭建與程序編寫學生根據實驗方案搭建單擺監測裝置，將紅外避障傳感器對準單擺小球。編寫程序，通過傳感器檢測單擺振動次數和時間，計算單擺周期。數據收集與分析學生利用實驗裝置收集數據，填寫數據記錄表。利用數據統計軟件分析不同擺長下單擺周期的變化規律。成果展示與評價學生展示實驗裝置和數據分析結果，進行小組自評和互評。教師總結點評，提出改進建議。拓展練習學生自主選擇與單擺相關的探究問題，設計實驗方案并實施。如探究不同擺球質量對單擺周期的影響、不同振幅下單擺周期的變化等。3.3電壓檢測情境創設與問題提出通過水果電池引入電壓概念，提問學生：“不同水果的導電性相同嗎？”引發學生思考。通過這一情境創設，激發學生對電壓檢測的興趣和探究欲望。知識與技能準備介紹電壓檢測模塊的工作原理和使用方法，講解Arduino編程綜合知識，包括模擬輸入、數據處理等。為學生后續的實驗探究奠定知識和技能基礎。項目設計與實驗方案制定學生分組討論，形成實驗假設，如“酸性水果的導電性更強”。設計實驗方案，明確自變量（水果種類）、因變量（電壓值）及控制變量（電極材料、間距等）。硬件搭建與程序編寫學生根據實驗方案搭建水果電池電路，將電壓檢測模塊連接到Arduino控制板。編寫程序，讀取并輸出電壓值。數據收集與分析學生利用實驗裝置收集數據，填寫數據記錄表。利用數據統計軟件分析不同水果的電壓值變化規律。成果展示與評價學生展示實驗裝置和數據分析結果，進行小組自評和互評。教師總結點評，提出改進建議。拓展練習學生自主選擇與電壓檢測相關的探究問題，設計實驗方案并實施。如探究不同電極材料對電壓的影響、不同電解液濃度對電壓的影響等。五、單元學習評價通過本單元的學習，學生應能夠掌握科學探究的一般方法，體驗科學探究的全過程，形成利用開源硬件開展科學探究以解決問題的意識。單元學習評價應注重對學生信息意識、計算思維、數字化學習與創新能力和信息社會責任的全面考察。具體評價方式可采用自評、互評和教師評價相結合的方式，評價內容應包括實驗設計的合理性、數據收集的準確性、數據分析的科學性以及實驗過程中的創新表現等。六、單元學習總結通過本單元的學習，學生不僅掌握了開源硬件的基礎知識和操作技能，還提升了計算思維、數字化學習與創新能力和信息社會責任。在科學探究過程中，學生學會了如何將實際問題抽象為可計算的模型，如何設計實驗方案并收集分析數據，如何運用數字化工具進行創新和創造。學生也深刻認識到信息安全、法律法規和倫理道德在信息技術應用中的重要性。學生將繼續運用所學知識和技能，開展更多有意義的科學探究活動，不斷提升自己的綜合素養和創新能力。十二、單元學歷案（一）單元主題與課時單元主題：開源硬件項目設計——科學探究型項目設計課時設計：第1課時：3.1水溫監測——情境創設與問題提出、知識與技能準備第2課時：3.1水溫監測——項目設計與實驗方案制定、硬件搭建與程序編寫第3課時：3.1水溫監測——數據收集與分析、成果展示與評價、拓展練習第4課時：3.2單擺監測——情境創設與問題提出、知識與技能準備第5課時：3.2單擺監測——項目設計與實驗方案制定、硬件搭建與程序編寫第6課時：3.2單擺監測——數據收集與分析、成果展示與評價、拓展練習第7課時：3.3電壓檢測——情境創設與問題提出、知識與技能準備第8課時：3.3電壓檢測——項目設計與實驗方案制定、硬件搭建與程序編寫第9課時：3.3電壓檢測——數據收集與分析、成果展示與評價、拓展練習第10課時：單元學習評價與總結（二）學習目標教學目標設定：信息意識：學生能夠敏銳地捕捉到生活中的科學問題，意識到信息技術在科學探究中的應用價值。學生能夠評估不同信息來源的可靠性，判斷實驗數據的有效性和準確性。計算思維：學生能夠將探究問題抽象為可計算的模型，用形式化的方法表述問題。學生能夠設計實驗方案，建立數學模型以模擬實驗過程。學生能夠編寫程序實現實驗數據的自動收集和處理，提高探究效率。學生能夠將科學探究過程系統化，明確各個環節的邏輯關系和先后順序。數字化學習與創新：學生能夠利用開源硬件和編程環境創設數字化實驗環境。學生能夠收集和管理實驗數據，利用數據統計軟件進行分析。學生能夠創新性地應用數字化學習資源，設計具有新穎性的實驗方案。信息社會責任：學生在實驗過程中注重個人信息的保護，不泄露實驗數據。學生遵守實驗室安全規范及信息技術相關法律法規。學生在探究過程中尊重科學事實，不偽造數據，秉持科學誠信。（三）評價任務信息意識評價：通過學生在課堂討論中提出的科學問題，評價其對生活中科學問題的敏感度。通過學生對實驗數據的分析和解釋，評價其對信息價值的判斷力。計算思維評價：通過學生設計的實驗方案和數學模型，評價其形式化和模型化能力。通過學生編寫的程序和數據處理結果，評價其自動化和系統化能力。數字化學習與創新評價：通過學生創設的數字化實驗環境和數據管理工具，評價其數字化學習環境創設能力。通過學生設計的實驗方案和數據分析結果，評價其數字化學習資源的應用與創新能力。信息社會責任評價：通過學生在實驗過程中的操作和數據管理，評價其信息安全意識和法律法規遵守情況。通過學生對實驗數據的處理和結論的得出，評價其科學誠信和倫理道德。（四）學習過程3.1水溫監測第1課時：情境創設與問題提出、知識與技能準備情境創設與問題提出：展示不同材質的杯子，提問學生：“誰的杯子保溫效果更好？”引發學生思考。知識與技能準備：介紹防水溫度傳感器的工作原理和使用方法；講解Arduino編程基礎，包括串口通信、數據讀取等。第2課時：項目設計與實驗方案制定、硬件搭建與程序編寫項目設計與實驗方案制定：學生分組討論，形成實驗假設，如“塑料杯比陶瓷杯保溫效果好”；設計實驗方案，明確自變量、因變量及控制變量。硬件搭建與程序編寫：學生根據實驗方案搭建水溫監測裝置，將溫度傳感器連接到Arduino控制板；編寫程序，通過串口監視器顯示溫度數據。第3課時：數據收集與分析、成果展示與評價、拓展練習數據收集與分析：學生利用實驗裝置收集數據，填寫數據記錄表；利用Excel等軟件繪制圖表，分析不同材質杯子的保溫效果。成果展示與評價：學生展示實驗裝置和數據分析結果，進行小組自評和互評；教師總結點評，提出改進建議。拓展練習：學生自主選擇與溫度相關的探究問題，設計實驗方案并實施。3.2單擺監測第4課時：情境創設與問題提出、知識與技能準備情境創設與問題提出：通過擺鐘引入單擺概念，提問學生：“不同長度的單擺周期相同嗎？”引發學生思考。知識與技能準備：介紹紅外數字避障傳感器的工作原理和使用方法；講解Arduino編程進階知識，包括時間函數、條件判斷等。第5課時：項目設計與實驗方案制定、硬件搭建與程序編寫項目設計與實驗方案制定：學生分組討論，形成實驗假設，如“擺長越長，單擺周期越長”；設計實驗方案，明確自變量、因變量及控制變量。硬件搭建與程序編寫：學生根據實驗方案搭建單擺監測裝置，將紅外避障傳感器對準單擺小球；編寫程序，通過傳感器檢測單擺振動次數和時間，計算單擺周期。第6課時：數據收集與分析、成果展示與評價、拓展練習數據收集與分析：學生利用實驗裝置收集數據，填寫數據記錄表；利用數據統計軟件分析不同擺長下單擺周期的變化規律。成果展示與評價：學生展示實驗裝置和數據分析結果，進行小組自評和互評；教師總結點評，提出改進建議。拓展練習：學生自主選擇與單擺相關的探究問題，設計實驗方案并實施。3.3電壓檢測第7課時：情境創設與問題提出、知識與技能準備情境創設與問題提出：通過水果電池引入電壓概念，提問學生：“不同水果的導電性相同嗎？”引發學生思考。知識與技能準備：介紹電壓檢測模塊的工作原理和使用方法；講解Arduino編程綜合知識，包括模擬輸入、數據處理等。第8課時：項目設計與實驗方案制定、硬件搭建與程序編寫項目設計與實驗方案制定：學生分組討論，形成實驗假設，如“酸性水果的導電性更強”；設計實驗方案，明確自變量、因變量及控制變量。硬件搭建與程序編寫：學生根據實驗方案搭建水果電池電路，將電壓檢測模塊連接到Arduino控制板；編寫程序，讀取并輸出電壓值。第9課時：數據收集與分析、成果展示與評價、拓展練習數據收集與分析：學生利用實驗裝置收集數據，填寫數據記錄表；利用數據統計軟件分析不同水果的電壓值變化規律。成果展示與評價：學生展示實驗裝置和數據分析結果，進行小組自評和互評；教師總結點評，提出改進建議。拓展練習：學生自主選擇與電壓檢測相關的探究問題，設計實驗方案并實施。第10課時：單元學習評價與總結單元學習評價：評價學生在科學探究能力、信息技術應用能力、跨學科整合能力等方面的表現；鼓勵學生進行自我評價和相互評價。單元學習總結：總結科學探究的一般過程和方法；分享開源硬件在科學探究中的應用價值；鼓勵學生提出未來探究方向和目標。（五）作業與檢測作業設計：設計并完成一個與溫度、單擺或電壓檢測相關的自主探究項目，包括實驗設計、數據收集與分析、結論得出等環節。撰寫實驗報告，詳細記錄實驗過程、數據分析結果和結論。檢測方式：通過課堂觀察、小組討論、實驗報告等方式，檢測學生對科學探究方法和信息技術應用能力的掌握情況。通過成果展示和互評，檢測學生的實驗設計和數據分析能力。（六）學后反思學生反思：反思自己在科學探究過程中的收獲和不足，如何更好地利用開源硬件和信息技術解決實際問題。思考如何將科學探究方法與日常生活和學習相結合，提高自己的創新能力和實踐能力。教師反思：反思教學過程中的成功與不足，如何進一步激發學生的學習興趣和探究欲望。-思考如何優化教學內容和方法，提高教學效果和學生的學科核心素養。十三、學科實踐與跨學科學習設計在《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》的指導下，結合選擇性必修6《開源硬件項目設計》第3單元《科學探究型項目設計》的教學內容，我們設計了本單元的學科實踐與跨學科學習方案。通過跨學科實踐，旨在培養學生的信息意識、計算思維、數字化學習與創新能力，以及信息社會責任，提升學生的綜合素養。一、教學目標設定（一）信息意識對信息的敏感度：通過科學探究項目，學生能夠敏銳地捕捉到生活中的科學問題，意識到信息技術在科學探究中的應用價值，學會利用信息技術手段解決實際問題。對信息價值的判斷力：學生能夠評估不同信息來源的可靠性，判斷實驗數據的有效性和準確性，提升信息篩選和判斷能力。（二）計算思維形式化：學生能夠將探究問題抽象為可計算的模型，用形式化的方法表述問題，培養邏輯思維和抽象能力。模型化：學生能夠設計實驗方案，建立數學模型以模擬實驗過程，提升數學建模和問題解決能力。自動化：學生能夠編寫程序實現實驗數據的自動收集和處理，提高探究效率，培養自動化思維和編程能力。系統化：學生能夠將科學探究過程系統化，明確各個環節的邏輯關系和先后順序，培養系統思維和項目管理能力。（三）數字化學習與創新數字化學習環境的創設：學生能夠利用開源硬件和編程環境創設數字化實驗環境，提升信息技術應用能力。數字化學習資源的采集與管理：學生能夠收集和管理實驗數據，利用數據統計軟件進行分析，培養數據管理和分析能力。數字化學習資源的應用與創新：學生能夠創新性地應用數字化學習資源，設計具有新穎性的實驗方案，培養創新思維和實踐能力。（四）信息社會責任信息安全意識：在實驗過程中注重個人信息的保護，不泄露實驗數據，培養信息安全意識。法律法規遵守：遵守實驗室安全規范及信息技術相關法律法規，培養法治觀念。倫理道德：在探究過程中尊重科學事實，不偽造數據，秉持科學誠信，培養科學道德和倫理意識。二、學習目標設定（一）信息意識了解科學探究與信息技術的融合：通過參與科學探究項目，學生能夠認識到信息技術在科學探究中的重要性和應用價值。評估信息來源的可靠性：學會評估實驗數據和信息來源的可靠性，提升信息篩選和判斷能力。（二）計算思維抽象與建模：能夠將復雜的科學問題抽象為可計算的模型，用形式化的方法表述問題。程序設計與實現：能夠編寫程序實現實驗數據的自動收集和處理，提升編程能力和問題解決能力。系統化思考：能夠將科學探究過程系統化，明確各個環節的邏輯關系和先后順序，培養系統思維和項目管理能力。（三）數字化學習與創新數字化實驗環境創設：利用開源硬件和編程環境創設數字化實驗環境，提升信息技術應用能力。數據管理與分析：能夠收集和管理實驗數據，利用數據統計軟件進行分析，培養數據管理和分析能力。創新實驗設計：能夠創新性地應用數字化學習資源，設計具有新穎性的實驗方案，培養創新思維和實踐能力。（四）信息社會責任信息安全與隱私保護：在實驗過程中注重個人信息的保護，不泄露實驗數據，培養信息安全意識。遵守法律法規：遵守實驗室安全規范及信息技術相關法律法規，培養法治觀念?？茖W誠信與倫理道德：在探究過程中尊重科學事實，不偽造數據，秉持科學誠信，培養科學道德和倫理意識。三、作業目標設定（一）信息意識信息篩選與評估：搜集與科學探究項目相關的資料和信息，評估其可靠性和有效性，撰寫信息評估報告。信息交流與分享：與同學分享自己搜集的信息和資料，討論信息來源的可靠性和實驗數據的準確性，提升信息交流和分享能力。（二）計算思維實驗方案設計：設計一個基于開源硬件的科學探究實驗方案，包括實驗目的、實驗步驟、數據收集與分析方法等，提升實驗設計能力。程序編寫與調試：編寫程序實現實驗數據的自動收集和處理，進行程序調試和優化，提升編程能力和問題解決能力。系統化思考：將科學探究過程系統化，明確各個環節的邏輯關系和先后順序，繪制科學探究流程圖，培養系統思維和項目管理能力。（三）數字化學習與創新數字化實驗環境搭建：利用開源硬件和編程環境搭建數字化實驗環境，撰寫實驗環境搭建報告。數據管理與分析：收集和管理實驗數據，利用數據統計軟件進行分析，撰寫數據分析報告，培養數據管理和分析能力。創新實驗設計：基于所學知識，設計一個具有創新性的科學探究實驗方案，包括實驗目的、實驗步驟、預期結果等，培養創新思維和實踐能力。（四）信息社會責任信息安全與隱私保護：在實驗過程中注重個人信息的保護，不泄露實驗數據，撰寫信息安全與隱私保護報告。法律法規遵守：遵守實驗室安全規范及信息技術相關法律法規，撰寫法律法規遵守報告，培養法治觀念?？茖W誠信與倫理道德：在探究過程中尊重科學事實，不偽造數據，秉持科學誠信，撰寫科學誠信與倫理道德報告，培養科學道德和倫理意識。四、學科實踐與跨學科學習設計（一）學科實踐設計水溫監測項目實踐實踐目標：掌握防水溫度傳感器的使用方法，能夠搭建物理裝置監控水溫變化，并運用于科學探究。了解科學探究的一般過程和方法。實踐內容：形成實驗假設與設計實驗：調研不同杯子的保溫效果，形成實驗假設，設計實驗方案。進行實驗探究與收集數據：搭建水溫監測裝置，編寫程序獲取和顯示水溫數據，收集實驗數據。分析實驗數據與得出結論：利用數據統計軟件分析數據，比較不同杯子的保溫效果，得出結論?？鐚W科整合：結合物理知識（如熱傳導、比熱容等）和化學知識（如不同材料的導熱性）進行跨學科整合，深化對科學探究過程和方法的理解。單擺監測項目實踐實踐目標：掌握紅外避障傳感器的使用方法，能夠自主設計驗證單擺周期的實驗方案，并搭建實驗裝置。能夠編程收集實驗數據，完成探究實驗，體驗科學探究的一般過程。實踐內容：形成實驗假設與設計實驗：調研單擺周期的影響因素，形成實驗假設，設計實驗方案。進行實驗探究與收集數據：搭建單擺監測裝置，編寫程序獲取單擺振動次數和時間，計算單擺周期，收集實驗數據。分析實驗數據與得出結論：利用數據統計軟件分析數據，驗證或證偽假設，得出結論?？鐚W科整合：結合物理知識（如單擺周期公式、簡諧運動等）和數學知識（如數據分析、統計圖表繪制等）進行跨學科整合，提升科學探究能力和問題解決能力。電壓檢測項目實踐實踐目標：掌握電壓檢測模塊的使用方法，能夠用串口輸出電壓值。了解水果電池的基本組成和原理。通過探究活動，體驗多學科知識的綜合應用和科學探究方法。實踐內容：形成實驗假設與設計實驗：調研水果導電性的影響因素，形成實驗假設，設計實驗方案。進行實驗探究與收集數據：搭建水果電池電路，連接電壓檢測模塊，編寫程序獲取電壓值，收集實驗數據。分析實驗數據與得出結論：利用數據統計軟件分析數據，比較不同水果的導電性，得出結論?？鐚W科整合：結合化學知識（如電解質導電性、水果電池原理等）和物理知識（如電壓、電流、電阻等）進行跨學科整合，提升科學探究能力和多學科知識綜合運用能力。（二）跨學科學習設計物理與信息技術的整合整合點：在科學探究項目中，利用開源硬件和編程技術實現物理量的測量和數據分析，如水溫、單擺周期、電壓等。實施方式：結合物理學科知識，設計實驗方案，利用開源硬件搭建實驗裝置，編寫程序實現數據收集和處理。通過跨學科整合，深化對物理現象和規律的理解，提升信息技術應用能力。化學與信息技術的整合整合點：在科學探究項目中，利用信息技術手段探究化學現象和規律，如水果電池的導電性、不同材料的化學反應等。實施方式：結合化學學科知識，設計實驗方案，利用開源硬件和編程技術實現化學實驗的數字化和自動化。通過跨學科整合，提升化學實驗的安全性和準確性，培養創新思維和實踐能力。數學與信息技術的整合整合點：在科學探究項目中，利用數學知識和方法分析實驗數據，得出科學結論。利用信息技術手段實現數據的收集、處理和分析。實施方式：結合數學學科知識，設計數據分析方案，利用數據統計軟件或編程技術實現數據的可視化和深入分析。通過跨學科整合，提升數據分析能力和問題解決能力，培養邏輯思維和數學素養。通過以上學科實踐與跨學科學習設計，旨在培養學生的信息意識、計算思維、數字化學習與創新能力和信息社會責任，提升學生的綜合素養和科學探究能力。通過跨學科整合，深化學生對各學科知識的理解和應用，培養跨學科思維和創新能力。十四、大單元作業設計一、教學目標信息意識：學生能夠敏銳地捕捉到生活中的科學問題，意識到信息技術在科學探究中的應用價值。學生能夠評估不同信息來源的可靠性，判斷實驗數據的有效性和準確性。計算思維：學生能夠將探究問題抽象為可計算的模型，用形式化的方法表述問題。學生能夠設計實驗方案，建立數學模型以模擬實驗過程。學生能夠編寫程序實現實驗數據的自動收集和處理，提高探究效率。學生能夠將科學探究過程系統化，明確各個環節的邏輯關系和先后順序。數字化學習與創新：學生能夠利用開源硬件和編程環境創設數字化實驗環境。學生能夠收集和管理實驗數據，利用數據統計軟件進行分析。學生能夠創新性地應用數字化學習資源，設計具有新穎性的實驗方案。信息社會責任：學生在實驗過程中注重個人信息的保護，不泄露實驗數據。學生遵守實驗室安全規范及信息技術相關法律法規。學生在探究過程中尊重科學事實，不偽造數據，秉持科學誠信。二、作業目標設定信息意識：學生能夠識別并選擇與科學探究相關的有效信息源。學生能夠評估實驗數據的準確性和可靠性，判斷其在科學探究中的價值。計算思維：學生能夠將科學探究問題抽象化，并用計算機可處理的方式表述。學生能夠設計合理的實驗方案，包括數據收集、處理和分析方法。學生能夠編寫程序實現實驗數據的自動化收集和處理。學生能夠將科學探究過程系統化，明確各環節的邏輯關系和先后順序。數字化學習與創新：學生能夠利用開源硬件和編程工具創設數字化實驗環境。學生能夠運用數據統計軟件對實驗數據進行整理、分析和可視化呈現。學生能夠結合所學知識，創新性地設計實驗方案，解決實際問題。信息社會責任：學生在實驗過程中嚴格遵守信息安全和隱私保護規定。學生遵守實驗室安全規范及信息技術相關法律法規，確保實驗安全。學生在探究過程中堅持科學誠信，不偽造數據，尊重科學事實。三、作業內容與要求3.1水溫監測作業內容：實驗設計與準備：學生分組討論，確定實驗假設，如“塑料杯比陶瓷杯保溫效果好”。設計實驗方案，明確自變量（杯子材質）、因變量（水溫變化）及控制變量（初始水溫、水量、杯子形狀等）。準備實驗器材，包括Arduino控制板、防水溫度傳感器、USB數據線、陶瓷杯、塑料杯等。硬件搭建與程序編寫：學生根據實驗方案搭建水溫監測裝置，將防水溫度傳感器連接到Arduino控制板。編寫程序，通過串口監視器顯示溫度數據，并每隔一定時間記錄一次數據。數據收集與分析：學生利用實驗裝置收集數據，填寫數據記錄表。利用Excel等軟件繪制圖表，分析不同材質杯子的保溫效果。成果展示與評價：學生展示實驗裝置和數據分析結果，進行小組自評和互評。撰寫實驗報告，總結實驗過程、數據分析和結論。作業要求：實驗設計合理，能夠明確自變量、因變量及控制變量。硬件搭建正確，程序編寫無誤，能夠正確顯示和記錄溫度數據。數據分析準確，圖表清晰，結論合理。實驗報告內容完整，邏輯清晰，能夠體現科學探究的過程和方法。3.2單擺監測作業內容：實驗設計與準備：學生分組討論，確定實驗假設，如“擺長越長，單擺周期越長”。設計實驗方案，明確自變量（擺長）、因變量（單擺周期）及控制變量（擺球質量、振幅等）。準備實驗器材，包括Arduino控制板、紅外數字避障傳感器、單擺支架、擺線、小球等。硬件搭建與程序編寫：學生根據實驗方案搭建單擺監測裝置，將紅外數字避障傳感器對準單擺小球。編寫程序，通過傳感器檢測單擺振動次數和時間，計算單擺周期。數據收集與分析：學生利用實驗裝置收集數據，填寫數據記錄表。利用數據統計軟件分析不同擺長下單擺周期的變化規律。成果展示與評價：學生展示實驗裝置和數據分析結果，進行小組自評和互評。撰寫實驗報告，總結實驗過程、數據分析和結論。作業要求：實驗設計合理，能夠明確自變量、因變量及控制變量。硬件搭建正確，程序編寫無誤，能夠準確檢測單擺振動次數和時間。數據分析準確，能夠得出合理的結論。實驗報告內容完整，邏輯清晰，能夠體現科學探究的過程和方法。3.3電壓檢測作業內容：實驗設計與準備：學生分組討論，確定實驗假設，如“酸性水果的導電性更強”。設計實驗方案，明確自變量（水果種類）、因變量（電壓值）及控制變量（電極材料、間距等）。準備實驗器材，包括Arduino控制板、電壓檢測模塊、銅鋅電極、水果等。硬件搭建與程序編寫：學生根據實驗方案搭建水果電池電路，將電壓檢測模塊連接到Arduino控制板。編寫程序，讀取并輸出電壓值。數據收集與分析：學生利用實驗裝置收集數據，填寫數據記錄表。利用數據統計軟件分析不同水果的電壓值變化規律。成果展示與評價：學生展示實驗裝置和數據分析結果，進行小組自評和互評。撰寫實驗報告，總結實驗過程、數據分析和結論。作業要求：實驗設計合理，能夠明確自變量、因變量及控制變量。硬件搭建正確，程序編寫無誤，能夠準確讀取和輸出電壓值。數據分析準確，能夠得出合理的結論。實驗報告內容完整，邏輯清晰，能夠體現科學探究的過程和方法。四、作業評價標準信息意識（20分）：能夠識別并選擇與科學探究相關的有效信息源（5分）。能夠評估實驗數據的準確性和可靠性（5分）。能夠判斷實驗數據在科學探究中的價值（5分）。能夠關注科學探究領域的最新動態和發展趨勢（5分）。計算思維（30分）：能夠將科學探究問題抽象化，并用計算機可處理的方式表述（10分）。能夠設計合理的實驗方案，包括數據收集、處理和分析方法（10分）。能夠編寫程序實現實驗數據的自動化收集和處理（5分）。能夠將科學探究過程系統化，明確各環節的邏輯關系和先后順序（5分）。數字化學習與創新（30分）：能夠利用開源硬件和編程工具創設數字化實驗環境（10分）。能夠運用數據統計軟件對實驗數據進行整理、分析和可視化呈現（10分）。能夠結合所學知識，創新性地設計實驗方案，解決實際問題（5分）。能夠在探究過程中提出新的想法和觀點，推動科學探究的深入發展（5分）。信息社會責任（20分）：在實驗過程中嚴格遵守信息安全和隱私保護規定（5分）。遵守實驗室安全規范及信息技術相關法律法規，確保實驗安全（5分）。在探究過程中堅持科學誠信，不偽造數據，尊重科學事實（5分）。能夠關注科學探究對社會的影響，積極傳播科學知識和科學精神（5分）。五、作業反思與改進在完成大單元作業設計后，教師應引導學生進行反思和改進，以不斷提升學生的科學探究能力和信息技術應用能力。具體反思內容可包括：實驗設計的合理性和可行性：學生是否明確了自變量、因變量及控制變量？實驗方案是否科學、合理，能否有效驗證實驗假設？硬件搭建與程序編寫的正確性：硬件搭建過程中是否遇到問題，如何解決的？程序編寫是否無誤，能否正確實現預期功能？數據收集與分析的準確性：數據收集過程中是否存在誤差，如何減小誤差？數據分析方法是否合理，能否得出準確結論？成果展示與評價的全面性：成果展示是否充分，能否體現實驗過程和結論？自評和互評是否公正、客觀，能否促進相互學習和進步？信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任的培養：學生在作業過程中是否體現了較強的信息意識、計算思維、數字化學習與創新能力和信息社會責任？如何進一步加強這些方面的培養，提高學生的綜合素養？通過反思和改進，教師可以不斷完善大單元作業設計，提高教學效果，為學生的全面發展奠定堅實基礎。十五、“教-學-評”一致性課時設計3.1水溫監測教學目標（一）信息意識學生能夠敏銳地捕捉到生活中的科學問題，意識到信息技術在科學探究中的應用價值。學生能夠評估不同信息來源的可靠性，判斷實驗數據的有效性和準確性。（二）計算思維學生能夠將探究問題抽象為可計算的模型，用形式化的方法表述問題。學生能夠設計實驗方案，建立數學模型以模擬實驗過程。學生能夠編寫程序實現實驗數據的自動收集和處理，提高探究效率。學生能夠將科學探究過程系統化，明確各個環節的邏輯關系和先后順序。（三）數字化學習與創新學生能夠利用開源硬件和編程環境創設數字化實驗環境。學生能夠收集和管理實驗數據，利用數據統計軟件進行分析。學生能夠創新性地應用數字化學習資源，設計具有新穎性的實驗方案。（四）信息社會責任學生在實驗過程中注重個人信息的保護，不泄露實驗數據。學生遵守實驗室安全規范及信息技術相關法律法規。學生在探究過程中尊重科學事實，不偽造數據，秉持科學誠信。作業目標完成水溫監測裝置的硬件搭建和程序編寫。收集不同杯子保溫效果的數據，并進行初步分析。撰寫實驗報告，包括實驗目的、實驗過程、數據分析和結論。課程目標學生掌握防水溫度傳感器的使用方法，能夠搭建物理