基于計算思維“跨學(xué)科學(xué)習(xí)”真實項目生成研究（上）

王愛勝

跨學(xué)科學(xué)習(xí)與項目學(xué)習(xí)有著必然的關(guān)聯(lián)，兩者的協(xié)調(diào)設(shè)計是一線教學(xué)最新的發(fā)展趨勢。本期解碼，讓我們從中小學(xué)不同內(nèi)容的跨學(xué)科視角來探索如何進(jìn)行真實的項目設(shè)計。

在項目學(xué)習(xí)中，最困難的是針對項目內(nèi)容“真實性”特征進(jìn)行項目設(shè)計。在實踐中，教師往往虛構(gòu)項目應(yīng)用，或者簡化技術(shù)功能，究其原因往往歸結(jié)為受多種因素的局限，如技術(shù)實現(xiàn)困難、學(xué)習(xí)時間不足、主題難以設(shè)計等。那么，如何打破局限，讓項目真實設(shè)計呢？本文結(jié)合高中必修一“數(shù)據(jù)計算”與必修二“信息系統(tǒng)設(shè)計”的內(nèi)容，基于計算思維尋找算法與編程項目思維基礎(chǔ)，面向“名著閱讀跨學(xué)科學(xué)習(xí)”尋找項目主題，以“名著朗讀者”為真實項目設(shè)計過程，以“數(shù)據(jù)計算與信息系統(tǒng)設(shè)計”為學(xué)科內(nèi)容，研究真實項目設(shè)計中的主題規(guī)劃、功能需求、技術(shù)現(xiàn)實的整體生成過程。本項目涉及的信息系統(tǒng)的概要設(shè)計如圖1所示。

項目設(shè)計價值定位

因為工作、時間等關(guān)系，我們常常不能總盯著電腦看文章，這對想閱讀名著的計劃實施十分不利。筆者曾嘗試?yán)梦淖痔幚砉ぞ咴诰€朗讀，但速度偏慢，因此擬做一個朗讀文章的工具，并推薦給學(xué)生以“跨學(xué)科學(xué)習(xí)”項目來開展名著閱讀與信息系統(tǒng)設(shè)計學(xué)習(xí)，并在教學(xué)中指導(dǎo)學(xué)生整體體驗基于數(shù)據(jù)處理的計算思維養(yǎng)成，以實施基于計算思維核心素養(yǎng)發(fā)展意義的跨學(xué)科項目學(xué)習(xí)。為此，將項目主題設(shè)計確定為：名著朗讀者。

項目準(zhǔn)備與技術(shù)探索

在項目開始時，我們對全面實現(xiàn)“朗讀”的方案、技術(shù)并不掌握，所以要先進(jìn)行快速的探索與實驗，以形成相關(guān)的創(chuàng)作意識，其可在微項目1～2技術(shù)實驗中逐步形成。

微項目1：朗讀模塊安裝實驗。

在項目設(shè)計之前，首先準(zhǔn)備要應(yīng)用到的知識與技術(shù)，通過技術(shù)實驗做到“三軍未動糧草先行”。為設(shè)計“名著朗讀者”項目，查詢到的“朗讀模塊”較多，結(jié)合曾用過的winsoud模塊判斷不能在操作系統(tǒng)和Python版本上有局限，這樣才能方便不同環(huán)境使用。因此，擬采用跨系統(tǒng)的通用語音合成模塊pyttsx3進(jìn)行技術(shù)實驗。

（1）技術(shù)實驗：安裝程序及錯誤排除。一般情況下，當(dāng)安裝Python后，模塊安裝程序pip、pip3都是版本過低，根據(jù)提示更新卻往往不易成功，且pip文件全被刪除。這給模塊安裝造成困難，同時這也是設(shè)計類項目最制約初學(xué)者的困難。因此，通過搜索探討pip的修復(fù)、升級以及快速安裝的國內(nèi)鏡像策略等。

（2）實驗結(jié)論。①pip的升級過程會有多種錯誤，可進(jìn)行修復(fù)pip、更新，然后安裝模塊。②pip的路徑使用國內(nèi)鏡像，速度更快，也更穩(wěn)定。③pyttsx3模塊的語音合成與朗讀等基本功能能夠朗讀文本。

（3）實踐學(xué)習(xí)。①pyttsx3模塊的安裝是否存在問題？交流解決的方法。②在技術(shù)實驗中是否有需求萌發(fā)？隨時記錄想法，對規(guī)劃設(shè)計項目會有幫助。

微項目2：簡單文本的朗讀實現(xiàn)。

在測試中，實際是對項目的核心技術(shù)要素進(jìn)行探究，可通過“簡單文本朗讀實現(xiàn)”完成。

（1）模塊測試實驗：模塊安裝是否成功。模塊方法較多，如用help（'模塊名'）檢測是否成功。

（2）技術(shù)測試實驗：朗讀與異常處理。結(jié)合try技術(shù)，進(jìn)行Bug消除與異常預(yù)處理，也是較好的工程思維，符合計算思維的功能泛化要點，以適應(yīng)更多的情況。進(jìn)行基礎(chǔ)文字朗讀實驗，可以體驗技術(shù)效果。在非項目學(xué)習(xí)中，至此體驗即算完成關(guān)于“語音合成”模塊的純知識學(xué)習(xí)，對數(shù)據(jù)處理流程卻不能再有學(xué)習(xí)，由此可見項目學(xué)習(xí)的綜合價值更大。

（3）實驗結(jié)論：voice.say（text）是主體應(yīng)用技術(shù)等。

（4）實踐學(xué)習(xí)：text可輸入任意文本進(jìn)行測試。

項目規(guī)劃與概要設(shè)計

通過前期探索，筆者明白了一個道理：沒有基本知識去談項目規(guī)劃是空中樓閣、紙上談兵。所以，只有通過前面兩個微項目的學(xué)習(xí)，能夠用基礎(chǔ)知識實現(xiàn)“出聲朗讀”，才可進(jìn)行項目活動的設(shè)計，才能與信息系統(tǒng)設(shè)計的概要設(shè)計相結(jié)合——包括需求分析、項目規(guī)劃、界面設(shè)計等。

微項目3：項目規(guī)劃與系統(tǒng)設(shè)計。

在信息系統(tǒng)設(shè)計中，項目規(guī)劃實際就是系統(tǒng)設(shè)計的流程，包括可行性分析、需求分析、概要（功能）設(shè)計與詳細(xì)（功能）設(shè)計及編程現(xiàn)實、產(chǎn)品測試與發(fā)布的整體規(guī)劃。這與項目活動過程設(shè)計也是一致的。系統(tǒng)設(shè)計的方法有快速原型、瀑布型兩類，可以兩者兼顧——先基于瀑布型概要設(shè)計，用快速原型快速搭建系統(tǒng)主體與主要功能，再逐步迭代、泛化完善整個信息系統(tǒng)，這正是計算思維的流程要素。

（1）可行性分析?；赑ython的數(shù)據(jù)計算與信息系統(tǒng)設(shè)計方法，與名著文本結(jié)合，應(yīng)能設(shè)計出閱讀、朗讀的基本功能；技術(shù)困難可以通過搜索、技術(shù)實驗（及后期遇到GPT的Cursor智能編程工具咨詢等）來解決。

（2）需求分析。能夠根據(jù)名著《瓦爾登湖》《詩經(jīng)》等txt文件聆聽文字朗讀，按篇、分節(jié)學(xué)習(xí)名著；能夠較快地翻頁瀏覽文字、查找并統(tǒng)計關(guān)鍵詞等。

（3）概要設(shè)計。①文件操作：打開文件及文件夾，確定選中文件；使用相應(yīng)模塊或功能打開文件，讀取數(shù)據(jù)；利用循環(huán)程序進(jìn)行基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)整理，進(jìn)行數(shù)據(jù)分頁模型規(guī)劃等。②界面設(shè)計：方案一，用菜單功能操作提示，可用輸入/輸出語句及循環(huán)控制完成；方案二，采用圖形界面GUI設(shè)計需用GUI設(shè)計模塊等。③朗讀處理：訪問數(shù)據(jù)列表進(jìn)行每頁數(shù)據(jù)的朗讀，并探索自動朗讀與自動翻頁。④數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)列表的讀取、屏蔽詞匯制作副本、分頁檢索、關(guān)鍵詞查詢等相應(yīng)處理。⑤模塊化設(shè)計：使用自定義函數(shù)分別設(shè)計。

（4）項目實施。①問題分解：根據(jù)需求分析模塊設(shè)計，規(guī)范自定義函數(shù)（或子程序）、變量名等。②模型構(gòu)建：建立數(shù)據(jù)存儲模型、檢索模型等。③編寫代碼：模塊代碼編寫與合成。④程序調(diào)試：分模塊進(jìn)行斷點測試、整體軟件測試等。⑤學(xué)習(xí)評價：過程評價涉及設(shè)計組織與效率等，作品評價包括功能完善、設(shè)計創(chuàng)新等。⑥策略設(shè)計：采用半成品代碼中留白重要算法，代碼補充、技術(shù)實驗及問題解決等。

（5）項目交流。在進(jìn)行功能代碼設(shè)計時，以哪種系統(tǒng)設(shè)計模型進(jìn)行設(shè)計為宜？

微項目4：GUI圖形界面設(shè)計。

在概要設(shè)計中，界面設(shè)計非常重要，它對功能規(guī)劃、數(shù)據(jù)初步的輸出具有一定的意義，并隨時延伸到詳細(xì)設(shè)計進(jìn)行探索。界面設(shè)計一般有兩種風(fēng)格：一是，代碼編程的即時命令、菜單功能的風(fēng)格，設(shè)計容易，代碼簡潔，但是友好度不高。二是，GUI即圖形用戶界面設(shè)計，涉及窗體、按鈕、標(biāo)簽、文本框、對話框等控件設(shè)計，直觀、生動有趣，因技術(shù)復(fù)雜可借“半成品加工策略”來提高事件響應(yīng)設(shè)計的學(xué)習(xí)效率。

下面以簡化重點代碼解析GUI設(shè)計過程。

（1）功能模塊導(dǎo)入（如圖2）。

（2）規(guī)劃全程變量（如圖3）。

（3）主體界面設(shè)計技術(shù)實驗。

在主程序中進(jìn)行界面設(shè)計，其他功能不斷迭代補充。

（4）事件響應(yīng)。事件響應(yīng)指向自定義函數(shù)，可先提示事件已響應(yīng)，方法如圖4代碼所示。

（5）實踐學(xué)習(xí)。①體驗控件創(chuàng)建：模仿樣例增加“前一頁”“退出”“自動朗讀”等按鈕控件；探索輸入頁碼的文本框創(chuàng)建等。②“半成品”加工設(shè)計：補充某些自定義函數(shù)的提示信息等。

（6）項目交流。①GUI控件有按鈕、標(biāo)簽、文本輸入框、消息窗等，基本規(guī)則為定義、激活、布局，在定義中，事件指向自定義函數(shù)即可完成調(diào)用相應(yīng)功能。②在方案設(shè)計初期，有人提出建議：其一，是把翻頁和頁碼放在底部，并增加兩條不同色的間隔線，形成“刻線”效果；其二，增加插圖比較困難，暫時改為增加LOGO圖像；其三，增加前搜、后搜功能實現(xiàn)全書統(tǒng)計與查詢。學(xué)習(xí)交流很好地體現(xiàn)出設(shè)計思維和項目設(shè)計的生成性。

項目數(shù)據(jù)模型與功能設(shè)計

在項目學(xué)習(xí)中，沒有真實數(shù)據(jù)的項目給人的感覺是只學(xué)技術(shù)，而不是解決問題。所以，需要探索搭建數(shù)據(jù)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，依據(jù)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行顯示、查找、朗讀等功能設(shè)計。

微項目5：數(shù)據(jù)模型的建立與數(shù)據(jù)整理。

（1）數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)獲取、處理、顯示、查找等數(shù)據(jù)模型都與GUI設(shè)計關(guān)聯(lián)，如一頁20行的文本顯示可采取20行標(biāo)簽控件顯示數(shù)據(jù)完成。本項目基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型包括但不限于以下幾種：①數(shù)據(jù)存儲模型：text=['a'，'b'，……]。②數(shù)據(jù)整理模型（長句切片模型）：text=['a'，'b'，'c1'，'c2'，'c3'，'d'……]，即c=c1+c2+c3。③數(shù)據(jù)訪問模型：text[textp+i]（每頁首行位置為textp，0<=i<20）。

（2）圖書數(shù)據(jù)的獲取與整理。獲得圖書數(shù)據(jù)，并進(jìn)行規(guī)范化數(shù)據(jù)整理，這是信息系統(tǒng)設(shè)計項目的首要數(shù)據(jù)處理。例如，本項目可以用文件打開的方式，再進(jìn)行空行、無效字符清洗以及長句的切片等處理。關(guān)鍵算法設(shè)計略。

（3）數(shù)據(jù)的分頁顯示技術(shù)實驗。讓數(shù)據(jù)按頁顯示成文字內(nèi)容，可作為整個數(shù)據(jù)處理的中心，由它作為動態(tài)“模型”來接駁翻頁、檢索、朗讀以及后期迭代“屏蔽朗讀詞匯”等功能，所有的功能都可以針對數(shù)據(jù)訪問模型text[textp+i]（0<=i<20）進(jìn)行設(shè)計。

（4）實踐學(xué)習(xí)。①模仿學(xué)習(xí)：參考分頁顯示文字的功能，構(gòu)造clear（）清空20行功能，體驗循環(huán)控制對激活、設(shè)置控件的意義。②半成品加工設(shè)計：可對while x＜tl、while len（t）＞textn、text[x]=text[x][0：textn]等關(guān)鍵數(shù)據(jù)或算法進(jìn)行技術(shù)留白，在分析、補充“長句不斷切片算法”構(gòu)成中完成算法學(xué)習(xí)；對for i in range（1，21）進(jìn)行技術(shù)留白，體驗循環(huán)的控制作用。由此深入體驗數(shù)據(jù)處理中計算思維的分解、模型與算法要素。

（5）項目交流。①數(shù)據(jù)模型：按一定格式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、訪問，觀察列表text的內(nèi)容構(gòu)成特點。②斷點測試：部分功能是否成功可以進(jìn)行斷點測試。例如，text=[str（x）+"讀書" for x in range（10000）]，可不用圖書數(shù)據(jù)也能輕松產(chǎn)生3萬以上的文字進(jìn)行技術(shù)實驗。

至此，通過5個微項目，從模塊安裝、技術(shù)實驗、模型構(gòu)建到數(shù)據(jù)顯示，生成項目。在此過程中，根據(jù)教學(xué)進(jìn)度，通過半成品策略對輸入輸出數(shù)據(jù)、列表構(gòu)建數(shù)據(jù)模型、循環(huán)控制切片等基本算法進(jìn)行補充，在學(xué)習(xí)與探索中較完整地實現(xiàn)真實項目對計算思維、設(shè)計思維的培養(yǎng)。