融入真實場景的“數(shù)據(jù)與編碼”項目設計

摘要：本文以《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》為依據(jù)，圍繞“數(shù)據(jù)與編碼”模塊，結合小學新生信息采集這一真實問題，設計并實施了一系列微項目教學活動。文章從體驗手動信息錄入開始，逐步向學生介紹并應用編碼技術，引導學生認識到編碼在信息處理中的關鍵作用，并通過動手實踐與優(yōu)化設計，構建了一個優(yōu)化后的信息采集系統(tǒng)。關鍵詞：真實情境；數(shù)據(jù)編碼；信息采集系統(tǒng)在教學實踐中，教師設計的項目情境往往與學生的日常生活相去甚遠，原因是項目大都構建于虛構的情境之上。雖然這樣的設計能滿足教學任務需要，但卻讓學生感到枯燥無味?！读x務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）倡導以真實問題或項目驅動學習過程。為達成這一目標，教師需要從現(xiàn)實生活出發(fā)，挖掘與學科內容緊密相關的實際案例與應用場景，設計既符合實際又貼近學生生活的教學項目。本文結合義教新課標中的“數(shù)據(jù)與編碼”模塊，設計了一個貼近真實生活應用的項目——小學新生信息采集。該項目面向真實應用場景，不僅使學習變得更加有意義和有趣，還幫助學生建立起學科知識與現(xiàn)實世界的鏈接。項目設計背景每年暑假，一年級招生現(xiàn)場總是異常繁忙。在這期間，學校需要登記大量的新生報名信息。傳統(tǒng)的錄入方式為手動錄入，不僅速度慢，還容易出錯。因此，筆者提出結合“數(shù)據(jù)與編碼”的知識設計一個新生信息采集系統(tǒng)，利用編碼技術快速采集新生個人信息，以提高效率和準確度。在本項目中學生不僅能深入探索數(shù)據(jù)編碼和解碼的全過程，還能清晰地認識到編碼在數(shù)據(jù)處理、傳輸、管理中的重要性。同時，學生還將借助生成式人工智能工具輔助學習，一步步實現(xiàn)和完善自己的方案。流程體驗與項目設計四年級的學生對入學報名的具體流程并不熟悉。因此，在項目伊始，筆者首先進行流程體驗與項目設計，確保學生對入學報名的流程有基本的了解，并對項目進行概要設計。這個任務在微項目一和微項目二中完成。微項目一：信息采集流程體驗為了讓學生對入學信息采集流程有真實的體驗，筆者采用真實表格和模擬數(shù)據(jù)供學生體驗。（1）填寫實踐。學生使用模擬數(shù)據(jù)在教師提供的表格內填寫入學報名信息（包括姓名、性別、民族、出生日期、身份證號、住址、聯(lián)系電話等）。（2）發(fā)現(xiàn)與反思。在信息錄入的過程中學生會發(fā)現(xiàn)，僅僅依靠姓名來識別個體是不夠的，因為存在姓名重復的可能性。當面對多個相同姓名的學生時，無法準確區(qū)分。（3）身份證號碼探秘。學生通過查詢資料及與其他信息項目對比，可了解該號碼是如何編碼個人信息的。此外，引導學生思考，在已提供身份證號碼的情況下，為何還需要單獨提供出生日期和性別信息。這將幫學生認識到，盡管身份證號碼包含豐富的個人信息，但在實際應用中，直接提供某些關鍵信息能夠更加方便快捷地進行信息處理，避免每次都需要對身份證號碼進行解碼。微項目二：優(yōu)化信息采集流程經過項目一的上手體驗，學生對信息采集流程有了切身感受，并親身體會到原有流程的諸多不便。接下來收集學生的反饋，師生共同探討如何運用編碼技術優(yōu)化提效。（1）梳理流程，找出關鍵點。學生梳理反饋，總結舊流程：家長提供學生信息，由學校工作人員現(xiàn)場錄入，同時進行信息校對。匯總學生反饋發(fā)現(xiàn)，手動錄入信息的方式煩瑣且耗時，尤其是在錄入常規(guī)信息時效率低下。原因在于現(xiàn)場錄入耗費時間過長，這是提高學生信息數(shù)據(jù)采集工作效率的關鍵點。（2）針對問題，改進流程。針對發(fā)現(xiàn)的問題，學生通過小組討論提出改進建議。有兩個優(yōu)化方向：①更換數(shù)據(jù)錄入方式，用更快捷的數(shù)字化方式減少耗時。②減輕單次錄入的壓力并提升整體的工作效率，采取信息預錄入策略分散錄入工作量。那么，可能的改進方式就只有兩種：①使用在線文檔，但是安全性低。②根據(jù)生活中掃碼的經驗，使用條形碼或二維碼對數(shù)據(jù)預編碼。兩種方法都是把錄入的工作量分散給家長，對身份證號碼的合法性校驗可以在家長錄入信息時完成。使用在線文檔的安全性不高，所以選擇使用掃碼方案。微項目三：編碼解碼體驗優(yōu)化后的業(yè)務流程編碼和解碼是提質增效的關鍵。圖形化的編碼有條形碼和二維碼兩種，至于選擇哪一種，要由學生動手體驗評估確定。（1）技術實驗。學生通過網絡搜索在線編碼工具，并嘗試用自定義數(shù)據(jù)生成條形碼和二維碼，然后使用在線解碼器或掃碼槍進行解碼。通過編碼解碼的實驗體驗，總結兩種編碼系統(tǒng)的特性和限制。（2）實驗結論。條形碼有多種條碼類型（Code128、EAN13等），其中Code128條形碼的編碼能力覆蓋了大寫字母、小寫字母、數(shù)字及一些特殊字符，而二維碼的編碼能力則更強，包括中文字符在內的各類字符。Code128條形碼在數(shù)據(jù)量增加時會伸長其身軀，而二維碼則將數(shù)據(jù)更加密集地封裝在規(guī)定尺寸的方格內。當Code128條形碼因數(shù)據(jù)量的增大而變得過長時，可能會超出掃碼槍的解碼能力，所以二維碼是當前場景最合適的選擇。此外，掃碼槍在輸出掃描結果后會自動換行，這一點在進行連續(xù)掃描時尤其重要，能夠保證數(shù)據(jù)錄入的連貫性和整潔性。（3）實踐學習。①使用Windows或統(tǒng)信UOS的設備管理器程序觀察掃碼槍連接到計算機后增加了什么設備。②思考設備管理器里增加的鍵盤設備是如何將解碼結果輸入到計算機的。微項目四：解密中文編碼在新生個人信息的數(shù)字化錄入過程中，不可避免地會遇到中文字符。然而在微項目三的實踐中學生會發(fā)現(xiàn)，非Windows系統(tǒng)上并不能正常解碼中文。既然已知掃碼槍被操作系統(tǒng)識別為鍵盤，那就通過實驗揭開它輸入中文的秘密。（1）技術實驗。由教師提供一個使用Python編寫的鍵盤事件記錄器，以捕獲并展示鍵盤按鍵的按下和釋放事件，監(jiān)視掃碼后掃碼槍的鍵盤動作。程序通過定義on_key_press和on_key_release函數(shù)來捕獲鍵盤事件。當按鍵被按下或釋放時，這兩個函數(shù)分別被調動，并將事件詳情（按鍵名稱）作為參數(shù)接收，進一步調用其他函數(shù)將按鍵動作信息展示在界面上。（2）實驗結論。掃碼槍在解碼后會模擬鍵盤敲擊，逐個字符將解碼后的信息輸入到光標所在位置。對于中文字符則是按下Alt鍵后，通過輸入一串數(shù)字編碼的方式輸入。（3）實踐學習。①使用“漢字字符集編碼查詢”工具查詢“周”的編碼，看是哪種編碼。②查詢其他漢字的編碼，嘗試在Windows系統(tǒng)上使用編碼錄入漢字。微項目五：確定傳輸編碼掃碼槍的中文輸入方法并不適用于所有操作系統(tǒng)，特別是使用Linux內核的國產操作系統(tǒng)（如統(tǒng)信UOS、優(yōu)麒麟等）。既然掃碼槍是模擬鍵盤來輸入信息的，如果能找到一種方式將中文字符編碼為ASCII字符集的編碼串，那么，不僅可以實現(xiàn)其在二維碼中的存儲，還能在需要時將其還原為中文信息，這無疑對信息的存儲與傳遞至關重要。學生通過向大語言模型提問題（有沒有一種用于信息傳輸?shù)木幋a方式能把中文字符編碼為ASCII字符，還可以解碼回中文？），可以獲得使用base64編碼的建議。微項目六：信息組織優(yōu)化與二維碼生成（1）確定信息拼接策略。在拼接姓名、民族、住址等個人信息的過程中，學生會面臨一個非常棘手的問題：各信息項的長度差異會導致編碼后字符串長度不一致。以姓名為例，不論是簡約至兩個漢字的“張強”，還是包含更多字的“楊文博”和“歐陽辰星”，其長度明顯不同。民族信息也是如此，如“漢族”“維吾爾族”“柯爾克孜族”。相對于這些變長的信息項，出生日期、身份證號和手機號等信息項長度是固定的。為了在解碼后能夠清晰、準確地區(qū)分每項個人信息，必須引入特定的分隔符來標記各個編碼字符串的邊界。這里，學生需要意識到，選取理想的分隔符必須考慮兩個主要條件：①分隔符應該來源于ASCII字符集，以保證在不同操作系統(tǒng)上的掃碼兼容性；②分隔符不應與base64編碼使用的字符集重疊，以避免在解碼過程中產生混淆。這兩點條件共同引導學生選擇一個既明確又可靠的分隔符。“|”在本文中將被采用作為信息分割的標記。（2）精簡編碼信息。在前面的項目中，學生觀察到隨著加入二維碼的數(shù)據(jù)量增加，其復雜性也在提高。為了保持二維碼清晰的可讀性及高效的解碼率，優(yōu)化掉數(shù)據(jù)中的冗余是必要的。以身份證號碼為例，由于它涵蓋了如出生日期和性別等信息，可以避免在二維碼中重復這些數(shù)據(jù)，從而使二維碼設計更加簡潔，提升其編碼的效率。（3）規(guī)則實踐檢驗。在教師的指導下，學生使用“|”作為分隔符來拼接各項信息。對于包含中文字符的姓名、民族、家庭住址等，使用在線工具對其進行base64編碼后再進行拼接。以張翰林（本文所涉及個人信息皆為虛構，下同）學生為例，他是滿族，身份證號為37132120210817321x，家住陽光小區(qū)3號樓1單元502室，聯(lián)系電話經過中文信息項base64編碼預處理和使用“|”進行分隔拼接后的個人信息字符串如下：5byg57+w5p6X|5ruh5peP|37132120210817321x|6Ziz5YWJ5bCP5Yy6M+WPt+alvDHljZXlhYM1MDLlrqQ=后，學生利用在線轉換工具將編碼后的字符串生成為二維碼。通過掃碼槍測試解碼效果，再對base64編碼部分進行解碼，以匹配和驗證原始數(shù)據(jù)，確保在現(xiàn)實應用中可以準確還原數(shù)據(jù)。在此活動中，學生通過模擬新生信息采集的數(shù)據(jù)處理業(yè)務流程，體驗了從編碼到傳輸再到解碼的每個關鍵步驟，不僅加深了對“數(shù)據(jù)與編碼”模塊知識的理解，而且為后續(xù)的系統(tǒng)構建奠定了堅實的理論和實踐基礎。微項目七：借助AI大模型構建信息采集系統(tǒng)教師整合前六個項目的成果，描述需求并由師生協(xié)力利用大語言模型編碼構建系統(tǒng)，同時進行測試、調整、與模型交互反饋，最終形成一個可以解決實際問題的全流程解決方案。（1）回顧整合，梳理設計。教師帶領學生回顧先前的學習活動，基于已有成果梳理需求畫出設計圖。各小組根據(jù)設計圖明確設計需求和細節(jié)（如二維碼生成頁身份證號碼帶校驗功能、計算機端界面增加導出功能等），完成設計文檔，并嘗試撰寫與大模型交互的提示詞。（2）模型編碼，反饋迭代。將設計好的提示詞提交給大語言模型，利用大模型形成初步的編碼方案。師生共同參與到方案的使用測試中，在實踐測試過程中，查找問題反饋給大模型，經過多輪迭代完善作品。①家長端編寫。向AI大模型提問：“制作一個網頁，標題是‘××小學新生個人信息，下面一個表格用來填寫個人信息（姓名、民族、身份證號、住址、聯(lián)系電話），最下面是一個提交按鈕。點擊提交按鈕會先檢查身份證號碼的合法性，如果身份證號碼輸入錯誤會提示重新填寫。如果沒有錯誤，把姓名、民族、家庭住址使用base64編碼，然后把編碼的結果按姓名、民族、身份證號、住址、聯(lián)系電話的順序用‘|作為分隔符拼接在一起。然后轉成二維碼放到最下面?！贝竽Ｐ蜁鶕?jù)學生的提示詞給出完整的網頁源碼，并將源碼復制到網頁編輯器，在瀏覽器中可以對該網頁的所有預期功能進行測試。若AI大模型生成的網頁存在問題或者功能不符合預期，學生可以將具體的問題進行反饋。如果點擊提交按鈕后既沒有檢查身份證的合法性也沒有生成二維碼，則可以告訴AI大模型：“點擊提交后沒有反應，你查找一下問題?！盇I大模型將根據(jù)反饋信息和對話，對源碼進行相應的調整和優(yōu)化，以確保最終結果符合需求。②學校端編寫。學校端程序的編寫過程與家長端類似。提示詞示例如下：“編寫一個Python程序，窗口的上端是一個文本輸入框，下方是一個表格，底部是一個導出到Excel的按鈕。文本框和導出按鈕的高度固定，中間表格的高度隨窗口的變化而變化。表格共有7列，從左到右表頭依次是姓名、性別、民族、出生日期、身份證號、住址、聯(lián)系電話?！蔽谋究蚪邮盏捷斎霐?shù)據(jù)，在按下回車鍵后使用“|”符號把輸入數(shù)據(jù)分割成五段，依次是姓名、民族、身份證號、住址、聯(lián)系電話。將姓名、民族、住址使用base64解碼，從身份證中提取出生日期、性別，并將其添加到表格中。點擊底部的導出按鈕可以把表格中的數(shù)據(jù)導出到Excel。調試大模型編寫的Python程序相對復雜一些。除了軟件功能BUG，學生還會遇到缺少庫的問題，這個問題無需向大模型詢問，在教師的指導下安裝相應的庫即可?，F(xiàn)階段大模型編寫的程序往往在細節(jié)上考慮得不夠全面，如果在導出Excel時發(fā)現(xiàn)身份證號碼的后四位數(shù)字變成了0，需要在導出數(shù)據(jù)時確保身份證號碼被當作文本處理?？梢赃@樣向大模型說明：“在導出Excel的時候身份證號碼請使用文本格式?！敝劣?/p>