融入真實場景的“數(shù)據(jù)與編碼”項目設(shè)計

摘要：本文以《義務(wù)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(jié)合小學新生信息采集這一真實問題，設(shè)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?qū)W生介紹并應(yīng)用編碼技術(shù)，引導學生認識到編碼在信息處理中的關(guān)鍵作用，并通過動手實踐與優(yōu)化設(shè)計，構(gòu)建了一個優(yōu)化后的信息采集系統(tǒng)。關(guān)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(shè)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(gòu)建于虛構(gòu)的情境之上。雖然這樣的設(shè)計能滿足教學任務(wù)需要，但卻讓學生感到枯燥無味?！读x務(wù)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(qū)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(nèi)容緊密相關(guān)的實際案例與應(yīng)用場景，設(shè)計既符合實際又貼近學生生活的教學項目。本文結(jié)合義教新課標中的“數(shù)據(jù)與編碼”模塊，設(shè)計了一個貼近真實生活應(yīng)用的項目——小學新生信息采集。該項目面向真實應(yīng)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(shè)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(jié)合“數(shù)據(jù)與編碼”的知識設(shè)計一個新生信息采集系統(tǒng)，利用編碼技術(shù)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(shè)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(shè)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(shè)計。這個任務(wù)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(nèi)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(yīng)用中，直接提供某些關(guān)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(jīng)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(shù)優(yōu)化提效。（1）梳理流程，找出關(guān)鍵點。學生梳理反饋，總結(jié)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(guān)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(jīng)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(wù)流程編碼和解碼是提質(zhì)增效的關(guān)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(shù)實驗。學生通過網(wǎng)絡(luò)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(jié)兩種編碼系統(tǒng)的特性和限制。（2）實驗結(jié)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(nèi)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(nèi)。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(jié)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(shè)備管理器程序觀察掃碼槍連接到計算機后增加了什么設(shè)備。②思考設(shè)備管理器里增加的鍵盤設(shè)備是如何將解碼結(jié)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(shù)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(diào)動，并將事件詳情（按鍵名稱）作為參數(shù)接收，進一步調(diào)用其他函數(shù)將按鍵動作信息展示在界面上。（2）實驗結(jié)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(nèi)核的國產(chǎn)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(guān)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(yīng)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(yīng)與base64編碼使用的字符集重疊，以避免在解碼過程中產(chǎn)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?！皘”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(shè)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(gòu)，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(jīng)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(zhuǎn)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(yīng)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(wù)流程，體驗了從編碼到傳輸再到解碼的每個關(guān)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(gòu)建奠定了堅實的理論和實踐基礎(chǔ)。微項目七：借助AI大模型構(gòu)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(gòu)建系統(tǒng)，同時進行測試、調(diào)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(shè)計。教師帶領(lǐng)學生回顧先前的學習活動，基于已有成果梳理需求畫出設(shè)計圖。各小組根據(jù)設(shè)計圖明確設(shè)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(shè)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(shè)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(jīng)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(wǎng)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(jié)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(zhuǎn)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(wǎng)頁源碼，并將源碼復制到網(wǎng)頁編輯器，在瀏覽器中可以對該網(wǎng)頁的所有預期功能進行測試。若AI大模型生成的網(wǎng)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(yīng)，你查找一下問題。”AI大模型將根據(jù)反饋信息和對話，對源碼進行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化，以確保最終結(jié)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(diào)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(yīng)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>