黃強(qiáng)

● 信息技術(shù)支撐下的教學(xué)樣態(tài)改造案例

本文所談案例的實(shí)踐主題為“肌肉電信號(hào)的獲取與分析”與“簡易3D眼鏡的設(shè)計(jì)制作”，是信息技術(shù)與生物、通用技術(shù)、物理學(xué)科教學(xué)深度融合的智慧教育案例，也是筆者所在學(xué)校開展教學(xué)技術(shù)創(chuàng)新與項(xiàng)目式整合各科知識(shí)的實(shí)踐代表作。案例中，生物學(xué)科與信息技術(shù)學(xué)科圍繞如何改善“生物電信號(hào)”的知識(shí)呈現(xiàn)形式這一教學(xué)難點(diǎn)開展了研究實(shí)驗(yàn);通用技術(shù)、物理學(xué)科與信息技術(shù)學(xué)科就“光的偏振”“人機(jī)交互關(guān)系”的知識(shí)探究開展了融合教學(xué)。兩個(gè)案例中的主要內(nèi)容如圖1、圖2所示。

● “信息技術(shù)+”模式實(shí)踐的學(xué)校背景

筆者所在學(xué)校作為中國教科院STEM2029行動(dòng)計(jì)劃種子學(xué)校，為穩(wěn)步推進(jìn)學(xué)校STEM教育事業(yè)發(fā)展，向建成領(lǐng)航學(xué)校的目標(biāo)邁進(jìn)，創(chuàng)新了管理機(jī)制，采用學(xué)院制導(dǎo)師工作坊模式管理體系組建“鼎新學(xué)苑”。鼎新學(xué)苑致力于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的發(fā)展：①建設(shè)“區(qū)域性的教學(xué)技術(shù)創(chuàng)新中心”，支持教學(xué)方法創(chuàng)新，支持思維能力培養(yǎng)，改善人與知識(shí)資源的關(guān)系;②建設(shè)“區(qū)域性的覆蓋K12的課程中心”常態(tài)化的開發(fā)課程，打磨配套的教學(xué)資源，推進(jìn)課程群建設(shè)，加強(qiáng)共享，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)STEM課程資源的有效補(bǔ)充。

● 聚焦知識(shí)呈現(xiàn)形式創(chuàng)新與探究方式改善問題

問題1：在一次全市性的生物學(xué)科教研活動(dòng)中，某教師為筆者所在學(xué)校的高一學(xué)子開設(shè)了一堂“肌肉電信號(hào)的獲取與分析”的知識(shí)探究課，課堂教學(xué)理念先進(jìn)，環(huán)節(jié)緊湊，教學(xué)氛圍良好。美中不足的是學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)在實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)受到了極大的削弱，在該課教學(xué)中，教師選擇了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式，如圖3所示。

該實(shí)驗(yàn)有幾方面不足：①對(duì)實(shí)驗(yàn)材料要求較高，實(shí)驗(yàn)要求必備若干具有一定活性的肌肉組織，該因素較難保障，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)成功率較低;②現(xiàn)場衛(wèi)生環(huán)境等因素對(duì)課堂實(shí)驗(yàn)連貫性影響較大，該實(shí)驗(yàn)用品還涉及一些藥劑;③實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、不可信，對(duì)學(xué)生開展科學(xué)探究活動(dòng)支撐不足。總體來看，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對(duì)該課時(shí)的教學(xué)沒有起到應(yīng)有的作用，反之，粗劣的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)對(duì)學(xué)生理解生物學(xué)課的價(jià)值產(chǎn)生了消極影響。在課后評(píng)課環(huán)節(jié)，主講教師也提出了這個(gè)問題，為此，學(xué)校鼎新學(xué)苑教師團(tuán)隊(duì)主動(dòng)對(duì)接，分析該課程內(nèi)容的特點(diǎn)，查找自身所擁有的設(shè)施設(shè)備的適切性，最終制訂了設(shè)計(jì)以肌電傳感器為核心元件的可穿戴設(shè)備，用于改良該課時(shí)的實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)。

問題2：在一次校內(nèi)骨干教師公開課巡展活動(dòng)中，物理學(xué)科教師展示了“光的偏振”示范課，通用技術(shù)學(xué)科教師演示了“人機(jī)交互關(guān)系”示范課，兩節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)精巧，知識(shí)傳授高效。稍顯欠缺的是，學(xué)生的實(shí)踐體驗(yàn)不佳，對(duì)光的偏振的理解是依賴于教師的板書作圖，對(duì)人機(jī)關(guān)系的感受來自視頻素材?？梢?，課堂中人與知識(shí)資源的關(guān)系是僵化的，對(duì)知識(shí)的外延探究支持力度是不足的。兩節(jié)獨(dú)立的課，所講授的內(nèi)容都屬于當(dāng)前同一熱門技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)知識(shí)部分，學(xué)生缺少項(xiàng)目式視角統(tǒng)整知識(shí)的體驗(yàn)。

● 實(shí)踐解決——技術(shù)改良與項(xiàng)目改造

在將該案例付諸實(shí)踐前，教學(xué)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)技術(shù)的性質(zhì)達(dá)成了共識(shí)，認(rèn)為在不同的設(shè)計(jì)與使用條件下，信息技術(shù)在課堂上的運(yùn)用效果層次是不同的，從低到高可分為：平行移動(dòng)、提質(zhì)增效、增加縱深、互聯(lián)互通、學(xué)科融合。

因此，為了切實(shí)發(fā)揮信息技術(shù)的作用，緊扣以問題為導(dǎo)向的融合教學(xué)，在這兩個(gè)課堂智慧教育項(xiàng)目改造實(shí)施前，學(xué)校鼎新學(xué)苑組織生物、物理、通用技術(shù)學(xué)科與信息技術(shù)學(xué)科教師開展了富有建設(shè)性的多學(xué)科虛擬教研組備課活動(dòng)，尤其是信息技術(shù)設(shè)備參與該案例的時(shí)間節(jié)點(diǎn)、使用形式、是否科學(xué)等因素得到了充分討論，之后，團(tuán)隊(duì)共同設(shè)計(jì)了如下實(shí)施方案。

案例設(shè)計(jì)

“肌肉電信號(hào)的獲取與分析”

1.案例分析

本案例主題是浙教版普通高中生物學(xué)科中的重點(diǎn)知識(shí)，是學(xué)生深入理解人體神經(jīng)知識(shí)的重要基礎(chǔ)。本案例將著力點(diǎn)放在“創(chuàng)新學(xué)科知識(shí)呈現(xiàn)形式”上，創(chuàng)新“生物電信號(hào)”的呈現(xiàn)形式，以互動(dòng)化、數(shù)字化的圖形形式幫助學(xué)生探究理解。本案例適用于高中各階段學(xué)生，涉及生物學(xué)科與信息技術(shù)學(xué)科。

2.教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能目標(biāo)：理解、掌握生物學(xué)科神經(jīng)興奮信號(hào)產(chǎn)生與傳遞原理;從理論出發(fā)理解生物電信號(hào)的生成原理;對(duì)先進(jìn)的開源電子器件有一定程度認(rèn)知;通過實(shí)驗(yàn)探究深度理解肌肉運(yùn)動(dòng)與電信號(hào)之間的關(guān)系。

過程與方法目標(biāo)：通過生物學(xué)科知識(shí)講授，學(xué)習(xí)生物神經(jīng)信號(hào)生成原理;通過了解開源電子產(chǎn)品實(shí)際，接觸先進(jìn)的傳感技術(shù);通過互動(dòng)實(shí)驗(yàn)探究，視覺化呈現(xiàn)肌肉電信號(hào)，提高建構(gòu)知識(shí)的水平。

情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：通過多學(xué)科融合教學(xué)，從理論與實(shí)驗(yàn)探究角度思考問題，形成積極向上、創(chuàng)新發(fā)展的情感意志。

核心素養(yǎng)目標(biāo)：正確建構(gòu)生物、信息學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，通過創(chuàng)新數(shù)字化實(shí)驗(yàn)高效落實(shí)生物學(xué)科知識(shí)。

3.教學(xué)準(zhǔn)備與課時(shí)安排

教研準(zhǔn)備：由生物學(xué)科、信息技術(shù)學(xué)科開展STEM混合教研活動(dòng)。

設(shè)備資源準(zhǔn)備：教學(xué)多媒體素材（生物神經(jīng)興奮信號(hào)教學(xué)素材、開源電子器材原理講解）、肌電信號(hào)傳感器套件（UNO控制板、DF肌電傳感、杜邦線）。

課時(shí)安排：課時(shí)1“生物電信號(hào)的生成原理”;課時(shí)2“肌電傳感器工作原理與實(shí)驗(yàn)實(shí)操”。

4.教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)

重點(diǎn)：生物神經(jīng)電信號(hào)的產(chǎn)生原理。

難點(diǎn)：生物神經(jīng)電信號(hào)的獲取與分析。

5.實(shí)施過程

（1）課時(shí)1“生物電信號(hào)的生成原理”

①情境建立，導(dǎo)入新課：教師展現(xiàn)當(dāng)前醫(yī)學(xué)界對(duì)生物電信號(hào)的應(yīng)用研究以及產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀。

②問題引導(dǎo)：教師邀請(qǐng)學(xué)生代表談?wù)剬?duì)生物電的現(xiàn)有了解，并發(fā)散性地想象人類如何更好地利用電信號(hào)。

③重點(diǎn)教學(xué)：教師完整規(guī)范地展現(xiàn)生物神經(jīng)興奮與電信號(hào)的關(guān)系、從理論角度展現(xiàn)興奮電信號(hào)的傳導(dǎo)全程。

④難點(diǎn)知識(shí)：依托探究學(xué)習(xí)形式，教師提出探究問題（電信號(hào)的強(qiáng)弱、周期等屬性與人體肌肉運(yùn)動(dòng)的關(guān)系）。

設(shè)計(jì)思路：探究類型的知識(shí)點(diǎn)，一定要保證學(xué)生的探究活動(dòng)得以開展，這一環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散性思維和創(chuàng)新精神的重要一環(huán)。

（2）課時(shí)2《肌電傳感器工作原理與實(shí)驗(yàn)實(shí)操》

①問題引入：信息技術(shù)學(xué)科教師展現(xiàn)當(dāng)前領(lǐng)先的傳感科技成果，介紹本課時(shí)中DF肌電傳感器的屬性特點(diǎn)。

②重點(diǎn)知識(shí)講解：由信息技術(shù)學(xué)科教師展現(xiàn)完整的開源電子設(shè)備搭建過程、簡易編程過程以及數(shù)據(jù)往返過程。

③學(xué)科融合探究：信息技術(shù)學(xué)科與生物學(xué)科融合，開展實(shí)驗(yàn)，依托編程與開源電子優(yōu)勢(shì)，將肌肉電信號(hào)以圖形的形式呈現(xiàn)。

案例設(shè)計(jì)

《簡易3D眼鏡的設(shè)計(jì)制作》

1.案例分析

本案例是基于“信息技術(shù)+”模式的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)案例，是將物理學(xué)科與通用技術(shù)學(xué)科中屬于同一熱門技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)知識(shí)部分通過項(xiàng)目的形式進(jìn)行整合（如圖4）。

2.教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能目標(biāo)：理解光的偏振原理;從理論出發(fā)解釋3D眼鏡成像原理;對(duì)人機(jī)交互設(shè)計(jì)原則有一定程度認(rèn)知;通過產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐落實(shí)人機(jī)交互設(shè)計(jì)原則。

過程與方法目標(biāo)：通過物理學(xué)科知識(shí)講授，落實(shí)光偏振原理的學(xué)習(xí);通過了解典型產(chǎn)品優(yōu)缺點(diǎn)，養(yǎng)成批判性思維，進(jìn)而建構(gòu)有關(guān)人機(jī)交互設(shè)計(jì)原則的知識(shí);通過3D設(shè)計(jì)與打印實(shí)踐，達(dá)到學(xué)以致用的效果。

情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：通過多學(xué)科項(xiàng)目式教學(xué)，從產(chǎn)品角度思考問題，形成社會(huì)性、全人性的情感意志。

核心素養(yǎng)目標(biāo)：貼近產(chǎn)品開發(fā)實(shí)際任務(wù)，打破學(xué)科邊界，培養(yǎng)STEAM學(xué)科綜合運(yùn)用素養(yǎng)。

3.教學(xué)準(zhǔn)備與課時(shí)安排

教研準(zhǔn)備：由物理學(xué)科、通用技術(shù)學(xué)科、信息技術(shù)學(xué)科教師開展STEM混合智慧教育教研活動(dòng)。

設(shè)備資源準(zhǔn)備：快速成型設(shè)備（3D打印機(jī)、激光切割機(jī)）、5mm紙板、偏振片、金工木工工具等。

課時(shí)安排：課時(shí)1“光的偏振原理”;課時(shí)2“人機(jī)交互設(shè)計(jì)原則”;課時(shí)3、4“3D眼鏡設(shè)計(jì)建模與成型”。

4.教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)

重點(diǎn)：光的偏振原理、人機(jī)交互設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

難點(diǎn)：在3D建模中落實(shí)友好的人機(jī)交互設(shè)計(jì)，偏振光倉的設(shè)計(jì)。

5.實(shí)施過程

（1）課時(shí)1“光的偏振原理”

①情境建立，導(dǎo)入新課：教師展示科技產(chǎn)品3D眼鏡，并請(qǐng)若干學(xué)生現(xiàn)場體驗(yàn)，各自暢談使用感受。

②問題引導(dǎo)：通過教師邀請(qǐng)學(xué)生代表談使用感受，引出一個(gè)關(guān)注點(diǎn)，即“左眼內(nèi)容與右眼內(nèi)容不一致”，引發(fā)課堂教學(xué)活動(dòng)。

③重點(diǎn)教學(xué)：教師借助多媒體素材，從抽象角度完整演示光的偏振過程。

④難點(diǎn)知識(shí)：依托于探究學(xué)習(xí)形式，教師提出探究問題，幫助學(xué)生識(shí)別偏振類型。

（2）課時(shí)2：“人機(jī)交互設(shè)計(jì)原則”

①問題引入：通用技術(shù)學(xué)科教師明確3D眼鏡主題，展現(xiàn)當(dāng)前市場上存在的幾款產(chǎn)品，邀請(qǐng)學(xué)生對(duì)各款產(chǎn)品分別予以點(diǎn)評(píng)。

②重點(diǎn)知識(shí)講解：由通用技術(shù)學(xué)科教師講授如何從材質(zhì)、穩(wěn)定性、安全性、藝術(shù)造型、創(chuàng)新附加值等角度去解讀產(chǎn)品的人機(jī)交互設(shè)計(jì)層次。

③學(xué)科融合探究：信息技術(shù)學(xué)科與物理、通用技術(shù)學(xué)科融合，開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，依托3D建模與激光切割等快速成型技術(shù)，將產(chǎn)品創(chuàng)意以實(shí)物的形式呈現(xiàn)。

（3）課時(shí)3、4：“3D眼鏡設(shè)計(jì)建模與成型”

①問題引入：總結(jié)物理學(xué)科中對(duì)偏振光倉的要求與通用技術(shù)學(xué)科對(duì)眼鏡人機(jī)交互設(shè)計(jì)的要求，向?qū)W生明確項(xiàng)目目標(biāo)，即設(shè)計(jì)一款符合物理科學(xué)與人機(jī)交互體驗(yàn)良好的眼鏡產(chǎn)品。

②重點(diǎn)知識(shí)講解：SolidWorks軟件拉伸技巧與建立光倉、SolidWorks薄壁技巧與安放偏振片、SolidWorks軟件填充密度設(shè)置與產(chǎn)品重量。

③學(xué)科融合探究：信息技術(shù)學(xué)科與物理、通用技術(shù)學(xué)科融合，開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，依托3D建模與激光切割等快速成型技術(shù)，將產(chǎn)品創(chuàng)意以實(shí)物的形式呈現(xiàn)。

● 現(xiàn)階段實(shí)踐成效和經(jīng)驗(yàn)

兩個(gè)案例均以“區(qū)域性的教學(xué)技術(shù)創(chuàng)新中心”為定位，開展以信息技術(shù)為核心的“1+N”智慧教育模式，由鼎新學(xué)苑為主干學(xué)科提供技術(shù)、設(shè)備、資源上的支持。案例1采用了混合式教學(xué)模式，由信息技術(shù)學(xué)科與生物學(xué)科融合開展教學(xué)活動(dòng)，依托先進(jìn)數(shù)字傳感器，創(chuàng)新了知識(shí)呈現(xiàn)形態(tài)，創(chuàng)新了學(xué)生思維建構(gòu)模式，改變了課堂教學(xué)形式。但因受制于學(xué)生編程技能素養(yǎng)，缺少了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐編程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，對(duì)課程的完整性有一定影響。值得肯定的是，信息技術(shù)在該案例中的著力點(diǎn)選擇十分恰當(dāng)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步增強(qiáng)，隨著課堂的開展，肌肉電信號(hào)的抽象形象通過數(shù)字圖像的形式呈現(xiàn)，學(xué)生對(duì)知識(shí)的建構(gòu)水平也趨于深入。

案例2是多學(xué)科項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)踐，該案例中的項(xiàng)目式教學(xué)由學(xué)校鼎新學(xué)苑發(fā)起，學(xué)科師資、所需設(shè)施設(shè)備均由學(xué)校鼎新學(xué)苑協(xié)調(diào)，為“信息技術(shù)+”模式的有效實(shí)踐提供了保障。此可見，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)若要在學(xué)校內(nèi)常態(tài)化開展，需要?jiǎng)?chuàng)新體制機(jī)制，量身定做成立專門協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)，以促進(jìn)校內(nèi)智慧教育的可持續(xù)發(fā)展。

●“信息技術(shù)+”教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐展望

作為區(qū)域性的教學(xué)技術(shù)創(chuàng)新中心，筆者所在學(xué)校鼎新學(xué)苑除了加快建設(shè)數(shù)字傳感項(xiàng)目，力爭引進(jìn)種類更為豐富的傳感器（既覆蓋標(biāo)準(zhǔn)課程基礎(chǔ)中的聲、光、電、波知識(shí)，同時(shí)涉及部分高端的如視覺識(shí)別、聲音識(shí)別等傳感設(shè)備），支持范圍更廣、融合程度更深的多學(xué)科融合實(shí)踐活動(dòng)外，還將進(jìn)一步研討如何將自身的裝備與理論研究優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐優(yōu)勢(shì)，承擔(dān)區(qū)域內(nèi)各級(jí)各類教學(xué)技術(shù)創(chuàng)新的協(xié)同需求。同時(shí)，利用學(xué)苑內(nèi)的開源電子設(shè)備為課程教學(xué)個(gè)性化定制教具、實(shí)驗(yàn)器械，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)課堂教學(xué)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。