摘要：《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中提出遴選科學(xué)原理和實(shí)踐應(yīng)用并重的課程內(nèi)容，體現(xiàn)“科”與“技”并重的理念。信息科技實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐中理解科學(xué)原理，在科學(xué)原理運(yùn)用中創(chuàng)新創(chuàng)造，體現(xiàn)了信息科技課程的育人價(jià)值。本文在對(duì)“在線學(xué)習(xí)與生活”“過(guò)程與控制”“互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與創(chuàng)新”三個(gè)模塊開展教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，通過(guò)案例說(shuō)明實(shí)踐操作的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、虛實(shí)結(jié)合的探究性實(shí)驗(yàn)、激發(fā)創(chuàng)新的應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)方法和實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，以期為開展和加強(qiáng)信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有效的實(shí)踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：信息科技；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2024）19-0045-04

《教育部關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見》中指出：“實(shí)驗(yàn)教學(xué)是國(guó)家課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的重要教學(xué)內(nèi)容，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑?！薄读x務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）指出：“從信息科技實(shí)踐應(yīng)用出發(fā)，注重幫助學(xué)生理解基本概念和基本原理，提升學(xué)生知識(shí)遷移能力和學(xué)科思維水平，體現(xiàn)‘科’與‘技’并重?！薄吨行W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本目錄》則以新課標(biāo)主題為線索，梳理了構(gòu)建學(xué)科核心概念、核心規(guī)律、核心實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)與關(guān)鍵能力所應(yīng)開展的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐活動(dòng)，其中完整覆蓋信息科技學(xué)科的1～9年級(jí)，共94個(gè)實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了國(guó)家對(duì)信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高度重視。

信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義與價(jià)值

信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)能提升學(xué)生的實(shí)踐能力和動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造力，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力，體現(xiàn)信息科技課程的育人價(jià)值。

從布魯姆的認(rèn)知層級(jí)來(lái)看，科學(xué)原理的學(xué)習(xí)不能僅僅依靠對(duì)概念的記憶、理解，更需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)將抽象的概念轉(zhuǎn)化為具象的實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中通過(guò)觀察、應(yīng)用、分析，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)效果、創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力，將信息科技課程教學(xué)從概念的淺層學(xué)習(xí)和技術(shù)的機(jī)械操作轉(zhuǎn)變?yōu)橐耘囵B(yǎng)核心素養(yǎng)為目標(biāo)的深度學(xué)習(xí)。

信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)思想

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)踐性教學(xué)的一種組織形式，學(xué)生利用儀器設(shè)備，在人為控制條件下，引起實(shí)驗(yàn)對(duì)象的變化，通過(guò)觀察、測(cè)定和分析，獲得知識(shí)與發(fā)展能力。信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)大致可以分為幫助學(xué)生鞏固理論知識(shí)和實(shí)踐操作能力的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、培養(yǎng)學(xué)生的探索和批判性思維能力的探究性實(shí)驗(yàn)、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的創(chuàng)新應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)，以及提供多樣性和安全性實(shí)驗(yàn)環(huán)境的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

綜合以上兩點(diǎn)，筆者認(rèn)為信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要利用計(jì)算機(jī)、開源硬件、傳感器等硬件設(shè)備和虛擬仿真軟件、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、平臺(tái)、程序等軟件平臺(tái)及互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)記錄單，通過(guò)觀察、操作、編程、實(shí)踐等手段，記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，從而對(duì)信息科技原理進(jìn)行驗(yàn)證、探究和創(chuàng)新。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)中，教師應(yīng)當(dāng)明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)結(jié)論等要求，從而幫助學(xué)生理解科學(xué)原理，提升科學(xué)精神。

信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

筆者在所在區(qū)域小學(xué)、初中信息科技“雙新”實(shí)施中，通過(guò)教研設(shè)計(jì)、實(shí)踐與反思，形成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例。

1.在線協(xié)作工具—實(shí)踐操作的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)要求

“利用合適平臺(tái)或工具進(jìn)行協(xié)作學(xué)習(xí)”是三年級(jí)“在線生活與學(xué)習(xí)”模塊中的基本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，要求對(duì)比實(shí)際案例，將生活中掌握的在線溝通與交流能力遷移到學(xué)習(xí)中，通過(guò)線上平臺(tái)開展協(xié)作學(xué)習(xí)活動(dòng)，討論學(xué)習(xí)規(guī)劃，分享學(xué)習(xí)資源，感悟在線學(xué)習(xí)的便利與創(chuàng)新性。

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)一段時(shí)間后，教師設(shè)計(jì)了“使用在線協(xié)作工具 共同維護(hù)實(shí)驗(yàn)室”單元，通過(guò)日常記錄的真實(shí)情況，提出課后學(xué)生物品遺留、環(huán)境凌亂等實(shí)際問題。因此，圍繞“集體完成座位表”和“共同安排值日生”兩個(gè)問題，使用在線協(xié)作工具開展實(shí)驗(yàn)。在使用在線協(xié)作工具實(shí)踐操作完成實(shí)驗(yàn)室座位表、值日表的過(guò)程中，借助實(shí)驗(yàn)記錄單，觀察、記錄、對(duì)比在線協(xié)作與單機(jī)軟件在文字處理中的異同點(diǎn)；驗(yàn)證在線協(xié)作的可行性，思考在線協(xié)作的應(yīng)用場(chǎng)景，感悟在線協(xié)作的優(yōu)勢(shì)，感受我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和自主可控技術(shù)的意義。

（3）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了讓學(xué)生通過(guò)自主探究在線協(xié)作工具，共同完成班級(jí)實(shí)驗(yàn)室座位表，教師設(shè)計(jì)了“協(xié)作完成座位表實(shí)驗(yàn)單”，讓學(xué)生記錄操作實(shí)驗(yàn)過(guò)程。學(xué)生通過(guò)教師提供的共享鏈接，找到自己對(duì)應(yīng)的座位，輸入姓名，然后集體在線協(xié)作完成座位表，并通過(guò)“協(xié)作完成值日生”再次進(jìn)行鞏固與驗(yàn)證。在此過(guò)程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)誤刪、誤填可能導(dǎo)致的問題，從而建立起多人協(xié)作規(guī)范。在驗(yàn)證了在線協(xié)作工具能夠集體完成輸入任務(wù)后，教師讓學(xué)生打開熟悉的單機(jī)文字處理軟件，通過(guò)觀察、操作和對(duì)比，完成“在線協(xié)作與單機(jī)軟件對(duì)比實(shí)驗(yàn)單”，歸納出兩者的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，理解在線協(xié)作工具多人在線、自動(dòng)保存、提高效率、記錄過(guò)程等特點(diǎn)，同時(shí)引發(fā)了“哪些應(yīng)用場(chǎng)景適合/不適合使用在線協(xié)作”的討論。

2.智慧糧倉(cāng)溫控監(jiān)測(cè)—虛實(shí)結(jié)合的探究性實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)要求

“分析生活場(chǎng)景中的過(guò)程與控制系統(tǒng)，探索反饋對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化的作用”是六年級(jí)“過(guò)程與控制”模塊中的基本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，要求通過(guò)分析具體案例，了解反饋是過(guò)程與控制中的重要手段，初步了解反饋對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化的作用。

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

“過(guò)程與控制”模塊中的部分實(shí)驗(yàn)可以在虛擬仿真軟件或?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)中的編程驗(yàn)證基礎(chǔ)上，運(yùn)用開源硬件搭建系統(tǒng)原型，將虛擬和真實(shí)相結(jié)合，開展探究性實(shí)驗(yàn)，探索系統(tǒng)中的輸入、計(jì)算、輸出、反饋等要素之間的相互關(guān)系，培養(yǎng)批判性思維能力。以“智慧糧倉(cāng)中的溫度控制”單元為例，教師先采用虛擬仿真軟件搭建溫控風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，初步驗(yàn)證方案的可行性；接著，使用開源硬件套件搭建真實(shí)的溫控風(fēng)機(jī)系統(tǒng)原型，并在真實(shí)環(huán)境下通過(guò)調(diào)整溫度、閾值和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速探究三者之間的相互關(guān)系，理解反饋對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化的作用。在理解溫控風(fēng)機(jī)的工作原理和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)、分析結(jié)果和得出結(jié)論的探究能力，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，以不斷對(duì)原型進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

（3）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

教師首先提供虛擬仿真軟件的操作說(shuō)明作為學(xué)習(xí)支架，指導(dǎo)學(xué)生在軟件中模擬使用Micro：bit主板、溫度傳感器、風(fēng)機(jī)和顯示屏完成溫控風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)虛擬搭建，設(shè)定為當(dāng)溫度＞25℃時(shí)，將風(fēng)機(jī)打開并將轉(zhuǎn)速設(shè)置為90，否則就關(guān)閉風(fēng)機(jī)（如圖1）。在運(yùn)行仿真程序后，學(xué)生通過(guò)調(diào)整溫度，觀察風(fēng)機(jī)是否會(huì)根據(jù)溫度的變化而改變工作狀態(tài)，并將虛擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果記錄在“溫度與風(fēng)機(jī)狀態(tài)實(shí)驗(yàn)單”中。通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)生理解了“連續(xù)量可以經(jīng)由閾值判斷形成開關(guān)量”的科學(xué)原理。

在完成虛擬實(shí)驗(yàn)后，教師提出“在虛擬實(shí)驗(yàn)中，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是否會(huì)對(duì)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，進(jìn)而再對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況產(chǎn)生影響”的系列問題。學(xué)生發(fā)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)是在理想環(huán)境中開展的，因此還需要在真實(shí)環(huán)境中運(yùn)用開源硬件搭建真實(shí)的溫控風(fēng)機(jī)原型?；谔摂M實(shí)驗(yàn)搭建設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生使用教師提供的開源硬件和傳感器完成了物化原型的搭建，并將已經(jīng)編寫和測(cè)試過(guò)的程序?qū)隡icro：bit主板中運(yùn)行，通過(guò)加熱溫度傳感器觀察顯示屏上的溫度和風(fēng)機(jī)狀態(tài)的變化，并將實(shí)驗(yàn)情況記錄在“溫控風(fēng)機(jī)實(shí)物測(cè)試實(shí)驗(yàn)單”中。

在真實(shí)環(huán)境中的實(shí)物測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生觀察到當(dāng)溫度上升超出閾值后，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，但一段時(shí)間后，溫度自然下降，風(fēng)機(jī)就會(huì)停止，隨著風(fēng)機(jī)停止，溫度會(huì)再次上升，繼而風(fēng)機(jī)也會(huì)再次啟動(dòng)，從而理解“反饋是過(guò)程與控制中的重要手段”的科學(xué)原理。在真實(shí)環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)還引發(fā)了學(xué)生對(duì)“頻繁啟動(dòng)、關(guān)閉可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)損壞”的討論。通過(guò)上網(wǎng)搜索資料，學(xué)生拓展了“死區(qū)”的概念，并提出可以調(diào)整溫度閾值區(qū)域范圍。例如，溫度要上升到26℃才啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，而下降到24℃才停止。又如，根據(jù)溫度范圍，將風(fēng)機(jī)設(shè)置為高速運(yùn)轉(zhuǎn)、怠速運(yùn)轉(zhuǎn)相結(jié)合，從而提高溫控風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性和耐久性。

通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的方法，不僅可以讓缺少開源硬件設(shè)備的學(xué)校完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，還可以有效避免學(xué)生直接使用開源硬件產(chǎn)生的各種問題與故障。通過(guò)虛擬仿真和真實(shí)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，培養(yǎng)了學(xué)生的批判性思維和解決生活中真實(shí)問題的能力。

3.物聯(lián)跌倒求助系統(tǒng)—激發(fā)創(chuàng)新的應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)要求

“物聯(lián)系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)與搭建”是八年級(jí)“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與探索”模塊中的基本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，要求自覺遵守物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的操作規(guī)程，會(huì)使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備搭建物聯(lián)系統(tǒng)原型，并能通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)讀取、發(fā)送、接收、匯集和使用數(shù)據(jù)。

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

隨著老齡社會(huì)的到來(lái)，運(yùn)用開源硬件和傳感器感知老人是否跌倒，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)向子女、社區(qū)、民警等求助，能夠有效降低獨(dú)居老人因跌倒無(wú)人及時(shí)攙扶導(dǎo)致的危險(xiǎn)。在“物聯(lián)跌倒求助系統(tǒng)”單元中，學(xué)生首先通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，選擇合適的傳感器實(shí)現(xiàn)跌倒檢測(cè)與報(bào)警觸發(fā)；接著，通過(guò)慧編程軟件中的“賬號(hào)云廣播”功能，實(shí)現(xiàn)小組內(nèi)發(fā)送端和接收端之間的互聯(lián)，探索物聯(lián)網(wǎng)的基本功能和實(shí)現(xiàn)原理；最后，通過(guò)小組間合作持續(xù)優(yōu)化原型，實(shí)現(xiàn)從單個(gè)接收端到多個(gè)接收端的信息接收，完善跌倒求助系統(tǒng)原型的功能。

（3）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了提高實(shí)驗(yàn)效果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，教師與學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前設(shè)計(jì)和測(cè)試了多個(gè)實(shí)驗(yàn)器材方案，最終采用輕木板和3D打印零件自制裝置來(lái)模擬老人跌倒的過(guò)程，為后續(xù)使用開源硬件和物聯(lián)網(wǎng)開展實(shí)驗(yàn)做好器材準(zhǔn)備。為了實(shí)現(xiàn)傳感器正確感知老人跌倒的過(guò)程，教師設(shè)計(jì)了“模擬跌倒檢測(cè)實(shí)驗(yàn)單”，指導(dǎo)學(xué)生使用模擬跌倒裝置、童芯派中的傳感器和慧編程中的各種積木，測(cè)試編寫的程序是否能檢測(cè)到老人跌倒，并判斷效果的優(yōu)劣。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)使用

“繞*軸角速度”積木的檢測(cè)效果最佳，同時(shí)理解了陀螺儀和加速度計(jì)的科學(xué)原理。

在實(shí)現(xiàn)能夠檢測(cè)到老人跌倒的基礎(chǔ)上，教師讓學(xué)生兩人一組，借助“物聯(lián)原型設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)單（如圖2），對(duì)“發(fā)送端”和“接收端”的數(shù)據(jù)流向進(jìn)行梳理，從而理解物聯(lián)原型中數(shù)據(jù)讀取、發(fā)送、接收、匯集的過(guò)程。

在此基礎(chǔ)上，學(xué)生嘗試搭建物化的物聯(lián)原型。教師通過(guò)“物聯(lián)原型的物化實(shí)現(xiàn)”實(shí)驗(yàn)單（如圖3）指導(dǎo)學(xué)生兩人一組將童芯派接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并使用慧編程中的“賬號(hào)云廣播”功能將發(fā)送端檢測(cè)到的跌倒求助信息發(fā)送到接收端。對(duì)于學(xué)有余力的學(xué)生小組則在完成“1對(duì)1”發(fā)送求助信息的基礎(chǔ)上，四人一組通過(guò)調(diào)整接收端賬號(hào)實(shí)現(xiàn)“1對(duì)3”發(fā)送求助信息的功能。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中教師指導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的問題，探索提高老人獲救概率的創(chuàng)新方法。

開展實(shí)驗(yàn)的過(guò)程是一個(gè)持續(xù)迭代優(yōu)化物聯(lián)原型系統(tǒng)的過(guò)程，通過(guò)分析問題、規(guī)劃算法、編寫程序、物化實(shí)現(xiàn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，學(xué)生深入理解傳感器和物聯(lián)網(wǎng)的科學(xué)原理，在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)了信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力，同時(shí)也切實(shí)感受到物聯(lián)網(wǎng)在服務(wù)社會(huì)、改善人民生活中的積極作用，增強(qiáng)了信息社會(huì)責(zé)任感。

總結(jié)與展望

信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)科實(shí)踐的重要組成部分，為落實(shí)“科”與“技”并重的理念提供了方法和路徑。信息科技教師在關(guān)注實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)過(guò)程的同時(shí)，更應(yīng)當(dāng)關(guān)注前期的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在確保實(shí)驗(yàn)的有效性和可靠性基礎(chǔ)上，幫助學(xué)生理解科學(xué)原理，進(jìn)而提高實(shí)驗(yàn)的挑戰(zhàn)性和創(chuàng)造性，為學(xué)生未來(lái)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

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