摘要：在《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中，“跨學(xué)科”一詞被多次提及。在實際教學(xué)中，它主要基于主題展開，強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科概念的整合與應(yīng)用，重視學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗。因此本文提出，面對信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)中新增的“科學(xué)”取向，對跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計模式的研究需從宏觀的系統(tǒng)性教學(xué)設(shè)計層面規(guī)劃，以中觀的教學(xué)模式界定主題單元，并開展微觀的單元教學(xué)活動，最終通過課堂實驗檢驗其有效性。

關(guān)鍵詞：信息科技；跨學(xué)科；教學(xué)設(shè)計模式

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）21-0040-05

信息科技跨學(xué)科教學(xué)的內(nèi)涵

“信息科技跨學(xué)科”可以定義為“體現(xiàn)信息科技的手段與目標(biāo)屬性[1]，師生共同整合不同學(xué)科（一門或一門以上）的內(nèi)容，綜合理解并構(gòu)建新的方法以解決復(fù)雜問題的過程”。因此，信息科技跨學(xué)科教學(xué)可基于主題單元及具體活動組織開展。主題單元圍繞跨學(xué)科主題設(shè)計，具備自身的活動特征，側(cè)重不同學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)[2]，不同主題單元間通過主題概念聯(lián)系起來。單元活動并非限制于一節(jié)課完成，可以通過多課時的主題單元組合實現(xiàn)。

信息科技跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計模式的研究

面向核心素養(yǎng)的信息科技跨學(xué)科教學(xué)KEflIuTA0Ajae3OLsG4CIg==設(shè)計模式研究需從宏觀的系統(tǒng)性教學(xué)設(shè)計層面規(guī)劃。筆者采用ADDIE模型[Analysis（分析）、Design（設(shè)計）、Development（開發(fā)）、Implementation（實施）、Evaluation（評價）][3]開展了相關(guān)教學(xué)設(shè)計。

1.分析階段

（1）學(xué)習(xí)者特征分析

本研究以初二學(xué)生為實驗對象，其認(rèn)知思維普遍處于形式運算階段，他們具備假設(shè)、推理與演繹的能力，具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)動機(jī)，對協(xié)作探究的學(xué)習(xí)活動有較高的參與性。教師在開展相關(guān)活動時，既要為學(xué)生提供問題引導(dǎo)或任務(wù)說明等實時支架，又要提倡多樣化的互動形式，以滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。經(jīng)過初一學(xué)段的學(xué)習(xí)，學(xué)生已具備一定的圖形化編程基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)搭建及故障診斷經(jīng)驗，適應(yīng)了軟硬件結(jié)合的學(xué)習(xí)環(huán)境，因此，教師可由“互聯(lián)”自然過渡到“物聯(lián)”。

（2）跨學(xué)科拓展性分析

本研究采用浙教版初中信息科技教材，根據(jù)教材中的模塊主題，分析其跨學(xué)科拓展的可行性。對于支持拓展的模塊主題，可以將其中的相關(guān)內(nèi)容先轉(zhuǎn)換為主題核心概念[4]，如“物聯(lián)原型的設(shè)計”“物聯(lián)原型的編寫與運行”等，然后再在后續(xù)階段整合其他學(xué)科概念，確定具體的跨學(xué)科主題。

（3）學(xué)習(xí)需求分析

學(xué)習(xí)需求包含基礎(chǔ)學(xué)習(xí)需求與高級學(xué)習(xí)需求。對所跨學(xué)科間知識概念、技能的掌握是基礎(chǔ)學(xué)習(xí)需求；跨學(xué)科整合所形成的新規(guī)律、新方法是高級學(xué)習(xí)需求，對應(yīng)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。[5]

（4）內(nèi)容來源分析

內(nèi)容來源由學(xué)生的學(xué)習(xí)需求決定，除基礎(chǔ)來源外，還應(yīng)包含助力創(chuàng)新的拓展來源。基礎(chǔ)來源指教材中對學(xué)科概念的描述及相應(yīng)活動案例。拓展來源是支持學(xué)生協(xié)作探究、反思提升、靈感遷移，助力方案設(shè)計與作品完成的各類資源工具。

2.設(shè)計階段

（1）教學(xué)原則設(shè)計

①整合性原則。在選用跨學(xué)科交叉內(nèi)容時，應(yīng)體現(xiàn)整合性原則，圍繞主題核心概念編排跨學(xué)科概念，形成跨學(xué)科主題概念框架，保證各主題單元間多重活動的科學(xué)銜接與開展。此外，問題或任務(wù)的設(shè)計應(yīng)體現(xiàn)多學(xué)科概念向跨學(xué)科概念的過渡。[6]

②情境性原則。主題下具體問題或任務(wù)的產(chǎn)生都要基于情境。在設(shè)計單元活動內(nèi)容時，應(yīng)體現(xiàn)情境性原則，強(qiáng)調(diào)將跨學(xué)科概念還原于豐富的日常生活場景，并與學(xué)生經(jīng)驗相契合。應(yīng)尋找契合于真實情境需求的問題發(fā)掘點或任務(wù)突破點，借助適合的資源與支架呈現(xiàn)教學(xué)活動。

③主體性原則?？鐚W(xué)科主題學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)生在主題情境引導(dǎo)下不斷主動發(fā)現(xiàn)與解決問題，完成主題任務(wù)。主題情境為學(xué)生主動探究與創(chuàng)造提供了必要線索，讓學(xué)生能夠激活相關(guān)認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的已有經(jīng)驗，同化和索引學(xué)科概念，在跨學(xué)科學(xué)習(xí)過程中建構(gòu)跨學(xué)科認(rèn)知體系，從新角度賦予學(xué)科概念以深層意義。

④實踐性原則?？鐚W(xué)科主題學(xué)習(xí)是認(rèn)識與實踐相互促進(jìn)的過程，學(xué)生的認(rèn)識從感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識，學(xué)科間概念不斷與最新的實踐經(jīng)驗建立聯(lián)系，實現(xiàn)跨學(xué)科概念的內(nèi)化與重組，以及概念間關(guān)系的調(diào)整。學(xué)生在每節(jié)課結(jié)束時均需完成作品，實現(xiàn)方案到作品的轉(zhuǎn)化，結(jié)合自主發(fā)揮與團(tuán)隊協(xié)作，跨學(xué)科規(guī)律與方法得到積極調(diào)用與組合。[7]

（2）主題單元界定

本研究采用契合問題探究、實踐創(chuàng)造、協(xié)作學(xué)習(xí)特征的“5E”教學(xué)模式幫助界定主題單元，其中包含參與、探究、解釋、精致和評價五個環(huán)節(jié)[8]，如圖1所示。

（3）活動類型劃分

不同主題單元的活動理念、學(xué)習(xí)方式等均存在差異，教師需要根據(jù)不同的培養(yǎng)目標(biāo)安排活動類型，形成循序漸進(jìn)、深入探索的多重學(xué)習(xí)活動，滿足學(xué)生的不同學(xué)習(xí)需求?；顒宇愋团c主題單元對應(yīng)關(guān)系如下頁表所示。

3.開發(fā)階段

（1）跨學(xué)科交叉內(nèi)容選取與跨學(xué)科主題確定

教學(xué)內(nèi)容的深度開發(fā)需考慮知識粒度與分科教學(xué)安排，著重體現(xiàn)主題概念中的信息科技核心概念。[9]從硬件層面的物聯(lián)設(shè)備連接及軟件層面的圖形化編程配置出發(fā)，以物聯(lián)原型運行為目標(biāo)，以顯示區(qū)域的坐標(biāo)設(shè)定，溫濕度、氣壓、光照強(qiáng)度等的實時測量，設(shè)備串并聯(lián)，乃至影響氣壓的因素分析，反射與折射光線的強(qiáng)度比較等為跨學(xué)科結(jié)合點，對信息科技、物理、數(shù)學(xué)學(xué)科教材進(jìn)行細(xì)致研究，尋找支持信息科技核心概念的章節(jié)內(nèi)容，如浙教版七年級下冊信息科技教材中的《走進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)》《傳感器的應(yīng)用》《物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議》《物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的獲取》《物聯(lián)網(wǎng)控制與反饋》《物聯(lián)系統(tǒng)原型設(shè)計》《物聯(lián)系統(tǒng)原型實踐》，人教版八年級物理教材中的《溫度》《光的反射與折射》《大氣壓強(qiáng)》及九年級全冊中的《串聯(lián)和并聯(lián)》《電磁繼電器》，人教版七年級下冊數(shù)學(xué)教材中的《平面直角坐標(biāo)系》《坐標(biāo)方法的簡單應(yīng)用》。最終，確定“校園環(huán)境檢測——物聯(lián)原型搭建初體驗”為跨學(xué)科主題。

（2）主題概念框架梳理

以導(dǎo)圖建構(gòu)和原型設(shè)計為基礎(chǔ)，通過硬件層面的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接，結(jié)合軟件層面的Mind+圖形化編程，配套行空板、MQTT-py、pinpong官方庫進(jìn)行代碼編寫、設(shè)備配置等一系列探究實踐。以此為主線，以設(shè)備串并聯(lián)、繼電器的使用及多源數(shù)據(jù)呈現(xiàn)為創(chuàng)意實現(xiàn)的主要方式，支持功能拓展、個性化控制及多源數(shù)據(jù)分析。經(jīng)相關(guān)學(xué)科教師協(xié)作整理的“物聯(lián)原型搭建”跨學(xué)科主題概念框架如圖2所示。

（3）跨學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)細(xì)化

①能夠根據(jù)主題任務(wù)，設(shè)計任務(wù)解決方案和步驟。將思維導(dǎo)圖、算法流程圖和三種程序結(jié)構(gòu)（順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)）的經(jīng)驗遷移到“校園環(huán)境檢測——物聯(lián)原型搭建初體驗”方案設(shè)計中，清晰表達(dá)傳感器、服務(wù)器、訂閱接收器與主題訂閱、主題發(fā)布、主題接收之間的聯(lián)系，并結(jié)合物理與數(shù)學(xué)學(xué)科知識概念與技能，配合電路中基本的串并聯(lián)的特征與區(qū)別、平面直角坐標(biāo)系的構(gòu)成及作用，開展物聯(lián)原型的設(shè)計。（信息意識、計算思維、物理觀念、數(shù)學(xué)抽象）

②綜合運用信息科技與其他學(xué)科知識概念與技能，實施解決方案，搭建出不同功能物聯(lián)原型：利用串并聯(lián)規(guī)律，探索硬件設(shè)備在正常運行情況下，滿足不同場合需求的多樣化連接方式，助力物聯(lián)原型的調(diào)試，并使用Mind+圖形化編程軟件，基于pinpong擴(kuò)展庫配置傳感器，基于行空板擴(kuò)展庫確定接收到的主題消息的顯示位置、顯示值，基于MQTT-py庫確定訂閱主題的名稱路徑及傳感器需要發(fā)布的主題消息。（數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、科學(xué)思維、科學(xué)探究）

③通過讀取并處理含有物聯(lián)功能的設(shè)備中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行適當(dāng)反饋和控制。運用平面直角坐標(biāo)系定位對象，保證行空板屏幕的顯示效果，根據(jù)需要，利用圖形化編程軟件、流程圖及思維導(dǎo)圖，培養(yǎng)結(jié)構(gòu)化的信息習(xí)慣。（信息社會責(zé)任、邏輯推理、直觀想象）

（4）活動過程整合性開發(fā)

①參與單元。A.創(chuàng)設(shè)情境，情境互動：播放科普視頻《平面直角坐標(biāo)系的誕生》《由互聯(lián)網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)》，鼓勵學(xué)生記錄并思考。B.舊知導(dǎo)入，新舊聯(lián)想：引導(dǎo)學(xué)生由前一輪學(xué)習(xí)的“數(shù)軸”及之前學(xué)習(xí)過的“互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)”概念，自然過渡到本節(jié)課要學(xué)習(xí)的“平面直角坐標(biāo)系”及“物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)”概念。C.問題聚焦，確定主題：通過“物聯(lián)網(wǎng)能連接數(shù)字和現(xiàn)實世界，極大地加強(qiáng)了我們對現(xiàn)實世界的掌控程度，視頻中出現(xiàn)了哪些物聯(lián)形式呢？”“同學(xué)們想不想自己搭建校園物聯(lián)網(wǎng)呢？”等問題聚焦，代入“校園環(huán)境檢測——物聯(lián)原型搭建初體驗”主題。

②探究單元。A.每組5人，隨機(jī)分組。B.任務(wù)要求，任務(wù)準(zhǔn)備：為學(xué)生提供探究過程所需的各類資源與支架（包含引腳連接說明、物理量的描述、行空板使用說明、pinpong庫說明、平面直角坐標(biāo)系圖解）。教師演示，引導(dǎo)學(xué)生連接一組最基本的主機(jī)—行空板—傳感器的原型結(jié)構(gòu)，更新與呈現(xiàn)變量值，進(jìn)行初步嘗試。接著，提供新支架（物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、MQTT協(xié)議模型與拓展庫、流程圖圖解），提出任務(wù)要求，即本節(jié)課要進(jìn)行不同功能物聯(lián)原型的設(shè)計，形成導(dǎo)圖方案。C.組織啟發(fā)，頭腦風(fēng)暴：采用前述支架，組織學(xué)生頭腦風(fēng)暴。提示學(xué)生可按照偏好傳感器進(jìn)行分工，或按照偏好的“Mind+”拓展庫進(jìn)行分工，還可按照面向?qū)D方案的職責(zé)（如繪制流程圖、跨學(xué)科概念挖掘、跨學(xué)科關(guān)聯(lián)分析等）進(jìn)行分工。D.引導(dǎo)探究，任務(wù)探究：學(xué)生開始探究并形成設(shè)計方案。教師可引導(dǎo)學(xué)生將物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與MQTT協(xié)議模型整合，引導(dǎo)學(xué)生在流程圖中全面表達(dá)順序、循環(huán)與選擇結(jié)構(gòu)，并與思維導(dǎo)圖整合。保證設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)性與系統(tǒng)性。E.答疑解惑，量規(guī)自評：學(xué)生在遇到困難時，可以內(nèi)部溝通或請教教師，同時開展量規(guī)自評。

③解釋單元。A.鼓勵交流，展示交流：鼓勵代表展示小組方案導(dǎo)圖，鼓勵組員評價他組作品優(yōu)缺點。B.實時點評，量規(guī)互評：教師實時點評以引導(dǎo)學(xué)生的討論方向，便于學(xué)生側(cè)重分析不同功能原型，或同一功能原型下不同邏輯的程序流程，并要求學(xué)生開展量規(guī)互評。C.分析小結(jié)，保留懸念：圍繞信息科技核心概念做出小結(jié)，提出問題——下節(jié)課，大家想不想編寫程序并運行我們設(shè)計的原型？

④精致單元。A.情境發(fā)散，情境遷移：這堂課，我們將依據(jù)設(shè)計方案，進(jìn)行物聯(lián)原型的編寫與運行。會用到MQTT-py庫，有沒有哪位同學(xué)能上臺演示？B.問題聚焦，聚焦思考：在演示結(jié)束后，結(jié)合舊概念引導(dǎo)學(xué)生回答“初始化MQTT模塊需要配置哪些信息？”“哪個設(shè)備既作為服務(wù)器中介，同時又作為訂閱接收設(shè)備？”等問題。啟發(fā)學(xué)生記錄并思考。C.任務(wù)要求，任務(wù)準(zhǔn)備：教師提醒學(xué)生，這節(jié)課主要圍繞“物聯(lián)原型的編寫與運行”個性化小組主題開展活動。提出“基于前課設(shè)計方案，編寫與運行各自小組物聯(lián)原型”的任務(wù)要求，發(fā)放“作品說明表”。D.組織啟發(fā)，頭腦風(fēng)暴：教師為學(xué)生提供各類資源與支架（包含前課支架及MQTT-py庫說明、串聯(lián)并聯(lián)方式說明），組織頭腦風(fēng)暴。啟發(fā)學(xué)生探索傳感器的串并聯(lián)連接方式，小組可按照“作品說明表”給出的原型線路展示、思維導(dǎo)圖展示、圖形化程序展示等角度重新分配任務(wù)。E.任務(wù)分層，探索遷移：學(xué)生開始探索物聯(lián)原型的創(chuàng)意實現(xiàn)。教師進(jìn)行任務(wù)分層，提供“繼電器的運行原理”支架，引導(dǎo)學(xué)生探索繼電器與水泵串聯(lián)的任務(wù)，實現(xiàn)物聯(lián)控制反饋，拓展跨學(xué)科框架（思維導(dǎo)圖）。鼓勵有能力的學(xué)生探索串聯(lián)或并聯(lián)傳感器對數(shù)據(jù)采集速度、準(zhǔn)確度的影響。繼續(xù)鼓勵有能力的學(xué)生利用matplotlib、pandas等庫開展多源數(shù)據(jù)分析，探索氣壓和溫度、濕度間關(guān)系，或直射、反射、折射光線的強(qiáng)弱變化，并開展原型調(diào)試。學(xué)生遇到困難可以內(nèi)部溝通或請教教師，同時完善并上交量規(guī)。

⑤評價單元。教師鼓勵學(xué)生代表進(jìn)行小組物聯(lián)原型展示，代表可結(jié)合“作品說明表”表達(dá)。教師公布量規(guī)評價結(jié)果，并進(jìn)行總結(jié)分析。學(xué)生在觀察的基礎(chǔ)上，比較分析個人及小組在本次跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)活動中的優(yōu)勢與不足，改進(jìn)原型作品，反思活動表現(xiàn)。

4.實施階段

實施階段可以與準(zhǔn)實驗研究法相結(jié)合。從廣義上講，它是指準(zhǔn)實驗研究中的“確定研究問題”“設(shè)計實驗方案”“數(shù)據(jù)收集”“數(shù)據(jù)分析”“結(jié)果解釋”全部環(huán)節(jié)。但從狹義的角度講，分析階段對應(yīng)“確定研究問題”環(huán)節(jié)，設(shè)計、開發(fā)階段對應(yīng)“設(shè)計實驗方案”環(huán)節(jié)，實施階段對應(yīng)“數(shù)據(jù)收集”環(huán)節(jié)，評價階段對應(yīng)“數(shù)據(jù)分析”“結(jié)果解釋”環(huán)節(jié)。

5.評價階段

通過定量分析量規(guī)數(shù)據(jù)，能夠驗證信息科技跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計模式的科學(xué)性與“校園環(huán)境檢測——物聯(lián)原型搭建初體驗”跨學(xué)科主題教學(xué)案例的可行性。從相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，不同組別樣本對信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新維度均呈現(xiàn)出顯著差異（p＜0.05），這既可證明跨學(xué)科主題教學(xué)案例使不同水平學(xué)生的信息科技核心素養(yǎng)都得到較大發(fā)展，也可證明本文提出的信息科技跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計模式較科學(xué)，可以進(jìn)行推廣。

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本文系沈陽市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度課題“初中信息技術(shù)課程跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)活動設(shè)計與實踐研究”（課題編號：2023-36）的階段性研究成果。