高中信息技術必修課實驗與實驗室建設探索

摘要：高中信息技術課程標準首次使用了“信息技術實驗室”來指稱信息技術課程的教學場所，表明信息技術課程教學不僅需要新理念，更需要新環境。針對當前信息技術課程實施場所（機房）存在的設備單一、見物不見人、缺乏規范等問題，首先需要認真把握新課標和新教材的實驗需求，在此基礎上，還需要對豐富多彩的實驗進行必要的分類，按類別研究其實驗條件。結合成熟的理化生實驗的分類方法，該文從學習成果的角度將信息技術必修課實驗分為兩大類：一是作品導向類，側重可視化成果的產生，根據載體的不同細分為程序設計類和硬件搭建類;二是知識導向類，側重隱性的經驗知識的產生，根據知識加工深度的不同細分為體驗感悟類和科學探究類。整體而言，信息技術必修課實驗具有綜合性、多樣性（開放性）、非線性和應用性（實踐性）等特點，其實驗條件的建設更為復雜。作為一項新的實驗室建設工作，還需要特別注意實驗室功能定位、人機比例、實驗助教、建設策略和標準規范等問題。

關鍵詞：高中信息技術課程;信息技術必修課;實驗分類;信息技術實驗室

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

信息技術課程的前身是計算機課程，這一變化不僅是名稱及其所指內容的變化（超越了基于計算機/臺式機和網絡的教學內容），還體現在課程目標的變革（從計算機素養轉變到信息素養的培養），然而一直以來信息技術課程的教學場所依然局限在計算機教室，以應用軟件的操作訓練和程序設計為主要學習活動，未能跟上課程名稱和內涵的變化步伐。《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》（下文簡稱“新課標”）相比上一個版本，在課程目標和內容上均有大幅革新，更加突出了實踐和實驗性內容的設計，并首次使用了“信息技術實驗室”來指稱信息技術課程的教學場所，表明信息技術課程教學不僅需要新理念，更需要新環境?？梢哉f，建設信息技術實驗室不僅重要，而且必要，可謂正逢其時。

毋庸諱言，有關信息技術實驗室的探索才剛剛開始，是—個非常時新的話題，如何在原有機房基礎上升級改造，實現“華麗蛻變”，有諸多問題需要思考。首先需要了解當前機房建設和使用過程中的突出問題，然后從分析新課標和新教材出發，了解信息技術實驗的具體需求和案例，最后才能形成實驗項目的基本分類和實驗室的建設要求。此外，還需要認清信息技術實驗室的一些特殊性，預設實驗室建設過程中的可能問題。因課程內容跨度大，信息技術實驗室姑且可以分為必修課實驗室和選修課實驗室兩類，鑒于后者所涉內容相對單一，而前者更為復雜，因此本文將主要聚焦于必修課實驗室建設的討論。

一、當前機房建設和使用過程中的突出問題

當前信息技術課程所普遍采用的機房條件，主要存在三個方面的突出問題：

一是設備單一。因為諸多歷史原因，當前的計算機房以配置臺式機為主，缺少其他信息技術設備和教學資源。在教育督導部門的日常督導工作中，對機房的檢查也不得不側重計算機數的統計，主要關注生機比指標。顯然，這種設備配置與新課標要求不匹配。

二是見物不見人。目前大部分學校的機房布局依舊沿用普通教室大班授課制模式，秧田式布局，缺少活動空間，不方便開展合作學習，難以開展研討、測試和展示活動。

三是缺乏規范。除了計算機房建設的基本標準如安全性等技術指標外，目前依然缺少針對中小學信息技術課程教學場所的建設規范或指南。如果說采用常規計算機房就可以滿足老版課標和教材的主要教學需求，那么針對新課標和教材所提出的各種新的教學活動需求，從普通機房轉型升級的信息技術實驗室，必然在建設規范上有別于傳統計算機房，尤其是需要引入哪些實驗，需要使用何種功能的設備，如何合理使用，均提出了新的要求，也有待進一步探索。

二、新課標背景下的信息技術必修課實驗需求分析

針對現有機房所存在的種種不足，新建實驗室或對舊有機房進行升級改造已無可避免。如何新建或升級改造，首先需要準確把握信息技術必修課的實驗需求。鑒于相關研究工作的缺失，尤其缺少信息技術必修模塊的實驗參考樣例，從既有研究文獻開始分析是行不通的。因此，新課標和新教材就成為我們分析信息技術實驗的一個較好起點。為此，本文首先基于新課標進行了梳理，同時結合教育科學出版社出版的高中信息技術必修教材（初審版本）做了補充對照分析，形成了高中信息技術必修課的主要實驗需求（如表1和表2所示）。

三、信息技術必修課實驗分類與實驗條件

根據表1和表2的分析，可以發現信息技術必修課的實驗需求非常多樣，如果只是以簡單枚舉的方式羅列信息技術必修課實驗，難免掛一漏萬，也不利于形成結構性認識。因此，尋找一個合適的實驗分類是必要的。

（一）分類維度的探尋

既然信息技術實驗是一個全新的話題，缺少經驗和理論積累，那么有關實驗分類的依據，可以從物理、化學、生物等成熟學科實驗中去尋找啟示。

1.物理實驗

關于物理實驗的分類研究較多，主要有如下三種代表性觀點：

三分類：（1）測量型實驗，又分直接測量類（主要涉及各種物理屬性的測量）和間接測量類（主要涉及各種物理定律的驗證或簡單應用）;（2）探究型實驗，主要探究各種物理規律、效應和影響因素，探究方法相對明確;（3）開放設計型實驗，需要學生具備綜合分析、設計和歸納的能力。三種物理實驗體現了不同的開放性程度，其中測量型實驗的實驗方法和結果均比較明確，相當于封閉型的探究任務;探究型實驗的結果具有不確定性，相當于半開放的探究任務;設計型實驗的實驗條件和方法均具有不確定性和多樣性，相當于開放性探究任務。

四分類：根據認知發展規律，可以將實驗項目分為演示性、基礎性實驗、綜合設計性實驗和研究性實驗等四個循序漸進的層次。

五分類：按學科屬性分類，如力、熱、聲、電、光實驗等。

2.化學實驗

有關化學實驗的分類研究并不多見，比較流行的一種分類方法是根據技能認知目標的要求，將化學實驗分為以下三類：體驗型實驗（體現感知、感悟兩個層級的技能目標）、應用型實驗（體現綜合、應用兩個層級的技能目標）、創新型實驗（體現創新層級的技能目標）。

3.生物實驗

與生物實驗相關的分類研究集中在高中階段，主要有兩種典型觀點：

高中生物實驗系統可分為三大類：以實驗操作為主的生物實驗、以實驗觀察為主的生物實驗、以結論總結為主的生物實驗。此種分類在一定程度上體現了學生參與實驗的不同程度。

高中生物課程的四類實驗：觀察、生理或生化分析、模擬探究、調查。此種分類基本上是依據實驗方法和工具的不同做的實驗分類。

綜上，我們可以得到兩個非常重要的發現和啟示：

一是盡管傳統理科實驗中邊界清晰的封閉性實驗依然是主流，但實驗類型已經發生了很大的變化，體驗實驗、調查實驗、探究實驗、設計實驗、應用實驗等開放性、綜合性實驗在理化生等傳統學科中都有不同程度的體現，表明傳統邊界清晰、流程嚴格的科學實驗已經不再是理科實驗的唯一類型，學科實驗的邊界在不斷擴大，導致實驗與實踐甚至創新性實踐的邊界逐漸模糊。這種發展趨勢無疑與新課標強調項目式學習方式保持了高度的一致。反觀信息技術實驗，如果無法兼容此類開放式項目活動，則將難以適應新時代的課程實施需求。因此，本文認為，信息技術實驗具有鮮明的應用性和實踐性特征，不能沿襲傳統理科實驗的老路，應該更加開放和多樣。

二是不同學科甚至同一學科均提出了線索迥異的實驗分類維度，主要涉及實驗的開放性、實驗的認知難度、實驗內容的學科歸屬、學生的參與度、實驗的方法與工具等。信息技術必修課實驗的分類也可以參考這些分類維度，但適用性仍需考量。例如，按涉及的學科歸屬分類，界限比較清晰，但對于必修模塊而言，涉及細分的學科較為廣泛且范圍并不確定，因此此種分類容易限制實驗室的可擴展性，也存在人為肢解綜合性實驗的弊端。也可以按照實驗任務的開放性分類，例如封閉性實驗、半開放實驗、開放性實驗，此種分類邊界也較為清晰，有利于教師梳理和設計實驗任務，但并不利于指導實驗室的建設。相較而言，學生的參與程度、認知難度、實驗的技術工具等有較好的啟發性，但如果單一使用這些分類維度，又力有不逮，整合這些分類線索也許是一種更可行的思路。

（二）實驗分類框架與歸類

結合上述分析，本文擬從學習成果的角度進行分類，首先將信息技術必修課的實驗活動分為兩大類：一是作品導向類，側重可視化成果的產生;二是知識導向類，側重隱性的經驗知識的產生。其中，作品導向類實驗又可以根據載體的不同細分為程序設計類（面向純數字作品）和硬件搭建類（面向軟硬結合類作品，或稱虛實融合類作品），體現了實驗所需技術工具的差異;知識導向類實驗又可以根據知識加工深度的不同細分為體驗感悟類（側重感性經驗和感性知識的獲得）和科學探究類（側重理性知識的獲得），既體現了學生參與實驗程度的不同，也體現了不同的認知難度。

根據下圖的分類，可以將好上頁表1和上頁表2中的實驗進行歸類，所有羅列的實驗均可以歸類到唯一的分類（如下頁表3所示），說明本分類體系是完備的，也是包容的。

（三）不同實驗類別的實驗室條件分析

1.程序設計類實驗

程序設計類實驗主要包括程序設計和移動應用開發，所需實驗條件與傳統機房有很大的相似度，但因為引入了移動應用的開發實驗，因此還需要提供移動終端（手機或平板設備）及相應的APP開發環境，如APP Inventor。

2.硬件搭建類實驗

硬件搭建類實驗不僅包含硬件，還包含程序控制，主要涉及計算機拆卸與組裝，無線網絡/局域網的搭建，機器人/物聯網等信息物理融合系統的實現。實驗條件除了傳統的計算機設備、各種網絡連接設備以外，還特別需要配置機器人和物聯網套件（含監控云臺及控制軟件），以及較大的測試與展示場地。

3.體驗感悟類實驗

體驗感悟類實驗主要鼓勵學生嘗試使用各種信息資源、工具和系統，體驗信息技術給學習和生活帶來的諸種便利和優勢，在使用體驗的過程中學會觀察和分析各種技術的基本工作原理或流程。實驗條件除了計算機設備（臺式機或移動終端）和網絡條件外，還需要配置可供教學使用的虛擬仿真系統、MOOC、人工智能應用等各種數字資源，以及可選的實體機器人、AR設備等。

4.科學探究類實驗

科學探究類實驗主要涉及兩個子類：一是基于編程軟件、系統工具或應用軟件的計算機科學問題探究;二是基于問卷調查的社會問題探究。傳統機房也可滿足這類實驗的所需條件。

除了上述實驗類別所需的特定實驗條件外，還有一些通用的實驗條件，例如用于快速建模和表達觀點的思維導圖、數位板/手繪板等。需要說明的是，部分體驗性實驗可能需要使用虛擬仿真系統，以配合體驗活動的有效開展。

（四）信息技術必修課實驗的特點分析

仔細分析上述實驗類型，與傳統理科實驗相比，信息技術必修課實驗具有如下四個特點：

1.綜合性

信息技術必修課涉及內容廣泛，大部分實驗都要涉及多個知識點甚至多學科知識，具有較為明顯的綜合性，而傳統的理科實驗一般只針對單一知識點展開。

2.多樣性（開放性）

信息技術必修課的四類實驗，不僅在學習成果上有顯著差別，在實驗選題和手段上也非常多樣，需要設計不同形式的實驗活動，包括頭腦風暴與研討、書面與數字建模、設計與制作、測試與調試、展示與交流等，需要使用到體驗式學習、項目式學習、探究式學習、逆向工程式學習等多種學習方法，實驗具有典型的開放性，與傳統封閉式的理科實驗有較大不同。

3.非線性

因為活動形式和方法的多樣性，導致信息技術必修課實驗在具體操作步驟上缺少嚴格意義上的“實驗流程”，有時甚至因為鼓勵學生研討和創意而使得實驗過程非?！皬碗s”，難以做到“齊頭并進”。而傳統的物理實驗則一般需要依據實驗流程按部就班地展開，基本上能確保所有學生按固定時間節點完成各項實驗。

4.應用性（實踐性）

大部分的信息技術必修課實驗都需要圍繞實際問題展開，指向技術工具的實際運用。即便是知識導向類實驗，也需要在學習和體驗技術工具的過程中應用其解決學習或生活中的問題。整體而言，相比強調學科知識本位的傳統理科實驗而言，信息技術必修課實驗具有很強的應用性色彩。

四、信息技術必修課實驗室建設將面臨的挑戰

作為一項全新的課題，信息技術必修課實驗室建設如同新課程實施一樣，需要經受復雜實踐的考驗，也必然遭遇諸多挑戰。就目前而言，有關實驗室的功能定位、人機比例、實驗助教、建設策略和標準規范等方面均需要進一步的思考和嘗試。

（一）功能定位問題：實驗室是不是開設信息技術課的主要場所

信息技術實驗室應該作為現有機房的補充，還是應該作為獨立實施信息技術課程的主陣地？鑒于筆者傾向于將信息技術實驗的范圍拓展到實踐教學和項目式學習，因此贊同“主陣地”的定位，即大部分信息技術課程的學習活動都可以在信息技術實驗室中完成。與之相反，如果除了信息技術實驗室外，還需要學校另外配置計算機房等實踐教室，顯然有重復建設之嫌，不利于教育經費的有效利用。當然，由于信息技術課程涉及學習內容非常廣泛，基于場館的學習也是一種重要的補充，因此將信息技術課程完全局限在信息技術實驗室中開展也不恰當。對于學校而言，如需實施新課程，可以根據自身條件，或者新建信息技術實驗室，或者改造已有計算機房。

（二）人機比例問題：多少學生一套實驗設備比較適宜

一線教師習慣采用一人一機或一人一套設備的方式開展教學，但筆者認為在很多情況下，這不是一種好的配置方式。一方面，在大班額教學的條件下，一人一機的方式將大幅占用緊張的場地空間，限制其他活動空間的提供;另一方面，在核心素養教育的背景下，學生合作能力的培養不可或缺。在我們最近有關程序設計教育和機器人教育的實證研究中，比較強調配對編程和配對學習模式的使用。所謂配對編程，指的是兩個人使用一臺計算機完成編程任務，一個是“駕駛員”（Driver），負責操作計算機編寫代碼;另一個通常被稱為“導航員”（Navigator）.負責觀察“駕駛員”的工作，及時指出錯誤并提出問題解決建議，任務完成過程中，配對雙方需要按一定的規則進行角色交換。由此引申出來的配對學習模式，也可以應用于信息技術實驗室的各種學習任務。研究表明，這種兩人合作模式相對人數較多的傳統合作學習有較大的優勢，可以有效避免角色固化、“搭便車”現象、責任彌散等問題。如果采用配對學習模式開展信息技術實驗，那么只需要按2人一組為單位配置一套實驗設備，不僅可以有效減少建設經費和維護成本，也可以節約實驗場地，留出更多的空間用于研討、測試和展示。兩個配對小組合并則可以開展傳統的合作學習，尤其是頭腦風暴活動的開展，也方便人數較多的班級使用。當然，如果條件允許，傳統的一人一機模式也可以作為配對學習的一種補充。

（三）實驗助教問題：一位信息技術教師如何勝任大班實驗教學任務

根據我們的實踐觀察，大班實驗教學對教師要求極高，指導老師往往“疲以奔命”，加之信息技術實驗的綜合性、非線性等特點，不適合采用講練結合的方式開展教學，導致相當一部分學生常常難以按時完成預定實驗任務。盡管一線老師在長期實踐中摸索出了一些行之有效的策略，如小老師、小導師、異質分組等策略，但面對復雜多樣的實驗任務，這些策略有時并不奏效。因此，對于條件較好的學校，可以嘗試“主教+助教”模式以降低生師比，尤其在重要的實驗課時中，如果能夠以兩名教師合作的模式開展實驗教學，將有效提高實驗教學質量。在今后有關信息技術實驗室建設指南的研制中，這或許應該成為一個需要專門討論的實驗室條件，也將是實驗室建設“見物又見人”的一個重要體現。

（四）建設策略問題：信息技術實驗室應該如何改造

從實踐操作的角度分析，信息技術實驗所需諸項條件的建設不是簡單的做加法或減法。一方面，需要考慮主次之分，由主到次統籌考慮，采用“必配+選配”策略有序配置，由現有條件利用向機房改造或新增實驗室逐步延伸。例如，老舊計算機及現有機房的臺式機和服務器應當視作信息技術必修課的最基礎設備（必配），其后是各種移動終端和虛擬仿真系統（必配或選配），然后是各種機器人套件和物聯網套件（必配或選配），最后才是人形機器人、AR設備等體驗性實驗所需的昂貴設備（一般作為選配）。另一方面，在電子設備的添置時序上，需要避免一次性大批量的購置行為，尤其是一些智能設備尚處于高速迭代升級階段，分批量購置才能實現可持續發展，避免浪費寶貴的教育經費，這也是引入以小組為單位配置設備的另一個重要原因。事實上，因一次性采購所造成的嚴重浪費的學校案例并不鮮見，尤其值得教育主管部門和校長的重視。此外，無論是既有機房改造還是新建實驗室，需要考慮各種功能區（如設備空間、活動空間和儲物空間）的一體化設計，在滿足開放性、項目式學習的需求之外，還必須考慮到現實條件的制約和成本投入，將部分功能區進行疊加設計，有效利用寶貴的場地空間，從以往只注重生機比轉向生空比、生師比及多種功能區的綜合供給，避免過度投入和不必要的空間浪費。

（五）標準規范問題：信息技術實驗室是否需要建設標準

整體而言，本文主要思考的還是實驗室條件應該有什么的問題，隨著研究和深入的推進，今后可能還需要關注實驗室建設標準規范的問題，但鑒于信息技術實驗的綜合性和開放性等特點，以及不同版本教材涉及的項目活動差異，在短期內要沉淀出一個比較穩定的建設標準是比較困難的。鑒于新課程實施的緊迫性，就目前而言，以新課標為核心盡快推出信息技術實驗室的建設指南或指導性意見，或者以新教材為核心提供五套高中信息技術教材版本的建設指南，可能是比較現實的選擇。這個指南可能需要聚焦的問題包括：從實驗條件上看，一方面是設備和場地的建設指南，另一方面是實驗室使用與管理的指導意見;從基礎指標上看，一方面是技術指標，尤其是耐用性問題、兼容性問題;另一方面是功能指標，例如，每一類實驗需要包含哪些具體實驗（必做實驗和選做實驗），每一類實驗所需設備的具體功能（基本功能和可拓展功能），實驗設備和場地空間究竟應該提供哪些功能區（基本功能區和特色功能區）等。

作者簡介：

鐘柏昌：教授，博士生導師，研究方向為中小學機器人教育、創客教育、信息技術教育等（zhongbc@163.com）。