中小學信息學科實驗教學實踐與創新水平研究

摘要：大國科技競爭對學生創新意識和創新能力的培養提出了更高的要求。信息課程作為培養學生信息素養的主陣地，在普及信息技術教育、培育數字化時代的合格中國公民方面發揮著重要作用。為深入了解中小學信息學科實驗教學發展現狀，持續提升實驗教學實踐與創新水平，該文基于全國中小學實驗教學精品課案例開展研究，該研究以遴選自22個省份的81節中小學信息學科實驗教學課為研究樣本，從思路創新、技術與器材創新、方法創新三個方面，深入剖析信息學科實驗課現狀與特點，總結歸納實驗課主要問題，從深化學科理念認知、堅持核心素養引領、探索學科思政建設、提升場室裝備條件、完善平臺保障機制等方面提出有關研究建議，以期為新時代中小學信息學科實驗教學高質量發展提供參考。

關鍵詞：中小學；實驗教學；信息學科；信息技術；實踐與創新水平

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

本文系全國教育科學“十三五”規劃教育部重點課題“中小學智能實驗教學系統的構建與應用實踐研究”（課題批準號：DCA190327）研究成果。

一、引言

習近平總書記在中共中央政治局第三次集體學習時強調“要在教育‘雙減’中做好科學教育加法，激發青少年好奇心、想象力、探求欲，培育具備科學家潛質、愿意獻身科學研究事業的青少年群體”。這是黨中央從事業全局出發，著眼加快建設教育強國，培養創新人才，實現高水平科技自立自強作出的重要部署。

當前，新一輪科技革命與產業變革加速演進，世界各國十分重視青少年科技人才的培養，如何在教育‘雙減’背景下做好科學教育的加法，蓄積推動中國式現代化高質量發展的強大動能，實驗（實踐）育人是一重要突破口。實驗教學是國家課程方案和課程標準規定的重要教學內容，是學生獲取信息、知識，提升科學素養的重要手段，也是建構各學科理論體系的基礎。《教育大辭典》中對“實驗教學”一詞的解釋是：“實踐性教學的一種組織形式。學生利用儀器設備，在人為控制條件下，引起實驗對象的變化，通過觀察、測定和分析，獲得知識與發展能力”[1]。為推動新時代中小學實驗教學課程改革與創新，2019年教育部印發《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》，提出要在全國范圍內遴選一批優質實驗教學精品課，發揮示范引領作用[2]。

數智時代是信息化、數字化與人工智能等技術互相滲透、人機協同深度融合、人機共創實現知識更新與再造的時代[3]。信息技術作為先進生產力的代表，深刻影響著社會生活與產業變革。信息素養指向信息社會個體利用信息技術進行信息查詢、甄選、使用及分享以形成問題解決方案[4]。2023年教育部等十八部門發布《關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》[5]，提出要開齊開足開好科學類課程，其中就包括信息科技、信息技術等學科，實施啟發式、探究式教學，探索項目式、跨學科學習。

然而中小學實驗教學體系仍是基礎教育體系中的短板。其中信息技術、信息科技等學科相較于其它學科有著不同的課程內容和課程特點。目前，信息學科實驗（實踐）教學在實際開展中仍暴露出一些問題，主要表現為實驗開出率較低，實踐教學水平不高，實驗活動探究屬性不夠凸顯，學生動手實踐能力與創新能力較弱等方面。雖然與信息學科相關的新課標、新設施已相繼落地，相關研究也基于區域調查，從課程改革上探討了如何聚焦數字化競爭力，發展學生核心素養[6]。此外從課標修訂的視角出發，有關研究分析了信息學科核心素養與關鍵能力間的關系，給出了新課標落地的實施建議[7]。然而為推動信息學科實驗教學方式創新，挖掘學科育人價值，持續提升實驗教學實踐與創新水平，目前還鮮有從課程視角出發開展的全國性案例分析研究。本文基于2022年全國中小學實驗教學精品課遴選出的信息科技、信息技術實驗課為研究樣本，深入剖析信息學科實驗課特點，總結歸納實驗課主要存在問題，給出相關研究建議。

二、研究設計

（一）研究思路

信息學科核心素養中的重要一項是數字化學習與創新能力，而教師的實踐與創新水平對創新人才培養具有重要影響。實驗教學是國家課程方案和課程標準規定的重要教學內容，也是教師開展創新性教學活動的重要體現。為構建推動信息學科高質量發展新引擎，信息學科實驗教學應主動順應數字化、智能化發展浪潮，加大探索信息技術與實驗教學的融合創新。

為繼續提升中小學信息學科實驗教學實踐與創新水平，分析認為實驗教學應重點關注以下幾個方面：一是思路創新，以真實問題或項目驅動為引領，注重實驗課的情景創設和教學組織；二是技術與器材創新，有益吸納國內外信息科技前沿成果，有效應用于實驗教學流程；三是方法創新，善于借鑒跨學科實驗知識開發創新實驗教法。精品的實驗課應至少在上述某一方面實現創新，且效果突出，能調動各個層次的學生參與實驗探究，能培養學生的創新精神和實踐能力。因此，為深入了解信息學科實驗教學發展現狀，研究信息學科實驗課特色與創新水平，本研究擬從上述三個創新角度，研制相關研究要點。

（二）研究要點

該研究依托全國中小學實驗教學精品課遴選活動，組織具有豐富教育實踐經驗的學科、課程、教學、實驗、教育裝備等方面的專家以及教研員、特級教師、骨干教師等，經詳細論證與集中研討，結合實地調研、教師訪談、針對性咨詢等方式，設計了中小學實驗教學精品課學科特色與創新性維度的研究要點（如表1所示），從思路創新、技術與器材創新、方法創新3個方面分析研究信息學科實驗課的實踐與創新水平。其中思路創新主要反映實驗課在實驗情景、實驗設計、實驗實施途徑、教學組織形式等方面的創新性；技術與器材創新重點關注實驗課如何創新運用新材料、新工藝、新儀器、新技術和新資源等；方法創新則聚焦創新教學方法，如何設計開放、動態的實驗教學方案等方面。

（三）研究樣本

該研究以遴選出的81節信息學科實驗課為研究樣本，其中包括小學信息科技39節，初中信息科技21節，高中信息技術21節。實驗課樣本來自全國22個省份（含自治區、直轄市）。本次實驗課樣本涵蓋信息技術必修類的數據與計算、信息系統與社會2個模塊，以及選擇性必修類的數據與數據結構、人工智能初步、網絡基礎、三維設計與創意、數據管理與分析、開源硬件項目設計6個模塊；信息科技實驗課包含在線學習與生活、數據與編碼、身邊的算法、過程與控制、互聯網應用與創新、物聯網實踐與探索、人工智能與智慧社會以及跨學科主題等課程內容，實驗課主題模塊涵蓋范圍較廣，研究樣本具有一定的均衡性。

（四）統計分析

每節實驗課由3位評審專家圍繞思路創新、技術與器材創新、方法創新3個方面總計8個要點特征進行評分，并取平均值。研究中將81節信息學科實驗課的專家評分按照從高到低劃分為十個等級（一等到十等）進行分類統計。結果顯示（如下頁圖1所示），處于一至三等級（評分較高）的作品總計14節，占比17.3%；處于四至七等級的（評分居中）作品共51節，占比63.0%；處于八至十等級的（評分較低）作品共16節，占比19.7%。總體來看，評分居中與評分較低的作品累計占比超80%，評分較高的作品占比不足兩成，中小學信息學科實驗課實踐與創新水平有待進一步提升。

三、發展現狀

通過研究樣本案例發現，部分信息學科實驗課在思路創新、方法創新、技術與器材創新等方面已探索出了較好的教學模式和教學特色，且呈現出主動順應數字化、智能化的發展趨勢，利用數字技術賦能實驗教學新空間。

（一）以問題情景創設推動實驗教學思路創新

信息學科要求學生能夠根據實際問題需求，采用計算機科學領域的思想方法界定問題、分析問題、制定解決方案。分析樣本發現，真實問題情景的實驗課最多，達44節，占比54%，分學段統計發現，小學信息科技、初中信息科技、高中信息技術實驗課也主要集中在真實問題情景實驗。可見教師比較注重教學情景創設，問題導入從真實情景出發，緊密聯系生活實際，基于教學目標創設新穎的實驗情景，通過構建信息素養學習與實際生活間的關聯性，讓學生回歸知識的本源，促進核心素養的形成，力求培養既懂科學又懂生活的學生。例如在《編碼的應用——編碼SOS求救信號》課中，教師由某一經典海上救援故事引入，通過源于真實生活的情景分析，使學生理解摩斯電碼SOS的原理和優勢，認識求救信號SOS對于現實生活的重要意義，進而引導學生使用相關算法，利用開源硬件和編程軟件進行問題的編碼實現，發展計算思維。此外，實驗課教學設計從真實的實踐應用出發，有利于啟發學生討論思考。在《探究反饋在過程與控制系統中的作用——孵化模擬器》課中，教師結合了小學科學課中動物發育的相關知識，從實踐應用出發，通過制作模擬孵化器，引導學生開展實驗探究，讓學生了解反饋在過程與控制系統中的作用，幫助學生理解基本概念和基本原理，進而提升學生的知識遷移能力和學科思維水平。

（二）綜合利用跨學科知識開發創新實驗方法

跨學科教學是促進學生深度學習的必然要求，有利于促進學生理解和問題意識的形成，其本身也是一種高階思維的表現[8]。分析發現，跨學科融合是本次實驗教學課遴選活動的一個顯著特色。教師基于新課程改革需求，從信息學科視角出發融合多學科知識，探索了諸多基于新理念、新模式的實驗教學案例。例如在《調色中的學問》課中，教師將美術中的顏色調配與信息科學中的IPO方法進行融合，探索了創新式的跨學科教學實踐，引導學生對常見的調色過程進行建模，通過觀察、對比、分析等探究方式解決實際問題，發展高階思維，強化學生的數字化適應力。此外，相關實驗課嘗試打破傳統信息學科“以工具講知識”的認知隔膜。例如在《無接觸電子琴——測距信息系統搭建與音調匹配實驗》課中，教師從學科大概念“信息系統”出發，以開源硬件設計制作為落腳點，融合了數學原理、音樂演奏、樂器制作、外觀設計等多學科內容，以“大概念”素養為主線，通過開展跨學科實踐的方式引導學生自主探究傳感器的工作原理，系統培養學生的高階思維。

雖然此次樣本案例中明確歸屬于跨學科實驗類別的實驗課數量并不多（81節課中跨學科實驗課有7節，占比9%），但小學、初中、高中學段均有覆蓋，且在大多數實驗課的教學設計中已或多或少地滲透進了跨學科融合的思想。可見，為發展學生數字素養，在實驗課教學中將科學、技術、工程、藝術和數學等學科教育融入信息技術教育中已成為信息技術教育的一種重要形式[9]。今后在信息學科（實踐）教學中開展跨學科融合會是發展的重點。

（三）探索新技術與新器材創新實驗教學工具

人工智能教學與算法程序設計等內容通常被認為是信息學科教學實施的難點，尤其在算法與編程領域，易受“程序員”思維定式和“學習困難”印象的波及。然而研究發現，此次遴選出的信息學科實驗課較為重視實驗教學工具的創新，圍繞課標要求，善于融合最新科技成果，借助相關信息技術工具（軟件或硬件）有效組織開展實驗教學活動。例如《體驗自然語言處理應用》課圍繞當下熱點技術，以開放式平臺為教學工具，通過整合語文、英語與信息技術學科中的共同要素——語言，聚合構建實驗流程，將人工智能后端數理邏輯的傳達扁平化為生活場景的應用，創建學習新場景和新環境，營建代碼語言調試模型新思維，努力激發學生的學習興趣。在小學信息科技中，教師圍繞Scratch編程章節內容開展了《Scratch自制鋼琴》實驗教學，該課注重實驗教學工具的創新，將生活中常見的導電材料和外接鍵盤、電腦進行串聯，配合Scratch圖形化編程軟件，實現音樂的播放。教師在開展實驗教學活動時力求弱化信息技術本身，更側重于學生素養的全面提升，能更大程度地調動學生的學習積極性。

（四）利用數字技術賦能實驗教學新空間

研究發現，在信息學科實驗（實踐）教學中，創設數字化學習空間是一重要趨勢。例如教師在講解物聯網技術特征相關內容時，由于傳統教材中的介紹較為抽象，教師便選擇適宜的數字化設備支持課堂教學，借助相關數據處理平臺，對實驗數據進行整理、加工，并以可視化的形式呈現，通過創設數字化學習空間來捕獲學生解決問題的思路，幫助學生理解課程知識的難點和重點。在樣本案例中，《教室環境監測系統》這一案例較好地利用了信息化工具，借助傳感器感知外部數據，通過數據在設備端、PC端和移動端的實時交互，以數據交互為抓手，將物聯網技術特征實體化，引導學生主動關注信息系統與外部世界的連接方式，便于學生有效理解，更易激發學生的探究創新能力，促進學生信息意識和數字化學習與創新等核心素養的達成。

四、問題與討論

（一）學科認知較淺影響實驗活動創新

研究發現，信息學科教師對學科本質內涵的認知仍不夠深入，較多停留在工具性、技術性層面，觀念上還存在將計算思維教育簡單等同于程序設計教育的現象。在實際開展實驗教學過程中，部分教師過多關注技術本身，過于偏重工具的操作與使用，而非聚焦真實問題的解決。例如在與人工智能主題相關的實驗教學中，部分實驗課教學內容程序代碼偏多，且未能對軟件進行適度封裝，學生充分認知與掌握存在一定難度，而圍繞學科核心素養設計的創新性實驗（實踐）活動屬性不明顯，信息學科的育人價值未能得到充分體現。尤其在低年級階段，部分實驗課設計還未能較好地適配低齡學生的心理與認知發展特征，對學生學習興趣與創新精神的培育重視程度不夠，教師的學科認知仍有待深入。

（二）實驗組織能力與實驗設計能力不強

研究發現，此次遴選出的信息學科實驗課雖較為注重新技術、新工具的應用，在開展跨學科融合教學時能夠緊密聯系實際，教學流程和教學要素也較為完善。但在具體教學過程中仍存在一些問題：一是教師講授與演示成分較多，學生動手操作以模仿為主，“重體驗，輕思考”現象顯著，學生參與感不強，“學主教從”的師生角色定位不夠明確；二是驗證性實驗占比較大，探究性實驗設計較少，探究屬性不強，學生獲得感欠佳；三是針對學科內容的遷移與應用略顯不足，缺少基于整學期大項目框架下的實驗教學設計，在不同內容和知識點的銜接上還有進一步設計和優化的空間。

（三）學科思政建設創新關注較少

實驗（實踐）教學是學科思政建設的必要組成和有效延伸。然而研究發現，教師在教學過程中雖善于利用技術驅動課堂建設，但對學科思政建設方面的關注較少。當下以網絡技術為核心的網絡空間已成為意識形態領域最難以預測的變量，創新式的教學工具和豐富的教學資源極大地擴充了中小學信息學科教學中的倫理探討區間，信息學科實驗教學面臨的潛在非技術風險愈加復雜。學生在面對大量數字化學習資源時，受認知程度所限難辨信息真偽，學生的價值觀和意識形態易受外界影響。從當前情況來看，教師對學生意識形態、科技倫理和法律邊界等方面的正確引導關注較少，信息學科思政引領建設較為薄弱。這一現實背景也對信息學科施教者自身“技術式敘事”與“中國化敘事”的能力提出了更高、更靈活的要求。

（四）場室裝備條件支撐實驗教學創新力度不足

對于信息學科，必要的場室與裝備條件是實驗課順利開展的物質基礎和保障。我國中小學信息學科教學環境之前主要以計算機房為主，難以滿足豐富的信息技術實驗活動[10]。近年來各地各校信息技術（科技）實驗室、創客空間、人工智能實驗室不斷建設，場室與裝備條件較之前取得了一定改善，但場室的種類、面積及儀器配套設備在滿足實際教學需求時仍暴露出一些問題，還存在“不夠用”“不好用”等問題。例如在某些分組實驗中，由于配套實驗器材的品種與數量不足，加之使用操作不便等原因，導致部分學生無法親自動手操作，實驗效率較低。此外，由于缺少相應的傳感器與外接設備，部分實驗的人機交互效果較差，實驗活動的趣味性與創新性不強。這些因素均影響了實驗教學目標的達成。因此，支撐中小學信息學科實驗教學活動有效開展的場室與裝備條件仍有待進一步提升。

（五）創新氛圍培育缺乏有效機制保障

信息學科因“副科”觀念使其受重視程度較低。有關調查研究顯示，對照普通高中信息技術課程標準，“大部分完成”和“全部完成”課標要求的受訪教師占比僅為53.6%，出現占課的情況高達48.9%[11]。可見，支撐信息學科開展實驗教學的有效課時數不足，該現象在高中階段更為明顯。據調查，除全國中小學實驗教學精品課遴選活動外，學校和社會層面為中小學信息學科教師提供開展實驗教學創新、交流與展評的機會并不多。此外，經費與政策支持力度較低、實驗教學工作量較大、缺少專職實驗員、實驗教學與升學考試成績尚未有效掛鉤、缺少必要的教研與教學培訓等均是影響信息學科實驗教學持續有效開展的重要因素。因此建立科學的平臺與保障機制，培育實驗教學創新與交流的土壤十分必要。

五、對策建議

（一）以深化認知促實驗教學有效開展

信息學科在校內是否受到重視，學校領導層的理念至關重要，其不僅影響著信息學科教師的作用和地位[12]，還關乎著信息學課程改革的執行力和領導力[13]。教育部門和學校領導層應進一步提高信息學科及其實驗教學的受重視程度，一是可通過配置科技副校長，組織開展實驗教學視導，加強對信息學科教學的管理與指導工作；二是完善教育監督機制，嚴格實行多級教研員督導制度，對信息學科課程的開展與實施情況開展抽查，保障實驗教學基本課時，杜絕占課現象；三是強化教研與培訓，深化教師的學科認知，深入理解“計算思維教育”與“程序設計學習“之間的關系[14]，從以往注重技能習得逐漸轉移到關注素養培育；四是鼓勵學校設立專職實驗員，配合信息學科專任教師開展相應的實驗（實踐）教學活動，提升實驗教學質量。

（二）以核心素養引領推動實驗教學思路與方法創新

學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是個體在面對復雜情境時，所表現出來的必備品格、關鍵能力和重要觀念。這些品格、能力和觀念無法直接傳遞，學生只有在解決真實情景問題的過程中不斷獲得和達成。為探索信息學科實驗教學方式方法創新，在實際教學中，一是鼓勵教師創新開展基于真實情景教學、項目式教學、跨學科教學等教學方式，強化信息學科的實踐性特征；二是培育以學習者為中心的教與學關系[15]，圍繞學科核心素養，在教學設計中加強學生自主探究與小組合作，引導學生積極參與到信息技術支持的學習情景中，實現眼看、口說、手做、耳聽，腦思五官并用，讓學生在接受教育的過程中逐步形成必備的技術、知識、技能與方法，有效激發學生的創造思維和創造力；三是針對信息學科獨有特點，在日常教研與教學中營造善創新、勤動手、愛思考的氛圍。可突破傳統機房授課的限制，引導教師開展基于真實場景式的大概念、大單元教學實踐活動，一體化建構學科知識體系，創新實驗教學模式與教學組織形式，不斷探索實驗教學的新理念、新模式，避免信息知識的機械式傳授，整體提升信息學科實驗教學實踐與創新水平。

（三）持續探索信息學科思政建設創新

學科核心素養明確要求具備信息社會責任的學生，要有一定的信息安全意識與能力，能夠遵守信息法律法規，信守信息社會的道德與倫理準則。因此，教師在教學過程中除關注技術創新外，還應重視學科思政的引領作用。一是創新信息學科思政建設常態化機制，可通過聽評示范課、共建精品課等活動，在學科教育中滲透情感、態度與價值觀的培養，培育學生的科技精神和科技倫理，培育社會主義核心價值觀，推動信息學科思政教學模式創新。二是可通過走訪、調查、參觀等學習形式，將學科思政小課堂與社會大課堂相結合，立體式搭建信息學科思政教育實踐平臺，提高教學實效。三是在教學過程中教師還要遵守國家有關網絡安全規定，在實驗（實踐）教學活動過程中，培養學生在面對信息技術浪潮時的理性判斷力和負責任的行動力，培育數字化時代合格的中國公民。

（四）優化場室裝備條件構筑實驗創新物質保障

相關部門應更新管理理念，強化組織保障，統籌經費管理，可通過設立中小學實驗室與功能教室建設相關專項，及時改善實驗教學的裝備條件與技術環境。可參考中小學信息學科教學裝備配置標準以及中小學實驗教學基本目錄，逐步建立中小學實驗教學儀器設備購置、維護與更新機制，配套建設實驗耗材補充機制，必要時可探索區域協作機制，通過實驗資源共享，實現實驗教學資源價值最大化，為創新開展基于新材料、新工藝、新儀器、新技術的實驗（實踐）教學活動，培養創新人才奠定堅實的物質基礎。此外，還要充分認識實驗教學的重要性，在教育‘雙減’背景下進一步做好科學教育加法，提高實驗教學課時比重，為探索開展新理念、新技術、新方法的實驗（實踐）教學活動提供必要保障。

（五）構建長效保障機制推動“教學研”創新

建議建立常態化培訓和培養機制，除常規教研外，可通過整合社會資源，協調一批高校、高新技術企業、科研院所等研究力量，通過搭建協同合作交流平臺，以專家理論講座、實驗教學指導、課堂現場觀摩等形式開展培訓，持續提升教師的專業素養和創新能力，增強教師組織學生開展科學探究實踐活動和指導學生進行科學實驗操作的本領。培訓內容可包括學科專業知識與教學方法創新、思路創新，培訓范圍可涵蓋多種主題，如項目式教學、實驗儀器與技術、新材料與新工藝、數字化實驗等。此外，加快制定適切學校實情的實驗教學績效獎勵政策，通過組織中小學信息學科實驗教學課題研究，舉辦信息學科實驗教學技能競賽，召開學習經驗交流會等，加強區域間交流探討，切磋實驗技能，經過不斷完善與實踐，逐步構建信息學科特有的實驗教學體系。

六、結語

基于2022年全國中小學實驗教學精品課遴選活動，以其中的81節信息學科實驗課為樣本開展研究，發現目前信息學科實驗教學總體呈現出注重教學情景創設、強調跨學科融合發展、創新實驗教學工具、數字技術賦能教學等特點。通過剖析實驗課樣本，總結信息學科實驗教學現有問題，從深化學科理念認知、堅持核心素養引領、探索學科思政建設、提升場室裝備條件、完善平臺保障機制等方面提出有關研究建議，以期為構建信息學科特色實驗教學體系，提升中小學信息學科實驗教學實踐與創新水平提供參考。通過精品課遴選的模范與示范作用，相關教師和學者也可參照已有課程進行實驗教學的再設計、再拓展與再創新，持續推動中小學信息學科實驗教學高質量發展。

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作者簡介：

張海南：助理研究員，博士，研究方向為教育技術與裝備應用。

Research on Practice and Innovation Level of Information Subject Experiment Teaching in Primary and Secondary Schools

—Based on the Case Analysis of National Primary and Secondary School Experimental Teaching Quality Courses

Zhang Hainan， Liu Qiang， Guo Xiaoping， Liu Shaoxuan， Wang Yuqi

Center for Education Technology and Resource Development， Ministry of Education（NCET）Beijing 100031

Abstract： The competition of science and technology among major countries has put forward higher requirements for the cultivation of students’ innovation consciousness and innovation ability. As the main front of cultivating students’ information literacy， information curriculum plays an important role in popularizing information technology education and cultivating qualified Chinese citizens in the digital era. In order to gain a deeper understanding of the current development status of experimental teaching in the field of information science in primary and secondary schools， and to continuously improve the level of experimental teaching practice and innovation， this article conducts a study based on the case of national high-quality experimental teaching courses in primary and secondary schools. This study takes 81 experimental teaching courses of information science in primary and secondary schools selected from 22 provinces as research samples， and deeply analyzes the current situation and characteristics of experimental courses of information science from three aspects： idea innovation， technology and equipment innovation， and method innovation. The article summarizes the main problems existing in experimental courses， and puts forward relevant research suggestions from the aspects of deepening discipline cognition， adhering to the guidance of core literacy， exploring disciplinary ideological and political construction， improving field and room equipment conditions， and improving the guarantee mechanism， so as to provide references for the high-quality development of information subject experimental teaching in primary and secondary schools in the new era.

Keywords： elementary and secondary school； experiment teaching； information subject； information technology； practice and innovation level

責任編輯：趙云建