初中信息科技實驗探究教學實踐與思考

摘要：信息科技實驗探究教學倡導以科學原理探究、學生動手實踐為主的多樣化學習方式，引領學生親身經歷以實踐應用為主的學習活動。本文依據實驗探究過程討論定量實驗探究、觀察實驗探究、模型實驗探究、創新實驗探究等如何助力信息科技課堂教學，促使學生實踐應用，從而為學生真實性學習提供機會，培養信息科技學科核心素養。

關鍵詞：實驗探究；核心素養；課堂教學；實踐應用；真實性學習

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）13-0059-03

實驗探究是課堂教學的重要環節，是落實學科核心素養目標、促進學生數字素養與技能提升的重要載體和途徑。它凸顯學生實踐應用的主體性，學生通過“做中學”“用中學”“創中學”，發展計算思維，發揚創新精神，從而提高解決問題能力及數字化合作與探究能力。實驗探究融入課堂教學，助力學生真實性學習，提升學生知識遷移能力和學科思維水平，體現“科”與“技”并重。[1]下面，筆者依據實驗探究過程討論在信息科技課堂教學中如何借助定量實驗探究、觀察實驗探究、模型實驗探究、創新實踐探究等，真正落實核心素養目標。

憑借定量實驗，辨識數據來源

定量實驗是指利用數量與質量測量準確衡量某類因素對另一類變量的影響，來分析相關物質之間的關系，其目的是通過一系列精準的控制變量和測量變量來衡量不同變量之間的關系。教師則可根據課堂中動態生成的問題，現場結合情境設置定量實驗探究，讓學生體驗角色現場操作，充分調動學生的主觀能動性，實現問題的解決。同時，教師以問題驅動的方式引導學生逐步建立進行定量實驗探究的一般方法和思維方式，提升對定量實驗的設計及處理能力。[2]

案例：網頁的數據編碼。

①提出問題：請基于生活中請求式紅綠燈，利用網頁編碼實現交互——中學生過雙車道的人行橫道（長15米），綠燈的持續時間。

②作出假設：部分學生根據自身的生活經驗直接猜想步行速度，部分學生直接上網搜索數據，兩者得出的答案不一樣。

③設計實驗：現場設置定量實驗，“人行橫道”“起點”“終點”貼條組成人行橫道，采集學生步行5米所需的時間（秒）數據，抽樣計算學生步行平均速度，并借助定量實驗探究解決課堂中動態生成的問題。

④實施實驗：現場請三位學生扮演行人，分別從“起點”步行到“終點”，記錄各自步行所需的時間（秒），充分調動學生的主觀能動性，激發學生的興趣和好奇心。

⑤得出結論：利用Python小程序自動化求解三位學生的平均步行速度。

⑥表達交流：學生現場相互交流，一致采納實驗得出的中學生步行速度。

由上述案例可知，定量實驗探究的基本思路為：首先，動態生成問題，分析問題；其次，通過情境設置定量實驗，制訂解決方案，設計算法；最后，學生扮演角色進行真實性操作，利用計算機實現問題的自動化求解。網頁編碼需要一定量的數據，學生借助定量實驗探究獲取相關數據，為之后的交互調試環節提供數據保障，提高對數據獲取、分析和應用的能力。同時，引導學生意識到數據來源的可靠性，學會辨別數據的真偽性，提高信息意識。

基于觀察實驗，自主優化方案

觀察實驗是在自然發生的情況下，對事物進行有目標的觀察，從而獲得科學知識。在信息科技中，傳授新知識點的教學環節可以開展此類實驗探究。

案例：圖像識別技術。

①提出問題：學生課前觀看視頻《身邊的AI》，其中涉及文字識別、圖形識別、人臉識別等圖像識別技術的應用。教師提出問題（計算機是如何識別出人臉的？），以此培養學生的信息意識。

②作出假設：學生根據提出的問題大膽猜想圖像識別技術過程分哪幾步，教師鼓勵學生各抒己見，收集學生的猜想，不作任何評價。

③設計實驗：教師設計觀察實驗——“計算機中的你”。借助人工智能的新應用，學生能分析并解決學習和生活中的實際問題，在應用人工智能的過程中感受人工智能的三大技術基礎——數據、算法和算力。

④實施實驗：學生自學人臉識別的微課，運行Mind+程序觀察拍攝人臉、采集人臉入庫的過程。人臉識別體驗成功會激發學生的求知欲，使其主動地觀察并從程序代碼中找出圖像識別過程的關鍵代碼。

⑤得出結論：學生觀察圖像識別過程的關鍵代碼，歸納得出圖像識別的一般過程（如下圖）。

⑥表達交流：由于學生找出來的關鍵代碼不同，教師及時與學生進行交流，不斷優化方案，這樣會起到一定的引導作用。同時，提醒學生圖像識別技術應用會引發一些潛在的社會安全問題，從而提高學生人工智能安全防護能力及信息社會責任。

圖像識別過程的原理既抽象難理解又枯燥乏味，學生可借助觀察實驗自學探究。觀察實驗探究的基本要素為：首先，以學生的自學觀察為中心，凸顯學生的主體地位；其次，依據學生不同的知識建構水平，教師要引導學生自主優化方案。

依據模型實驗，活學應用遷移

模型實驗是指實體試驗，通過在比例縮小或等比模型上進行相應的實驗研究并獲取相關數據，按照模型相似理論，由模型的試驗結果推算實際結構的工作。借助平臺、工具搭建模型實驗探究，注重把握數字化學習的特點，探究過程分析及思維遷移，拓展教學思路。通過學生真實性自主合作學習，促進學生深入學習知識，培養學生知識應用遷移和解決實際問題的能力。[3]

案例：走進物聯網。

①提出問題：智能手表的定位數據如何傳輸到手機？智能手表與手機是如何建立互聯的？

②作出假設：學生根據所見所聞猜想提出的問題。

③設計實驗：教師設計模型實驗——植物管家、智能風扇，讓學生熟知常見的物聯網應用，知道物聯網的新進展，并借助模型實驗分析原理，讓學生理解物聯網的特征和架構，通過問題分解、抽象歸納等方式培養學生的計算思維。

④實施實驗：學生借助MIXIO平臺觀察平臺采集到的數據，了解數據傳遞方式和處理過程，探究物聯網的架構和特征，充分認識物聯網本質。

⑤得出結論：物聯網架構層可分為感知層、網絡層、平臺層、應用層；物聯網的特征是全面感知、可靠傳遞、智能處理。

⑥表達交流：學生將實驗分析得出的原理進行應用遷移，解釋手機尋找智能手表的問題，從而培養在日常學習和生活中積極使用物聯網解決實際問題的信息意識。

上述案例圍繞核心素養目標，以模型實驗為主線貫穿整堂課教學，聚焦案例探索“場景分析—分析原理—應用遷移”的教學模式：首先，從生活場景分析入手，引導學生發現問題、提出問題；其次，學生借助數字平臺搭建的模型實驗，進行操作探究，分析科學原理，使采集的數據直觀化，使抽象的理論形象化，使枯燥的知識有趣化；最后，學生將掌握的原理應用遷移，解釋其他相關現象，并解決其他相關問題。

關注創新實驗，培養創造活力

創新實驗旨在探索并建立以問題為核心的教學模式，倡導以學生為主體的創新性實驗改革，調動學生的主動性、積極性和創造性，激發學生的創新思維和創新意識，使其逐漸掌握思考問題、解決問題方法，提高創新實踐的能力。結合創新實驗項目教學的實踐和探索，以學生為主體與探究式學習有機結合，把學科核心素養培育轉化為深度的實踐應用，對學生的真實性綜合應用和自主創新能力的培養具有重要意義。

案例：傳感器的應用。

①提出問題：夏天，公交車窗暴曬，手動拉窗簾費力又不便，如何解決這些問題。

②作出假設：學生分析如何避免車窗暴曬，猜想選用哪種合適的感應裝置制作感應開關，控制窗簾自動拉開合攏。

③設計實驗：學生自學資源網站中的“傳感器”板塊（傳感器分類），比較哪種傳感器（光敏、聲敏、熱敏等）適合做窗簾感應開關。根據問題需求進行篩選評估：使用硬件設備搭建、軟件設計編程實現此功能。為了讓學生設計的產品更加多樣化，教師結合學習單設計了問題拓展：智能公交車窗還可以實現其他什么功能（感應開燈、冷暖提醒、煙霧報警等）？

④實施實驗：小組合作進行實踐驗證，并借助掌控板搭建器材，通過mPython圖形化編程驗證功能是否可以實現，借助資源網站結合實際操作體驗傳感器的工作原理。

⑤得出結論：學生根據實驗探究結果完成學習單，總結智能公交車窗利用哪些傳感器實現哪些功能。

⑥表達交流：學生將自創的產品安裝到“智能公交車窗”上，現場演示功能，并簡單描述傳感器的應用，從而培養相關的信息社會責任，養成良好的信息工具使用習慣，初步意識到物聯網技術帶來的信息安全和隱私保護等問題。

由上述案例可知，創新實驗的基本環節為提出問題、尋找靈感、生成創意、篩選評估、實踐驗證、總結反思。“提出問題”讓學生主動發現并明確問題；“尋找靈感”讓學生分析問題，尋找最適合解決問題的靈感；“生成創意”讓學生不斷地進行頭腦風暴和思維碰撞，產生更多的創意；“篩選評估”讓學生找到最具可行性的創意，以便進一步實踐；“實踐驗證”是創新實踐的核心步驟，通過不斷優化和改進實驗，達到最終目標；“總結反思”讓學生分析實踐過程中的各種問題和挑戰，找到解決問題的方法和思路。

結語

核心素養是課程育人價值的集中體現，它能促使學生通過課程學習逐步形成正確價值觀、必備品格和關鍵能力。實驗探究助力信息科技課堂教學，為學生實踐應用、真實性學習提供機會，培養學科核心素養。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]喻俊，唐樂天.基于問題驅動的化學定量實驗觀念教學[J].化學教學，2019（11）：38-43.

[3]楊勇.拓展模型遷移培養數學應用能力——以一道典型力學題的拓展教學分析[J].物理教師，2021，42（05）：89-91.