“科”與“技”并重的信息科技實驗教學設計與實施

摘要：《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中提出遴選科學原理和實踐應用并重的課程內容，體現“科”與“技”并重的理念。信息科技實驗能夠讓學生在動手實踐中理解科學原理，在科學原理運用中創新創造，體現了信息科技課程的育人價值。本文在對“在線學習與生活”“過程與控制”“互聯網應用與創新”三個模塊開展教學實踐的基礎上，通過案例說明實踐操作的驗證性實驗、虛實結合的探究性實驗、激發創新的應用性實驗的教學設計方法和實施經驗，以期為開展和加強信息科技實驗教學提供有效的實踐指導。

關鍵詞：信息科技；實驗教學；教學設計

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）19-0045-04

《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》中指出：“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，是培養創新人才的重要途徑。”《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）指出：“從信息科技實踐應用出發，注重幫助學生理解基本概念和基本原理，提升學生知識遷移能力和學科思維水平，體現‘科’與‘技’并重。”《中小學實驗教學基本目錄》則以新課標主題為線索，梳理了構建學科核心概念、核心規律、核心實驗素養與關鍵能力所應開展的基礎性實驗及實踐活動，其中完整覆蓋信息科技學科的1～9年級，共94個實驗，體現了國家對信息科技實驗教學的高度重視。

信息科技實驗教學的意義與價值

信息科技實驗教學能提升學生的實踐能力和動手能力，激發學生的創新思維和創造力，培養學生的問題解決能力，體現信息科技課程的育人價值。

從布魯姆的認知層級來看，科學原理的學習不能僅僅依靠對概念的記憶、理解，更需要通過實驗將抽象的概念轉化為具象的實驗，并在實驗的過程中通過觀察、應用、分析，實現評價實驗效果、創新設計實驗，進而培養學生的高階思維能力，將信息科技課程教學從概念的淺層學習和技術的機械操作轉變為以培養核心素養為目標的深度學習。

信息科技實驗教學的設計思想

實驗教學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。信息科技實驗教學大致可以分為幫助學生鞏固理論知識和實踐操作能力的驗證性實驗、培養學生的探索和批判性思維能力的探究性實驗、激發學生的創新意識和實踐能力的創新應用性實驗，以及提供多樣性和安全性實驗環境的虛擬仿真實驗。

綜合以上兩點，筆者認為信息科技實驗教學需要利用計算機、開源硬件、傳感器等硬件設備和虛擬仿真軟件、實驗系統、平臺、程序等軟件平臺及互聯網、物聯網等網絡環境，設計實驗方案和實驗記錄單，通過觀察、操作、編程、實踐等手段，記錄實驗過程和結果，得出實驗結論，從而對信息科技原理進行驗證、探究和創新。在實驗教學的設計中，教師應當明確實驗目的、實驗環境、實驗設備、實驗步驟和實驗結論等要求，從而幫助學生理解科學原理，提升科學精神。

信息科技實驗教學的設計與實施

筆者在所在區域小學、初中信息科技“雙新”實施中，通過教研設計、實踐與反思，形成相應的實驗教學案例。

1.在線協作工具—實踐操作的驗證性實驗

（1）實驗要求

“利用合適平臺或工具進行協作學習”是三年級“在線生活與學習”模塊中的基本實驗活動，要求對比實際案例，將生活中掌握的在線溝通與交流能力遷移到學習中，通過線上平臺開展協作學習活動，討論學習規劃，分享學習資源，感悟在線學習的便利與創新性。

（2）實驗內容

在學生進入實驗室學習一段時間后，教師設計了“使用在線協作工具 共同維護實驗室”單元，通過日常記錄的真實情況，提出課后學生物品遺留、環境凌亂等實際問題。因此，圍繞“集體完成座位表”和“共同安排值日生”兩個問題，使用在線協作工具開展實驗。在使用在線協作工具實踐操作完成實驗室座位表、值日表的過程中，借助實驗記錄單，觀察、記錄、對比在線協作與單機軟件在文字處理中的異同點；驗證在線協作的可行性，思考在線協作的應用場景，感悟在線協作的優勢，感受我國互聯網技術的發展和自主可控技術的意義。

（3）實驗設計

為了讓學生通過自主探究在線協作工具，共同完成班級實驗室座位表，教師設計了“協作完成座位表實驗單”，讓學生記錄操作實驗過程。學生通過教師提供的共享鏈接，找到自己對應的座位，輸入姓名，然后集體在線協作完成座位表，并通過“協作完成值日生”再次進行鞏固與驗證。在此過程中，學生發現誤刪、誤填可能導致的問題，從而建立起多人協作規范。在驗證了在線協作工具能夠集體完成輸入任務后，教師讓學生打開熟悉的單機文字處理軟件，通過觀察、操作和對比，完成“在線協作與單機軟件對比實驗單”，歸納出兩者的相同點和不同點，理解在線協作工具多人在線、自動保存、提高效率、記錄過程等特點，同時引發了“哪些應用場景適合/不適合使用在線協作”的討論。

2.智慧糧倉溫控監測—虛實結合的探究性實驗

（1）實驗要求

“分析生活場景中的過程與控制系統，探索反饋對系統優化的作用”是六年級“過程與控制”模塊中的基本實驗活動，要求通過分析具體案例，了解反饋是過程與控制中的重要手段，初步了解反饋對系統優化的作用。

（2）實驗內容

“過程與控制”模塊中的部分實驗可以在虛擬仿真軟件或實驗系統中的編程驗證基礎上，運用開源硬件搭建系統原型，將虛擬和真實相結合，開展探究性實驗，探索系統中的輸入、計算、輸出、反饋等要素之間的相互關系，培養批判性思維能力。以“智慧糧倉中的溫度控制”單元為例，教師先采用虛擬仿真軟件搭建溫控風機系統，初步驗證方案的可行性；接著，使用開源硬件套件搭建真實的溫控風機系統原型，并在真實環境下通過調整溫度、閾值和風機轉速探究三者之間的相互關系，理解反饋對系統優化的作用。在理解溫控風機的工作原理和特點的基礎上，培養學生提出問題、設計實驗、收集數據、分析結果和得出結論的探究能力，進而激發學生的創新思維，以不斷對原型進行改進和優化。

（3）實驗設計

教師首先提供虛擬仿真軟件的操作說明作為學習支架，指導學生在軟件中模擬使用Micro：bit主板、溫度傳感器、風機和顯示屏完成溫控風機的系統虛擬搭建，設定為當溫度＞25℃時，將風機打開并將轉速設置為90，否則就關閉風機（如圖1）。在運行仿真程序后，學生通過調整溫度，觀察風機是否會根據溫度的變化而改變工作狀態，并將虛擬實驗的結果記錄在“溫度與風機狀態實驗單”中。通過實驗學生理解了“連續量可以經由閾值判斷形成開關量”的科學原理。

在完成虛擬實驗后，教師提出“在虛擬實驗中，風機運轉是否會對環境溫度數據產生影響，進而再對風機的運轉狀況產生影響”的系列問題。學生發現虛擬實驗是在理想環境中開展的，因此還需要在真實環境中運用開源硬件搭建真實的溫控風機原型。基于虛擬實驗搭建設計的經驗，學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，并將已經編寫和測試過的程序導入Micro：bit主板中運行，通過加熱溫度傳感器觀察顯示屏上的溫度和風機狀態的變化，并將實驗情況記錄在“溫控風機實物測試實驗單”中。

在真實環境中的實物測試實驗中，學生觀察到當溫度上升超出閾值后，風機啟動，但一段時間后，溫度自然下降，風機就會停止，隨著風機停止，溫度會再次上升，繼而風機也會再次啟動，從而理解“反饋是過程與控制中的重要手段”的科學原理。在真實環境中的實驗還引發了學生對“頻繁啟動、關閉可能會導致風機損壞”的討論。通過上網搜索資料，學生拓展了“死區”的概念，并提出可以調整溫度閾值區域范圍。例如，溫度要上升到26℃才啟動風機，而下降到24℃才停止。又如，根據溫度范圍，將風機設置為高速運轉、怠速運轉相結合，從而提高溫控風機的穩定性和耐久性。

通過虛實結合的方法，不僅可以讓缺少開源硬件設備的學校完成基礎實驗活動，還可以有效避免學生直接使用開源硬件產生的各種問題與故障。通過虛擬仿真和真實環境的實驗對比，培養了學生的批判性思維和解決生活中真實問題的能力。

3.物聯跌倒求助系統—激發創新的應用性實驗

（1）實驗要求

“物聯系統原型設計與搭建”是八年級“物聯網實踐與探索”模塊中的基本實驗活動，要求自覺遵守物聯網實驗的操作規程，會使用實驗設備搭建物聯系統原型，并能通過實驗平臺讀取、發送、接收、匯集和使用數據。

（2）實驗內容

隨著老齡社會的到來，運用開源硬件和傳感器感知老人是否跌倒，并通過物聯網向子女、社區、民警等求助，能夠有效降低獨居老人因跌倒無人及時攙扶導致的危險。在“物聯跌倒求助系統”單元中，學生首先通過對比實驗，選擇合適的傳感器實現跌倒檢測與報警觸發；接著，通過慧編程軟件中的“賬號云廣播”功能，實現小組內發送端和接收端之間的互聯，探索物聯網的基本功能和實現原理；最后，通過小組間合作持續優化原型，實現從單個接收端到多個接收端的信息接收，完善跌倒求助系統原型的功能。

（3）實驗設計

為了提高實驗效果的真實性和準確性，教師與學生在實驗前設計和測試了多個實驗器材方案，最終采用輕木板和3D打印零件自制裝置來模擬老人跌倒的過程，為后續使用開源硬件和物聯網開展實驗做好器材準備。為了實現傳感器正確感知老人跌倒的過程，教師設計了“模擬跌倒檢測實驗單”，指導學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，測試編寫的程序是否能檢測到老人跌倒，并判斷效果的優劣。通過實驗，學生發現使用

“繞*軸角速度”積木的檢測效果最佳，同時理解了陀螺儀和加速度計的科學原理。

在實現能夠檢測到老人跌倒的基礎上，教師讓學生兩人一組，借助“物聯原型設計”實驗單（如圖2），對“發送端”和“接收端”的數據流向進行梳理，從而理解物聯原型中數據讀取、發送、接收、匯集的過程。

在此基礎上，學生嘗試搭建物化的物聯原型。教師通過“物聯原型的物化實現”實驗單（如圖3）指導學生兩人一組將童芯派接入無線網絡，并使用慧編程中的“賬號云廣播”功能將發送端檢測到的跌倒求助信息發送到接收端。對于學有余力的學生小組則在完成“1對1”發送求助信息的基礎上，四人一組通過調整接收端賬號實現“1對3”發送求助信息的功能。在實驗過程中教師指導學生發現可能影響實驗結果的問題，探索提高老人獲救概率的創新方法。

開展實驗的過程是一個持續迭代優化物聯原型系統的過程，通過分析問題、規劃算法、編寫程序、物化實現和創新設計，學生深入理解傳感器和物聯網的科學原理，在實驗中培養了信息意識、計算思維、數字化學習與創新能力，同時也切實感受到物聯網在服務社會、改善人民生活中的積極作用，增強了信息社會責任感。

總結與展望

信息科技實驗教學是學科實踐的重要組成部分，為落實“科”與“技”并重的理念提供了方法和路徑。信息科技教師在關注實驗教學活動過程的同時，更應當關注前期的實驗設計，在確保實驗的有效性和可靠性基礎上，幫助學生理解科學原理，進而提高實驗的挑戰性和創造性，為學生未來自主設計實驗、創新創造實驗奠定基礎。

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