面向核心素養的信息科技跨學科教學設計模式研究

摘要：在《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中，“跨學科”一詞被多次提及。在實際教學中，它主要基于主題展開，強調跨學科概念的整合與應用，重視學生的學習體驗。因此本文提出，面對信息科技學科核心素養中新增的“科學”取向，對跨學科教學設計模式的研究需從宏觀的系統性教學設計層面規劃，以中觀的教學模式界定主題單元，并開展微觀的單元教學活動，最終通過課堂實驗檢驗其有效性。

關鍵詞：信息科技；跨學科；教學設計模式

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

信息科技跨學科教學的內涵

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

信息科技跨學科教學設計模式的研究

面向核心素養的信息科技跨學科教學KEflIuTA0Ajae3OLsG4CIg==設計模式研究需從宏觀的系統性教學設計層面規劃。筆者采用ADDIE模型[Analysis（分析）、Design（設計）、Development（開發）、Implementation（實施）、Evaluation（評價）][3]開展了相關教學設計。

1.分析階段

（1）學習者特征分析

本研究以初二學生為實驗對象，其認知思維普遍處于形式運算階段，他們具備假設、推理與演繹的能力，具有較強的學習動機，對協作探究的學習活動有較高的參與性。教師在開展相關活動時，既要為學生提供問題引導或任務說明等實時支架，又要提倡多樣化的互動形式，以滿足學生的學習需求。經過初一學段的學習，學生已具備一定的圖形化編程基礎、網絡搭建及故障診斷經驗，適應了軟硬件結合的學習環境，因此，教師可由“互聯”自然過渡到“物聯”。

（2）跨學科拓展性分析

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

（3）學習需求分析

學習需求包含基礎學習需求與高級學習需求。對所跨學科間知識概念、技能的掌握是基礎學習需求；跨學科整合所形成的新規律、新方法是高級學習需求，對應學科核心素養的培養。[5]

（4）內容來源分析

內容來源由學生的學習需求決定，除基礎來源外，還應包含助力創新的拓展來源。基礎來源指教材中對學科概念的描述及相應活動案例。拓展來源是支持學生協作探究、反思提升、靈感遷移，助力方案設計與作品完成的各類資源工具。

2.設計階段

（1）教學原則設計

①整合性原則。在選用跨學科交叉內容時，應體現整合性原則，圍繞主題核心概念編排跨學科概念，形成跨學科主題概念框架，保證各主題單元間多重活動的科學銜接與開展。此外，問題或任務的設計應體現多學科概念向跨學科概念的過渡。[6]

②情境性原則。主題下具體問題或任務的產生都要基于情境。在設計單元活動內容時，應體現情境性原則，強調將跨學科概念還原于豐富的日常生活場景，并與學生經驗相契合。應尋找契合于真實情境需求的問題發掘點或任務突破點，借助適合的資源與支架呈現教學活動。

③主體性原則。跨學科主題學習強調學生在主題情境引導下不斷主動發現與解決問題，完成主題任務。主題情境為學生主動探究與創造提供了必要線索，讓學生能夠激活相關認知結構中的已有經驗，同化和索引學科概念，在跨學科學習過程中建構跨學科認知體系，從新角度賦予學科概念以深層意義。

④實踐性原則。跨學科主題學習是認識與實踐相互促進的過程，學生的認識從感性認識上升到理性認識，學科間概念不斷與最新的實踐經驗建立聯系，實現跨學科概念的內化與重組，以及概念間關系的調整。學生在每節課結束時均需完成作品，實現方案到作品的轉化，結合自主發揮與團隊協作，跨學科規律與方法得到積極調用與組合。[7]

（2）主題單元界定

本研究采用契合問題探究、實踐創造、協作學習特征的“5E”教學模式幫助界定主題單元，其中包含參與、探究、解釋、精致和評價五個環節[8]，如圖1所示。

（3）活動類型劃分

不同主題單元的活動理念、學習方式等均存在差異，教師需要根據不同的培養目標安排活動類型，形成循序漸進、深入探索的多重學習活動，滿足學生的不同學習需求。活動類型與主題單元對應關系如下頁表所示。

3.開發階段

（1）跨學科交叉內容選取與跨學科主題確定

教學內容的深度開發需考慮知識粒度與分科教學安排，著重體現主題概念中的信息科技核心概念。[9]從硬件層面的物聯設備連接及軟件層面的圖形化編程配置出發，以物聯原型運行為目標，以顯示區域的坐標設定，溫濕度、氣壓、光照強度等的實時測量，設備串并聯，乃至影響氣壓的因素分析，反射與折射光線的強度比較等為跨學科結合點，對信息科技、物理、數學學科教材進行細致研究，尋找支持信息科技核心概念的章節內容，如浙教版七年級下冊信息科技教材中的《走進物聯網》《傳感器的應用》《物聯網協議》《物聯網數據的獲取》《物聯網控制與反饋》《物聯系統原型設計》《物聯系統原型實踐》，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》及九年級全冊中的《串聯和并聯》《電磁繼電器》，人教版七年級下冊數學教材中的《平面直角坐標系》《坐標方法的簡單應用》。最終，確定“校園環境檢測——物聯原型搭建初體驗”為跨學科主題。

（2）主題概念框架梳理

以導圖建構和原型設計為基礎，通過硬件層面的物聯網設備連接，結合軟件層面的Mind+圖形化編程，配套行空板、MQTT-py、pinpong官方庫進行代碼編寫、設備配置等一系列探究實踐。以此為主線，以設備串并聯、繼電器的使用及多源數據呈現為創意實現的主要方式，支持功能拓展、個性化控制及多源數據分析。經相關學科教師協作整理的“物聯原型搭建”跨學科主題概念框架如圖2所示。

（3）跨學科核心素養目標細化

①能夠根據主題任務，設計任務解決方案和步驟。將思維導圖、算法流程圖和三種程序結構（順序結構、選擇結構、循環結構）的經驗遷移到“校園環境檢測——物聯原型搭建初體驗”方案設計中，清晰表達傳感器、服務器、訂閱接收器與主題訂閱、主題發布、主題接收之間的聯系，并結合物理與數學學科知識概念與技能，配合電路中基本的串并聯的特征與區別、平面直角坐標系的構成及作用，開展物聯原型的設計。（信息意識、計算思維、物理觀念、數學抽象）

②綜合運用信息科技與其他學科知識概念與技能，實施解決方案，搭建出不同功能物聯原型：利用串并聯規律，探索硬件設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，助力物聯原型的調試，并使用Mind+圖形化編程軟件，基于pinpong擴展庫配置傳感器，基于行空板擴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布的主題消息。（數字化學習與創新、科學思維、科學探究）

③通過讀取并處理含有物聯功能的設備中的數據，進行適當反饋和控制。運用平面直角坐標系定位對象，保證行空板屏幕的顯示效果，根據需要，利用圖形化編程軟件、流程圖及思維導圖，培養結構化的信息習慣。（信息社會責任、邏輯推理、直觀想象）

（4）活動過程整合性開發

①參與單元。A.創設情境，情境互動：播放科普視頻《平面直角坐標系的誕生》《由互聯網到物聯網》，鼓勵學生記錄并思考。B.舊知導入，新舊聯想：引導學生由前一輪學習的“數軸”及之前學習過的“互聯網架構”概念，自然過渡到本節課要學習的“平面直角坐標系”及“物聯網架構”概念。C.問題聚焦，確定主題：通過“物聯網能連接數字和現實世界，極大地加強了我們對現實世界的掌控程度，視頻中出現了哪些物聯形式呢？”“同學們想不想自己搭建校園物聯網呢？”等問題聚焦，代入“校園環境檢測——物聯原型搭建初體驗”主題。

②探究單元。A.每組5人，隨機分組。B.任務要求，任務準備：為學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、平面直角坐標系圖解）。教師演示，引導學生連接一組最基本的主機—行空板—傳感器的原型結構，更新與呈現變量值，進行初步嘗試。接著，提供新支架（物聯網架構、MQTT協議模型與拓展庫、流程圖圖解），提出任務要求，即本節課要進行不同功能物聯原型的設計，形成導圖方案。C.組織啟發，頭腦風暴：采用前述支架，組織學生頭腦風暴。提示學生可按照偏好傳感器進行分工，或按照偏好的“Mind+”拓展庫進行分工，還可按照面向導圖方案的職責（如繪制流程圖、跨學科概念挖掘、跨學科關聯分析等）進行分工。D.引導探究，任務探究：學生開始探究并形成設計方案。教師可引導學生將物聯網架構與MQTT協議模型整合，引導學生在流程圖中全面表達順序、循環與選擇結構，并與思維導圖整合。保證設計方案的結構性與系統性。E.答疑解惑，量規自評：學生在遇到困難時，可以內部溝通或請教教師，同時開展量規自評。

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圖，鼓勵組員評價他組作品優缺點。B.實時點評，量規互評：教師實時點評以引導學生的討論方向，便于學生側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，并要求學生開展量規互評。C.分析小結，保留懸念：圍繞信息科技核心概念做出小結，提出問題——下節課，大家想不想編寫程序并運行我們設計的原型？

④精致單元。A.情境發散，情境遷移：這堂課，我們將依據設計方案，進行物聯原型的編寫與運行。會用到MQTT-py庫，有沒有哪位同學能上臺演示？B.問題聚焦，聚焦思考：在演示結束后，結合舊概念引導學生回答“初始化MQTT模塊需要配置哪些信息？”“哪個設備既作為服務器中介，同時又作為訂閱接收設備？”等問題。啟發學生記錄并思考。C.任務要求，任務準備：教師提醒學生，這節課主要圍繞“物聯原型的編寫與運行”個性化小組主題開展活動。提出“基于前課設計方案，編寫與運行各自小組物聯原型”的任務要求，發放“作品說明表”。D.組織啟發，頭腦風暴：教師為學生提供各類資源與支架（包含前課支架及MQTT-py庫說明、串聯并聯方式說明），組織頭腦風暴。啟發學生探索傳感器的串并聯連接方式，小組可按照“作品說明表”給出的原型線路展示、思維導圖展示、圖形化程序展示等角度重新分配任務。E.任務分層，探索遷移：學生開始探索物聯原型的創意實現。教師進行任務分層，提供“繼電器的運行原理”支架，引導學生探索繼電器與水泵串聯的任務，實現物聯控制反饋，拓展跨學科框架（思維導圖）。鼓勵有能力的學生探索串聯或并聯傳感器對數據采集速度、準確度的影響。繼續鼓勵有能力的學生利用matplotlib、pandas等庫開展多源數據分析，探索氣壓和溫度、濕度間關系，或直射、反射、折射光線的強弱變化，并開展原型調試。學生遇到困難可以內部溝通或請教教師，同時完善并上交量規。

⑤評價單元。教師鼓勵學生代表進行小組物聯原型展示，代表可結合“作品說明表”表達。教師公布量規評價結果，并進行總結分析。學生在觀察的基礎上，比較分析個人及小組在本次跨學科主題學習活動中的優勢與不足，改進原型作品，反思活動表現。

4.實施階段

實施階段可以與準實驗研究法相結合。從廣義上講，它是指準實驗研究中的“確定研究問題”“設計實驗方案”“數據收集”“數據分析”“結果解釋”全部環節。但從狹義的角度講，分析階段對應“確定研究問題”環節，設計、開發階段對應“設計實驗方案”環節，實施階段對應“數據收集”環節，評價階段對應“數據分析”“結果解釋”環節。

5.評價階段

通過定量分析量規數據，能夠驗證信息科技跨學科教學設計模式的科學性與“校園環境檢測——物聯原型搭建初體驗”跨學科主題教學案例的可行性。從相關數據可以看出，不同組別樣本對信息意識、計算思維、數字化學習與創新維度均呈現出顯著差異（p＜0.05），這既可證明跨學科主題教學案例使不同水平學生的信息科技核心素養都得到較大發展，也可證明本文提出的信息科技跨學科教學設計模式較科學，可以進行推廣。

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）[EB/OL].[2022-04-08].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/s8001/202204/t20220420_619921.html.

[2]李鋒，蘭希馨，李正福，等.單元視角下的信息科技跨學科主題學習設計與實踐[J].中國電化教育，2023（03）：90-95+119.

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[9]張華.論核心素養的內涵[J].全球教育展望，2016，45（04）：10-24.

本文系沈陽市教育科學“十四五”規劃2023年度課題“初中信息技術課程跨學科主題學習活動設計與實踐研究”（課題編號：2023-36）的階段性研究成果。