指向原理探究的信息科技實驗教學設計與實施

教育部發布的《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》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^[1]。《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）指出，信息科技是現代科學技術領域的重要部分，主要研究以數字形式表達的信息及其應用中的科學原理、思維方式、處理過程和工程實現^[2]。課程內容注重科學原理和實踐應用并重，強調以科學原理指導實踐應用，促進學生對基本概念和基本原理的理解。可見，科學原理是信息科技學科的重要內容。同時，課標也強調要運用線上實驗、模擬、仿真等方式，引導學生自主學習、合作學習，所以，實驗教學成為信息科技學科突破科學原理學習的重要途徑。

在此背景下，信息科技實驗教學也在不斷探索之中。綜合分析本區域教師的實驗教學案例，我們認為信息科技實驗教學主要需要面對四個問題。一是實驗設計的開放性不夠，教師提供了良構的問題情境，讓學生經歷了教師設計好的實驗過程，沒有給予學生開放性解決問題的空間；二是實驗活動的探究性不深，學生經歷的實驗活動存在有“實踐”缺“學習”的現象，實踐過程沒有遵循科學原理產生、發展的探究規律，沒有驅動學生的深度探究學習；三是實驗資源的數字化不足，實驗教學對學習環境和數字資源有較高要求，但在實際教學中存在數字平臺、數字資源、硬件設備不足等現象，不能支持學生設計開放性的探究實驗；四是實驗過程的反思性不強，在實驗過程中教師提供的學習支架沒有很好地啟發學生自主探究和主動反思。為此，指向原理探究的實驗教學需要引導學生在問題解決中經歷原理建構、應用的探究過程，并提供充分的實驗資源，從而幫助學生建構科學原理，促進數字素養與技能的提升。

一、指向原理探究的信息科技實驗教學設計要點

信息科技實驗探究的過程，是真實問題解決的過程，也是學科知識建構的過程。學生既是在實踐探究中學習，又是在學習中實踐探究，“實踐”的過程包含著“學”，實踐的過程和知識建構的過程是高度關聯的。指向原理探究的實驗教學在設計過程中要關注指向問題解決的實驗主線、基于原理探究的實驗路徑、支持多樣設計的實驗資源、促進原理理解的實驗評估，以此促進實驗教學的有效實踐。

（一）指向問題解決的實驗主線

在數字時代，信息科技實踐應用無處不在。實踐應用背后蘊藏著豐富的基本概念和基本原理，理解基本概念和基本原理能幫助學生科學認識和選擇實踐應用。在實驗教學中，教師要從信息科技實踐應用出發，基于學生的生活經驗和知識儲備，創設與現實生活、社會實踐相關聯的真實問題情境，以開放的問題解決為主線設計實驗教學，以問題解決驅動學生的主動性，在持續的實驗探究中建構和理解原理。

（二）基于原理探究的實驗路徑

課標倡導注重以科學原理指導實踐應用，探索“場景分析—原理認知—遷移應用”的教學，從生活中的信息科技場景入手，引導學生發現問題、提出問題，在已有知識的基礎上分析、探究現象的機理，學習、理解相應科學原理，嘗試用所掌握的原理解釋相關現象或解決相關問題^[3]。在實驗教學中，教師要充分尊重原理探究的過程，引導學生在場景分析中設計實驗，在原理認知中開展實驗，在遷移應用中評估實驗。

（三）支持多樣設計的實驗資源

課標提出，要注重把握數字化學習的特點，合理利用數字平臺、工具和資源，開展探究性學習，創造性地解決問題。信息科技不同的課程內容模塊指向的科學原理是不同的，針對不同的科學原理需要的數字平臺、實驗器材和學習資源也應不同。為支持學生創造性地解決問題，教師需要依據課程模塊內容特點，建設數字平臺和開發數字工具，準備多樣的硬件器材，設計豐富的學習資源，支持學生進行驗證性、探究性、創新應用性和仿真性實驗設計。

（四）促進原理理解的實驗評估

學習評價是檢驗學生明確實驗目標、設計實驗過程、開展實驗活動、梳理實驗結果成效的重要抓手。為有效評價學生對科學原理的理解，教師需要從實驗設計、實驗活動、實驗結果等實驗開展的全過程設計過程性評價和總結性評價，將評價貫穿整個實驗探究過程。教師還要積極發揮評價的促學功能，依托數字化學習平臺的優勢，實時反饋學生學習的達成情況，調整對學習的組織和指導策略，引導學生開展過程性反思并完善改進。

二、指向原理探究的信息科技實驗教學實施路徑

指向原理探究的信息科技實驗教學要遵循科學原理和實踐應用并重的原則，基于原理認知的形成過程設計實驗教學路徑：在場景分析中明晰原理，在實驗設計中感知原理，在實驗活動中理解原理，在實驗評估中遷移原理。下面，筆者結合浙江教育出版社《小學信息科技》五年級下冊第二單元“過程與控制”的“控制系統的三個環節”一課，闡述具體路徑。

（一）應用場景分析，明晰原理

教師在設計信息科技實驗前，首先，要明確實驗教學的學習目標，對學科知識進行結構化梳理，明晰實驗要探究的科學原理。其次，要以科學原理為引領，聯結真實世界，形成與其相關聯的問題情境域，依據學生的認知發展規律，選擇信息科技實踐應用場景。最后，從實踐應用出發，引導學生發現問題、提出問題，明確實驗目標。

“過程與控制”單元內容包括認識控制系統、控制系統的三個環節和體驗控制系統三部分。“控制系統的三個環節”一課的主要內容包括控制系統的運作和控制系統的三個環節。其中，控制系統的三個環節是實驗所要探究的科學原理。在日常生活中，學生對控制系統有一定的感知與體驗，考慮到五年級學生的認知水平和發展特點，他們適宜探究的是相對簡單的控制系統。因此，本課選擇了“燈光控制系統”為項目主題，引導學生觀察并思考不同應用場景中的燈光系統，給予學生開放的問題解決空間，驅動學生提出每個小組所要解決的問題（如圖1）。為解決這些問題，學生共同聚焦核心問題“生活中的控制系統是如何運作的”，并明晰要探究的原理，也就是控制系統的三個環節：輸入、計算和輸出。

（二）設計實驗方案，感知原理

在信息科技實驗教學中，學生可以通過自主設計實驗和進行實踐探究，發現問題、提出假設并進行實驗驗證，以達到對問題的深入理解^[4]。在引導學生設計實驗方案時，教師要凸顯學生的學習主體地位并充分調動他們的學習主動性。首先，要提供多樣化的信息科技實踐應用場景，滿足學生選擇不同場景開展原理探究；其次，要提供豐富的數字平臺、實驗器材或學習資源，支持學生開展個性化實驗設計；最后，要設計開放性的實驗設計單，給予學生個性化、創造性解決問題的空間。

每個小組根據燈光控制系統的不同實踐應用場景，提出了所要解決的問題，以此驅動學生去探究科學原理。為支持學生根據實際需要個性化地設計實驗方案，教師設計了開放性的實驗設計學習單（如圖2），便于學生以問題為驅動，選擇相應的器材，自主設計實驗方案；教師提供了控制器、傳感器、執行器等豐富的實驗器材，每個小組可根據需要選擇；教師還為學生提供了在線協同的數字工具，以支持學生設計實驗方案。

（三）開展實驗活動，理解原理

信息科技是一門實踐性較強的課程，學生只有動手實踐、探索和解決問題，才能真正理解其中的科學原理，才能學以致用^[5]。實驗過程是學生從應用場景走向探究原理的過程，是探析現象背后的機理、理解科學原理的過程。因此，為支持學生有效開展實驗活動，教師既要組織學生經歷由表及里、由具體到抽象的實驗探究過程，又要指導學生在實驗活動中觀察現象、記錄數據、分析數據和應用數據，還要在整個探究過程中引導學生開展自我反思與評價。

學生通過兩個實驗活動來探究和理解控制系統的三個環節。

在第一個實驗活動中，學生根據小組設計的實驗方案，選擇相應的實驗器材，組建實驗裝置，以不同的實驗方式改變外部條件，如改變壓力值時，通過增加或減少硬幣的方式來采集數據，并將實驗數據通過在線協同的方式匯集（如圖3）。

注：傳感器完成數據采集后，數據處理方式通常分為兩類。一類是對采集的數據進行轉換，以輸出具有實際物理意義的真實值；另一類則是直接輸出未經轉換的數據，可以是模擬值或數字值。

實驗數據采集后，學生通過分析不同類型的傳感器會獲取不同的數據，發現不同的測試方式會有不同的執行結果，從而抽象出“輸入是控制系統運作的環節，輸出是控制系統運作之后的結果”的結論。在此基礎上，教師順勢引導學生思考“輸入與輸出之間發生了什么”，從而引出實驗二。

在第二個實驗活動中，學生通過改變程序代碼中的閾值，以不同的實驗方式改變外部條件，并將實驗數據記錄在協同表中（如圖4）。學生在對比實驗中理解判斷條件會影響燈的狀態變化，如燈的亮滅、燈的顏色等，從而得出計算是控制系統的干預環節。最后，師生小結得出控制系統的三個環節是輸入、計算和輸出。

（四）評估實驗效果，遷移原理

通過原理探究，學生在實驗活動中理解了應用場景所蘊含的科學原理。遷移應用則是在此基礎上，運用所掌握的原理解釋不同的應用場景或解決新的問題。在設計時，教師不僅要注重學習活動的完整性，讓學生總結實驗結論，歸納解決問題的方法，并將其遷移到其他問題的求解中，還要關注對實驗活動開展過程的評價，將實驗目標轉化為學習評價目標，將評價前置，引導學生明確實驗目標和過程，力求達到“教—學—評”一體化。

為幫助學生評估實驗探究效果，遷移應用原理，教師設計了相應的表現性評價量表，主要考查的是學生對控制系統三個環節的探究過程和理解（見表1）。

遷移應用環節考查的是學生運用科學原理解決問題的能力，采用作業評價的方式開展。學生基于各組要解決的實際問題，運用控制系統三個環節描述解決問題的步驟（見表2）。

三、結語

指向原理探究的信息科技實驗教學是突破科學原理學習的重要途徑。教師要充分理解信息科技實驗教學的內涵，關注四個設計要點：指向問題解決的實驗主線，提供多元探究的實驗資源，基于原理探究的實驗路徑，促進原理理解的實驗評估。在實施時，教師要遵循科學原理和實踐應用并重的原則，讓學生在場景分析中明晰原理，在實驗設計中感知原理，在實驗活動中理解原理，在實驗評估中遷移原理，從而助力學生核心素養的發展，實現信息科技課程的獨特育人價值。

參考文獻

[1] 教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見[EB/OL].（2019-11-22）[2024-10-15].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A06/s3321/201911/t20191128_409958.html.

[2][3]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．

[4][5]魏雄鷹.加強信息科技實驗教學，發揮信息科技育人價值[J].教育與裝備研究，2024（2）：12-15．

責任編輯：牟艷娜