初中信息科技跨學(xué)科項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

【摘要】以主題情境問題驅(qū)動的信息科技跨學(xué)科項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，主要以解決生活中的問題為目的，通過軟件和開源硬件相結(jié)合，利用跨學(xué)科知識和建模來完成實(shí)驗(yàn)。本文從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)、實(shí)施和評價五個方面對信息科技實(shí)驗(yàn)課程的開展進(jìn)行研究，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】跨學(xué)科；項(xiàng)目式；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；信息科技

隨著《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的發(fā)布，初中信息科技課程不管在內(nèi)容還是形式上都具有大幅度革新。課標(biāo)中提出的主要變化之一就是設(shè)立跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)活動，倡導(dǎo)項(xiàng)目驅(qū)動，并且多次提及使用實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生的學(xué)習(xí)和探究創(chuàng)造條件。《義務(wù)教育課程方案（2022年版）》在課程實(shí)施中也提出統(tǒng)籌各門課程跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)和綜合實(shí)踐活動安排，并且注重“做中學(xué)”，積極開展主題化、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。

筆者在2023年4月結(jié)題的省級優(yōu)秀課題對于項(xiàng)目式教學(xué)進(jìn)行了研究，對項(xiàng)目式教學(xué)有了一定的經(jīng)驗(yàn)，因此，如果將項(xiàng)目式教學(xué)結(jié)合跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)操作，會讓信息科技課堂更富魅力。

一、現(xiàn)狀分析

在《義務(wù)教育課程方案（2022年版）》和《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》發(fā)布后，信息科技教師最渴望新教材的出現(xiàn)能夠指導(dǎo)教師教學(xué)。2024年教育部教材局組織編寫了《義務(wù)教育信息科技教學(xué)指南》及配套課件。《義務(wù)教育信息科技教學(xué)指南》中指出，教學(xué)指南是信息科技課程實(shí)施的基準(zhǔn)性參考依據(jù)。教師可根據(jù)教學(xué)指南，結(jié)合本地實(shí)際情況對教學(xué)整體構(gòu)思，進(jìn)行二次開發(fā)，可以說信息科技教材正在進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》發(fā)布后，大部分信息科技教師還停留在摸索階段，缺乏關(guān)于跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐研究。以下是存在的現(xiàn)狀：1.在傳統(tǒng)的信息科技課堂上，教學(xué)的一般過程是教師演示，學(xué)生模仿，再到創(chuàng)作。整個過程中不僅缺乏總體意識，也沒有學(xué)生之間的合作探究，更談不上自主學(xué)習(xí)。2.教師的教研活動都局限于本科組，很少與其他學(xué)科教師討論專業(yè)問題，遇到想要實(shí)現(xiàn)的抽象實(shí)驗(yàn)或者難題沒有學(xué)科專業(yè)知識做指導(dǎo)。3.傳統(tǒng)的信息科技課開展的場所是以臺式機(jī)為主的計(jì)算機(jī)教室，在跨學(xué)科方面體現(xiàn)最多的是用編程解決數(shù)學(xué)問題，或使用設(shè)計(jì)、繪畫軟件進(jìn)行創(chuàng)作。但與學(xué)生真實(shí)生活體驗(yàn)相結(jié)合的內(nèi)容較少，再加上老師提供的資源素材有限，很難為跨學(xué)科項(xiàng)目提供支撐。更談不上用硬件來實(shí)現(xiàn)，其中一個原因是硬件資源有限，不能滿足所有學(xué)生，而且硬件的管理和準(zhǔn)備、收尾工作繁瑣。另外一個原因是很多信息科技教師過度依賴教材，不想轉(zhuǎn)變思想，不想花費(fèi)更多的時間對教材進(jìn)行二次加工。

二、信息科技跨學(xué)科項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中提到，在有條件的學(xué)校，教師應(yīng)充分利用容易獲得的教室或?qū)嶒?yàn)室通過模擬、仿真、演示等數(shù)字化手段，營造盡量接近真實(shí)場景的各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為學(xué)生的學(xué)習(xí)和探究創(chuàng)造條件。

《義務(wù)教育信息科技教學(xué)指南》也鼓勵教師進(jìn)行二次開發(fā)，因此我們參考成熟的物理、化學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)，結(jié)合創(chuàng)客教育、STEAM課程，采用項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行建模，利用軟件和開源硬件實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科的硬件搭建類實(shí)驗(yàn)教學(xué)。本人采用ADDIE模型[Analysis（分析）、Design （設(shè)計(jì)）、Development（開發(fā)）、Implementation（實(shí)施）、Evaluation （評價）]對整個課程開展相關(guān)設(shè)計(jì)，開發(fā)適合我們自己學(xué)生的一系列實(shí)驗(yàn)，從而解決了“教什么”“怎么教”的問題。

1.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分析

（1）對象分析。由于課程的實(shí)施對象是初一的學(xué)生，主要分析這個階段的學(xué)生已有的知識和可以接納新知的程度，哪些跨學(xué)科的知識可以讓他們做起來游刃有余。由于實(shí)驗(yàn)需要圖形化編程和硬件相結(jié)合，還要判斷學(xué)生的邏輯思維、認(rèn)知能力、推理演繹能力，從而設(shè)計(jì)符合他們這個年齡段的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。如水果鋼琴這一實(shí)驗(yàn)，即使沒有上過物理課的初一學(xué)生也是可以理解導(dǎo)電這一日常現(xiàn)象，溫控風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)也和日常生活比較貼近，理解起來并不困難。但是如果實(shí)驗(yàn)中涉及到浮力、磁場或者電學(xué)等物理理論，選題則要慎之又慎。因此，項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)盡可能從學(xué)生已有的知識經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，尊重學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律。

（2）需求分析。考慮到學(xué)生在信息科技課堂中想要學(xué)到什么、如何學(xué)。毋庸置疑的一點(diǎn)是學(xué)習(xí)他們覺得好奇有趣的知識。所以，一個貼近生活的硬件搭建類實(shí)驗(yàn)課恰恰是迎合學(xué)生興趣的好途徑，同時再啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生自主地、合作地去探究各學(xué)科之間的聯(lián)系，在解決問題的同時還能掌握相關(guān)學(xué)科的知識和技能。

2.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

（1）主題情境設(shè)計(jì)要“接地氣”。一個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目始終都是圍繞一個主題情境開展的，而項(xiàng)目式教學(xué)是以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法，要針對主題開展問題的驅(qū)動，首先學(xué)生得要對主題有所了解，才有助于深入探究。好比對初一學(xué)生講理財(cái)投資，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如讓他管理好自己一周的開支來得現(xiàn)實(shí)。因此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主題的出發(fā)點(diǎn)首先是貼近學(xué)生生活，這樣問題會更加“接地氣”，驅(qū)動才能有效果。在實(shí)施階段才能讓學(xué)生自覺地深入探究，甚至有所創(chuàng)新。

（2）跨學(xué)科設(shè)計(jì)要“不恥下問”。確定好主題后，涉及到跨學(xué)科的內(nèi)容，需要信息科技教師與各學(xué)科教師多溝通交流，了解主題所涉及到跨學(xué)科科目的知識點(diǎn)，找到各個學(xué)科之間的邏輯關(guān)聯(lián)和交叉點(diǎn)，并且根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，從符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的角度來設(shè)計(jì)跨學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生在信息科技課堂中不僅鞏固和學(xué)習(xí)了其他學(xué)科知識，也對學(xué)科之間的聯(lián)系產(chǎn)生濃厚的興趣，還能激發(fā)學(xué)生的好奇心。如學(xué)生在做數(shù)字氣象站實(shí)驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)通常會將數(shù)據(jù)顯示出來，用數(shù)據(jù)說話更有說服力。那么同樣將實(shí)驗(yàn)遷移至種植領(lǐng)域，將開源硬件連接溫濕度傳感器，配合軟件可以將土壤的濕度顯示出來，人類就可以根據(jù)數(shù)值準(zhǔn)確地掌握土壤濕度，再根據(jù)土壤的濕度實(shí)現(xiàn)自動澆花功能。這樣就從信息科技自然遷移到了生物學(xué)科，通過長期實(shí)踐，學(xué)生積累了經(jīng)驗(yàn)，逐漸有了一雙“發(fā)現(xiàn)問題的眼睛”，凡是遇到實(shí)際生活生產(chǎn)中的問題都會嘗試使用跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)的方法來解決，形成良性循環(huán)。

（3）實(shí)驗(yàn)任務(wù)安排要“各盡其責(zé)”。項(xiàng)目式教學(xué)的最大特點(diǎn)就是學(xué)生的合作探究，這一特點(diǎn)在硬件搭建實(shí)驗(yàn)中尤為突出，硬件所要執(zhí)行的命令均由程序控制，因此學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時，不僅有學(xué)生負(fù)責(zé)程序編寫，還有學(xué)生負(fù)責(zé)硬件連接，同時還要記錄數(shù)據(jù)。在功能實(shí)現(xiàn)后的建模階段，又要求小組成員間的高度配合，才能高效完成任務(wù)。因此，在實(shí)驗(yàn)前，設(shè)計(jì)各個小組的成員分工至關(guān)重要，要做到每個成員各盡其責(zé)。

3.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)

信息科技跨學(xué)科項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)涉及驅(qū)動問題的設(shè)計(jì)、跨學(xué)科知識、素材的提供、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的準(zhǔn)備等諸多環(huán)節(jié)，因此在實(shí)驗(yàn)實(shí)施之前，必定要有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)課程作為參考和依據(jù)，實(shí)驗(yàn)課程還可以作為本校的校本課程，方便在每屆初一年級實(shí)施。課程的開發(fā)所包含的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有：主題情境介紹、實(shí)驗(yàn)預(yù)期結(jié)果呈現(xiàn)、導(dǎo)學(xué)案等自學(xué)素材（含跨學(xué)科知識）、硬件準(zhǔn)備及搭建、程序編寫、建模、拓展建議。課程開發(fā)還可以借鑒近期科技創(chuàng)新大賽的獲獎作品，多了解前沿動態(tài)，從而確保我們的實(shí)驗(yàn)課程既新又實(shí)用，還有趣。

4.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施階段是整個實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，其中要解決的問題有：如何設(shè)置驅(qū)動性問題？在內(nèi)容上跨哪些學(xué)科？如何跨？如何引導(dǎo)學(xué)生自主探究？如何設(shè)置任務(wù)可以增強(qiáng)合作意識？這些問題均圍繞跨學(xué)科、項(xiàng)目式和基于開源硬件搭建的信息科技實(shí)驗(yàn)提出。針對這些問題，本人采用5E教學(xué)模式來解決。5E教學(xué)模式包含參與、探究、解釋、遷移和評價五個環(huán)節(jié)，圖1是5E教學(xué)模式下的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)分析。

（1）參與。學(xué)生作為參與的主體要在教師的引導(dǎo)下漸入佳境，主題情境的問題驅(qū)動決定了學(xué)生的興趣度及參與熱情。比如在“水果鋼琴”這個實(shí)驗(yàn)中，老師會擺出七個香蕉，并且在香蕉皮上寫上音符，再通過輕輕拍打香蕉，演奏出一曲“歡樂頌”。對于學(xué)生來說香蕉和鋼琴都不陌生，但是把這兩個物體聯(lián)系在一起，簡直難以置信。好奇足以讓學(xué)生的興趣度飆升，從而展現(xiàn)出極高的參與度。結(jié)合這個實(shí)驗(yàn)的演示效果，學(xué)生自己就會提出驅(qū)動性問題，為什么香蕉能夠奏樂—導(dǎo)電！這樣物理和化學(xué)知識很自然的被引入該實(shí)驗(yàn)，讓沒有學(xué)習(xí)過物理和化學(xué)的初一學(xué)生對這兩個學(xué)科也產(chǎn)生濃厚的興趣。

（2）探究。項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)的主體是學(xué)生，在實(shí)驗(yàn)過程中，教師會提供導(dǎo)學(xué)案或者素材幫助學(xué)生學(xué)習(xí)。當(dāng)學(xué)生在第一節(jié)課掌握micor：bit或者Arduino等開源硬件的引腳接線方法后，他們會觸類旁通應(yīng)用在其他實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)樵诿看螌?shí)驗(yàn)中硬件的正負(fù)極連接都是相同的，一根杜邦線的一端連接開發(fā)板的正極接5V或者3V（正極），另一端連接傳感器的VCC（正極）；另一根杜邦線的一端連接開發(fā)板的正極GND（負(fù)極），另一端接傳感器的GND（負(fù)極），接線后畫好硬件連接圖，為編寫程序提供依據(jù)。每個實(shí)驗(yàn)使用的傳感器不同，但是連接方法都大致相同，掌握規(guī)律后，再接觸新的傳感器時就會自己摸索使用了。這樣，就逐漸養(yǎng)成了探究式的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

由于實(shí)驗(yàn)需要編寫程序來控制硬件，通常一名學(xué)生負(fù)責(zé)硬件搭建和繪制連接圖，另一名學(xué)生負(fù)責(zé)程序編寫。在建模時，首先讓學(xué)生開展頭腦風(fēng)暴，畫出模型簡圖，再做好分工，確保每個成員都有事可做。建模階段小組成員合作是否默契直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)的成敗。

（3）解釋。由于跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)，會涉及到其他學(xué)科的概念，也許會遇到學(xué)生還沒有學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)。這就需要學(xué)生查閱資料，老師對難點(diǎn)加以解釋，解決學(xué)生疑問。教師還要提示學(xué)生在建模時注意作品的合理性和實(shí)用性。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)最后的成敗不僅要功能完好，還要有“顏值”。比如實(shí)驗(yàn)要求制作出一款土壤濕度測量器，它不僅要具備測量土壤濕度的基本功能，還要設(shè)計(jì)得小巧、美觀。在作品展示交流中，學(xué)生可以相互對比，反思自己作品的不足之處，以便下一次改進(jìn)。一次作品交流會堪比一場產(chǎn)品推介會，不僅能鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力，還能更新學(xué)生對信息科技實(shí)驗(yàn)的觀念。

（4）遷移。學(xué)生在慢慢熟悉信息科技項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)的流程和研究方向后，學(xué)生有了發(fā)現(xiàn)問題的“慧眼”，比如我們在檢測土壤濕度時可以將濕度顯示出來，那么我們在給一個物體施加壓力時，這個力有多大？反作用力又有多大呢？這些力是否也可以顯示出來？能否將光對植物的影響數(shù)據(jù)化呢？用數(shù)據(jù)說話是不是更有說服力呢？甚至有學(xué)生課下有意識地“撿垃圾”，收集一次性筷子、礦泉水瓶等，為實(shí)驗(yàn)課建立模型做準(zhǔn)備。當(dāng)興趣成為內(nèi)驅(qū)力時，學(xué)生都有意識的為實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。當(dāng)實(shí)驗(yàn)課足以滿足學(xué)生好奇心時，他們會對越來越多的事物產(chǎn)生好奇，從而想了解其究竟。久而久之，由被動變主動，有意識地去發(fā)現(xiàn)、解決身邊的問題，創(chuàng)意就由此產(chǎn)生了。因此，遷移從來都不是教出來的，而是學(xué)生全身心投入學(xué)習(xí)后，實(shí)現(xiàn)從量變到質(zhì)變的飛躍。

5.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目評價

一個跨學(xué)科的信息科技實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大概需要三到四節(jié)課完成，這其中有學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作探究、創(chuàng)新的過程，也有最后作品的呈現(xiàn)，因此在評價的設(shè)計(jì)上都要有所兼顧。評價內(nèi)容有兩大方面：一是針對小組實(shí)驗(yàn)的過程性評價；二是評委提問，成員答辯。這就要求各個小組不僅在做實(shí)驗(yàn)的過程中要分工合理、配合默契，還要讓實(shí)驗(yàn)作品在功能、美觀和使用感受上有亮點(diǎn)。一個產(chǎn)品功能再強(qiáng)大，要想讓更多的人了解，那么推介至關(guān)重要。所以在小組分工時，就要發(fā)揮特長，還需在推廣和答辯環(huán)節(jié)取勝。

要完成一個跨學(xué)科的信息科技項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，老師不僅在課前要對項(xiàng)目進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)以及開發(fā)實(shí)驗(yàn)教程，還要組織實(shí)驗(yàn)有條理的實(shí)施，最后給出合理的評價。老師既是導(dǎo)演，又是編劇，學(xué)生作為主角可以自由發(fā)揮，展現(xiàn)自我，甚至突破自我。由此看來，在跨學(xué)科的信息科技項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)這條道路上摸索前行，終會撥云見日，春暖花開。

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（基金項(xiàng)目：本文系2023年度海南省教育科學(xué)規(guī)劃課題“初中信息科技跨學(xué)科融合項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探究與實(shí)踐”的研究成果，課題編號QJH202310151）