信息科技實驗教學中創新素養培養路徑探索

1信息科技實驗教學中創新素養培育分析

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》將數字化學習與創新列為核心素養之一，并從課程設計理念、教學目標、課程內容、教學建議等多個方面強調創新的重要性。創新不僅是信息科技教育的一個核心要素，也是未來人才應具備的關鍵能力之一。實驗教學是培養創新素養的重要途徑之一，讓學生通過豐富的實驗活動體驗科技現象，建構科技認知，應用科技原理，遷移科技思維，創新科技應用[1]。

1.1學科創新素養的特征

經過深入學習新課標和相關文獻，筆者認為：

1）在信息科技學科中，學生具備對數字社會的敏銳觀察并樂意與同伴探討科技現象背后的原理，是其創新素養的基礎;

2）通過培養學生邏輯思維能力和讓學生掌握算法設計，使他們能夠有效對問題進行抽象化分析并建立模型，探尋解決方案，構成創新素養的核心思維方式；

3）學生具備對新技術的好奇心與探索精神，愿意積極嘗試并勇于面對未知領域，是推動科技創新的重要動力；

4）在面對復雜問題時，學生要能夠綜合運用跨學科知識提出創新性解決方案，并將這些理念轉化為實際行動，從而實現創新素養的有效落地[2]。

綜上，觀察力是創新素養的起點，協作力是創新素養的支撐，思辨力是創新素養的靈魂，探究力是創新素養的引擎，操作力是創新素養的基石，創造力是創新素養的頂峰。

1.2學科實驗教學的特征

在信息科技學科中，實驗教學強調在理論指導下的實踐操作，旨在通過動手實驗深化學生對原理的理解。實驗內容通常基于真實的生活情境或具體案例，讓學生在解決實際問題的過程中掌握信息科技原理。實驗組織以小組合作學習為主，團隊協作不僅能夠促進成員間的交流與合作，還能提高學生解決問題的效率和質量。實驗過程鼓勵學生自主探究，引導他們發現問題、提出假設并加以驗證，以此培養學生的創新能力和創新思維。實驗目標不僅限于技術操作技能的提升，更重要的是通過實驗教學促進學生信息意識、計算思維等學科核心素養發展。

1.3實驗教學中培育創新素養的優勢

信息科技實驗目標與創新素養相契合。同時，實驗內容強調對現象和數據的敏感捕捉，有助于觀察力的培育；實驗方式強調探究學習和跨學科主題學習，有助于探究力的培育；實驗組織強調小組合作模式，有助于協作力的培育；實驗過程強調抽象、分析、假設、驗證等，有助于思辨力和操作力的培育；實驗強調“知其然，知其所以然”，實現素養內化，有助于創造力的培育。實驗教學在數據處理、分析、建模與創新中，讓學生領悟原理、掌握技術、培養數字素養，進而激發其創新精神[3]。通過實驗教學的實施，學生能夠形成信息意識，發展計算思維，并在解決問題的過程中樹立創新精神[4]。

2構建指向創新素養的實驗教學模式

本文構建的模式中，每個實驗都要經歷體驗、建構和實踐三個階段（圖1）。

2. 1 體驗階段

體驗階段側重培育觀察力和探究力，以探究、問題或情境引導實驗：探究導向具體表現為引導學生自主探究，讓學生通過初實驗，記錄觀察到的現象和數據；問題導向具體表現為分解復雜問題，尋求實驗解答；情境導向具體表現為通過觀察情境中的現象，表達并分析其原理。可依據實驗目標、內容等選擇其一。

2.2 建構階段

建構階段著重提升學生協作力和思辨力，以抽象思考、數據分析和建立模型設計實驗：抽象思考具體表現為通過體驗討論，提煉現象規律，提出假設；數據分析具體表現為指導學生收集和分析實驗數據，驗證假設，形成結論；建立模型具體表現為根據數據和理論，建立并驗證科技現象的模型。三者順序進行。

2.3 實踐階段

實踐階段強調操作力和創造力，通過搭建、優化和創新系統實施：搭建系統具體表現為根據設計搭建實際的系統或裝置；優化系統具體表現為基于測試反饋提升系統性能或觀感；創新系統具體表現為鼓勵在現有系統上提出新方案，培養創新能力。三者遞進展開。

3基于創新素養培養的實驗教學實施路徑

根據浙教版信息科技（五年級下）教材中的控制系統單元，本文以空調自動風速控制系統為例，探究基于創新素養培養的實驗教學實施路徑。

3.1 體驗階段

3.1.1 探究導向

設計開放性問題，引導學生自主探究，激發好奇心和探索精神，通過實驗記錄觀察到的現象和數據，培養細致的觀察和記錄習慣。

節風速的過程。

1）實驗目的：探究空調根據室內溫度自動調

2）探究過程：選擇一個相對封閉且穩定的室內環境進行實驗，確保外部因素對實驗結果影響較小；使用溫度計測量并記錄初始室內溫度（ T₀ ）；將空調設置為自動風速模式，并確認該模式下空調能夠根據室溫自動調節風速；每隔一段時間（如10分鐘），使用溫度計測量并記錄室內溫度 （T_n）^? ，同時觀察空調的風速變化。

3.1.2 問題導向

提出具體問題，引導學生通過實驗尋找答案，培養問題解決能力，學會將復雜問題分解為多個小問題逐步解決。

1）實驗目的：探究空調自動風速系統的計算過程。

2）分解問題：選擇什么樣的溫度測量工具；檢測工具的放置位置有何講究；如何確保目標溫度在整個實驗過程中保持穩定；需要記錄哪些數據；記錄頻率是多少；如何分析這些數據以得出結論；如何確保實驗結果的準確性和可靠性；有哪些潛在的誤差來源。

3.1.3 情境導向

創設真實或模擬的情境，讓學生在具體情境中體驗和學習科技現象，通過觀察和描述情境中的現象，培養細致的觀察和表達能力。

1）描述現象：

① 上課過程中，本來教室里挺安靜的，但是突然“嘩”的一聲，空調吹風了，而且很大，又冷又吵。② 晚上睡覺時，我也遇到過這種情況，本來要睡著了，結果空調突然響起來，就又清醒了。

2）初步思考：

① 是什么導致空調一陣噪音？（是風速變大。）

② 是什么導致空調風速突然變大？（是溫度變化。）

③ 溫度為什么會變化？

3.2 建構階段

3.2.1 抽象思考

在體驗過程中，學生已經發現問題并有意識地開展初步的實驗（如組隊、測量、記錄等）。現在，通過小組合作推演空調自動風速模式可能的工作原理，從具體現象中抽象出一般規律，培養邏輯思維和統整能力。

1）初步假設：空調風扇突然轉動和噪音表明，在此之前，風扇可能處于靜止或低速狀態，而現在由于觸發某種條件而加速。

2）抽象規律。空調風扇的轉動與自動有關，很可能是空調內部的一個或多個傳感器檢測到了某種變化，并觸發了風速的調整。在常見的空調系統中，溫度傳感器是控制風速等功能的關鍵部件。因此，推測是溫度的變化導致風扇突然轉動。由于風扇是突然轉動的，這暗示溫度可能達到了預設的閥值，從而觸發了風速的調整機制。基于此，學生認為，該控制系統是典型的條件計算，當室內溫度達到或超過預設的溫度值時，空調內部的溫度傳感器會檢測到這一變化，并通過控制系統向風扇發送信號，使其加速轉動以增加空氣流通量，從而達到降溫的目的。同時，風扇的加速轉動也產生了人們聽到的噪音。

3.2.2 數據分析

學生通過數據分析，驗證假設、發現問題、支持決策、得出結論，培養科學推理和思辨力。通過相同環境下同組數據的觀察和異組數據的比較，進行辨析。

首先，實驗組在自己的教室里采集數據。由于空間、外界溫度和室內人員活動等因素，教室溫度難以達到設定值而導致空調風扇一直高速運轉，實驗組無法體驗整個調節風速的過程。于是，實驗組根據該經驗，等室溫穩定（接近設定值）后再開始測量，終于觀察到空調隨著溫度的升高而高速運轉的過程。接著，實驗組又選擇因素更為可控（面積小，基本無人進出）的中心機房，從空調剛啟動時，室溫較高，空調風扇高速運轉，到接近設定值后轉為低速運轉。最后，觀測點還是在中心機房，但是在空調已經開啟一夜后進行觀察，發現溫度一直保持穩定（改變幅度較小），風速也一直保持在低速或節能狀態。

為了更嚴謹地進行觀察與比較，實驗組選擇較為安靜的觀察點。根據實驗數據的比較，實驗結果基本與前面類似，即：當室內溫度遠高于設定溫度時，控制系統會自動提高室內風機的轉速至高速檔，以加快空氣循環和熱量散發，迅速降低室內溫度。但實驗組通過分析又發現了不同點：空調的風速并非達到設定值這個臨界點才開始調整轉速，而是接近閾值就會開始微調。如果室內溫度已經達到或略低于目標溫度，控制系統可能會進一步降低風機轉速至最低檔，甚至暫時停止送風，以避免室內溫度過低。

3.2.3 建立模型

學生根據抽象規律和實驗數據建立科技現象的模型，培養建模能力，并通過模型驗證培養系統思維和驗證能力。

家用空調在自動風速模式下，通過溫度感知、數據分析、執行調節等手段精確控制室內溫度，風扇的突然轉動和停止轉動是基于室內溫度與設定溫度之間的動態變化而進行的智能調節。實驗組在學習平臺建立計算模型并進行模型驗證，模擬空調自動風速系統，深入理解技術背后的科技原理。

1）當空調開機并設置為自動風速模式時，算法首先讀取用戶設定的目標溫度和風速偏好，并獲取當前的室內溫度數據。2）算法對采集到的數據進行處理和分析，計算當前室內溫度與目標溫度之間的差值。3）算法根據溫度差值決定室內風機的轉速。一般來說，溫度正差值越大，風機轉速越高；反之，則轉速越低。同時，算法還會考慮用戶的風速偏好，在可能的情況下盡量滿足用戶的個性化需求。4）根據決策結果，算法向空調控制系統發送指令，調整室內風機的轉速。同時，算法還會持續監測室內溫度數據，以便在需要時再次調整。

3.3 實踐階段

3.3.1 搭建系統

教師在教學過程中應注重以科學原理指導實踐應用，在建構的基礎上搭建實際的系統或裝置，以便學生感受空調內部風扇的轉動與溫度傳感器數值之間的直接聯動，培養實踐操作能力。

1）實驗目的：應用所學科技原理驗證空調自動通風系統的工作原理2）實驗準備：掌控板 ×1 、小風扇模塊（含電機） ×1 、XH-PH3P連接線 ×2 、USBType-C連接線 ×1 、溫濕度傳感器模塊 ×1 。3）實驗過程。連接硬件，將編寫好的代碼下載到主控中，接著查看傳感器采集到的實時數據，同時觀察小風扇的轉速；實時呈現溫濕度傳感器采集到的溫度數值，便于設計者調試程序；當接收到溫度數值時，會判斷數值是否接近設定值，若低于設定值，則設置PO端口數字值為低（即小風扇停止轉動），反之則設置P0端口數字值為高（即小風扇轉動）。

3.3.2 優化系統

在應用階段，更為核心的是迭代優化，幫助學生反思實驗過程與實驗現象，結合科技原理嘗試遷移與探究。故優化該控制系統，讓風扇的轉動不要那么突然，培養學生的問題解決和優化能力。

1）實驗目的：應用科技原理遷移呼吸燈效果，優化空調自動風速系統。2）實驗準備：LED燈模塊 ×1 ，其他材料與之前基本一致。3）實驗過程：修改與風扇相關的代碼，將原來通過高低電平控制改為通過輸出數字量控制電機的轉速，其他步驟不變（圖2）。

通過分析發現，要想實現這個效果，需要小風扇模塊具備調速效果。是否需要為其外接調速模塊呢？這是實驗組遇到的第一個優化問題。于是，學生分組行動，一個實驗組從硬件探究，另一個實驗組從代碼探究，試圖尋找呼吸燈代碼的小風扇平替，從而實現風扇從停止/低速轉動到高速轉動之間的“呼吸”效果。最終，經與技術員溝通，通過變量改變輸出的電壓值（PWM），再通過等待指令和循環結構契合視覺暫留效應，創造出呼吸燈的效果。在引腳相同的情況下，根據風扇模塊的速度范圍，修改輸出數字量也可以產生呼吸風扇的效果，代碼探究組率先獲得成功。

但與此同時，實驗組也有了新發現，通過編程動態改變PWM引腳輸出的平均電壓，從而實現對LED亮度、電機速度或風扇轉速的平滑調整。但實驗中，風扇轉速改變過程的觀感不明顯，于是實驗組進一步優化系統。

圖2遷移探究后的呼吸風扇代碼

① 實驗目的：風扇模塊的轉速改變過程不夠明顯，探究多種改進策略。

② 實驗準備：紅色專用電機模塊 ×1 ，扇葉 ×1 其他材料與之前基本一致。

③ 實驗過程：從觀感、觸感、更改硬件、程序等多角度，實驗并調試。

改進策略一：觀感 + 觸感。扇葉轉動很快，導致觀察轉速轉變的過程，效果不明顯，但是可以通過觸摸電機來感受它的振動。

改進策略二：觀感（+數據）+觸感。將風扇的實時轉速顯示在OLED顯示屏上，實現電機振動和數據對應。實驗組通過實驗測試和反饋，從中發現新問題，有目的性地調試，有針對性地解決，進一步實現系統的迭代優化（圖3）。

改進策略三：更改電機。因為電機PWM速度非線性，存在扭矩問題，電機速度太快，導致觀感不明顯。因此，更換為轉速相對較慢的紅色專用電機，并修改其代碼，其中PO接口改為MA或MB電機接口。

3.3.3 創新系統

學生的主觀能動性已經被調動起來，教師鼓勵學生在現有系統的基礎上進行開放式創新，培養創新思維和創新能力。實驗組著眼智能化、安全性等方面，提出新的解決方案。

1）實驗目的：基于智能化考慮，將語音控制應用到空調控制系統。

2）實驗準備：ASR-THREE離線語音識別模塊 ×1 ，其他材料與之前基本一致。

圖3實現電機振動和數據對應

3）實驗過程：修改與風扇相關的代碼，其他步驟不變（圖4）。

圖4從智能化角度創新：語音控制風扇轉速的主要代碼

語音識別先判斷是否有數據可讀，讀取到的數據會跟系統內置的ID號進行匹配，從而通過電機調整風速（如ID號78對應的是200的風速值，為低速狀態）。如果是新學習的命令詞，會自動生成新的ID號。

語音控制可以解放人們的雙手，所想即所說，所說即所見。但是實驗組從安全的角度提出新的問題：這種便捷方式是否存在安全隱患？如果有幼兒在風扇旁邊，或者是幼兒模仿成人語音控制風扇時，有可能存在受傷風險。據此，提出新的方案。

1）實驗目的：基于安全性考慮，將人臉識別應用到空調控制系統。

2）實驗準備：智眼離線圖像識別模塊 ×1 其他材料與之前基本一致。

3）實驗過程：修改與風扇相關的代碼，其他步驟不變（圖5）。該圖像識別模塊內置攝像頭，提供顏色識別、標簽識別、人臉識別、二維碼識別等十幾種功能算法。切換到人臉識別算法后，判斷讀取到的人臉數據是否與系統內置的模型數據匹配（如代碼中的1表示已訓練過的人臉，會顯示對應的標簽；如果是新人臉，即未訓練過的人臉，則會顯示標簽為0）。當人臉數據匹配后再執行風扇的其他行為。

隨著實驗的開展，一系列充滿開放性和挑戰性的任務開闊了學生思路，復雜的操作技能進一步鍛煉和培養了他們的創造力。同時，實驗對教師也提出更高的要求。

4結束語

在人工智能時代，創新素養被視為未來社會不可或缺的關鍵能力。新課標中對創新的多次強調，彰顯了其在信息科技教育中的核心地位，凸顯了培養學生創新能力的緊迫性和重要性。實驗教學作為連接理論與實踐的橋梁，不僅精準對接了學生的創新潛能，還以其獨特的魅力有效激發了他們的創新思維。

本文創新性地提出實驗教學路徑，深度融合體驗、建構和實踐三個階段，以學生為中心，精心設計貼近日常生活、富有實際意義的場景化信息科技實驗。在體驗階段，學生通過觀察、記錄和探究，初步感受科技現象，培養敏銳的觀察力和探究力；建構階段則側重通過抽象思考、數據分析和建立模型深化學生對科技原理的理解，鍛煉他們的協作力與思辨力；實踐階段則鼓勵學生將所學知識應用于實踐，通過反復驗證、優化和創新，提升其操作力和創造力。這一系統而科學的實驗教學路徑，不僅讓學生在實踐中逐步構建起堅實的科技意識，還引導他們深入探索并掌握科技原理的精髓。更重要的是，在解決問題的過程中，學生通過不斷地進行實踐優化與創新嘗試，鍛煉出強大的創新能力，為將來應對各種復雜挑戰奠定堅實基礎。總之，本文所探討的指向創新素養培養的實驗教學路徑是提升學生創新素養、培養未來社會所需人才的有效路徑探索。

5 參考文獻

[1］王世達．“科”與“技”并重的信息科技實驗教學設計與實施[J].中國信息技術教育，2024（19）：45-48.

[2]熊璋，信息科技：為智慧社會培養合格數字公民[J].中國基礎教育，2022（12）：56-58.

[3]俞含盛，徐光濤．信息科技實驗教學：價值定位、教學模式與實施策略[J]．中國信息技術教育，2024（5）：5-8，68.

[4]熊璋，方其桂，許憬，等．義務教育過程與控制教學實施眾人談［J].中國信息技術教育，2023（9）：5-10.