初中信息科技创新应用性实验教学范式研究 ——以“简易物联系统设计与搭建”实验教学为例

摘要：信息科技实验是创新人才培养的重要途径，在信息科技课程中有着非常重要的作用。其中，创新应用类实验旨在培养学生的创新思维，提升学生创造性解决实际问题的能力。研究者以《简易物联系统设计与搭建》为例，总结并解析创新应用性实验教学的七个环节，为初中信息科技实验教学提供一些参考思路。

关键词：信息科技实验；创新应用性实验；项目教学

教育部发布《关于加强改进中小学实验教学的意见》，明确实验教学是国家课程方案和课程标准规定的重要教学内容，是培养创新人才的重要途径。从我国基础教育信息科技课程演进过程的视角看，新课标、新教材的科学属性日益凸显。《义务教育信息科技课程标准（2022 年版）》中的教学建议也强调运用线上实验、模拟、仿真等方式，引导学生自主学习、合作学习。

教育部教育技术与资源发展中心（中国电化教育馆）发布关于《中小学实验教学基本目录》的通知中，以现行课标主题为线索，梳理了构建学科核心概念、核心规律、核心实验素养与关键能力所应开展的基础性实验及实践活动，明确了应开必开的实验与实践活动，确保学生能够充分经历探索自然、获取科学知识、培养科学思维、解决科学问题和工程问题的实践性学习体验，共列举出了三个学段、八门学科共16类实验，其中小学信息科技实验共63项，初中共31项，高中共81项。研究者作为一位初中信息科技教师，在日常教学中针对创新应用性实验开展研究，并在研究过程中、在课堂中落实教学方案，不断提升学生数字素养，总结出创新应用性实验课堂教学的一般流程，以供他人借鉴。

一、信息科技创新应用性实验教学的内涵

信息科技实验是用科学研究的方法、实验的形式，对信息科学、技术工程领域的典型模型、核心概念或重要过程进行探究和学习的学科实践活动，它包括计算机及其他数字设备硬件、软件、网络、数据科学、人工智能等领域，旨在帮助学生了解信息科学现象、理解信息科学原理、把握信息科学规律、掌握学科思维方法。

信息科技实验教学，指以信息科技实验为主要教学素材，以提高学生的信息科技核心素养为目标，着力构建形成实验、发展实验、检验理论远离、实践应用理论为主线的实验教学模型。这种教学重在方法指导，学生通过实验中关键性知识的学习，包括重要的概念、理论和原理，可以清晰地厘清各概念间的相互联系，从本质上理解“技”背后的“科”，解决实际问题的方法和能力得到有效迁移和拓展升华。

义务教育信息科技基本实验分为验证性实验、探究性实验、创新应用性实验和虚拟仿真实验等实验类型，其中创新应用性实验指的是将理论知识和实际应用相结合，解决目前存在的一些现实问题的实验。解决问题的方法和策略并非只有一种，在此类实验中，学生可能有不同的实验结果，形成不同的实验思路。创新应用类实验旨在培养学生的创新思维，提升学生创造性解决实际问题的能力。

二、创新应用性实验教学的课堂环节

研究者通过日常教学、教学研讨等方式，尝试开展多节创新应用性实验课，并对比这些实验课的教学环节，得到了一些共性发现。创新应用性实验教学的教学环节主要有七项：创设情境，提出问题；项目分析，确定需求；项目开展，知识准备；项目开展，模拟实验；项目开展，实践探究；项目评价，交流展示；项目总结，拓展延伸。研究者以“简易物联系统设计与搭建”实验教学为例，展示创新应用性实验教学的七个环节，以供参考。

1.创设情境，提出问题。

【环节设计1】

师：（播放视频：学生不认真学习的样子）咱们学校一直提倡入室即学、入室即思，视频里的同学有没有做到专注学习呢？

生：没有。

师：你为什么觉得他学习不专注？

生：他动不动起身开灯/一直拿着吹风机/他坐姿不端正。

师：有的时候并不是我们自己不想学习，外界环境对我们造成了一些影响。那我们如何解决这个问题？

生：改善环境。

师：那么今天我们一起化身小小设计师，设计一款智能书桌，帮我们营造良好的学习环境。

情境是为任务设计做的最好的准备，真实情境贴合学生生活实际，扎根于生动、具体的日常生活和社会生活，有助于引发学生思考和自主探究、合作交流。本节课中，教师通过视频，放大学生不当行为，一方面可以引起学生的共鸣，另一方面，能够深度调动学生的常识性知识，引导学生发现生活中的问题，让学生主动思考如何利用所学知识解决问题。这种“日用而不觉”的情境，打破了学生生活和学习的界限，让学生能够在发现中思考，在问题中分析，在做中学，在做中创新，从而发展学生的高阶思维。

2.项目分析，确定需求。

【环节设计2】

首先请大家思考，智能书桌要有哪些配置？

生：加装一个小灯/电风扇，提醒装置……

师：请大家在学习活动单上，绘画出你想增加的功能。如果你画不出来，圈出安装区域，写上文字也可以。

（学生绘画，教师展示学生作品）

创设适当的情境，能为提出任务做良好的铺垫。本节课情境的开放性，决定了任务的个性化和学生主体地位的突出。“智能书桌”的配置有很多，并没有一个固定的、唯一真实的答案，学生可以自己开展想象，为书桌加上各类功能。而为了实现自己设计的功能，学生的主观能动性被充分调动，在学习过程中也可以感受到个人努力取得的成果，感受和确证自己的主体力量。

3.项目开展，知识准备。

【环节设计3】

师：大家的想法丰富多样，非常好。但大家有没有想过一个问题，我们的智能书桌如何感知到光线亮不亮、温度高不高呢？

生：通过传感器。

师：人类通过感觉器官获取信息，耳闻、目睹、鼻嗅、口尝、触摸等行为都能帮助人类感知信息。而在万物互联的时代，传感器的出现和发展让数字设备拥有了感官。先思考一下，人类是如何获取信息的？

生：感官获取，传递到大脑，然后人类做出反应。

师：没错，传感器也是如此。传感器由敏感元件和转换元件组成，敏感元件能感受信息，转换元件则将感受到的信息按照一定规律转换为电信号或其他所需形式的信号输出，以满足信息的显示、传输和处理等需求。为了测出不同的物理或者化学信号，敏感元件也得有所区分，比如用来测温度、测光线、测重量等等，传感器也因此可以分为几大类。我们人类感官分成“视听嗅味肤”五类，传感器也可以分为这五类。让我们观察这些传感器的名称，试着将它们进行分类。

（学生上台参与分类游戏，教师点评）

师：这些传感器，你们有没有看到过生活中的一些实例？

生：……（教师根据学生答案补充）

师：那么我们要实现刚刚构思的这些功能，需要选择哪些传感器？

生：……

完成一个具体的任务，学生必须具备相应的知识和技能。教师在实验课前，需要做好充足的预设，对重难点、易错点、易混淆点要能够了然于胸，以便能够在学生完成项目的过程中提供足够的学习支撑。

研究者曾采用两种不同的方式来进行本项目的教学，第一种方式，先讲授每个零碎的知识点，再构建本课情境，给出任务，学生以复习的方式回顾知识、运用技能；第二种方式，直接构建情境并给出任务，以任务为载体和主线，促使学生学习新的知识和技能。两种方式下学生的学习效果也有所不同。第一种方式，学生得以复习和延伸，能够主动发生迁移，自行匹配任务和已获取过的知识，并将知识真正运用，但学习积极性不够高；第二种方式，学生的学习兴趣被充分点燃，对学习新知识有迫切的需求，但由于课时安排，项目时间跨度太大，学生逐渐疲倦，积极性逐渐降低。研究者认为两种方式各有所长，第一种方式更适合时间跨度较大、相对复杂的实验，第二种更适合简单、易操作的实验，能取得更为良好的效果。

4.项目开展，模拟实验。

【环节设计4】

师：师：现在就请大家以小组为单位，选择自己最喜欢的一个功能试着设计算法。可以以流程图的形式或者直接描述过程。

（学生讨论、设计，教师展示、组织点评）

信息科技课程中强调对学生“计算思维”的培养。研究者认为，在信息科技实验教学中，教师相比于手把手进行教学，按部就班指导学生作品的具体步骤，更应该注重帮助学生理清思路，让学生能够独立完成作品。只有思路正确，在面对相似的问题时，学生才能够举一反三，主动、独立解决问题。在本节课中，教师带领学生“以自然语言形式描述算法”，分析了某一个功能的算法实施步骤，并引导学生以此为例，分析其他功能的算法，以流程图或自然语言的形式呈现出来，帮助学生理清思路。

5.项目开展，实践探究。

【环节设计5】

师：老师今天也带来了奥斯坦丁的物联网开发板，让大家将自己的设想变成现实。请大家连接开发板，打开软件xDingAI，尝试编写程序，达成你想要的效果。

（教师巡视，发现问题。学生常见问题：数据的设置、关系运算符和程序的对应）

师：大家发现没有，我们设置数值的时候要根据环境进行调试，以找到合适的数值。比如……

生：说说自己测试出来合适的数值。

思路理清后，具体的程序编写对于初中生来说难度不高。“xDingAI”软件的可视化编程门槛较低，即使小学没有基础，教师简单培训后，学生也能相对轻松的完成任务。而在制作过程中，学生往往更关注代码语句是否正确，而对数据阈值、关系运算符的运用不够重视。但研究者认为，数据阈值代表需求，如“自动风扇”功能，学生会无意识地使用教师展示的数据或者当时测出的环境数据做为风扇开关的阈值，但这并不符合真实的使用需求，教师需要强调“需求导向”观念，进行相应的引导。学生对关系运算符的运用也会产生混乱，比如“自动风扇”功能中，学生的语句呈现出温度低打开风扇，温度高反而关闭风扇的情况，这可能是因为学生不够细致，也可能是因为学生没有真正理解而只是生搬硬套，教师同样需要引导学生回忆自身的需求，以调试语句，达到真正理解、融会贯通的效果。

6.项目评价，交流展示。

【环节设计6】

师：现在请几位同学展示一下自己的设计。

（三个功能实现或有问题的学生展示，3-5人）

一个完整的问题，往往可以分解成小的、细碎的步骤，并逐步得以完成。每一位同学个性化的需求，能促使个性化功能的实施，也是整体功能实现的一个步骤和过程；而诸多个性化功能的集合，便成为一个功能相对全面的完整作品。在本节课中，每个同学的个性化功能设计与实施，都在为“智能书桌”这一完整任务做准备，学生在最终展示的环节中，可以看到“智能书桌”的功能被逐步完善，于此同时，学生的个人成就感以及团队的凝聚力、团结协作精神都可以得到提升。

学生在聆听他人汇报、展示时，也能从他人作品中获取灵感，学生和学生之间容易产生思维的碰撞。例如，本节课中，学生对“自动开灯”这一功能产生了四种想法：第一种，天黑开灯，天亮关灯；第二种，人来开灯，人走关灯；第三种，有声音开灯，没声音关灯；第四种，夜晚温度低开灯，白天温度高关灯。这四种想法有的相对考虑不那么全面，有的有一定的道理但各有利弊。为什么有的想法考虑不够全面？哪里出了问题？如何将有道理、能实现的功能进行整合，成为一个功能更合理的作品？教师在学生展示环节就可以加以引导，带领学生从需求和真实应用的角度梳理、评判大家的思路，学生的思维能力得以提升。

7.项目总结，拓展延伸。

【环节设计7】

师：咱们开发板是一体成型的，但如果在智能书桌的搭建过程中，大家还要注意各配件的位置，放在合适的地方，以免后期不断调整改动。

师：除了已经实现的功能，我们还可以畅想一下，智能书桌还能如何优化？

生：人不在，不开灯……

师：我们可以通过什么来实现？

生：加装一个红外感应器……

在创新应用性实验最后，教师可以组织学生进一步开动脑筋，思考、完善实验结果。学生可以分层达成目标：于基础薄弱的学生来说，理清自己的思路，完成基础作品；于大多数的常见水平的学生来说，在自己作品的基础上避免他人的错误，吸纳他人长处，完善优化实验作品；于思维活跃的学生来说，建立起完整的思路，并迁移、创新。教师也可以引导学生或者教师本人提出实验中的注意点，包括操作中易失误之处、模拟实验和真实活动的区别、还可以延伸的方向启发等等。

三、创新应用性实验的教学注意点

1.学情分析到位，项目匹配度要高。

好的项目能落实学习目标，使抽象的目标丰满起来，让学生通过在实际情境和真实问题中学习与运用知识和方法，感悟学科知识和社会生活之间的联系，发展学生分析和解决问题的综合能力与实践能力。因此，教师课前要结合学生实际的能力发展情况来对学习任务进行调整，如从完全开放走向半开放等，使学生所面临的任务具有针对性；还要引导学生将问题进一步细化，并让学生自主设计问题解决方案。

2.把握学生资源，生成促提升求巧。

开放性的情境给予学生充分的发挥空间，学生个性化的需求、不同的成长环境和阅历、一刹那间的灵光一现，都能产生不同的化学反应。而教师则需要不断寻找这些闪光点，将其展现出来，并引导学生自主反思与思维碰撞，促进学生个人和群体的提升。

3.开展多元评价，创新与发展为要。

评价是促进提升的重要方式，然而一个开放性的作品呈现意味着答案的不唯一和无标准，那么学生对自我的评判标准如何而来？教师从哪些维度评价学生更为科学合理？研究者相信，学生的不断反思精神相比于某一次作品来说重要得多，因此教师鼓励学生不断反思自己的行动和决策，以自己上一次的作品作为比较对象，以超越自己的限制性思维为目标，开发自己的创新创造能力，自评标准由此而来。

同伴与教师的评价则更着重考查学生在该项目中的真实表现，同伴可以着眼于被评价者的情感态度与价值观，对项目的参与度，在合作意识、克服困难的精神意志等方面是否有新的发展；教师则可以考察学生将知识进行实践转化的意识、新旧知识之间建立联系的能力、对学科基础知识的关联和拓展情况等，以促使学生素质的后续发展。

四、总结

创新应用类实验能够充分培养学生的创新思维，提升学生创造性解决实际问题的能力，其教学环节主要有七项：创设情境，提出问题；项目分析，确定需求；项目开展，知识准备；项目开展，模拟实验；项目开展，实践探究；项目评价，交流展示；项目总结，拓展延伸。在教学过程中，教师还要注意选用合适的项目与任务，在学生制作过程中把握好学生的生成性资源，以多元评价方式促进学生综合能力的提升。

参考文献：

[1]教育部教育技术与资源发展中心（中央电化教育馆）.中小学实验教学基本目录[Z].2023-11-24

[2]郑洁.基于大概念的信息科技实验结构化设计实施路径[J].中小学信息技术教育,2023(11):52-54.

[3]中华人民共和国教育部.义务教育信息科技课程标准（2022年版）[M].北京师范大学出版社,2022.4:P3-5.