指向创新素养培育的高中信息技术探究实验设计与实施

王堃 陈子勇

摘 要：创新素养是学生诸多素养中的关键要素，在核心素养的所有构成要素中处于统领地位。笔者通过开展高中信息技术实验教学挖掘学科课程中的创新要素，培育学生创新素养。本文以教科版必修1第2单元《编程计算》的教学内容为例，详细阐述了信息技术探究实验的设计与实施过程，实验项目融合开源硬件，让学生在创新实践活动中发展创新思维，形成创新人格。

关键词：创新素养；信息技术；探究实验；开源硬件

当今的国际竞争是科技的竞争、人才的竞争，归根结底是人的创新力的竞争。因此，创新素养已经成为每个现代公民都需要具备的关键能力和必备品格。创新素养包含创新人格、创新思维和创新实践三个要素，创新人格的形成、创新思维的发展、创新实践的开展是培育创新素养的重要渠道。《国家创新驱动发展战略纲要》（2016）、《关于加强新时代学生创新素养培育体系建设的意见》（2021）指出要改革人才培养模式，把科学精神、创新思维、创造能力和社会责任感的培养贯穿教育全过程，并特别强调注重挖掘利用学科课程中的创新要素和高度重视信息技术、综合实践活动等课程的实施。《普通高中信息技术课程标准》（2020修订版）中明确信息技术教学的重要任务是培养具有信息意识、计算思维、数字化学习与创新能力、信息社会意识的数字化公民。课标要求在数字化学习环境中，引导学生体验数字化学习与创新活动，用数字化工具表达思想、构建知识，养成数字化学习与创新的习惯，这与学生创新素养的培育是相通的。

一、信息技术教学中存在的问题及解决策略

信息技术课程的有效实施，对学生创新素养的培育能起到关键作用。但是从目前实施情况来看，高中信息技术教学中还存在着以下问题：一是信息技术课堂教学多关注具体知识点和操作步骤方面的讲解，不注重学生知识迁移能力和创新思维品质的培养；二是学生学习方式被动，受限于“观看演示—模仿操作”固有模式，主动思考和创新实践较少，很难对知识进行迁移内化进而提升创造性解决问题的能力；三是信息技术发展日新月异，“教材的更新跟不上时代发展”这个问题在信息技术学科中表现得尤为突出。为解决上述问题，笔者尝试开展高中信息技术实验教学，引入相对稳定的、具有时代性的软硬件资源进行国家课程校本化实施，挖掘信息技术课程中的创新要素，为学生提供创新实践机会，发展学生创新思维，进而促进学生创新人格的形成[1]。

二、指向创新素养培育的高中信息技术探究实验设计与实施

下面，笔者以高中信息技术教科版必修1第2单元《编程计算》的教学内容为例，详细阐述信息技术探究实验的设计与实施过程。

教材将第2单元分成了四小节，从“计算机解决问题的过程”开始，到“可以复用的代码”结束，每一节都设计了相对独立的项目。通过四节的学习，引导学生学习python语言的基础语法知识、掌握三种算法结构的编程实现方法以及运用函数进行模块化编程的思想。笔者在教材已有内容基础上进行二度开发，融入了开源硬件Arduino和数据编码的相关内容，利用开源硬件将整个章节的学习内容整合到一个实验项目中，让学生在动手实践中体验、学习、创新。

（一）确定实验项目主题

本单元是教材中Python编程教学的起始单元，教师需要做的是引领学生顺利“入门”，而不是在学习起点就为学生竖起“高墙”。因此，笔者在设计实验时，选择了开源硬件中的入门级元器件——LED灯。围绕LED灯这个入门级元器件，确定了实验项目主题“灯光魔法师”。学生从“制作调光灯”到“用灯语传递信息”，融合学习顺序结构、分支结构、循环结构、函数等编程知识，感受利用程序控制灯光、传递灯语的乐趣。通过本实验项目，学生可以完成一个“摩斯电码生成器”。这个作品需要学生综合运用分支、循环和函数等知识去解决问题，需要学生自主设计解决实际问题的方案。可以说，本实验项目为学生提供了一个学以致用、体验创造的平台。

（二）分析学情

本实验项目的授课对象是高一年级的学生，他们在义务教育阶段的信息科技课上系统地学习过图形化编程。可以说，他们对编程解决问题并不陌生，对顺序、分支和循环三种算法结构也已经有了一定的认识。高中生逻辑思维能力较强，喜欢挑战和探究新事物，因此在对教材进行二度开发设计实验项目时，可以适当设计一些探究性、挑战性强的任务，由此来激发学生学习、创造的欲望。

（三）明确实验教学目标

基于对课标、教材的理解和对学情的分析，笔者确定了如下实验教学目标：1.通过动手实践，掌握Python语言的基础知识和使用开源硬件设备的基本方法。（计算思维）2.依据实际需求抽象建模、设计算法，形成问题解决方案；灵活运用分支、循环、函数等知识编写程序实现方案。（计算思维、创新思维）3.适应数字化学习环境，能够运用开源硬件等数字化工具进行数字化学习与创新。（数字化学习与创新）4.在实验项目实施过程中，遇到技术问题能够有意识地、主动地查阅资料、合作交流，进而解决技术难题。（信息意识、数字化学习与创新）

（四）制订实验项目评价方案

实验项目需要学生分组合作完成。为了引导学生更好地探究实践和合作学习，笔者为学生设计了个人自评、组内互评量表。个人自评主要关注“任务完成、思維发展、创新实践”三个维度，组内互评则关注学生在实验过程中的“参与度、贡献度和合作度”。评价量表除了能指引学生，也能帮助教师掌握学生的学习状态。

（五）明确实验器材与关键技术

本实验项目需要使用的硬件器材有计算机、Arduino Uno开发板、数据线、Led灯、按钮、杜邦线。为排除硬件干扰因素，建议在实验初期，尽量选用将开发板和Led灯、按钮等集成在一起的实验设备。

本实验项目的关键是使用Python语言控制Arduino Uno开发板和Led灯来传递灯语信息。

具体包括以下两个技术问题：

1.Python控制Arduino Uno开发板。pinpong库是一套基于Firmata协议的控制开源硬件主控板的Python第三方库。借助pinpong库，用Python代码就能给Arduino开发板编程实现对Led灯等电子元器件的控制。pinpong库目前支持Uno、Leonardo、Mega2560、ESP32等多种开发板和50多种传感器，与MicroPython兼容，自带丰富的编程实例。使用pinpong库，学生可以比较轻松地开展创新实践活动。

2.灯语编码。灯语是一种通信手段，用灯光一明一暗的间歇做出长短不同的信号来传递信息。通信双方需要约定的明暗表达方式就是灯语编码，国际上流行的灯语编码就是摩斯电码。

（六）设计实施实验教学活动

开展实验教学的目的是给学生提供应用知识解决实际问题、创新实践的平台，促进学生学科核心素养和创新素养的培育。因此实验活动的设计需特别注意两点：一是提高实验内容本身与学科素养、学科大概念的贴合度，让学生在实验中理解学科大概念、培养学科素养，应用学科思维形成解决问题的方案；二是实验本身要为学生留足思考空间、创新空间，实验的过程也是学生思维发展和创新体验的过程，不要让实验变成另一种形式的“操作说明书”式教学。基于以上两点，笔者根据第2单元的教学内容，设计了“灯光魔法师”这个实验项目，项目由3个小实验组成。

实验1：制作调光灯实验

“制作调光灯”实验引导学生尝试利用Python程序控制Arduino开源硬件，应用分支语句实现“多个按钮调节LED灯亮度（单分支）——1个按钮控制LED灯亮灭（双分支）——1个按钮实现三级亮度调节（多分支）”三种效果。实验从学习范例开始，教师先为学生提供实现“按钮按下LED灯亮”功能的范例代码，通过范例代码学习Python控制开源硬件设备的方法和单分支语句、关系表达式等基础知识。

范例学习之后，运用知识优化范例，完成第1种效果：多个按钮调节LED灯亮度（单分支）。再引导学生发现问题：按钮太多，如何将功能集成到一个按钮上？实现这个功能的常规方法是引入变量，记录按钮按下次数，再通过双分支或多分支语句对按下次数进行分析判断，进而对LED灯的亮度做出不同的设置。

“将多个功能都集成到一个按钮上”这个问题的解决实际上就是对学生计算思维的培养。其中，如何“对按下次数进行分析判断”这个问题尽量引导学生自主探究，让学生在实践中摸索出自己的判断方法。

实验2：用灯语传递信息（发送SOS的摩斯电码）

“用灯语传递信息（发送SOS的摩斯电码）”需要学生了解经典灯语编码（摩斯电码）的编码原理，并应用循环语句实现“LED灯闪烁——LED灯闪出SOS的摩斯电码（三短三长三短）——LED灯传递你的暗语”三个效果。

在实现“LED灯闪烁”效果过程中，会让学生对比LED灯闪烁5次的顺序结构代码和循环结构代码，学生可以直观感受到循环结构简洁和易于维护的优势。

在完成“LED灯闪出SOS的摩斯电码（三短三长三短）”效果时，不同字符间是有长停顿的，这个长停顿的准确实现，对初学循环的学生来说有一定挑战。通过实现这个效果，学生不仅要思考循环次数的问题，还需要思考循环体和非循环体的问题，能让学生对循环语句有更深刻的认识。

“LED灯传递你的暗语”这个效果需要学生自选想传递的信息，并用LED灯闪出信息的摩斯电码。设计本任务有两个意图，一是让学生巩固循环语句的用法，二是让学生感受这个过程的“麻烦”之处：每次更换信息就需要重新编写程序。这个“麻烦”其实就是我们需要解决的问题：如何提高程序的自动化程度，让程序自动分析给定信息的摩斯电码，并根据摩斯电码自动地闪出相应的灯语。这涉及摩斯电码的存取以及摩斯电码中基本符号“·”和“-”的模块化处理两个问题。在第3个实验开始之前，把问题“暴露”出来，并为学生展示最终实验效果，激发学生探索欲望，引导学生主动思考、创新，寻找解决问题的策略。

实验3：用灯语传递信息（制作摩斯电码生成器）

“用灯语传递信息（制作摩斯电码生成器）”对学生的计算思维、创新思维以及综合运用知识的能力要求较高，需要学生充分发挥团队合作精神，合力完成。实验具体分三个环节“确定存储摩斯电码表的方法——探究从原文到电码再到灯语的转换方式——编程实现摩斯电码生成器”。存储摩斯电码表可用列表或字典，此处建议使用字典。教科版教材中没有涉及字典的相关知识，需要教师补充讲解。注意，知识够用即可，讲解时不必贪多求全。而从原文到电码再到灯语的转换则需经历“分离——查字典——再分离——模块化处理”的过程。思路的梳理过程，教师要把握好度，既要在关键时刻引导学生，又要给学生留足思维空间。最后的编程实现环节，需要学生综合运用第2单元的所有知识来完成。

三、效果与启示

（一）效果

通过一系列探究实验项目的设计与实施，明显感觉学生对信息技术的学习热情有了很大提升，课堂参与度高了起来，学生在课堂上愿意去思考、表达自己的想法，动手实现自己的创意。学生也开始习惯用计算机科学领域的思维方法去分析界定问题、合理组织数据并设计算法形成解决问题的方案。越来越多的学生能利用数字化学习工具创造性地解决问题。

（二）启示

开展高中信息技术实验教学，融入创新素养培育，应关注以下几点：

1.精心设计，问题驱动。结合实验任务和教学内容精心设计问题链，通过问题驱动，引导学生发现问题的本质，寻求解决问题的方案。以实验2中“发送SOS的摩斯电码”任务为例，就设计了这样一个问题链：“①需要几个for循环？——②每个for循环的循环体需要执行几次？——

③循环体中都有哪些语句？——④如何修改灯的亮灭时间？”以此问题链来引导学生做中学、创

中学。

2.无惧错误，鼓励尝试。在实验教学中，鼓励学生勇敢尝试，不怕错误。让学生意识到“错误”是很好的学习资源和创新资源。笔者在教学中，也会有意识地将学生的经典错误编辑到代码半成品中，让学生去调试程序排除错误。

3.尊重不同，给予空间。每个实验任务都有其常规解决方法，教师在教学中要注意，不要过度引导学生，给学生思考、创新的空间，尊重学生所表现出的非常规想法，并鼓励学生去动手实践。以实验2中“让LED灯闪烁5次”任务为例，很多学生想到的方法是复制代码5次，而不是使用循环。笔者在课堂中就鼓励学生尝试这个方案，尝试之后教师再提出问题，这样学生能更直观地感受使用循环的优势。

4.制造麻烦，刺激创新。麻烦就是需求。让学生感受到一种解决方案的麻烦之处，就是将优化的需求呈现出来，就是刺激学生去改变、去创新。实验1中“多个按钮调节LED灯亮度”和實验2中“LED灯传递你的暗语”就起到了制造麻烦刺激创新的作用[2]。

结束语

高中信息技术实验教学的开展，为学生提供了创新实践的平台，有助于落实学生学科素养和创新素养的培育，真正做到助力学生终身发展。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社.

[2]赵伟刚，孙波.探究开源文化 发掘本土资源 激发创新志趣：“开源硬件的特征”教学建议[J].中国信息技术教育，2022，399（24）：18-20.

本文系山东省教育科学规划创新素养专项一般课题“基于创新素养培育的高中信息技术课程体系建设与实践研究”（课题编号：2022CYB174）阶段性研究成果。