“科”与“技”并重的信息科技实验教学设计与实施

摘要：《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》中提出遴选科学原理和实践应用并重的课程内容，体现“科”与“技”并重的理念。信息科技实验能够让学生在动手实践中理解科学原理，在科学原理运用中创新创造，体现了信息科技课程的育人价值。本文在对“在线学习与生活”“过程与控制”“互联网应用与创新”三个模块开展教学实践的基础上，通过案例说明实践操作的验证性实验、虚实结合的探究性实验、激发创新的应用性实验的教学设计方法和实施经验，以期为开展和加强信息科技实验教学提供有效的实践指导。

关键词：信息科技；实验教学；教学设计

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2024）19-0045-04

《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》中指出：“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。”《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）指出：“从信息科技实践应用出发，注重帮助学生理解基本概念和基本原理，提升学生知识迁移能力和学科思维水平，体现‘科’与‘技’并重。”《中小学实验教学基本目录》则以新课标主题为线索，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，其中完整覆盖信息科技学科的1～9年级，共94个实验，体现了国家对信息科技实验教学的高度重视。

信息科技实验教学的意义与价值

信息科技实验教学能提升学生的实践能力和动手能力，激发学生的创新思维和创造力，培养学生的问题解决能力，体现信息科技课程的育人价值。

从布鲁姆的认知层级来看，科学原理的学习不能仅仅依靠对概念的记忆、理解，更需要通过实验将抽象的概念转化为具象的实验，并在实验的过程中通过观察、应用、分析，实现评价实验效果、创新设计实验，进而培养学生的高阶思维能力，将信息科技课程教学从概念的浅层学习和技术的机械操作转变为以培养核心素养为目标的深度学习。

信息科技实验教学的设计思想

实验教学是实践性教学的一种组织形式，学生利用仪器设备，在人为控制条件下，引起实验对象的变化，通过观察、测定和分析，获得知识与发展能力。信息科技实验教学大致可以分为帮助学生巩固理论知识和实践操作能力的验证性实验、培养学生的探索和批判性思维能力的探究性实验、激发学生的创新意识和实践能力的创新应用性实验，以及提供多样性和安全性实验环境的虚拟仿真实验。

综合以上两点，笔者认为信息科技实验教学需要利用计算机、开源硬件、传感器等硬件设备和虚拟仿真软件、实验系统、平台、程序等软件平台及互联网、物联网等网络环境，设计实验方案和实验记录单，通过观察、操作、编程、实践等手段，记录实验过程和结果，得出实验结论，从而对信息科技原理进行验证、探究和创新。在实验教学的设计中，教师应当明确实验目的、实验环境、实验设备、实验步骤和实验结论等要求，从而帮助学生理解科学原理，提升科学精神。

信息科技实验教学的设计与实施

笔者在所在区域小学、初中信息科技“双新”实施中，通过教研设计、实践与反思，形成相应的实验教学案例。

1.在线协作工具—实践操作的验证性实验

（1）实验要求

“利用合适平台或工具进行协作学习”是三年级“在线生活与学习”模块中的基本实验活动，要求对比实际案例，将生活中掌握的在线沟通与交流能力迁移到学习中，通过线上平台开展协作学习活动，讨论学习规划，分享学习资源，感悟在线学习的便利与创新性。

（2）实验内容

在学生进入实验室学习一段时间后，教师设计了“使用在线协作工具 共同维护实验室”单元，通过日常记录的真实情况，提出课后学生物品遗留、环境凌乱等实际问题。因此，围绕“集体完成座位表”和“共同安排值日生”两个问题，使用在线协作工具开展实验。在使用在线协作工具实践操作完成实验室座位表、值日表的过程中，借助实验记录单，观察、记录、对比在线协作与单机软件在文字处理中的异同点；验证在线协作的可行性，思考在线协作的应用场景，感悟在线协作的优势，感受我国互联网技术的发展和自主可控技术的意义。

（3）实验设计

为了让学生通过自主探究在线协作工具，共同完成班级实验室座位表，教师设计了“协作完成座位表实验单”，让学生记录操作实验过程。学生通过教师提供的共享链接，找到自己对应的座位，输入姓名，然后集体在线协作完成座位表，并通过“协作完成值日生”再次进行巩固与验证。在此过程中，学生发现误删、误填可能导致的问题，从而建立起多人协作规范。在验证了在线协作工具能够集体完成输入任务后，教师让学生打开熟悉的单机文字处理软件，通过观察、操作和对比，完成“在线协作与单机软件对比实验单”，归纳出两者的相同点和不同点，理解在线协作工具多人在线、自动保存、提高效率、记录过程等特点，同时引发了“哪些应用场景适合/不适合使用在线协作”的讨论。

2.智慧粮仓温控监测—虚实结合的探究性实验

（1）实验要求

“分析生活场景中的过程与控制系统，探索反馈对系统优化的作用”是六年级“过程与控制”模块中的基本实验活动，要求通过分析具体案例，了解反馈是过程与控制中的重要手段，初步了解反馈对系统优化的作用。

（2）实验内容

“过程与控制”模块中的部分实验可以在虚拟仿真软件或实验系统中的编程验证基础上，运用开源硬件搭建系统原型，将虚拟和真实相结合，开展探究性实验，探索系统中的输入、计算、输出、反馈等要素之间的相互关系，培养批判性思维能力。以“智慧粮仓中的温度控制”单元为例，教师先采用虚拟仿真软件搭建温控风机系统，初步验证方案的可行性；接着，使用开源硬件套件搭建真实的温控风机系统原型，并在真实环境下通过调整温度、阈值和风机转速探究三者之间的相互关系，理解反馈对系统优化的作用。在理解温控风机的工作原理和特点的基础上，培养学生提出问题、设计实验、收集数据、分析结果和得出结论的探究能力，进而激发学生的创新思维，以不断对原型进行改进和优化。

（3）实验设计

教师首先提供虚拟仿真软件的操作说明作为学习支架，指导学生在软件中模拟使用Micro：bit主板、温度传感器、风机和显示屏完成温控风机的系统虚拟搭建，设定为当温度＞25℃时，将风机打开并将转速设置为90，否则就关闭风机（如图1）。在运行仿真程序后，学生通过调整温度，观察风机是否会根据温度的变化而改变工作状态，并将虚拟实验的结果记录在“温度与风机状态实验单”中。通过实验学生理解了“连续量可以经由阈值判断形成开关量”的科学原理。

在完成虚拟实验后，教师提出“在虚拟实验中，风机运转是否会对环境温度数据产生影响，进而再对风机的运转状况产生影响”的系列问题。学生发现虚拟实验是在理想环境中开展的，因此还需要在真实环境中运用开源硬件搭建真实的温控风机原型。基于虚拟实验搭建设计的经验，学生使用教师提供的开源硬件和传感器完成了物化原型的搭建，并将已经编写和测试过的程序导入Micro：bit主板中运行，通过加热温度传感器观察显示屏上的温度和风机状态的变化，并将实验情况记录在“温控风机实物测试实验单”中。

在真实环境中的实物测试实验中，学生观察到当温度上升超出阈值后，风机启动，但一段时间后，温度自然下降，风机就会停止，随着风机停止，温度会再次上升，继而风机也会再次启动，从而理解“反馈是过程与控制中的重要手段”的科学原理。在真实环境中的实验还引发了学生对“频繁启动、关闭可能会导致风机损坏”的讨论。通过上网搜索资料，学生拓展了“死区”的概念，并提出可以调整温度阈值区域范围。例如，温度要上升到26℃才启动风机，而下降到24℃才停止。又如，根据温度范围，将风机设置为高速运转、怠速运转相结合，从而提高温控风机的稳定性和耐久性。

通过虚实结合的方法，不仅可以让缺少开源硬件设备的学校完成基础实验活动，还可以有效避免学生直接使用开源硬件产生的各种问题与故障。通过虚拟仿真和真实环境的实验对比，培养了学生的批判性思维和解决生活中真实问题的能力。

3.物联跌倒求助系统—激发创新的应用性实验

（1）实验要求

“物联系统原型设计与搭建”是八年级“物联网实践与探索”模块中的基本实验活动，要求自觉遵守物联网实验的操作规程，会使用实验设备搭建物联系统原型，并能通过实验平台读取、发送、接收、汇集和使用数据。

（2）实验内容

随着老龄社会的到来，运用开源硬件和传感器感知老人是否跌倒，并通过物联网向子女、社区、民警等求助，能够有效降低独居老人因跌倒无人及时搀扶导致的危险。在“物联跌倒求助系统”单元中，学生首先通过对比实验，选择合适的传感器实现跌倒检测与报警触发；接着，通过慧编程软件中的“账号云广播”功能，实现小组内发送端和接收端之间的互联，探索物联网的基本功能和实现原理；最后，通过小组间合作持续优化原型，实现从单个接收端到多个接收端的信息接收，完善跌倒求助系统原型的功能。

（3）实验设计

为了提高实验效果的真实性和准确性，教师与学生在实验前设计和测试了多个实验器材方案，最终采用轻木板和3D打印零件自制装置来模拟老人跌倒的过程，为后续使用开源硬件和物联网开展实验做好器材准备。为了实现传感器正确感知老人跌倒的过程，教师设计了“模拟跌倒检测实验单”，指导学生使用模拟跌倒装置、童芯派中的传感器和慧编程中的各种积木，测试编写的程序是否能检测到老人跌倒，并判断效果的优劣。通过实验，学生发现使用

“绕*轴角速度”积木的检测效果最佳，同时理解了陀螺仪和加速度计的科学原理。

在实现能够检测到老人跌倒的基础上，教师让学生两人一组，借助“物联原型设计”实验单（如图2），对“发送端”和“接收端”的数据流向进行梳理，从而理解物联原型中数据读取、发送、接收、汇集的过程。

在此基础上，学生尝试搭建物化的物联原型。教师通过“物联原型的物化实现”实验单（如图3）指导学生两人一组将童芯派接入无线网络，并使用慧编程中的“账号云广播”功能将发送端检测到的跌倒求助信息发送到接收端。对于学有余力的学生小组则在完成“1对1”发送求助信息的基础上，四人一组通过调整接收端账号实现“1对3”发送求助信息的功能。在实验过程中教师指导学生发现可能影响实验结果的问题，探索提高老人获救概率的创新方法。

开展实验的过程是一个持续迭代优化物联原型系统的过程，通过分析问题、规划算法、编写程序、物化实现和创新设计，学生深入理解传感器和物联网的科学原理，在实验中培养了信息意识、计算思维、数字化学习与创新能力，同时也切实感受到物联网在服务社会、改善人民生活中的积极作用，增强了信息社会责任感。

总结与展望

信息科技实验教学是学科实践的重要组成部分，为落实“科”与“技”并重的理念提供了方法和路径。信息科技教师在关注实验教学活动过程的同时，更应当关注前期的实验设计，在确保实验的有效性和可靠性基础上，帮助学生理解科学原理，进而提高实验的挑战性和创造性，为学生未来自主设计实验、创新创造实验奠定基础。

参考文献：

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