指向原理探究的信息科技实验教学设计与实施

教育部发布的《关于加强和改进中小学实验教学的意见》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^[1]。《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”）指出，信息科技是现代科学技术领域的重要部分，主要研究以数字形式表达的信息及其应用中的科学原理、思维方式、处理过程和工程实现^[2]。课程内容注重科学原理和实践应用并重，强调以科学原理指导实践应用，促进学生对基本概念和基本原理的理解。可见，科学原理是信息科技学科的重要内容。同时，课标也强调要运用线上实验、模拟、仿真等方式，引导学生自主学习、合作学习，所以，实验教学成为信息科技学科突破科学原理学习的重要途径。

在此背景下，信息科技实验教学也在不断探索之中。综合分析本区域教师的实验教学案例，我们认为信息科技实验教学主要需要面对四个问题。一是实验设计的开放性不够，教师提供了良构的问题情境，让学生经历了教师设计好的实验过程，没有给予学生开放性解决问题的空间；二是实验活动的探究性不深，学生经历的实验活动存在有“实践”缺“学习”的现象，实践过程没有遵循科学原理产生、发展的探究规律，没有驱动学生的深度探究学习；三是实验资源的数字化不足，实验教学对学习环境和数字资源有较高要求，但在实际教学中存在数字平台、数字资源、硬件设备不足等现象，不能支持学生设计开放性的探究实验；四是实验过程的反思性不强，在实验过程中教师提供的学习支架没有很好地启发学生自主探究和主动反思。为此，指向原理探究的实验教学需要引导学生在问题解决中经历原理建构、应用的探究过程，并提供充分的实验资源，从而帮助学生建构科学原理，促进数字素养与技能的提升。

一、指向原理探究的信息科技实验教学设计要点

信息科技实验探究的过程，是真实问题解决的过程，也是学科知识建构的过程。学生既是在实践探究中学习，又是在学习中实践探究，“实践”的过程包含着“学”，实践的过程和知识建构的过程是高度关联的。指向原理探究的实验教学在设计过程中要关注指向问题解决的实验主线、基于原理探究的实验路径、支持多样设计的实验资源、促进原理理解的实验评估，以此促进实验教学的有效实践。

（一）指向问题解决的实验主线

在数字时代，信息科技实践应用无处不在。实践应用背后蕴藏着丰富的基本概念和基本原理，理解基本概念和基本原理能帮助学生科学认识和选择实践应用。在实验教学中，教师要从信息科技实践应用出发，基于学生的生活经验和知识储备，创设与现实生活、社会实践相关联的真实问题情境，以开放的问题解决为主线设计实验教学，以问题解决驱动学生的主动性，在持续的实验探究中建构和理解原理。

（二）基于原理探究的实验路径

课标倡导注重以科学原理指导实践应用，探索“场景分析—原理认知—迁移应用”的教学，从生活中的信息科技场景入手，引导学生发现问题、提出问题，在已有知识的基础上分析、探究现象的机理，学习、理解相应科学原理，尝试用所掌握的原理解释相关现象或解决相关问题^[3]。在实验教学中，教师要充分尊重原理探究的过程，引导学生在场景分析中设计实验，在原理认知中开展实验，在迁移应用中评估实验。

（三）支持多样设计的实验资源

课标提出，要注重把握数字化学习的特点，合理利用数字平台、工具和资源，开展探究性学习，创造性地解决问题。信息科技不同的课程内容模块指向的科学原理是不同的，针对不同的科学原理需要的数字平台、实验器材和学习资源也应不同。为支持学生创造性地解决问题，教师需要依据课程模块内容特点，建设数字平台和开发数字工具，准备多样的硬件器材，设计丰富的学习资源，支持学生进行验证性、探究性、创新应用性和仿真性实验设计。

（四）促进原理理解的实验评估

学习评价是检验学生明确实验目标、设计实验过程、开展实验活动、梳理实验结果成效的重要抓手。为有效评价学生对科学原理的理解，教师需要从实验设计、实验活动、实验结果等实验开展的全过程设计过程性评价和总结性评价，将评价贯穿整个实验探究过程。教师还要积极发挥评价的促学功能，依托数字化学习平台的优势，实时反馈学生学习的达成情况，调整对学习的组织和指导策略，引导学生开展过程性反思并完善改进。

二、指向原理探究的信息科技实验教学实施路径

指向原理探究的信息科技实验教学要遵循科学原理和实践应用并重的原则，基于原理认知的形成过程设计实验教学路径：在场景分析中明晰原理，在实验设计中感知原理，在实验活动中理解原理，在实验评估中迁移原理。下面，笔者结合浙江教育出版社《小学信息科技》五年级下册第二单元“过程与控制”的“控制系统的三个环节”一课，阐述具体路径。

（一）应用场景分析，明晰原理

教师在设计信息科技实验前，首先，要明确实验教学的学习目标，对学科知识进行结构化梳理，明晰实验要探究的科学原理。其次，要以科学原理为引领，联结真实世界，形成与其相关联的问题情境域，依据学生的认知发展规律，选择信息科技实践应用场景。最后，从实践应用出发，引导学生发现问题、提出问题，明确实验目标。

“过程与控制”单元内容包括认识控制系统、控制系统的三个环节和体验控制系统三部分。“控制系统的三个环节”一课的主要内容包括控制系统的运作和控制系统的三个环节。其中，控制系统的三个环节是实验所要探究的科学原理。在日常生活中，学生对控制系统有一定的感知与体验，考虑到五年级学生的认知水平和发展特点，他们适宜探究的是相对简单的控制系统。因此，本课选择了“灯光控制系统”为项目主题，引导学生观察并思考不同应用场景中的灯光系统，给予学生开放的问题解决空间，驱动学生提出每个小组所要解决的问题（如图1）。为解决这些问题，学生共同聚焦核心问题“生活中的控制系统是如何运作的”，并明晰要探究的原理，也就是控制系统的三个环节：输入、计算和输出。

（二）设计实验方案，感知原理

在信息科技实验教学中，学生可以通过自主设计实验和进行实践探究，发现问题、提出假设并进行实验验证，以达到对问题的深入理解^[4]。在引导学生设计实验方案时，教师要凸显学生的学习主体地位并充分调动他们的学习主动性。首先，要提供多样化的信息科技实践应用场景，满足学生选择不同场景开展原理探究；其次，要提供丰富的数字平台、实验器材或学习资源，支持学生开展个性化实验设计；最后，要设计开放性的实验设计单，给予学生个性化、创造性解决问题的空间。

每个小组根据灯光控制系统的不同实践应用场景，提出了所要解决的问题，以此驱动学生去探究科学原理。为支持学生根据实际需要个性化地设计实验方案，教师设计了开放性的实验设计学习单（如图2），便于学生以问题为驱动，选择相应的器材，自主设计实验方案；教师提供了控制器、传感器、执行器等丰富的实验器材，每个小组可根据需要选择；教师还为学生提供了在线协同的数字工具，以支持学生设计实验方案。

（三）开展实验活动，理解原理

信息科技是一门实践性较强的课程，学生只有动手实践、探索和解决问题，才能真正理解其中的科学原理，才能学以致用^[5]。实验过程是学生从应用场景走向探究原理的过程，是探析现象背后的机理、理解科学原理的过程。因此，为支持学生有效开展实验活动，教师既要组织学生经历由表及里、由具体到抽象的实验探究过程，又要指导学生在实验活动中观察现象、记录数据、分析数据和应用数据，还要在整个探究过程中引导学生开展自我反思与评价。

学生通过两个实验活动来探究和理解控制系统的三个环节。

在第一个实验活动中，学生根据小组设计的实验方案，选择相应的实验器材，组建实验装置，以不同的实验方式改变外部条件，如改变压力值时，通过增加或减少硬币的方式来采集数据，并将实验数据通过在线协同的方式汇集（如图3）。

注：传感器完成数据采集后，数据处理方式通常分为两类。一类是对采集的数据进行转换，以输出具有实际物理意义的真实值；另一类则是直接输出未经转换的数据，可以是模拟值或数字值。

实验数据采集后，学生通过分析不同类型的传感器会获取不同的数据，发现不同的测试方式会有不同的执行结果，从而抽象出“输入是控制系统运作的环节，输出是控制系统运作之后的结果”的结论。在此基础上，教师顺势引导学生思考“输入与输出之间发生了什么”，从而引出实验二。

在第二个实验活动中，学生通过改变程序代码中的阈值，以不同的实验方式改变外部条件，并将实验数据记录在协同表中（如图4）。学生在对比实验中理解判断条件会影响灯的状态变化，如灯的亮灭、灯的颜色等，从而得出计算是控制系统的干预环节。最后，师生小结得出控制系统的三个环节是输入、计算和输出。

（四）评估实验效果，迁移原理

通过原理探究，学生在实验活动中理解了应用场景所蕴含的科学原理。迁移应用则是在此基础上，运用所掌握的原理解释不同的应用场景或解决新的问题。在设计时，教师不仅要注重学习活动的完整性，让学生总结实验结论，归纳解决问题的方法，并将其迁移到其他问题的求解中，还要关注对实验活动开展过程的评价，将实验目标转化为学习评价目标，将评价前置，引导学生明确实验目标和过程，力求达到“教—学—评”一体化。

为帮助学生评估实验探究效果，迁移应用原理，教师设计了相应的表现性评价量表，主要考查的是学生对控制系统三个环节的探究过程和理解（见表1）。

迁移应用环节考查的是学生运用科学原理解决问题的能力，采用作业评价的方式开展。学生基于各组要解决的实际问题，运用控制系统三个环节描述解决问题的步骤（见表2）。

三、结语

指向原理探究的信息科技实验教学是突破科学原理学习的重要途径。教师要充分理解信息科技实验教学的内涵，关注四个设计要点：指向问题解决的实验主线，提供多元探究的实验资源，基于原理探究的实验路径，促进原理理解的实验评估。在实施时，教师要遵循科学原理和实践应用并重的原则，让学生在场景分析中明晰原理，在实验设计中感知原理，在实验活动中理解原理，在实验评估中迁移原理，从而助力学生核心素养的发展，实现信息科技课程的独特育人价值。

参考文献

[1] 教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见[EB/OL].（2019-11-22）[2024-10-15].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A06/s3321/201911/t20191128_409958.html.

[2][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[S].北京：北京师范大学出版社，2022．

[4][5]魏雄鹰.加强信息科技实验教学，发挥信息科技育人价值[J].教育与装备研究，2024（2）：12-15．

责任编辑：牟艳娜