摘要：在《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中，“跨學科”一詞被多次提及。在實際教學中，它主要基于主題展開，強調(diào)跨學科概念的整合與應用，重視學生的學習體驗。因此本文提出，面對信息科技學科核心素養(yǎng)中新增的“科學”取向，對跨學科教學設(shè)計模式的研究需從宏觀的系統(tǒng)性教學設(shè)計層面規(guī)劃，以中觀的教學模式界定主題單元，并開展微觀的單元教學活動，最終通過課堂實驗檢驗其有效性。

關(guān)鍵詞：信息科技；跨學科；教學設(shè)計模式

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）21-0040-05

信息科技跨學科教學的內(nèi)涵

“信息科技跨學科”可以定義為“體現(xiàn)信息科技的手段與目標屬性[1]，師生共同整合不同學科（一門或一門以上）的內(nèi)容，綜合理解并構(gòu)建新的方法以解決復雜問題的過程”。因此，信息科技跨學科教學可基于主題單元及具體活動組織開展。主題單元圍繞跨學科主題設(shè)計，具備自身的活動特征，側(cè)重不同學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)[2]，不同主題單元間通過主題概念聯(lián)系起來。單元活動并非限制于一節(jié)課完成，可以通過多課時的主題單元組合實現(xiàn)。

信息科技跨學科教學設(shè)計模式的研究

面向核心素養(yǎng)的信息科技跨學科教學KEflIuTA0Ajae3OLsG4CIg==設(shè)計模式研究需從宏觀的系統(tǒng)性教學設(shè)計層面規(guī)劃。筆者采用ADDIE模型[Analysis（分析）、Design（設(shè)計）、Development（開發(fā)）、Implementation（實施）、Evaluation（評價）][3]開展了相關(guān)教學設(shè)計。

1.分析階段

（1）學習者特征分析

本研究以初二學生為實驗對象，其認知思維普遍處于形式運算階段，他們具備假設(shè)、推理與演繹的能力，具有較強的學習動機，對協(xié)作探究的學習活動有較高的參與性。教師在開展相關(guān)活動時，既要為學生提供問題引導或任務說明等實時支架，又要提倡多樣化的互動形式，以滿足學生的學習需求。經(jīng)過初一學段的學習，學生已具備一定的圖形化編程基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)搭建及故障診斷經(jīng)驗，適應了軟硬件結(jié)合的學習環(huán)境，因此，教師可由“互聯(lián)”自然過渡到“物聯(lián)”。

（2）跨學科拓展性分析

本研究采用浙教版初中信息科技教材，根據(jù)教材中的模塊主題，分析其跨學科拓展的可行性。對于支持拓展的模塊主題，可以將其中的相關(guān)內(nèi)容先轉(zhuǎn)換為主題核心概念[4]，如“物聯(lián)原型的設(shè)計”“物聯(lián)原型的編寫與運行”等，然后再在后續(xù)階段整合其他學科概念，確定具體的跨學科主題。

（3）學習需求分析

學習需求包含基礎(chǔ)學習需求與高級學習需求。對所跨學科間知識概念、技能的掌握是基礎(chǔ)學習需求；跨學科整合所形成的新規(guī)律、新方法是高級學習需求，對應學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。[5]

（4）內(nèi)容來源分析

內(nèi)容來源由學生的學習需求決定，除基礎(chǔ)來源外，還應包含助力創(chuàng)新的拓展來源?；A(chǔ)來源指教材中對學科概念的描述及相應活動案例。拓展來源是支持學生協(xié)作探究、反思提升、靈感遷移，助力方案設(shè)計與作品完成的各類資源工具。

2.設(shè)計階段

（1）教學原則設(shè)計

①整合性原則。在選用跨學科交叉內(nèi)容時，應體現(xiàn)整合性原則，圍繞主題核心概念編排跨學科概念，形成跨學科主題概念框架，保證各主題單元間多重活動的科學銜接與開展。此外，問題或任務的設(shè)計應體現(xiàn)多學科概念向跨學科概念的過渡。[6]

②情境性原則。主題下具體問題或任務的產(chǎn)生都要基于情境。在設(shè)計單元活動內(nèi)容時，應體現(xiàn)情境性原則，強調(diào)將跨學科概念還原于豐富的日常生活場景，并與學生經(jīng)驗相契合。應尋找契合于真實情境需求的問題發(fā)掘點或任務突破點，借助適合的資源與支架呈現(xiàn)教學活動。

③主體性原則?？鐚W科主題學習強調(diào)學生在主題情境引導下不斷主動發(fā)現(xiàn)與解決問題，完成主題任務。主題情境為學生主動探究與創(chuàng)造提供了必要線索，讓學生能夠激活相關(guān)認知結(jié)構(gòu)中的已有經(jīng)驗，同化和索引學科概念，在跨學科學習過程中建構(gòu)跨學科認知體系，從新角度賦予學科概念以深層意義。

④實踐性原則。跨學科主題學習是認識與實踐相互促進的過程，學生的認識從感性認識上升到理性認識，學科間概念不斷與最新的實踐經(jīng)驗建立聯(lián)系，實現(xiàn)跨學科概念的內(nèi)化與重組，以及概念間關(guān)系的調(diào)整。學生在每節(jié)課結(jié)束時均需完成作品，實現(xiàn)方案到作品的轉(zhuǎn)化，結(jié)合自主發(fā)揮與團隊協(xié)作，跨學科規(guī)律與方法得到積極調(diào)用與組合。[7]

（2）主題單元界定

本研究采用契合問題探究、實踐創(chuàng)造、協(xié)作學習特征的“5E”教學模式幫助界定主題單元，其中包含參與、探究、解釋、精致和評價五個環(huán)節(jié)[8]，如圖1所示。

（3）活動類型劃分

不同主題單元的活動理念、學習方式等均存在差異，教師需要根據(jù)不同的培養(yǎng)目標安排活動類型，形成循序漸進、深入探索的多重學習活動，滿足學生的不同學習需求?；顒宇愋团c主題單元對應關(guān)系如下頁表所示。

3.開發(fā)階段

（1）跨學科交叉內(nèi)容選取與跨學科主題確定

教學內(nèi)容的深度開發(fā)需考慮知識粒度與分科教學安排，著重體現(xiàn)主題概念中的信息科技核心概念。[9]從硬件層面的物聯(lián)設(shè)備連接及軟件層面的圖形化編程配置出發(fā)，以物聯(lián)原型運行為目標，以顯示區(qū)域的坐標設(shè)定，溫濕度、氣壓、光照強度等的實時測量，設(shè)備串并聯(lián)，乃至影響氣壓的因素分析，反射與折射光線的強度比較等為跨學科結(jié)合點，對信息科技、物理、數(shù)學學科教材進行細致研究，尋找支持信息科技核心概念的章節(jié)內(nèi)容，如浙教版七年級下冊信息科技教材中的《走進物聯(lián)網(wǎng)》《傳感器的應用》《物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議》《物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的獲取》《物聯(lián)網(wǎng)控制與反饋》《物聯(lián)系統(tǒng)原型設(shè)計》《物聯(lián)系統(tǒng)原型實踐》，人教版八年級物理教材中的《溫度》《光的反射與折射》《大氣壓強》及九年級全冊中的《串聯(lián)和并聯(lián)》《電磁繼電器》，人教版七年級下冊數(shù)學教材中的《平面直角坐標系》《坐標方法的簡單應用》。最終，確定“校園環(huán)境檢測——物聯(lián)原型搭建初體驗”為跨學科主題。

（2）主題概念框架梳理

以導圖建構(gòu)和原型設(shè)計為基礎(chǔ)，通過硬件層面的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接，結(jié)合軟件層面的Mind+圖形化編程，配套行空板、MQTT-py、pinpong官方庫進行代碼編寫、設(shè)備配置等一系列探究實踐。以此為主線，以設(shè)備串并聯(lián)、繼電器的使用及多源數(shù)據(jù)呈現(xiàn)為創(chuàng)意實現(xiàn)的主要方式，支持功能拓展、個性化控制及多源數(shù)據(jù)分析。經(jīng)相關(guān)學科教師協(xié)作整理的“物聯(lián)原型搭建”跨學科主題概念框架如圖2所示。

（3）跨學科核心素養(yǎng)目標細化

①能夠根據(jù)主題任務，設(shè)計任務解決方案和步驟。將思維導圖、算法流程圖和三種程序結(jié)構(gòu)（順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)）的經(jīng)驗遷移到“校園環(huán)境檢測——物聯(lián)原型搭建初體驗”方案設(shè)計中，清晰表達傳感器、服務器、訂閱接收器與主題訂閱、主題發(fā)布、主題接收之間的聯(lián)系，并結(jié)合物理與數(shù)學學科知識概念與技能，配合電路中基本的串并聯(lián)的特征與區(qū)別、平面直角坐標系的構(gòu)成及作用，開展物聯(lián)原型的設(shè)計。（信息意識、計算思維、物理觀念、數(shù)學抽象）

②綜合運用信息科技與其他學科知識概念與技能，實施解決方案，搭建出不同功能物聯(lián)原型：利用串并聯(lián)規(guī)律，探索硬件設(shè)備在正常運行情況下，滿足不同場合需求的多樣化連接方式，助力物聯(lián)原型的調(diào)試，并使用Mind+圖形化編程軟件，基于pinpong擴展庫配置傳感器，基于行空板擴展庫確定接收到的主題消息的顯示位置、顯示值，基于MQTT-py庫確定訂閱主題的名稱路徑及傳感器需要發(fā)布的主題消息。（數(shù)字化學習與創(chuàng)新、科學思維、科學探究）

③通過讀取并處理含有物聯(lián)功能的設(shè)備中的數(shù)據(jù)，進行適當反饋和控制。運用平面直角坐標系定位對象，保證行空板屏幕的顯示效果，根據(jù)需要，利用圖形化編程軟件、流程圖及思維導圖，培養(yǎng)結(jié)構(gòu)化的信息習慣。（信息社會責任、邏輯推理、直觀想象）

（4）活動過程整合性開發(fā)

①參與單元。A.創(chuàng)設(shè)情境，情境互動：播放科普視頻《平面直角坐標系的誕生》《由互聯(lián)網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)》，鼓勵學生記錄并思考。B.舊知導入，新舊聯(lián)想：引導學生由前一輪學習的“數(shù)軸”及之前學習過的“互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)”概念，自然過渡到本節(jié)課要學習的“平面直角坐標系”及“物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)”概念。C.問題聚焦，確定主題：通過“物聯(lián)網(wǎng)能連接數(shù)字和現(xiàn)實世界，極大地加強了我們對現(xiàn)實世界的掌控程度，視頻中出現(xiàn)了哪些物聯(lián)形式呢？”“同學們想不想自己搭建校園物聯(lián)網(wǎng)呢？”等問題聚焦，代入“校園環(huán)境檢測——物聯(lián)原型搭建初體驗”主題。

②探究單元。A.每組5人，隨機分組。B.任務要求，任務準備：為學生提供探究過程所需的各類資源與支架（包含引腳連接說明、物理量的描述、行空板使用說明、pinpong庫說明、平面直角坐標系圖解）。教師演示，引導學生連接一組最基本的主機—行空板—傳感器的原型結(jié)構(gòu)，更新與呈現(xiàn)變量值，進行初步嘗試。接著，提供新支架（物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、MQTT協(xié)議模型與拓展庫、流程圖圖解），提出任務要求，即本節(jié)課要進行不同功能物聯(lián)原型的設(shè)計，形成導圖方案。C.組織啟發(fā)，頭腦風暴：采用前述支架，組織學生頭腦風暴。提示學生可按照偏好傳感器進行分工，或按照偏好的“Mind+”拓展庫進行分工，還可按照面向?qū)D方案的職責（如繪制流程圖、跨學科概念挖掘、跨學科關(guān)聯(lián)分析等）進行分工。D.引導探究，任務探究：學生開始探究并形成設(shè)計方案。教師可引導學生將物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與MQTT協(xié)議模型整合，引導學生在流程圖中全面表達順序、循環(huán)與選擇結(jié)構(gòu)，并與思維導圖整合。保證設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)性與系統(tǒng)性。E.答疑解惑，量規(guī)自評：學生在遇到困難時，可以內(nèi)部溝通或請教教師，同時開展量規(guī)自評。

③解釋單元。A.鼓勵交流，展示交流：鼓勵代表展示小組方案導圖，鼓勵組員評價他組作品優(yōu)缺點。B.實時點評，量規(guī)互評：教師實時點評以引導學生的討論方向，便于學生側(cè)重分析不同功能原型，或同一功能原型下不同邏輯的程序流程，并要求學生開展量規(guī)互評。C.分析小結(jié)，保留懸念：圍繞信息科技核心概念做出小結(jié)，提出問題——下節(jié)課，大家想不想編寫程序并運行我們設(shè)計的原型？

④精致單元。A.情境發(fā)散，情境遷移：這堂課，我們將依據(jù)設(shè)計方案，進行物聯(lián)原型的編寫與運行。會用到MQTT-py庫，有沒有哪位同學能上臺演示？B.問題聚焦，聚焦思考：在演示結(jié)束后，結(jié)合舊概念引導學生回答“初始化MQTT模塊需要配置哪些信息？”“哪個設(shè)備既作為服務器中介，同時又作為訂閱接收設(shè)備？”等問題。啟發(fā)學生記錄并思考。C.任務要求，任務準備：教師提醒學生，這節(jié)課主要圍繞“物聯(lián)原型的編寫與運行”個性化小組主題開展活動。提出“基于前課設(shè)計方案，編寫與運行各自小組物聯(lián)原型”的任務要求，發(fā)放“作品說明表”。D.組織啟發(fā)，頭腦風暴：教師為學生提供各類資源與支架（包含前課支架及MQTT-py庫說明、串聯(lián)并聯(lián)方式說明），組織頭腦風暴。啟發(fā)學生探索傳感器的串并聯(lián)連接方式，小組可按照“作品說明表”給出的原型線路展示、思維導圖展示、圖形化程序展示等角度重新分配任務。E.任務分層，探索遷移：學生開始探索物聯(lián)原型的創(chuàng)意實現(xiàn)。教師進行任務分層，提供“繼電器的運行原理”支架，引導學生探索繼電器與水泵串聯(lián)的任務，實現(xiàn)物聯(lián)控制反饋，拓展跨學科框架（思維導圖）。鼓勵有能力的學生探索串聯(lián)或并聯(lián)傳感器對數(shù)據(jù)采集速度、準確度的影響。繼續(xù)鼓勵有能力的學生利用matplotlib、pandas等庫開展多源數(shù)據(jù)分析，探索氣壓和溫度、濕度間關(guān)系，或直射、反射、折射光線的強弱變化，并開展原型調(diào)試。學生遇到困難可以內(nèi)部溝通或請教教師，同時完善并上交量規(guī)。

⑤評價單元。教師鼓勵學生代表進行小組物聯(lián)原型展示，代表可結(jié)合“作品說明表”表達。教師公布量規(guī)評價結(jié)果，并進行總結(jié)分析。學生在觀察的基礎(chǔ)上，比較分析個人及小組在本次跨學科主題學習活動中的優(yōu)勢與不足，改進原型作品，反思活動表現(xiàn)。

4.實施階段

實施階段可以與準實驗研究法相結(jié)合。從廣義上講，它是指準實驗研究中的“確定研究問題”“設(shè)計實驗方案”“數(shù)據(jù)收集”“數(shù)據(jù)分析”“結(jié)果解釋”全部環(huán)節(jié)。但從狹義的角度講，分析階段對應“確定研究問題”環(huán)節(jié)，設(shè)計、開發(fā)階段對應“設(shè)計實驗方案”環(huán)節(jié)，實施階段對應“數(shù)據(jù)收集”環(huán)節(jié)，評價階段對應“數(shù)據(jù)分析”“結(jié)果解釋”環(huán)節(jié)。

5.評價階段

通過定量分析量規(guī)數(shù)據(jù)，能夠驗證信息科技跨學科教學設(shè)計模式的科學性與“校園環(huán)境檢測——物聯(lián)原型搭建初體驗”跨學科主題教學案例的可行性。從相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，不同組別樣本對信息意識、計算思維、數(shù)字化學習與創(chuàng)新維度均呈現(xiàn)出顯著差異（p＜0.05），這既可證明跨學科主題教學案例使不同水平學生的信息科技核心素養(yǎng)都得到較大發(fā)展，也可證明本文提出的信息科技跨學科教學設(shè)計模式較科學，可以進行推廣。

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本文系沈陽市教育科學“十四五”規(guī)劃2023年度課題“初中信息技術(shù)課程跨學科主題學習活動設(shè)計與實踐研究”（課題編號：2023-36）的階段性研究成果。