【摘 要】以學(xué)生為中心的信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)注重實(shí)踐體驗(yàn)，讓學(xué)生學(xué)會用科學(xué)的思維和方法解決問題，從而培養(yǎng)他們探究精神及高階思維。本文結(jié)合工作室實(shí)踐案例，從項(xiàng)目情境重構(gòu)、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)擬定、非良構(gòu)元素添加、軟硬件協(xié)同模擬及實(shí)驗(yàn)報告填寫等方面闡述了多維度創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法，培養(yǎng)學(xué)生高階思維的策略及途徑。

【關(guān)鍵詞】高階思維；信息科技；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

【論文編號】1671-7384（2024）011-050-03

教育家杜威認(rèn)為：實(shí)踐是一種使經(jīng)驗(yàn)更富成效的智慧。英國教育家斯特朗對課堂教學(xué)提出了“實(shí)驗(yàn)室教學(xué)法”。無論是教育部2019發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見》，還是2022新頒布的課程標(biāo)準(zhǔn)，都強(qiáng)調(diào)了科學(xué)原理和實(shí)踐應(yīng)用的結(jié)合。

信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種以學(xué)生為中心的教學(xué)方法，它強(qiáng)調(diào)學(xué)生在真實(shí)情境的項(xiàng)目任務(wù)中，通過實(shí)際操作和問題解決來驅(qū)動學(xué)習(xí)。在這種教學(xué)模式下，學(xué)生會在相應(yīng)的軟件或軟硬件系統(tǒng)環(huán)境中，不斷地提出假設(shè)并通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證問題解決方法，以達(dá)成目標(biāo)任務(wù)。這種教學(xué)方式特別注重學(xué)生親身體驗(yàn)和嘗試，即使面臨失敗和挫折，也鼓勵學(xué)生不斷探索和學(xué)習(xí)。正因?yàn)槠涑錆M了挑戰(zhàn)性和不確定性，信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為連接技術(shù)與素養(yǎng)培養(yǎng)的重要橋梁，有助于學(xué)生在實(shí)踐中提升信息素養(yǎng)和解決問題的能力。

指向高階思維的小學(xué)信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新是申報蘇州市基礎(chǔ)教育教學(xué)成果獎的重要內(nèi)容之一。圖形化編程類似積木塊的拼搭，提供了低門檻、適合小學(xué)生的信息科技實(shí)驗(yàn)軟器材，圍繞圖形化編程進(jìn)行信息科技實(shí)驗(yàn)，能夠提升學(xué)生高階思維。因此，我們進(jìn)行了一些有益的探索和實(shí)踐。

項(xiàng)目化情境重構(gòu)：凸顯實(shí)驗(yàn)任務(wù)意義，提升跨學(xué)科思維

實(shí)驗(yàn)的過程伴隨著目標(biāo)定位、試驗(yàn)驗(yàn)證的循環(huán)過程，其間生成的心流體驗(yàn)有利于學(xué)生對知識技能多維度的立體建構(gòu)與內(nèi)化，建立的諸多超級鏈接有助于學(xué)生今后的遷移及靈活應(yīng)用。項(xiàng)目化的情境創(chuàng)設(shè)賦予實(shí)驗(yàn)任務(wù)以真實(shí)意義，能夠有效觸發(fā)學(xué)生的探索欲望與學(xué)習(xí)動機(jī)。

“算法與問題解決”課例旨在讓學(xué)生體驗(yàn)算法思維在實(shí)際問題解決過程中的巧妙應(yīng)用，項(xiàng)目化重構(gòu)后的案例變身為“智能投票計(jì)數(shù)裝置”。教師先讓學(xué)生模擬對兩張航天電子小報無記名紙張投票，明確投票人數(shù)、唱票計(jì)票人員等分工后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄總用時數(shù)為20名學(xué)生用時1分20秒。隨后如何讓全校師生在更短時間內(nèi)更加準(zhǔn)確有效地分類統(tǒng)計(jì)投票總數(shù)成為新的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。真實(shí)情境中的問題都需要跨學(xué)科融合來解決，將圖形化編程的半成品程序中添加兩個“如果……那么……否則……”后，實(shí)驗(yàn)用時降為25秒。兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比使效率高低顯而易見。然而在質(zhì)疑評價環(huán)節(jié)問題迭出，諸如“如何設(shè)置不區(qū)分大小寫？”“如何限定總投票人數(shù)？”“如何統(tǒng)計(jì)無效票數(shù)？”“如何保護(hù)投票者隱私？”“統(tǒng)計(jì)結(jié)果怎樣用更生動有趣的方式發(fā)布”等。此項(xiàng)目本身從傳統(tǒng)的人工統(tǒng)計(jì)投票方式到計(jì)算機(jī)自動化解決的過程，是一個跨學(xué)科融合算法遷移的旅程。最后的拓展環(huán)節(jié)拋出新的棘手問題則是如何讓所有班級同時開始投票以節(jié)約更多時間，作為單元教學(xué)的一部分，需用光環(huán)板組成局域網(wǎng)完成各投票站的建設(shè)。此案例從傳統(tǒng)方法到信息科技的融合，從程序設(shè)計(jì)到光環(huán)板硬件的加盟，從單機(jī)實(shí)施到互聯(lián)網(wǎng)思維的融入，學(xué)生解決問題的思維在不斷的實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證與成長。

全過程深度參與：分解擬訂實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，培養(yǎng)計(jì)算思維

如何讓學(xué)生真正地沉浸在課堂創(chuàng)設(shè)的情境之中，同樣需要讓他們有自我掌控進(jìn)程的體驗(yàn)。如巡線清障機(jī)器人的創(chuàng)意來自學(xué)生，在他們編制了巡線機(jī)器人及避障機(jī)器人程序后，教師布置作業(yè)：能否整合相關(guān)傳感器，創(chuàng)意一個簡單而有趣的機(jī)器人項(xiàng)目，此項(xiàng)目入選后將成為全年級的機(jī)器人課程內(nèi)容。該課主題也是讓學(xué)生抽象分解兩個子項(xiàng)目（分別用兩個詞高度概括后生成），課間學(xué)生分別設(shè)計(jì)了巡線及清障的程序并在場地中脫線運(yùn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其間經(jīng)歷了諸如傳感器接錯端口或者接觸不良、程序子模塊中變量設(shè)置問題、讀取端口設(shè)置錯誤、沒有實(shí)施固件更新、條件語句數(shù)值設(shè)置不當(dāng)?shù)确橇紭?gòu)因素。由于一開始的視頻給出了機(jī)器人運(yùn)行的目標(biāo)效果，學(xué)生將機(jī)器人運(yùn)行結(jié)果跟視頻演示目標(biāo)不斷比對，找尋差距、修改代碼模塊，他們在反復(fù)的調(diào)試程序、上傳程序、機(jī)器人場地運(yùn)行過程中經(jīng)歷了失敗的體驗(yàn)，絕大部分小組都經(jīng)歷了3～5次的失敗。失敗應(yīng)該是信息科技實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，如果沒有經(jīng)歷失敗，那么實(shí)驗(yàn)是不完整的，甚至于不能稱之為實(shí)驗(yàn)。如果我們的教學(xué)都是一蹴而就的高效率，那么學(xué)生就不會遇到麻煩，沒有經(jīng)歷輾轉(zhuǎn)反側(cè)之后的柳暗花明，智慧也就無法生成。

該項(xiàng)目的實(shí)施是學(xué)生經(jīng)歷運(yùn)用計(jì)算思維解決問題的全過程。機(jī)器人的場地運(yùn)行結(jié)果，能夠?qū)⑼ㄟ^圖形化編程投射到主板上的自動化解決問題的思維過程顯性化，外化之后與項(xiàng)目最終目標(biāo)的差距就一目了然。學(xué)生的思考優(yōu)化及努力及時得到試驗(yàn)反饋，而老師要做的是將學(xué)生拖拽入這個慢慢接近問題解決的正向螺旋之中，使其沉浸其中欲罷不能。

當(dāng)然教師還要做好課堂節(jié)奏的掌控。當(dāng)學(xué)生經(jīng)歷了夠多的失敗急切需要尋求教師幫助之時，當(dāng)課堂離下課鈴聲響起不遠(yuǎn)之刻，及時介入引領(lǐng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，走向成功的彼岸。

非良構(gòu)元素添加：構(gòu)建沉浸式實(shí)驗(yàn)情境，提升解決問題能力

真實(shí)生活中的問題都是劣構(gòu)的，解決路徑策略不清晰，甚至目標(biāo)本身還有變量存在。如果課堂上為了所謂的效率而不讓學(xué)生親身經(jīng)歷問題的抽象分解及模式的假設(shè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程，那么在遇到類似問題時，學(xué)生獨(dú)立解決的可能性是存在疑問的。

在機(jī)器人利用避障傳感器智能駕駛的拓展課上，學(xué)生自己搭建機(jī)器人競賽的場地，自己確定實(shí)驗(yàn)場景及目標(biāo)，自己掌控假設(shè)實(shí)驗(yàn)迭代的全過程，其間學(xué)生在場地及計(jì)算機(jī)之間往返。有學(xué)生稱：要設(shè)計(jì)一個有思想的機(jī)器人！由于實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)也是課堂上征集所得，包括教師在內(nèi)都無法預(yù)知最佳的程序樣態(tài)。學(xué)生小組協(xié)作不斷添加修補(bǔ)程序，甚至推倒重來。

學(xué)生在搭建S型的智能駕駛場景，用單個超聲波傳感器無法讓小車一次性準(zhǔn)確高速通過時，提出“二郎神”機(jī)器人的組裝設(shè)想，即給機(jī)器人安裝三個超聲波傳感器，相鄰兩個呈120度角，用3D建模打印支架，當(dāng)前面遇到障礙物時，最左邊傳感器跟最右邊傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，引領(lǐng)機(jī)器人小車往空曠處行進(jìn)。其間學(xué)生分別用1～3個超聲波傳感器在場地中實(shí)驗(yàn)行進(jìn)，評比出性價比最高的機(jī)器人智能行駛方案。而學(xué)生搭建的“回字型”智能駕駛場景，程序相對簡單，就有學(xué)生提出要適應(yīng)不規(guī)則環(huán)形迷宮，且將通過時間作為評價要素，于是又進(jìn)入新一輪圖形積木的堆疊及參數(shù)的修改螺旋之中。

軟硬件協(xié)同：模擬解決問題過程，給課堂添加工程思維

智能文明時代，無論互聯(lián)網(wǎng)還是人工智能技術(shù)，其對于各行業(yè)的快速滲透，都離不開軟硬件協(xié)同的系統(tǒng)思維，而這種系統(tǒng)思維能力即是工程思維。我們的課堂需要讓學(xué)生體驗(yàn)工程師解決問題的過程。課堂上每一次軟硬件的協(xié)同共進(jìn)，每一個“問題沼澤”的跨越都伴隨著思維能力的提升。

如“夜間手勢智能控制燈”目標(biāo)指向晚上起夜如何快速開啟臥室及大廳等燈光。對于目標(biāo)的解析，各組學(xué)生的答案五花八門。有的學(xué)生準(zhǔn)備用AI語音智能控制，也有的學(xué)生用人體感應(yīng)技術(shù)。由于剛在Arduino UNO 板上用過數(shù)字避障傳感器，有的學(xué)生提出用兩個數(shù)字避障傳感器，一個負(fù)責(zé)開，另一個則負(fù)責(zé)關(guān)。產(chǎn)品的優(yōu)劣自然通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。在第一課時我們讓這些產(chǎn)品制作組外的學(xué)生，作為使用者進(jìn)行質(zhì)疑、挑刺并評價。AI語音控制的缺點(diǎn)顯而易見，晚上發(fā)聲會驚擾他人，且普通話不標(biāo)準(zhǔn)即無法識別；人體感應(yīng)及單個數(shù)字避障傳感器則容易誤觸發(fā)。最后確定新的創(chuàng)意目標(biāo)是制作手勢控制智能燈。這需要用Scratch程序控制舞臺“燈光”及Arduino板接LED的亮滅，且需要正確安裝兩個數(shù)字避障傳感器在一個相距10cm左右的平面上。實(shí)驗(yàn)初期，先讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)屏幕內(nèi)外的燈光協(xié)同控制，此時往往會出現(xiàn)顧此失彼，LED燈亮了，舞臺燈光沒變化，或者反之，也有LED駁接腳與程序不一致等諸多問題。實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)則在于確認(rèn)在短時間內(nèi)依次觸發(fā)兩個避障傳感器的程序表達(dá)，此時有的學(xué)生的實(shí)驗(yàn)程序在第一個傳感器觸發(fā)后會用到計(jì)時器，如果“第二個傳感器觸發(fā)”且“計(jì)時器<0.5秒”就開燈，最后實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示很難觸發(fā)，按流程解析的原因是在第二個條件語句中只判斷了一次，經(jīng)歷多次實(shí)驗(yàn)爬“坑”體驗(yàn)，最后相對完美的程序是——添加“重復(fù)執(zhí)行直到計(jì)時器<0.5秒”。在第一傳感器觸發(fā)后的0.5秒內(nèi)多次探測第二傳感器是否被觸發(fā)，最后重復(fù)執(zhí)行時間也是對于多個樣本時間精力多次實(shí)驗(yàn)后確定的。此時有的學(xué)生覺得0.5秒很快或許也就執(zhí)行1～2次，此時適時提出如何計(jì)算0.5秒內(nèi)的循環(huán)次數(shù)又成了新的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

即便如此，還有學(xué)生質(zhì)疑白天也可能觸發(fā)，于是在模擬端添加光線傳感器。產(chǎn)品的迭代一直在路上，學(xué)生在每次取得小小的成功之時就要面對質(zhì)疑和批評，一次次對于作品的自我否定，無疑是一種痛苦的旅程，然而這也是每一位工程師都經(jīng)歷過的。

實(shí)驗(yàn)報告填寫：反思促進(jìn)隱性知識外化，增加質(zhì)疑評價環(huán)節(jié)

隱性知識通常指的是那些難以言傳的技能、經(jīng)驗(yàn)和直覺。在信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)報告是一個重要的工具，可以有效地促進(jìn)隱性知識外化，通過實(shí)驗(yàn)報告的書寫和分享，學(xué)生可以將這些隱性知識轉(zhuǎn)化為顯性知識，從而更好地理解和掌握。我們鼓勵學(xué)生使用圖表和可視化工具分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期差異；詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)過程和思考，并在小組及組間進(jìn)行討論與分享。其間教師適時反饋和指導(dǎo)并建立實(shí)驗(yàn)報告檔案庫，以供其他學(xué)生實(shí)驗(yàn)遇到非良構(gòu)問題時參考。

如“PicoBoard 互動——黃山日出”課后拓展模塊要求學(xué)生寫科技小作文，回顧自己的經(jīng)歷并編制改用按鈕控制日出的程序。有的學(xué)生如是說：“課中一開始遇到的攔路‘虎’是如何將控制板滑竿傳感器0至100的控制區(qū)間擴(kuò)大到Scratch舞臺縱向的-180°至180°，后來反復(fù)實(shí)驗(yàn)，通過區(qū)間下移然后再擴(kuò)大的表達(dá)式解決。拓展環(huán)節(jié)又卡在了用滑竿同時控制兩個角色相向而行上……老師要我用一句話總結(jié)感受，我覺得編程的盡頭是數(shù)學(xué)。課后，我自己還產(chǎn)生了一些思考。Picoboard不僅僅有滑竿一個傳感器。在這個程序中，它可以替換成其他傳感器嗎？光線和聲音傳感器的使用存在許多客觀因素，我們無法完全操縱，勢必會導(dǎo)致太陽升降的不穩(wěn)定性，達(dá)不到詩朗誦動態(tài)背景的制作要求。那么就只剩下按鈕傳感器了。不過按鈕傳感器和滑竿傳感器有著很大的區(qū)別，恐怕要添加變量來控制太陽的升降，這個問題需要我大量的思考?！币陨掀我詫W(xué)生視角記錄了其在實(shí)驗(yàn)中用不同傳感器制作“日出”詩朗誦背景的思考過程和實(shí)驗(yàn)中的直覺判斷，在40分鐘的真實(shí)“爬坑”體驗(yàn)中，學(xué)生的反思有助于將隱性知識明確化，而知識的顯性化顯然有助于學(xué)生有效內(nèi)化建構(gòu)及今后的遷移運(yùn)用。

存在的問題及展望

中國知網(wǎng)CNKI關(guān)于“信息科技、實(shí)驗(yàn)教學(xué)”的檢索，2012—2022年僅有2篇，2023年至發(fā)稿前也不足二十篇，信息科技實(shí)驗(yàn)作為高階思維培養(yǎng)的重要途徑，相關(guān)研究顯然尚處起步階段。知網(wǎng)論文數(shù)量也反映了目前我們的信息科技實(shí)驗(yàn)開出率偏低現(xiàn)狀。當(dāng)然這里有課程滯后、實(shí)驗(yàn)器材不到位的因素，也有教師信息科技實(shí)驗(yàn)理念意識、專業(yè)技能實(shí)踐方法的問題?；谌珖行W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)精品課案例分析，評分較低的案例占80%，較高的僅17.3%，中小學(xué)信息科技實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新水平亟待提升[1]。

多變的時代需要更多樣的學(xué)習(xí)方式，作為一線教師要努力建構(gòu)校本特色的數(shù)智課程，整合應(yīng)用大語言模型助力實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新與實(shí)踐，讓學(xué)生在數(shù)智課程花更多的時間去實(shí)踐探討，去親身經(jīng)歷從失敗慢慢走向成功的心路歷程，使信息科技“科”與“技”并重的理念充分體現(xiàn)，學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)真正落地。

注：本文系江蘇省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃 2021 年度課題“發(fā)現(xiàn)性學(xué)習(xí)及其支持體系建構(gòu)研究”（項(xiàng)目編號：D/2021/02/778）研究成果

參考文獻(xiàn)

張海南，劉強(qiáng)，郭曉萍，等. 中小學(xué)信息學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐與創(chuàng)新水平研究： 基于全國中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)精品課案例分析[J]. 中國電化教育，2024（4）： 99-104.