信息科技实验教学探析与实施方略

摘要：信息科技实验教学作为中小学科学教育的重要组成部分，旨在通过“科”“技”并重的课程理念，培养学生的实践能力、创新思维和问题解决能力。针对当前实验教学面临的实验资源不足、教学方法单一、评价机制不完善等问题，提出了基于“过程与控制”模块的实验教学实施策略，强调通过系统化分析、分层教学设计和数字化资源整合，优化实验教学内容与方法。研究结果表明，该策略能有效提升学生的实验能力和核心素养，为信息科技实验教学的高质量发展提供实践路径，助力培养适应未来社会的创新型人才。关键词：信息科技；实验教学；实施方略；过程与控制2019年，教育部印发的《关于加强和改进中小学实验教学的意见》明确指出“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”。2023年，教育部等十八部门联合发布《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》，提出“强化实验教学”“提高学生科学素质，培育具备科学家潜质、愿意献身科学研究事业的青少年群体”。作为中小学科学教育的重要组成部分，信息科技课程在培养学生信息素养、发展计算思维、提升数字化学习与创新能力、践行信息社会责任等方面具有不可替代的作用。高质量的信息科技实验教学不仅有助于学生理解基本概念和基本原理，还能促进学生形成学科思维，提高综合运用多学科知识解决实际问题的能力，培养创新精神。本文以“过程与控制”模块为例，探讨信息科技实验教学的基本遵循，分析当前存在的主要问题，并提出相应的策略，以期为提升教学质量提供参考。一、信息科技实验教学的基本遵循《关于加强和改进中小学实验教学的意见》明确要求：要努力构建与德智体美劳全面培养的教育体系相适应、与课程标准要求相统一的实验教学体系。作为信息科技课程体系的有机组成部分，实验教学应注重体现课程性质，反映课程理念，契合课程目标，全面落实课程标准要求。因此，信息科技实验教学应遵循以下原则。（一）体现基础性体现基础性是指实验教学应围绕课程的基本概念和基本原理展开探究。在这个过程中，教师需关注学生的已有知识基础和生活经验，引导他们在日常生活中发现问题、提出问题，设计解决方案，验证方案并解决问题。例如，“过程与控制”模块的基本概念有系统、子系统、模块等，基本原理包括开环控制和闭环控制的工作过程、逻辑与运算对实现控制的作用。在教学中，教师可通过实施“智能种植系统设计与实现”项目式教学，引导学生关注农业生产或植物养护，在设计并实现小型智能种植系统的实验探究中，对涉及的基本概念以及闭环控制基本原理建立起结构化的整体认知。（二）突出探究性实践性是实验教学的基本属性，探究性是其价值属性。信息科技课程的理念之一就是“倡导真实性学习”[1]，这就要求信息科技实验教学要引导学生聚焦真实问题，经历原理运用、计算思维和数字化工具应用过程，凸显学生的主体性。例如，探究连续量如何通过阈值转换成开关量，教师可以让学生利用水银温度计观测手心或热水温度的连续变化过程，引导学生思考为什么夏季空调一般设定在26℃，当室温高于或不高于26℃时，空调的运转状态是否有变化，然后组织学生利用实验设备和算法知识编写（完善）并测试程序模拟实现空调系统的制冷（吹风）功能。学生在这个实验中经历了动脑思考、动手实践、观察现象、分析数据、得出结论的过程，在解决实际问题的过程中建构知识体系、形成综合能力，充分体现了“做中学”“用中学”“创中学”的课程实施理念。（三）强化综合性信息科技实验教学的综合性体现在两个方面。一是“科”与“技”并重，不仅要让学生掌握技术层面的操作实践，还要促进学生在深入理解基本概念和基本原理的基础上运用与创新；二是信息科技和其他学科融合，共同支撑实验教学。以“智能种植有方法”单元为例，学生为了完成智能种植系统功能，不仅要运用信息科技学科知识，还要整合科学、劳动、数学等学科的知识，如分析环境对植物生长的影响、智能种植模拟环境的结构及美学设计、应用相关数学知识确定阈值等。由此可见，融合多学科的实验教学既有助于学生把握信息科技的本质，又能拓宽他们的视野，增强其解决复杂问题的能力。（四）注重创新性人才是国家竞争力的核心要素之一。在数字技术深刻改变人类思维、生活、生产和学习等方式的时代背景下，培养面向未来的创新人才是教育的职责和担当。信息科技实验教学重点是引导学生关注技术和社会发展，学会发现有价值的问题，并针对问题提出假设、设计解决方案，鼓励学生勇于试错，在不断探索中解决问题，促进学生形成批判性思维和创造性思维。例如教学“反馈与优化”时，教师可以引导学生结合生活经验思考：洗衣机洗衣服的过程是开环控制还是闭环控制？在使用过程中是否遇到过不满意的情况？有的学生认为洗衣机加水的过程属于闭环控制，因为它需要检测水位；有的认为设定洗涤时长的洗衣过程是开环控制；有的反映洗完的衣服晾干后仍有污渍；有的提到洗衣液加多时，泡沫会从投放口溢出……针对学生发现的问题，教师追问是否有改进方案。学生可能会提出增加传感器来检测衣物的清洁度，或者根据衣物重量和污渍程度自动调整洗衣液用量，甚至在超过最大洗衣重量时发出提示音。如果条件允许，教师可以让学生尝试验证这些改进措施。这类开放性的现实问题，能够提升学生发散思维和解决新问题的能力，从而为创新人才的培养奠定坚实基础。二、信息科技实验教学的实际问题信息科技实验教学对教师而言尚属新兴领域。许多教师常将实验教学与传统上机操作或简单的实践操作混淆。目前，实验教学在实施中还存在一些亟待解决的问题。（一）实验资源不足实验资源不足主要表现在两个方面：一是硬件资源匮乏，尤其是支撑实体实验项目的设备配备不足。例如，一些学校的信息科技实验室配置基本是传统的机房和互联网，缺少“过程与控制”模块实体实验教学所需的主控板、传感器等必要设备[2]。二是软件资源问题，如软件或平台授权许可问题（注册需手机验证码与学生无手机之间存在矛盾）、版本兼容性问题（现有硬件不支持软件运行）、功能需要付费使用，以及部分平台中充斥广告等不可控干扰因素等问题。对很多学校来说，实验资源不足是制约信息科技实验教学质量提升的主要因素。（二）重“技”轻“科”信息科技课程标准倡导“科”与“技”并重。但在实际教学中，尤其在实验教学中，很多课堂出现重“技”轻“科”，甚至出现有“技”无“科”的现象。部分教师沿袭传统教学观念，将实验教学简化为“完成实践任务的操作步骤”，按部就班地推进实验教学。这种做法虽然保证了教学的条理性和可操作性，有利于达成操作结果，但减少了学生通过实验深化理解基本概念和基本原理的机会，忽视了对学生实践能力的全面培养以及创新潜能的深度挖掘。（三）教学方法单一面对信息科技实验教学丰富多样的内容和复杂多变的流程，许多教师在授课时，倾向采用自己驾轻就熟的讲授法与演示法，以确保实验顺利进行。然而，这种单一的教学方法缺乏灵活性与精准性，无形中为学生设置了一个固定的问题解决框架，限制了他们思维的拓展与深化。这不仅不利于学生数字素养与技能的全面提升，也难以有效激发他们的创新思维。（四）实验教学评价机制不完善信息科技课程标准倡导素养导向的多元评价。但是，在实验教学中，教师往往难以全面、及时关注每位学生的具体表现、反思过程和个人发展，因此评价焦点往往集中在实验结果的准确性和实验报告的完整性，而忽视了对学生的团队协作能力、实验设计能力、探究能力和创新思维等素养的综合评估。这种偏重于结果的评价方式常常导致学生在实验中过于追求最终成果的呈现，忽视实验过程中的学习与探索，未能充分发挥评价在促进学生学习和帮助教师优化教学中的作用[3]。三、信息科技实验教学的实施策略为体现实验教学的基本遵循，解决现存问题并提高实验教学质量，我们在实践研究基础上提出实验教学实施策略：采用系统化方法，全面分析模块在整个学段中的地位和内容结构特点，基于“科”“技”并重课程实施理念，聚焦实验涉及的基本概念和基本原理，合理设计实验目标和实验内容，整合实验资源以确定实验类型和实验方法；同时，注重实验过程中的反馈调整机制建设，以及时优化和调整教学内容和方法，确保实验教学服务于教学目标达成和学生核心素养发展（如图1）。下面结合《义务教育信息科技教学指南》（以下简称“教学指南”）“过程与控制”模块对该实施策略进行阐述。（一）分析模块地位信息科技课程标准明确提出课程内容应围绕数据、算法、网络、信息处理、信息安全和人工智能六条逻辑主线进行构建。“过程与控制”模块在课程体系中起到了桥梁的作用，既是对小学前两个学段知识技能的深化与提升，又为初中阶段，特别是物联网实践与探索模块的学习奠定了坚实的基础。在该模块的实验教学中，学生能够加深对如连续量、开关量、阈值等数据的理解，并能将数据与输入、计算、输出等环节，算法与控制功能，信息处理、信息安全与过程控制的工作流程等建立联系，以及利用网络资源和生成式人工智能开展学习。因此，在设计和实施实验教学时，教师需要高度重视对六条逻辑主线的综合处理与整合，体现各知识点之间的内在联系，逐步引导学生深入理解并掌握该模块的核心概念与技能，确保学生能够在整个学习过程中形成完整、系统的知识体系和问题解决能力。（二）把握模块内容组织架构教学指南的编写理念强调内容的基准性及广泛的适切性，对具体的实施环节或过程采取了留白处理，为教师进行二次开发提供了一定的空间。因此，教师需要准确地把握模块的内容组织架构，以利于系统地设计并实施相应的实验教学。教学指南中“过程与控制”模块的内容架构特点如下。1.主题单元筑基础“过程与控制”模块一共有8个单元，前4个单元侧重于基本概念和基本原理的理解和简单运用，体现了基于学科核心知识的主题教学理念，与之对应的主要是验证型实验教学[4]。第1—4单元主要内容梳理见表1。在实际教学中，教师可以遵循主题学习特点对单元主题做适当的调整，如可将四个单元主题对应调整为生活中的过程与控制、控制系统中的数据与运算、控制系统的类型、控制系统的分解与集成。2.项目单元强能力“过程与控制”模块中的第5—7单元侧重于综合实践，体现了项目式学习的理念，旨在让学生基于场景提出问题，设计问题解决方案，并进行验证与优化，以形成学科思维和方法，提升综合运用学科知识解决较复杂问题的能力，与此相匹配的是探究型或创新应用型实验教学（见表2）。上述三个单元不仅促进了学生对第1—4单元内容深化理解和综合运用，还突出了数据检测、模块、计算机程序在控制系统中的重要作用。在实践中，对于有硬件条件的学校，教师可以结合本校条件设计2—3个单元项目；而在缺乏硬件支撑的学校，教师可以利用人教信息科技数字资源平台提供的虚拟仿真实验展开教学。此外，如果学生编程能力一般，可以适当降低编程难度，侧重于通过对照功能阅读程序或适当改写程序来观察系统控制效果，以此促进学生理解计算机程序在控制系统中的作用。如果学生学习基础比较好，教师可以从增加和优化系统功能的角度扩展学习内容，体现项目的开放性，以此培养学生的创新意识和创新能力。3.综合育人价值促进学生形成信息意识、发展计算思维、提高数字化学习与创新能力、践行信息社会责任是信息科技课程育人价值的集中体现。学生核心素养的形成与发展需要持之以恒的培育过程。综观每一课中的案例情境、6条逻辑主线的融会贯通以及第8单元“自主可控与安全”这一主题教学，无不渗透着课程的育人导向。因此，教师在设计实验教学时，可以与时俱进、因地制宜、立足学情深挖实验教学载体或内容素材，渗透国家和民族基本价值观，立体化塑造课程育人价值。例如，在教学第5单元“智能种植有方法”时，教师可以从粮食安全问题切入，引导学生思考“为什么我们国家要设定18亿亩耕地红线”“寒冷的北方在冬天如何生产粮食和经济作物”“怎样设计智能大棚的系统及子系统”“如何实现系统和子系统的功能”等问题。通过这一系列的问题链，将单元实验完整串联，提升实验教学的育人功能。再如，在第7单元“汽车里的小奥秘”的教学中，教师可以将我国新能源汽车飞速发展的背景有机融入实验教学，突显我国工业的自主研发和创新精神，激发学生“强国有我”的责任感和使命感。（三）整合实验资源坚持实体硬件实验与虚拟仿真实验相结合原则，充分挖掘数字资源，可以解决硬件实体实验资源不足、教学评价低效等问题。以下以“过程与控制”模块第5单元“智能种植有方法”为例，阐述借助人教信息科技数字资源平台开展实验教学取得的成效。1.实验环境搭建方便人教信息科技数字资源平台提供的虚拟仿真实验支持在线和本地运行两种方式。在线方式注册成功后凭账户、密码即可登录平台免费使用；本地方式的资源下载、安装、运行简便易行。2.有利于强化基本概念和基本原理理解在“土壤湿度控制好”和“光照温度要适宜”两课的虚拟仿真实验中，学生可以通过拖动鼠标设置湿度传感器和光敏传感器阈值，点击“+”“-”可以改变土壤湿度和环境光照度。通过这种互动方式，学生能够观察并理解浇水与否或灯光（光照）状态变化的过程，进而通过实验现象对比分析程序，深入理解闭环控制过程及阈值在控制中的作用。有硬件实验条件的教师也会在教学中利用这些虚拟仿真实验，并认为它们不仅有利于学生理解基本概念和基本原理，还能有效提升学生在实验中的问题解决能力和实验效率。3.有利于提高教学评价实效信息科技实验教学应充分发挥学科特色和优势，利用数字化教学平台开展评价。人教信息科技数字资源平台在教师端集成了教学中心，为教师提供了备课授课、管理班级、查看教学数据等功能。除平台预置资源外，教师还可以通过创建或上传的方式添加实验任务单、练习和试题，以供课堂教学时调用。教学过程中，教师可通过平台与学生实时互动，实现问答、抢答、练习推送、仿真实验、批改讲评和奖励等功能。平台能够动态监测学生的实验过程，通过多种指标全程记录学生实验数据，描摹学习画像，形成可视化的实验报告，全面评价