指向原理探究的信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

教育部發(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》指出，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是國家課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的重要教學(xué)內(nèi)容，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑[1]?！读x務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“課標(biāo)”）指出，信息科技是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要部分，主要研究以數(shù)字形式表達(dá)的信息及其應(yīng)用中的科學(xué)原理、思維方式、處理過程和工程實(shí)現(xiàn)[2]。課程內(nèi)容注重科學(xué)原理和實(shí)踐應(yīng)用并重，強(qiáng)調(diào)以科學(xué)原理指導(dǎo)實(shí)踐應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生對基本概念和基本原理的理解?？梢?，科學(xué)原理是信息科技學(xué)科的重要內(nèi)容。同時(shí)，課標(biāo)也強(qiáng)調(diào)要運(yùn)用線上實(shí)驗(yàn)、模擬、仿真等方式，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)，所以，實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為信息科技學(xué)科突破科學(xué)原理學(xué)習(xí)的重要途徑。在此背景下，信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)也在不斷探索之中。綜合分析本區(qū)域教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，我們認(rèn)為信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要需要面對四個(gè)問題。一是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的開放性不夠，教師提供了良構(gòu)的問題情境，讓學(xué)生經(jīng)歷了教師設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)過程，沒有給予學(xué)生開放性解決問題的空間；二是實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的探究性不深，學(xué)生經(jīng)歷的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)存在有“實(shí)踐”缺“學(xué)習(xí)”的現(xiàn)象，實(shí)踐過程沒有遵循科學(xué)原理產(chǎn)生、發(fā)展的探究規(guī)律，沒有驅(qū)動(dòng)學(xué)生的深度探究學(xué)習(xí)；三是實(shí)驗(yàn)資源的數(shù)字化不足，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對學(xué)習(xí)環(huán)境和數(shù)字資源有較高要求，但在實(shí)際教學(xué)中存在數(shù)字平臺、數(shù)字資源、硬件設(shè)備不足等現(xiàn)象，不能支持學(xué)生設(shè)計(jì)開放性的探究實(shí)驗(yàn)；四是實(shí)驗(yàn)過程的反思性不強(qiáng)，在實(shí)驗(yàn)過程中教師提供的學(xué)習(xí)支架沒有很好地啟發(fā)學(xué)生自主探究和主動(dòng)反思。為此，指向原理探究的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要引導(dǎo)學(xué)生在問題解決中經(jīng)歷原理建構(gòu)、應(yīng)用的探究過程，并提供充分的實(shí)驗(yàn)資源，從而幫助學(xué)生建構(gòu)科學(xué)原理，促進(jìn)數(shù)字素養(yǎng)與技能的提升。一、指向原理探究的信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)要點(diǎn)信息科技實(shí)驗(yàn)探究的過程，是真實(shí)問題解決的過程，也是學(xué)科知識建構(gòu)的過程。學(xué)生既是在實(shí)踐探究中學(xué)習(xí)，又是在學(xué)習(xí)中實(shí)踐探究，“實(shí)踐”的過程包含著“學(xué)”，實(shí)踐的過程和知識建構(gòu)的過程是高度關(guān)聯(lián)的。指向原理探究的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在設(shè)計(jì)過程中要關(guān)注指向問題解決的實(shí)驗(yàn)主線、基于原理探究的實(shí)驗(yàn)路徑、支持多樣設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)資源、促進(jìn)原理理解的實(shí)驗(yàn)評估，以此促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效實(shí)踐。（一）指向問題解決的實(shí)驗(yàn)主線在數(shù)字時(shí)代，信息科技實(shí)踐應(yīng)用無處不在。實(shí)踐應(yīng)用背后蘊(yùn)藏著豐富的基本概念和基本原理，理解基本概念和基本原理能幫助學(xué)生科學(xué)認(rèn)識和選擇實(shí)踐應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要從信息科技實(shí)踐應(yīng)用出發(fā)，基于學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)和知識儲備，創(chuàng)設(shè)與現(xiàn)實(shí)生活、社會(huì)實(shí)踐相關(guān)聯(lián)的真實(shí)問題情境，以開放的問題解決為主線設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以問題解決驅(qū)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性，在持續(xù)的實(shí)驗(yàn)探究中建構(gòu)和理解原理。（二）基于原理探究的實(shí)驗(yàn)路徑課標(biāo)倡導(dǎo)注重以科學(xué)原理指導(dǎo)實(shí)踐應(yīng)用，探索“場景分析—原理認(rèn)知—遷移應(yīng)用”的教學(xué)，從生活中的信息科技場景入手，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，在已有知識的基礎(chǔ)上分析、探究現(xiàn)象的機(jī)理，學(xué)習(xí)、理解相應(yīng)科學(xué)原理，嘗試用所掌握的原理解釋相關(guān)現(xiàn)象或解決相關(guān)問題[3]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要充分尊重原理探究的過程，引導(dǎo)學(xué)生在場景分析中設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在原理認(rèn)知中開展實(shí)驗(yàn)，在遷移應(yīng)用中評估實(shí)驗(yàn)。（三）支持多樣設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)資源課標(biāo)提出，要注重把握數(shù)字化學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，合理利用數(shù)字平臺、工具和資源，開展探究性學(xué)習(xí)，創(chuàng)造性地解決問題。信息科技不同的課程內(nèi)容模塊指向的科學(xué)原理是不同的，針對不同的科學(xué)原理需要的數(shù)字平臺、實(shí)驗(yàn)器材和學(xué)習(xí)資源也應(yīng)不同。為支持學(xué)生創(chuàng)造性地解決問題，教師需要依據(jù)課程模塊內(nèi)容特點(diǎn)，建設(shè)數(shù)字平臺和開發(fā)數(shù)字工具，準(zhǔn)備多樣的硬件器材，設(shè)計(jì)豐富的學(xué)習(xí)資源，支持學(xué)生進(jìn)行驗(yàn)證性、探究性、創(chuàng)新應(yīng)用性和仿真性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。（四）促進(jìn)原理理解的實(shí)驗(yàn)評估學(xué)習(xí)評價(jià)是檢驗(yàn)學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程、開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)、梳理實(shí)驗(yàn)結(jié)果成效的重要抓手。為有效評價(jià)學(xué)生對科學(xué)原理的理解，教師需要從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)活動(dòng)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等實(shí)驗(yàn)開展的全過程設(shè)計(jì)過程性評價(jià)和總結(jié)性評價(jià)，將評價(jià)貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)探究過程。教師還要積極發(fā)揮評價(jià)的促學(xué)功能，依托數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺的優(yōu)勢，實(shí)時(shí)反饋學(xué)生學(xué)習(xí)的達(dá)成情況，調(diào)整對學(xué)習(xí)的組織和指導(dǎo)策略，引導(dǎo)學(xué)生開展過程性反思并完善改進(jìn)。二、指向原理探究的信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施路徑指向原理探究的信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)要遵循科學(xué)原理和實(shí)踐應(yīng)用并重的原則，基于原理認(rèn)知的形成過程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)路徑：在場景分析中明晰原理，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中感知原理，在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中理解原理，在實(shí)驗(yàn)評估中遷移原理。下面，筆者結(jié)合浙江教育出版社《小學(xué)信息科技》五年級下冊第二單元“過程與控制”的“控制系統(tǒng)的三個(gè)環(huán)節(jié)”一課，闡述具體路徑。（一）應(yīng)用場景分析，明晰原理教師在設(shè)計(jì)信息科技實(shí)驗(yàn)前，首先，要明確實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)習(xí)目標(biāo)，對學(xué)科知識進(jìn)行結(jié)構(gòu)化梳理，明晰實(shí)驗(yàn)要探究的科學(xué)原理。其次，要以科學(xué)原理為引領(lǐng)，聯(lián)結(jié)真實(shí)世界，形成與其相關(guān)聯(lián)的問題情境域，依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，選擇信息科技實(shí)踐應(yīng)用場景。最后，從實(shí)踐應(yīng)用出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。“過程與控制”單元內(nèi)容包括認(rèn)識控制系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的三個(gè)環(huán)節(jié)和體驗(yàn)控制系統(tǒng)三部分?！翱刂葡到y(tǒng)的三個(gè)環(huán)節(jié)”一課的主要內(nèi)容包括控制系統(tǒng)的運(yùn)作和控制系統(tǒng)的三個(gè)環(huán)節(jié)。其中，控制系統(tǒng)的三個(gè)環(huán)節(jié)是實(shí)驗(yàn)所要探究的科學(xué)原理。在日常生活中，學(xué)生對控制系統(tǒng)有一定的感知與體驗(yàn)，考慮到五年級學(xué)生的認(rèn)知水平和發(fā)展特點(diǎn)，他們適宜探究的是相對簡單的控制系統(tǒng)。因此，本課選擇了“燈光控制系統(tǒng)”為項(xiàng)目主題，引導(dǎo)學(xué)生觀察并思考不同應(yīng)用場景中的燈光系統(tǒng)，給予學(xué)生開放的問題解決空間，驅(qū)動(dòng)學(xué)生提出每個(gè)小組所要解決的問題（如圖1）。為解決這些問題，學(xué)生共同聚焦核心問題“生活中的控制系統(tǒng)是如何運(yùn)作的”，并明晰要探究的原理，也就是控制系統(tǒng)的三個(gè)環(huán)節(jié)：輸入、計(jì)算和輸出。（二）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，感知原理在信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生可以通過自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行實(shí)踐探究，發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以達(dá)到對問題的深入理解[4]。在引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，教師要凸顯學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位并充分調(diào)動(dòng)他們的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。首先，要提供多樣化的信息科技實(shí)踐應(yīng)用場景，滿足學(xué)生選擇不同場景開展原理探究；其次，要提供豐富的數(shù)字平臺、實(shí)驗(yàn)器材或?qū)W習(xí)資源，支持學(xué)生開展個(gè)性化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；最后，要設(shè)計(jì)開放性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)單，給予學(xué)生個(gè)性化、創(chuàng)造性解決問題的空間。每個(gè)小組根據(jù)燈光控制系統(tǒng)的不同實(shí)踐應(yīng)用場景，提出了所要解決的問題，以此驅(qū)動(dòng)學(xué)生去探究科學(xué)原理。為支持學(xué)生根據(jù)實(shí)際需要個(gè)性化地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，教師設(shè)計(jì)了開放性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)單（如圖2），便于學(xué)生以問題為驅(qū)動(dòng)，選擇相應(yīng)的器材，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；教師提供了控制器、傳感器、執(zhí)行器等豐富的實(shí)驗(yàn)器材，每個(gè)小組可根據(jù)需要選擇；教師還為學(xué)生提供了在線協(xié)同的數(shù)字工具，以支持學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。（三）開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，理解原理信息科技是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，學(xué)生只有動(dòng)手實(shí)踐、探索和解決問題，才能真正理解其中的科學(xué)原理，才能學(xué)以致用[5]。實(shí)驗(yàn)過程是學(xué)生從應(yīng)用場景走向探究原理的過程，是探析現(xiàn)象背后的機(jī)理、理解科學(xué)原理的過程。因此，為支持學(xué)生有效開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，教師既要組織學(xué)生經(jīng)歷由表及里、由具體到抽象的實(shí)驗(yàn)探究過程，又要指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中觀察現(xiàn)象、記錄數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)，還要在整個(gè)探究過程中引導(dǎo)學(xué)生開展自我反思與評價(jià)。學(xué)生通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)來探究和理解控制系統(tǒng)的三個(gè)環(huán)節(jié)。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，學(xué)生根據(jù)小組設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)器材，組建實(shí)驗(yàn)裝置，以不同的實(shí)驗(yàn)方式改變外部條件，如改變壓力值時(shí)，通過增加或減少硬幣的方式來采集數(shù)據(jù)，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過在線協(xié)同的方式匯集（如圖3）。注：傳感器完成數(shù)據(jù)采集后，數(shù)據(jù)處理方式通常分為兩類。一類是對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以輸出具有實(shí)際物理意義的真實(shí)值；另一類則是直接輸出未經(jīng)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，可以是模擬值或數(shù)字值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集后，學(xué)生通過分析不同類型的傳感器會(huì)獲取不同的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)不同的測試方式會(huì)有不同的執(zhí)行結(jié)果，從而抽象出“輸入是控制系統(tǒng)運(yùn)作的環(huán)節(jié)，輸出是控制系統(tǒng)運(yùn)作之后的結(jié)果”的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，教師順勢引導(dǎo)學(xué)生思考“輸入與輸出之間發(fā)生了什么”，從而引出實(shí)驗(yàn)二。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，學(xué)生通過改變程序代碼中的閾值，以不同的實(shí)驗(yàn)方式改變外部條件，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在協(xié)同表中（如圖4）。學(xué)生在對比實(shí)驗(yàn)中理解判斷條件會(huì)影響燈的狀態(tài)變化，如燈的亮滅、燈的顏色等，從而得出計(jì)算是控制系統(tǒng)的干預(yù)環(huán)節(jié)。最后，師生小結(jié)得出控制系統(tǒng)的三個(gè)環(huán)節(jié)是輸入、計(jì)算和輸出。（四）評估實(shí)驗(yàn)效果，遷移原理通過原理探究，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中理解了應(yīng)用場景所蘊(yùn)含的科學(xué)原理。遷移應(yīng)用則是在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用所掌握的原理解釋不同的應(yīng)用場景或解決新的問題。在設(shè)計(jì)時(shí)，教師不僅要注重學(xué)習(xí)活動(dòng)的完整性，讓學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，歸納解決問題的方法，并將其遷移到其他問題的求解中，還要關(guān)注對實(shí)驗(yàn)活動(dòng)開展過程的評價(jià)，將實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)評價(jià)目標(biāo)，將評價(jià)前置，引導(dǎo)學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和過程，力求達(dá)到“教—學(xué)—評”一體化。為幫助學(xué)生評估實(shí)驗(yàn)探究效果，遷移應(yīng)用原理，教師設(shè)計(jì)了相應(yīng)的表現(xiàn)性評價(jià)量表，主要考查的是學(xué)生對控制系統(tǒng)三個(gè)環(huán)節(jié)的探究過程和理解（見表1）。遷移應(yīng)用環(huán)節(jié)考查的是學(xué)生運(yùn)用科學(xué)原理解決問題的能力，采用作業(yè)評價(jià)的方式開展。學(xué)生基于各組要解決的實(shí)際問題，運(yùn)用控制系統(tǒng)三個(gè)環(huán)節(jié)描述解決問題的步驟（見表2）。三、結(jié)語指向原理探究