聚焦學(xué)科大概念的初中信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐探究

【摘要】本文探討了在新時(shí)代教育政策背景下，如何通過聚焦學(xué)科大概念來提升初中信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。聚焦學(xué)科大概念，借鑒三階段設(shè)計(jì)路徑和六段式實(shí)施流程，設(shè)計(jì)了“莫高遺夢守護(hù)者”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以期培養(yǎng)學(xué)生可遷移的專家思維?！娟P(guān)鍵詞】學(xué)科大概念；信息科技；實(shí)驗(yàn)教學(xué)“雙減”政策背景下，教育部提出加強(qiáng)中小學(xué)科學(xué)教育，完善課程標(biāo)準(zhǔn)、教材及實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出，信息科技教學(xué)應(yīng)導(dǎo)向?qū)嶋H應(yīng)用，加強(qiáng)基礎(chǔ)概念掌握，培養(yǎng)核心素養(yǎng)。學(xué)科大概念構(gòu)建知識關(guān)聯(lián)性，跨越不同學(xué)科，聯(lián)系現(xiàn)實(shí)生活，與核心素養(yǎng)相互促進(jìn)。這為信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了理論基礎(chǔ)和方向指引。基于大概念進(jìn)行初中信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義聚焦大概念進(jìn)行初中信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能增強(qiáng)學(xué)科知識的綜合性和連貫性，打破知識壁壘，注重學(xué)生主體，鍛煉計(jì)算思維能力。具體意義如下。一是強(qiáng)化知識整體性構(gòu)建。教師圍繞大概念設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，統(tǒng)一整合知識點(diǎn)，精簡內(nèi)容，促進(jìn)深度聯(lián)結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)例到抽象概念，構(gòu)建完整的大概念網(wǎng)絡(luò)，為未來解決復(fù)雜問題奠定基礎(chǔ)。二是增強(qiáng)知識點(diǎn)關(guān)聯(lián)性。教師依托大概念設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)，加深學(xué)生對學(xué)科邏輯關(guān)系的理解，構(gòu)建知識體系，兼顧宏觀與微觀層面，將信息科技知識緊密聯(lián)系在一起。三是重視學(xué)生學(xué)習(xí)主體地位?；诖蟾拍畹慕虒W(xué)設(shè)計(jì)以學(xué)生為中心，關(guān)注主動(dòng)活動(dòng)，設(shè)計(jì)與學(xué)生能力匹配的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，激發(fā)學(xué)生好奇心和探索欲，促進(jìn)主動(dòng)學(xué)習(xí)。大概念下實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的內(nèi)涵信息科技實(shí)驗(yàn)是素養(yǎng)課程重要組成部分，核心是培養(yǎng)學(xué)生可遷移的專家思維，而非記易忘的專家結(jié)論。大概念具有高度概括性與持久價(jià)值，能連接素養(yǎng)和教學(xué)實(shí)踐以實(shí)現(xiàn)知識高效遷移[1]，是培養(yǎng)專家思維的重要抓手，涵蓋概念、觀念和論題，可幫學(xué)生整合零散事實(shí)與技能，在課程教學(xué)中居核心地位[2]。本文依據(jù)新課標(biāo)，參考弗雷爾大概念模型，借鑒劉徽2022年的大概念教學(xué)設(shè)計(jì)模型與鄭潔2023年總結(jié)的大概念信息科技實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)化教學(xué)設(shè)計(jì)為實(shí)踐指導(dǎo)，在充分考慮初中信息科技學(xué)科特性和學(xué)生實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，進(jìn)行“莫高遺夢守護(hù)者”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)分為三階段。首先，發(fā)掘?qū)嶒?yàn)內(nèi)容，教師提煉單元核心大概念，關(guān)聯(lián)核心知識，形成學(xué)習(xí)性問題，并與項(xiàng)目情境結(jié)合，生成真實(shí)性問題。其次，開發(fā)實(shí)驗(yàn)操作，選擇可編程設(shè)備，通過程序設(shè)計(jì)打破技術(shù)黑箱，使核心知識可見可觀察。最后，設(shè)計(jì)觀察分析單，利用弗雷爾模型（定義、特征、正例、反例），促進(jìn)學(xué)生對概念的理解，為知識遷移做準(zhǔn)備[3]。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)路徑如圖1所示。信息科技實(shí)驗(yàn)通過六段式流程實(shí)現(xiàn)。第一步，問題啟思，教師在真實(shí)情境中挖掘“迷思概念”，提出問題，引發(fā)學(xué)生思考；第二步，經(jīng)驗(yàn)猜想，學(xué)生提取生活經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合學(xué)科材料形成實(shí)驗(yàn)假設(shè)；第三步，方案設(shè)計(jì)，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⑵鞑?、步驟，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；第四步，實(shí)驗(yàn)踐行，參照實(shí)驗(yàn)單，利用微課、圖文教程操作，通過半成品程序精簡操作；第五步，觀察剖析，記錄數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)穩(wěn)定與變化，驗(yàn)證假設(shè)；第六步，提煉增智，橫向遷移認(rèn)知，縱向深挖概念，形成本質(zhì)認(rèn)識。整個(gè)流程遵循從體驗(yàn)觀察到探索原理，再到抽象形成概念的深度學(xué)習(xí)路徑。由于“莫高遺夢守護(hù)者”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目屬于創(chuàng)新應(yīng)用類實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)量較小且無驗(yàn)證假設(shè)的內(nèi)容，因此第五步在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中省略。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)1.內(nèi)容分析“莫高遺夢守護(hù)者”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目屬于新課標(biāo)中的“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與探索”模塊下的一個(gè)部分，要求學(xué)生能夠理解萬物互聯(lián)的含義，能夠設(shè)計(jì)并搭建具有數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)傳輸和簡單控制功能的簡易物聯(lián)系統(tǒng)，能夠通過智能終端編寫程序，讀取并處理物聯(lián)設(shè)備中的數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)以守護(hù)傳統(tǒng)文化瑰寶莫高窟為情境，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)莫高窟環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫濕度監(jiān)測以及簡單的控制系統(tǒng)。2.核心概念挖掘首先，綜合解讀新課標(biāo)、教材與教師教學(xué)指導(dǎo)用書，得出“物聯(lián)網(wǎng)”單元的核心概念為：了解萬物互聯(lián)帶來的影響，認(rèn)識物理世界與數(shù)字世界的關(guān)聯(lián)。其次，綜合分析“物聯(lián)網(wǎng)”整個(gè)模塊，其中關(guān)鍵的概念有以下幾點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)的概念、物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)中的傳感與識別技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)中無線通信技術(shù)、控制與反饋。最后，探尋上位學(xué)科概念，構(gòu)建大概念體系，結(jié)合信息科技學(xué)科六大核心邏輯主線，通過思維導(dǎo)圖的形式梳理了“物聯(lián)網(wǎng)”模塊整體核心知識網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。結(jié)合以上分析，筆者總結(jié)了基于六大邏輯主線的大概念（表1）?；诖?，筆者將實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)目標(biāo)設(shè)計(jì)如下。（1）通過了解物聯(lián)網(wǎng)在文物保護(hù)行業(yè)的應(yīng)用，進(jìn)一步認(rèn)識物聯(lián)網(wǎng)給學(xué)習(xí)生活帶來的改變，增強(qiáng)利用物聯(lián)網(wǎng)知識解決現(xiàn)實(shí)問題的意識。理解物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)的采集與傳輸過程，體驗(yàn)控制與反饋（信息意識、計(jì)算思維）。（2）根據(jù)真實(shí)問題，掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法，學(xué)會(huì)選擇數(shù)字設(shè)備和數(shù)字平臺，主動(dòng)利用數(shù)字設(shè)備開展實(shí)踐創(chuàng)新探究（數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）。（3）了解文物保護(hù)的重要性，提高對傳統(tǒng)文化的理解和尊重，激發(fā)利用現(xiàn)代科技手段進(jìn)行文化傳承和創(chuàng)新的思考（信息社會(huì)責(zé)任）。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施1.問題啟思播放《正在慢慢消失的世界級文化遺產(chǎn)——敦煌莫高窟》紀(jì)錄片節(jié)選片段，莫高窟作為歷史的見證，蘊(yùn)含著豐富的文化精髓，是中華民族寶貴的財(cái)富。保護(hù)好這些文物，就意味著守護(hù)好我們的歷史記憶與文化傳承。然而，文物的保存工作絕非易事，因?yàn)闇囟?、濕度、光照以及氣體環(huán)境等因素的波動(dòng)都可能對文物構(gòu)成潛在威脅。引出問題：如何更好地保護(hù)每一件文物，讓它們免受歲月的侵蝕？設(shè)計(jì)思路：以文物保護(hù)的緊迫性展開課堂，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生分析通過傳感器實(shí)現(xiàn)對文物溫度、濕度、光照等環(huán)境因素的實(shí)時(shí)監(jiān)測，根據(jù)環(huán)境因素及時(shí)采取措施，有效防止文物的損壞，開展敦煌莫高窟環(huán)境檢測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)踐探索。2.經(jīng)驗(yàn)猜想實(shí)驗(yàn)活動(dòng)1：探究莫高窟環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求（1）與傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測工具相比，基于物聯(lián)網(wǎng)的莫高窟環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)有什么優(yōu)勢？（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)。分小組討論莫高窟環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)哪些功能，完成采集數(shù)據(jù)、傳輸與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、分析處理數(shù)據(jù)、分析處理數(shù)據(jù)的需求分析及功能概述。設(shè)計(jì)思路：學(xué)生步入課堂時(shí)，心中帶著對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)簡單而基礎(chǔ)的理解。因此，教師需要指導(dǎo)他們結(jié)合實(shí)驗(yàn)主題，從個(gè)人生活經(jīng)驗(yàn)中提煉信息，以此作為學(xué)習(xí)過程的出發(fā)點(diǎn)，做好接受新知識的準(zhǔn)備。3.方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)2：探究莫高窟環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)根據(jù)需求分析，完善在采集數(shù)據(jù)、傳輸與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、分析處理數(shù)據(jù)、反饋與控制各項(xiàng)功能中需要用到的傳感器以及物聯(lián)網(wǎng)平臺。實(shí)驗(yàn)活動(dòng)3：莫高窟環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)根據(jù)功能分析表與功能實(shí)現(xiàn)表，設(shè)計(jì)莫高窟環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)算法，使用算法模塊，完成流程圖的繪制。設(shè)計(jì)思路：在方案設(shè)計(jì)初期，學(xué)生需深入理解實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)、所需設(shè)備、具體步驟，并清晰確立實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的核心理念，以便全面掌控實(shí)驗(yàn)流程，避免進(jìn)行無目的或不明確的操作。4.實(shí)驗(yàn)踐行實(shí)驗(yàn)活動(dòng)4：模擬實(shí)現(xiàn)莫高窟環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)系統(tǒng)功能任務(wù)1：基本結(jié)構(gòu)搭建（1）挑選物聯(lián)實(shí)驗(yàn)所需的傳感器與主控板等設(shè)備。（2）建立無線網(wǎng)絡(luò)連接。（3）對物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺進(jìn)行配置。任務(wù)2：采集數(shù)據(jù)使用溫度、濕度傳感器獲取當(dāng)前環(huán)境的數(shù)據(jù)，并顯示在主控板上，將傳感器數(shù)據(jù)采集到記錄表。任務(wù)3：傳輸數(shù)據(jù)與反饋控制在物聯(lián)網(wǎng)體系中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的任務(wù)由物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺承擔(dān)，而主控板則負(fù)責(zé)從傳感器獲取數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給服務(wù)平臺。針對莫高窟環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)項(xiàng)目，主控板的操作流程是：首先建立網(wǎng)絡(luò)連接，接著與物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺進(jìn)行對接，隨后持續(xù)不斷地從傳感器中讀取數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺。設(shè)計(jì)意圖：通過分步驟的任務(wù)，學(xué)生可以逐步掌握復(fù)雜的概念和技能，理解每個(gè)環(huán)節(jié)的原理，降低學(xué)習(xí)難度，提高學(xué)習(xí)效率。每個(gè)任務(wù)完成后，教師和學(xué)生都可以進(jìn)行及時(shí)的反饋和調(diào)整，確保后續(xù)任務(wù)的改進(jìn)和優(yōu)化。5.提煉增智首先，成果展示與反饋評議，各小組分別展現(xiàn)其創(chuàng)作，并分享課堂收獲。其次，教師鼓勵(lì)學(xué)生課后探索外觀設(shè)計(jì)領(lǐng)域，利用環(huán)保材料，動(dòng)手實(shí)踐外觀創(chuàng)作。最后，教師拋出一個(gè)思考題：系統(tǒng)的功能還可以如何迭代優(yōu)化升級？引導(dǎo)學(xué)生利用已學(xué)知識不斷探索、發(fā)現(xiàn)并解決系統(tǒng)中存在的問題。還有很多室外的古建筑需要保護(hù)，涉及的因素更多，如需實(shí)時(shí)監(jiān)測位移、沉降、傾斜、加速度、振幅、頻率、風(fēng)力等。設(shè)計(jì)理念：實(shí)現(xiàn)知識從課堂到生活的遷移，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)源自生活實(shí)踐，最終服務(wù)于生活，構(gòu)建完整的學(xué)習(xí)循環(huán)體系。結(jié)束語在以“莫高遺夢守護(hù)者”為主題的初中信息科技實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目