初中信息科技實驗探究教學(xué)實踐與思考

摘要：信息科技實驗探究教學(xué)倡導(dǎo)以科學(xué)原理探究、學(xué)生動手實踐為主的多樣化學(xué)習(xí)方式，引領(lǐng)學(xué)生親身經(jīng)歷以實踐應(yīng)用為主的學(xué)習(xí)活動。本文依據(jù)實驗探究過程討論定量實驗探究、觀察實驗探究、模型實驗探究、創(chuàng)新實驗探究等如何助力信息科技課堂教學(xué)，促使學(xué)生實踐應(yīng)用，從而為學(xué)生真實性學(xué)習(xí)提供機會，培養(yǎng)信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：實驗探究；核心素養(yǎng)；課堂教學(xué)；實踐應(yīng)用；真實性學(xué)習(xí)

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）13-0059-03

實驗探究是課堂教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是落實學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)、促進(jìn)學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)與技能提升的重要載體和途徑。它凸顯學(xué)生實踐應(yīng)用的主體性，學(xué)生通過“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”，發(fā)展計算思維，發(fā)揚創(chuàng)新精神，從而提高解決問題能力及數(shù)字化合作與探究能力。實驗探究融入課堂教學(xué)，助力學(xué)生真實性學(xué)習(xí)，提升學(xué)生知識遷移能力和學(xué)科思維水平，體現(xiàn)“科”與“技”并重。[1]下面，筆者依據(jù)實驗探究過程討論在信息科技課堂教學(xué)中如何借助定量實驗探究、觀察實驗探究、模型實驗探究、創(chuàng)新實踐探究等，真正落實核心素養(yǎng)目標(biāo)。

憑借定量實驗，辨識數(shù)據(jù)來源

定量實驗是指利用數(shù)量與質(zhì)量測量準(zhǔn)確衡量某類因素對另一類變量的影響，來分析相關(guān)物質(zhì)之間的關(guān)系，其目的是通過一系列精準(zhǔn)的控制變量和測量變量來衡量不同變量之間的關(guān)系。教師則可根據(jù)課堂中動態(tài)生成的問題，現(xiàn)場結(jié)合情境設(shè)置定量實驗探究，讓學(xué)生體驗角色現(xiàn)場操作，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，實現(xiàn)問題的解決。同時，教師以問題驅(qū)動的方式引導(dǎo)學(xué)生逐步建立進(jìn)行定量實驗探究的一般方法和思維方式，提升對定量實驗的設(shè)計及處理能力。[2]

案例：網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)編碼。

①提出問題：請基于生活中請求式紅綠燈，利用網(wǎng)頁編碼實現(xiàn)交互——中學(xué)生過雙車道的人行橫道（長15米），綠燈的持續(xù)時間。

②作出假設(shè)：部分學(xué)生根據(jù)自身的生活經(jīng)驗直接猜想步行速度，部分學(xué)生直接上網(wǎng)搜索數(shù)據(jù)，兩者得出的答案不一樣。

③設(shè)計實驗：現(xiàn)場設(shè)置定量實驗，“人行橫道”“起點”“終點”貼條組成人行橫道，采集學(xué)生步行5米所需的時間（秒）數(shù)據(jù)，抽樣計算學(xué)生步行平均速度，并借助定量實驗探究解決課堂中動態(tài)生成的問題。

④實施實驗：現(xiàn)場請三位學(xué)生扮演行人，分別從“起點”步行到“終點”，記錄各自步行所需的時間（秒），充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)學(xué)生的興趣和好奇心。

⑤得出結(jié)論：利用Python小程序自動化求解三位學(xué)生的平均步行速度。

⑥表達(dá)交流：學(xué)生現(xiàn)場相互交流，一致采納實驗得出的中學(xué)生步行速度。

由上述案例可知，定量實驗探究的基本思路為：首先，動態(tài)生成問題，分析問題；其次，通過情境設(shè)置定量實驗，制訂解決方案，設(shè)計算法；最后，學(xué)生扮演角色進(jìn)行真實性操作，利用計算機實現(xiàn)問題的自動化求解。網(wǎng)頁編碼需要一定量的數(shù)據(jù)，學(xué)生借助定量實驗探究獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，為之后的交互調(diào)試環(huán)節(jié)提供數(shù)據(jù)保障，提高對數(shù)據(jù)獲取、分析和應(yīng)用的能力。同時，引導(dǎo)學(xué)生意識到數(shù)據(jù)來源的可靠性，學(xué)會辨別數(shù)據(jù)的真?zhèn)涡?，提高信息意識。

基于觀察實驗，自主優(yōu)化方案

觀察實驗是在自然發(fā)生的情況下，對事物進(jìn)行有目標(biāo)的觀察，從而獲得科學(xué)知識。在信息科技中，傳授新知識點的教學(xué)環(huán)節(jié)可以開展此類實驗探究。

案例：圖像識別技術(shù)。

①提出問題：學(xué)生課前觀看視頻《身邊的AI》，其中涉及文字識別、圖形識別、人臉識別等圖像識別技術(shù)的應(yīng)用。教師提出問題（計算機是如何識別出人臉的？），以此培養(yǎng)學(xué)生的信息意識。

②作出假設(shè)：學(xué)生根據(jù)提出的問題大膽猜想圖像識別技術(shù)過程分哪幾步，教師鼓勵學(xué)生各抒己見，收集學(xué)生的猜想，不作任何評價。

③設(shè)計實驗：教師設(shè)計觀察實驗——“計算機中的你”。借助人工智能的新應(yīng)用，學(xué)生能分析并解決學(xué)習(xí)和生活中的實際問題，在應(yīng)用人工智能的過程中感受人工智能的三大技術(shù)基礎(chǔ)——數(shù)據(jù)、算法和算力。

④實施實驗：學(xué)生自學(xué)人臉識別的微課，運行Mind+程序觀察拍攝人臉、采集人臉入庫的過程。人臉識別體驗成功會激發(fā)學(xué)生的求知欲，使其主動地觀察并從程序代碼中找出圖像識別過程的關(guān)鍵代碼。

⑤得出結(jié)論：學(xué)生觀察圖像識別過程的關(guān)鍵代碼，歸納得出圖像識別的一般過程（如下圖）。

⑥表達(dá)交流：由于學(xué)生找出來的關(guān)鍵代碼不同，教師及時與學(xué)生進(jìn)行交流，不斷優(yōu)化方案，這樣會起到一定的引導(dǎo)作用。同時，提醒學(xué)生圖像識別技術(shù)應(yīng)用會引發(fā)一些潛在的社會安全問題，從而提高學(xué)生人工智能安全防護能力及信息社會責(zé)任。

圖像識別過程的原理既抽象難理解又枯燥乏味，學(xué)生可借助觀察實驗自學(xué)探究。觀察實驗探究的基本要素為：首先，以學(xué)生的自學(xué)觀察為中心，凸顯學(xué)生的主體地位；其次，依據(jù)學(xué)生不同的知識建構(gòu)水平，教師要引導(dǎo)學(xué)生自主優(yōu)化方案。

依據(jù)模型實驗，活學(xué)應(yīng)用遷移

模型實驗是指實體試驗，通過在比例縮小或等比模型上進(jìn)行相應(yīng)的實驗研究并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，按照模型相似理論，由模型的試驗結(jié)果推算實際結(jié)構(gòu)的工作。借助平臺、工具搭建模型實驗探究，注重把握數(shù)字化學(xué)習(xí)的特點，探究過程分析及思維遷移，拓展教學(xué)思路。通過學(xué)生真實性自主合作學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生深入學(xué)習(xí)知識，培養(yǎng)學(xué)生知識應(yīng)用遷移和解決實際問題的能力。[3]

案例：走進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)。

①提出問題：智能手表的定位數(shù)據(jù)如何傳輸?shù)绞謾C？智能手表與手機是如何建立互聯(lián)的？

②作出假設(shè)：學(xué)生根據(jù)所見所聞猜想提出的問題。

③設(shè)計實驗：教師設(shè)計模型實驗——植物管家、智能風(fēng)扇，讓學(xué)生熟知常見的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，知道物聯(lián)網(wǎng)的新進(jìn)展，并借助模型實驗分析原理，讓學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)的特征和架構(gòu)，通過問題分解、抽象歸納等方式培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。

④實施實驗：學(xué)生借助MIXIO平臺觀察平臺采集到的數(shù)據(jù)，了解數(shù)據(jù)傳遞方式和處理過程，探究物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)和特征，充分認(rèn)識物聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)。

⑤得出結(jié)論：物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)層可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層；物聯(lián)網(wǎng)的特征是全面感知、可靠傳遞、智能處理。

⑥表達(dá)交流：學(xué)生將實驗分析得出的原理進(jìn)行應(yīng)用遷移，解釋手機尋找智能手表的問題，從而培養(yǎng)在日常學(xué)習(xí)和生活中積極使用物聯(lián)網(wǎng)解決實際問題的信息意識。

上述案例圍繞核心素養(yǎng)目標(biāo)，以模型實驗為主線貫穿整堂課教學(xué)，聚焦案例探索“場景分析—分析原理—應(yīng)用遷移”的教學(xué)模式：首先，從生活場景分析入手，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題；其次，學(xué)生借助數(shù)字平臺搭建的模型實驗，進(jìn)行操作探究，分析科學(xué)原理，使采集的數(shù)據(jù)直觀化，使抽象的理論形象化，使枯燥的知識有趣化；最后，學(xué)生將掌握的原理應(yīng)用遷移，解釋其他相關(guān)現(xiàn)象，并解決其他相關(guān)問題。

關(guān)注創(chuàng)新實驗，培養(yǎng)創(chuàng)造活力

創(chuàng)新實驗旨在探索并建立以問題為核心的教學(xué)模式，倡導(dǎo)以學(xué)生為主體的創(chuàng)新性實驗改革，調(diào)動學(xué)生的主動性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，使其逐漸掌握思考問題、解決問題方法，提高創(chuàng)新實踐的能力。結(jié)合創(chuàng)新實驗項目教學(xué)的實踐和探索，以學(xué)生為主體與探究式學(xué)習(xí)有機結(jié)合，把學(xué)科核心素養(yǎng)培育轉(zhuǎn)化為深度的實踐應(yīng)用，對學(xué)生的真實性綜合應(yīng)用和自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有重要意義。

案例：傳感器的應(yīng)用。

①提出問題：夏天，公交車窗暴曬，手動拉窗簾費力又不便，如何解決這些問題。

②作出假設(shè)：學(xué)生分析如何避免車窗暴曬，猜想選用哪種合適的感應(yīng)裝置制作感應(yīng)開關(guān)，控制窗簾自動拉開合攏。

③設(shè)計實驗：學(xué)生自學(xué)資源網(wǎng)站中的“傳感器”板塊（傳感器分類），比較哪種傳感器（光敏、聲敏、熱敏等）適合做窗簾感應(yīng)開關(guān)。根據(jù)問題需求進(jìn)行篩選評估：使用硬件設(shè)備搭建、軟件設(shè)計編程實現(xiàn)此功能。為了讓學(xué)生設(shè)計的產(chǎn)品更加多樣化，教師結(jié)合學(xué)習(xí)單設(shè)計了問題拓展：智能公交車窗還可以實現(xiàn)其他什么功能（感應(yīng)開燈、冷暖提醒、煙霧報警等）？

④實施實驗：小組合作進(jìn)行實踐驗證，并借助掌控板搭建器材，通過mPython圖形化編程驗證功能是否可以實現(xiàn)，借助資源網(wǎng)站結(jié)合實際操作體驗傳感器的工作原理。

⑤得出結(jié)論：學(xué)生根據(jù)實驗探究結(jié)果完成學(xué)習(xí)單，總結(jié)智能公交車窗利用哪些傳感器實現(xiàn)哪些功能。

⑥表達(dá)交流：學(xué)生將自創(chuàng)的產(chǎn)品安裝到“智能公交車窗”上，現(xiàn)場演示功能，并簡單描述傳感器的應(yīng)用，從而培養(yǎng)相關(guān)的信息社會責(zé)任，養(yǎng)成良好的信息工具使用習(xí)慣，初步意識到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來的信息安全和隱私保護等問題。

由上述案例可知，創(chuàng)新實驗的基本環(huán)節(jié)為提出問題、尋找靈感、生成創(chuàng)意、篩選評估、實踐驗證、總結(jié)反思?！疤岢鰡栴}”讓學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)并明確問題；“尋找靈感”讓學(xué)生分析問題，尋找最適合解決問題的靈感；“生成創(chuàng)意”讓學(xué)生不斷地進(jìn)行頭腦風(fēng)暴和思維碰撞，產(chǎn)生更多的創(chuàng)意；“篩選評估”讓學(xué)生找到最具可行性的創(chuàng)意，以便進(jìn)一步實踐；“實踐驗證”是創(chuàng)新實踐的核心步驟，通過不斷優(yōu)化和改進(jìn)實驗，達(dá)到最終目標(biāo)；“總結(jié)反思”讓學(xué)生分析實踐過程中的各種問題和挑戰(zhàn)，找到解決問題的方法和思路。

結(jié)語

核心素養(yǎng)是課程育人價值的集中體現(xiàn)，它能促使學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)逐步形成正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力。實驗探究助力信息科技課堂教學(xué)，為學(xué)生實踐應(yīng)用、真實性學(xué)習(xí)提供機會，培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

[2]喻俊，唐樂天.基于問題驅(qū)動的化學(xué)定量實驗觀念教學(xué)[J].化學(xué)教學(xué)，2019（11）：38-43.

[3]楊勇.拓展模型遷移培養(yǎng)數(shù)學(xué)應(yīng)用能力——以一道典型力學(xué)題的拓展教學(xué)分析[J].物理教師，2021，42（05）：89-91.