單元視域下高中信息技術實驗教學的實踐研究

摘要：實驗教學是高中信息技術教學的重要組成部分，學生通過參與實驗教學活動可以掌握必備知識，培養關鍵能力，提升學科核心素養。本文在闡述信息技術實驗教學內涵與框架的基礎上，以具體的單元實驗項目“室內環境實時監測系統搭建”為例，探討了單元視域下的高中信息技術實驗教學的設計與實施，以期為高中信息技術實驗教學提供參考。

關鍵詞：信息技術；單元視域；實驗教學

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）24-0068-04

《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）明確提出高中信息技術課程“要設立能滿足各模塊教學需要的信息技術實驗室，配備相應的實驗設備，開展項目實驗活動”。因此，實驗教學要創設真實的問題情境，讓學生通過實踐體驗掌握必備知識，培養關鍵能力，提升學科核心素養。

信息技術實驗教學的內涵與特征

1.內涵闡釋

信息技術實驗教學側重于通過科學嚴謹的學科實踐活動，為學生提供參與或設計實驗的機會，鼓勵學生親身經歷知識形成和發展的過程，通過小組討論和合作實驗，形成對知識的系統性理解，建立完整的知識體系，實現深度學習及持續性學習。

2.特征分析

（1）素養導向的實驗目標

在素養導向下，高中信息技術實驗教學的目標已經悄然從“知識本位”轉向“素養本位”，不再局限于單純的理論教學和技能教學，而是注重通過實驗教學活動培養學生解決真實性問題的能力，并能夠將學校所學知識與技能遷移到新的問題情境中。

（2）學生主體的探究學習

高中信息技術實驗教學倡導“學為中心”的教學理念，鼓勵學生從被動接受知識轉變為主動探索和實踐，讓學生親身經歷知識形成和發展的過程，形成對知識的系統性理解，學會合作學習，發展主體能力。

（3）深度融合的課程內容

高中信息技術單元實驗教學強調超越單節課的范疇，形成整合特定學科概念（如數據、算法、信息系統等）、模塊或單元的實驗內容。同時，實驗資源的整合應包括多種數字化資源，以支持學生的個性化學習需求。

信息技術實驗教學框架

筆者認為，在“做中學”“用中學”“創中學”的指導下，高中信息技術實驗教學應從“為素養教學”的最終目標出發，圍繞“數據、算法、信息系統、信息社會”學科大概念，設計高中信息技術實驗教學項目，讓學生在完成具有實際意義的實驗后，反思學習過程，總結學習方法，評估學習結果，從中不斷迭代優化學習策略，提升知識遷移水平。筆者提煉的高中信息技術單元實驗教學的整體框架如圖1所示。

信息技術實驗教學的設計與實施

筆者選取浙教版必修模塊2

“信息系統與社會”中的“信息系統的搭建實例”單元進行單元實驗教學的整體設計研究。新課標對本單元的內容要求是：通過分析常見的信息系統，理解軟件在信息系統中的作用，借助軟件工具與平臺開發網絡應用軟件。通過搭建小型信息系統的綜合活動，體驗信息系統的工作過程，認識信息系統在社會應用中的優勢及局限性。

1.實驗教學內容

本單元的創新應用性實驗項目旨在利用開源的Web框架，借助各類傳感器搭建一個簡易的“室內環境實時監測系統”，幫助學生更好地了解和改善居住環境。該系統使用傳感器采集室內溫度、濕度數據，通過智能終端傳輸至數據庫服務器（采用GET方式接受溫度和濕度數據），當監測到的環境數據超出閾值或出現異常時，Web服務器將自動觸發報警信息。同時，學生可以通過瀏覽器訪問Web服務器，獲取實時的環境數據和歷史數據。“室內環境實時監測系統”結構如圖2所示。

基于以上分析，筆者立足單元整體設計理念，將“室內環境實時監測系統”作為一個貫穿整個單元實驗教學的大項目，通過創設室內環境實時監測問題情境，引導學生積極參與各個子實驗的探究，最終實現“室內環境實時監測系統”的目標與功能。

2.實驗教學目標

①通過分析室內環境監測系統的需求，確定監測的室內環境參數，選擇合適的傳感器，搭建信息系統的基礎硬件架構。

②根據功能需求，能將復雜的系統問題分解為若干子問題，編寫智能終端Python程序，實現利用智能終端讀取傳感器數據。能使用SQLite創建數據庫，將傳感器采集到的環境數據存儲到Web服務器數據庫中。

③使用Python的Flask Web框架創建Web應用，通過瀏覽器訪問并呈現實時和歷史室內環境數據。

④通過對系統的運行測試發現其中的問題，并進行調整和優化，修正系統。

⑤感知信息技術對生活和工作的影響，增強對環境數據重要性的認識。能夠認識到信息技術對社會的積極影響，同時意識到保護隱私和數據安全的重要性。

3.實驗教學思路

本節實驗課的教學組織圍繞“室內實時環境監測系統”這一主題，通過三個循序漸進的探究實驗——“硬件搭建”“軟件開發（智能終端與服務器端程序編寫）”“系統測試”，引導學生明確信息系統開發的一般過程，理解信息系統開發過程中各關鍵階段的注意事項。在實驗課前，教師將班級學生分成若干小組，每組3位成員，每個小組將收到一套完整的硬件器材和一張詳盡的實驗任務單，指導他們完成整個實驗過程。

4.實驗教學過程

探究實驗一：硬件搭建

①硬件選擇。根據環境監測系統的目標與功能，從提供的硬件器材（如表1）中選擇合適的傳感器、執行器、智能終端、網絡設備等硬件。

②硬件連接。micro：bit不僅能夠處理來自各種傳感器的數據，還可以控制LED燈、蜂鳴器等執行器。因此，可以另外接一個溫度傳感器、一個濕度傳感器、一個蜂鳴器以及IoT模塊，通過micro：bit的擴展板引腳與主板相連，實現數據的收集和控制命令的輸出。

學生觀看模塊的端口連接微課教程，并將智能終端引腳分布情況填入表2中，討論思考同一個模塊能否連接到不同的引腳；嘗試在BXY Python Editor上編寫程序實現溫度、濕度的采集，并在超過設定的閾值后，蜂鳴器開始工作，以檢測智能終端與模塊是否連接正常。

探究實驗二：軟件開發

使用Python在VSCode編輯器中編寫一個智能終端應用程序，該應用程序連接到傳感器硬件，實時讀取溫度和濕度數據；編寫一個Web服務器端程序，通過GET方式接收從智能終端發送的溫度和濕度數據；編寫Web模板文件代碼，Ciqcrb+HtR1iuIBMmh3NYGKzwJ11chgwxb7CgBMcdaY=呈現室內環境數據。

①服務器端程序。室內環境實時監測系統采用B/S架構，服務器端程序基于Python的Flask Web框架編寫，采用模板功能，以index.html為模板，服務器端的IP地址為192.168.0.101，端口為8080。服務器端的路由信息如表3所示。

A.Web服務器程序如圖3所示。

B.Web模板文件代碼。教師提供分析HTML語言和Web模板文件的微視頻。學生打開“templates”文件夾中“index.html”的模板文件，根據功能需求編寫代碼以顯示當前的室內溫度和濕度數據。同時，該頁面還要顯示歷史的溫度和濕度數據，并實時更新數據。

②智能終端程序。智能終端獲取傳感器的數據，并將該數據提交至服務端。若服務端有返回數據，智能終端根據該返回數據進行反饋。本次室內環境實時監測系統采用micro：bit為智能終端，由于micro：bit本身不帶Wi-Fi功能，可以外接IoT模塊實現接入互聯網，如上頁表4所示。

探究實驗三：系統測試

通過“系統測試”實驗，將對整個室內實時環境檢測系統進行全面的測試，包括功能測試、性能測試和安全性測試等，旨在讓學生理解系統測試的重要性和必要性，以及在實際測試中需要注意的問題和解決方法。學生根據表5所示的系統測試分析，對服務器端與智能終端代碼進行調試，分析問題原因及解決方案。

信息技術單元實驗教學的效果分析

本案例通過對“室內環境實時監測系統搭建”的實踐研究，探討了單元視域下實驗教學的整體設計與實施的具體步驟。通過硬件搭建、軟件開發、系統測試等環節，引導學生深入理解搭建信息系統的一般過程、信息系統的工作過程，挖掘了信息系統背后的程序思維，培養了學生運用實驗方法發現問題、分析問題并解決問題的能力，提升了學生知識遷移能力，實現了信息技術與日常生活應用的有機融合。

參考文獻：

中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.