初中信息科技跨學科項目式實驗教學研究

【摘要】以主題情境問題驅動的信息科技跨學科項目式實驗教學，主要以解決生活中的問題為目的，通過軟件和開源硬件相結合，利用跨學科知識和建模來完成實驗。本文從實驗項目分析、設計、開發、實施和評價五個方面對信息科技實驗課程的開展進行研究，激發學生學習興趣，培養學生動手能力和創新能力。

【關鍵詞】跨學科；項目式；實驗教學；信息科技

隨著《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》的發布，初中信息科技課程不管在內容還是形式上都具有大幅度革新。課標中提出的主要變化之一就是設立跨學科主題學習活動，倡導項目驅動，并且多次提及使用實驗室為學生的學習和探究創造條件。《義務教育課程方案（2022年版）》在課程實施中也提出統籌各門課程跨學科主題學習和綜合實踐活動安排，并且注重“做中學”，積極開展主題化、項目式學習。

筆者在2023年4月結題的省級優秀課題對于項目式教學進行了研究，對項目式教學有了一定的經驗，因此，如果將項目式教學結合跨學科實驗操作，會讓信息科技課堂更富魅力。

一、現狀分析

在《義務教育課程方案（2022年版）》和《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》發布后，信息科技教師最渴望新教材的出現能夠指導教師教學。2024年教育部教材局組織編寫了《義務教育信息科技教學指南》及配套課件。《義務教育信息科技教學指南》中指出，教學指南是信息科技課程實施的基準性參考依據。教師可根據教學指南，結合本地實際情況對教學整體構思，進行二次開發，可以說信息科技教材正在進行數字化轉型。

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》發布后，大部分信息科技教師還停留在摸索階段，缺乏關于跨學科實驗教學的實踐研究。以下是存在的現狀：1.在傳統的信息科技課堂上，教學的一般過程是教師演示，學生模仿，再到創作。整個過程中不僅缺乏總體意識，也沒有學生之間的合作探究，更談不上自主學習。2.教師的教研活動都局限于本科組，很少與其他學科教師討論專業問題，遇到想要實現的抽象實驗或者難題沒有學科專業知識做指導。3.傳統的信息科技課開展的場所是以臺式機為主的計算機教室，在跨學科方面體現最多的是用編程解決數學問題，或使用設計、繪畫軟件進行創作。但與學生真實生活體驗相結合的內容較少，再加上老師提供的資源素材有限，很難為跨學科項目提供支撐。更談不上用硬件來實現，其中一個原因是硬件資源有限，不能滿足所有學生，而且硬件的管理和準備、收尾工作繁瑣。另外一個原因是很多信息科技教師過度依賴教材，不想轉變思想，不想花費更多的時間對教材進行二次加工。

二、信息科技跨學科項目式實驗教學設計

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中提到，在有條件的學校，教師應充分利用容易獲得的教室或實驗室通過模擬、仿真、演示等數字化手段，營造盡量接近真實場景的各種網絡環境，為學生的學習和探究創造條件。

《義務教育信息科技教學指南》也鼓勵教師進行二次開發，因此我們參考成熟的物理、化學、生物實驗，結合創客教育、STEAM課程，采用項目式實驗教學方法進行建模，利用軟件和開源硬件實現跨學科的硬件搭建類實驗教學。本人采用ADDIE模型[Analysis（分析）、Design （設計）、Development（開發）、Implementation（實施）、Evaluation （評價）]對整個課程開展相關設計，開發適合我們自己學生的一系列實驗，從而解決了“教什么”“怎么教”的問題。

1.實驗項目分析

（1）對象分析。由于課程的實施對象是初一的學生，主要分析這個階段的學生已有的知識和可以接納新知的程度，哪些跨學科的知識可以讓他們做起來游刃有余。由于實驗需要圖形化編程和硬件相結合，還要判斷學生的邏輯思維、認知能力、推理演繹能力，從而設計符合他們這個年齡段的實驗項目。如水果鋼琴這一實驗，即使沒有上過物理課的初一學生也是可以理解導電這一日常現象，溫控風扇實驗也和日常生活比較貼近，理解起來并不困難。但是如果實驗中涉及到浮力、磁場或者電學等物理理論，選題則要慎之又慎。因此，項目式實驗教學的設計盡可能從學生已有的知識經驗出發，尊重學生的學習規律。

（2）需求分析。考慮到學生在信息科技課堂中想要學到什么、如何學。毋庸置疑的一點是學習他們覺得好奇有趣的知識。所以，一個貼近生活的硬件搭建類實驗課恰恰是迎合學生興趣的好途徑，同時再啟發引導學生自主地、合作地去探究各學科之間的聯系，在解決問題的同時還能掌握相關學科的知識和技能。

2.實驗項目設計

（1）主題情境設計要“接地氣”。一個實驗項目始終都是圍繞一個主題情境開展的，而項目式教學是以問題為導向的教學方法，要針對主題開展問題的驅動，首先學生得要對主題有所了解，才有助于深入探究。好比對初一學生講理財投資，遠遠不如讓他管理好自己一周的開支來得現實。因此設計實驗項目主題的出發點首先是貼近學生生活，這樣問題會更加“接地氣”，驅動才能有效果。在實施階段才能讓學生自覺地深入探究，甚至有所創新。

（2）跨學科設計要“不恥下問”。確定好主題后，涉及到跨學科的內容，需要信息科技教師與各學科教師多溝通交流，了解主題所涉及到跨學科科目的知識點，找到各個學科之間的邏輯關聯和交叉點，并且根據課程標準，從符合學生認知發展規律的角度來設計跨學科的教學內容，讓學生在信息科技課堂中不僅鞏固和學習了其他學科知識，也對學科之間的聯系產生濃厚的興趣，還能激發學生的好奇心。如學生在做數字氣象站實驗時，發現實驗通常會將數據顯示出來，用數據說話更有說服力。那么同樣將實驗遷移至種植領域，將開源硬件連接溫濕度傳感器，配合軟件可以將土壤的濕度顯示出來，人類就可以根據數值準確地掌握土壤濕度，再根據土壤的濕度實現自動澆花功能。這樣就從信息科技自然遷移到了生物學科，通過長期實踐，學生積累了經驗，逐漸有了一雙“發現問題的眼睛”，凡是遇到實際生活生產中的問題都會嘗試使用跨學科實驗的方法來解決，形成良性循環。

（3）實驗任務安排要“各盡其責”。項目式教學的最大特點就是學生的合作探究，這一特點在硬件搭建實驗中尤為突出，硬件所要執行的命令均由程序控制，因此學生在做實驗時，不僅有學生負責程序編寫，還有學生負責硬件連接，同時還要記錄數據。在功能實現后的建模階段，又要求小組成員間的高度配合，才能高效完成任務。因此，在實驗前，設計各個小組的成員分工至關重要，要做到每個成員各盡其責。

3.實驗項目開發

信息科技跨學科項目式實驗涉及驅動問題的設計、跨學科知識、素材的提供、實驗設備的準備等諸多環節，因此在實驗實施之前，必定要有詳細的實驗課程作為參考和依據，實驗課程還可以作為本校的校本課程，方便在每屆初一年級實施。課程的開發所包含的實驗內容有：主題情境介紹、實驗預期結果呈現、導學案等自學素材（含跨學科知識）、硬件準備及搭建、程序編寫、建模、拓展建議。課程開發還可以借鑒近期科技創新大賽的獲獎作品，多了解前沿動態，從而確保我們的實驗課程既新又實用，還有趣。

4.實驗項目實施

實驗項目實施階段是整個實驗的關鍵，其中要解決的問題有：如何設置驅動性問題？在內容上跨哪些學科？如何跨？如何引導學生自主探究？如何設置任務可以增強合作意識？這些問題均圍繞跨學科、項目式和基于開源硬件搭建的信息科技實驗提出。針對這些問題，本人采用5E教學模式來解決。5E教學模式包含參與、探究、解釋、遷移和評價五個環節，圖1是5E教學模式下的實驗環節分析。

（1）參與。學生作為參與的主體要在教師的引導下漸入佳境，主題情境的問題驅動決定了學生的興趣度及參與熱情。比如在“水果鋼琴”這個實驗中，老師會擺出七個香蕉，并且在香蕉皮上寫上音符，再通過輕輕拍打香蕉，演奏出一曲“歡樂頌”。對于學生來說香蕉和鋼琴都不陌生，但是把這兩個物體聯系在一起，簡直難以置信。好奇足以讓學生的興趣度飆升，從而展現出極高的參與度。結合這個實驗的演示效果，學生自己就會提出驅動性問題，為什么香蕉能夠奏樂—導電！這樣物理和化學知識很自然的被引入該實驗，讓沒有學習過物理和化學的初一學生對這兩個學科也產生濃厚的興趣。

（2）探究。項目式實驗的主體是學生，在實驗過程中，教師會提供導學案或者素材幫助學生學習。當學生在第一節課掌握micor：bit或者Arduino等開源硬件的引腳接線方法后，他們會觸類旁通應用在其他實驗中，因為在每次實驗中硬件的正負極連接都是相同的，一根杜邦線的一端連接開發板的正極接5V或者3V（正極），另一端連接傳感器的VCC（正極）；另一根杜邦線的一端連接開發板的正極GND（負極），另一端接傳感器的GND（負極），接線后畫好硬件連接圖，為編寫程序提供依據。每個實驗使用的傳感器不同，但是連接方法都大致相同，掌握規律后，再接觸新的傳感器時就會自己摸索使用了。這樣，就逐漸養成了探究式的學習習慣。

由于實驗需要編寫程序來控制硬件，通常一名學生負責硬件搭建和繪制連接圖，另一名學生負責程序編寫。在建模時，首先讓學生開展頭腦風暴，畫出模型簡圖，再做好分工，確保每個成員都有事可做。建模階段小組成員合作是否默契直接關系到實驗的成敗。

（3）解釋。由于跨學科實驗，會涉及到其他學科的概念，也許會遇到學生還沒有學習的知識點。這就需要學生查閱資料，老師對難點加以解釋，解決學生疑問。教師還要提示學生在建模時注意作品的合理性和實用性。因為實驗最后的成敗不僅要功能完好，還要有“顏值”。比如實驗要求制作出一款土壤濕度測量器，它不僅要具備測量土壤濕度的基本功能，還要設計得小巧、美觀。在作品展示交流中，學生可以相互對比，反思自己作品的不足之處，以便下一次改進。一次作品交流會堪比一場產品推介會，不僅能鍛煉學生的表達能力，還能更新學生對信息科技實驗的觀念。

（4）遷移。學生在慢慢熟悉信息科技項目式實驗的流程和研究方向后，學生有了發現問題的“慧眼”，比如我們在檢測土壤濕度時可以將濕度顯示出來，那么我們在給一個物體施加壓力時，這個力有多大？反作用力又有多大呢？這些力是否也可以顯示出來？能否將光對植物的影響數據化呢？用數據說話是不是更有說服力呢？甚至有學生課下有意識地“撿垃圾”，收集一次性筷子、礦泉水瓶等，為實驗課建立模型做準備。當興趣成為內驅力時，學生都有意識的為實驗做準備。當實驗課足以滿足學生好奇心時，他們會對越來越多的事物產生好奇，從而想了解其究竟。久而久之，由被動變主動，有意識地去發現、解決身邊的問題，創意就由此產生了。因此，遷移從來都不是教出來的，而是學生全身心投入學習后，實現從量變到質變的飛躍。

5.實驗項目評價

一個跨學科的信息科技實驗項目大概需要三到四節課完成，這其中有學生自主學習、合作探究、創新的過程，也有最后作品的呈現，因此在評價的設計上都要有所兼顧。評價內容有兩大方面：一是針對小組實驗的過程性評價；二是評委提問，成員答辯。這就要求各個小組不僅在做實驗的過程中要分工合理、配合默契，還要讓實驗作品在功能、美觀和使用感受上有亮點。一個產品功能再強大，要想讓更多的人了解，那么推介至關重要。所以在小組分工時，就要發揮特長，還需在推廣和答辯環節取勝。

要完成一個跨學科的信息科技項目式實驗教學，老師不僅在課前要對項目進行分析、設計以及開發實驗教程，還要組織實驗有條理的實施，最后給出合理的評價。老師既是導演，又是編劇，學生作為主角可以自由發揮，展現自我，甚至突破自我。由此看來，在跨學科的信息科技項目式實驗教學這條道路上摸索前行，終會撥云見日，春暖花開。

【參考文獻】

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（基金項目：本文系2023年度海南省教育科學規劃課題“初中信息科技跨學科融合項目式實驗教學的探究與實踐”的研究成果，課題編號QJH202310151）