雙軌驅動，跨科融合：初中信息科技實驗教學創新

【中圖分類號】G434【文獻標志碼】B【論文編號】1671-7384（2025）09-066-02

當前初中信息科技實驗教學存在驗證性實驗主導導致學生被動且缺乏創新、探究性實驗碎片化且跨學科融合不足兩大痛點。筆者依據《中小學實驗教學基本目錄（2023年版）》導向1，以“簡易物聯系統設計與搭建”為依托，設計“直飲機的模擬與優化”項目，構建“基礎驗證 - 功能優化 - 跨學科創新”梯度框架，通過傳感器連接、代碼調試等驗證性實驗夯實物聯網基礎，依托水質檢測、低功耗設計等探究性任務推動化學、數學等多學科融合，解決真實問題，促進學生從被動接受到主動創新的轉變。

實驗設計框架與基本目錄的深度融合

1.實驗設計的理論依據

一是遵循基本目錄的導向。基礎性方面，以物聯網分層架構為核心，明確規定傳感器連接（如水溫傳感器連數字引腳2、水位傳感器連模擬引腳A0）等基礎實驗內容，確保學生掌握標準化操作；典型性方面，基于科學研究范式設計“數據采集 - 傳輸 - 反饋”工程流程，高度模擬直飲機真實工作場景（傳感器- 網絡層 - 平臺層- 執行器），讓學生體驗真實工程實踐；系統性方面，通過基礎 - 拓展 - 創新分層任務（從硬件連接到功能優化再到跨學科創新），減少學科重復，實現能力進階。

二是呼應《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》[2]。該標準聚焦信息科技學科核心素養（信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任），強調通過真實情境項目實踐促進素養發展；同時融入大概念視域下的實驗整合理念[3]，以“數據流邏輯”和“系統控制”為核心，貫穿硬件搭建（驗證傳感器數據采集- 網絡層傳輸-應用層反饋的全流程）與功能優化（基于水質數據設計閾值、跨學科調整工作模式）全過程，幫助學生從整體上把握實驗本質。

2.實驗目標與實施路徑

知識目標要求學生深入理解感知層（傳感器）、網絡層（WiFi模塊）、平臺層（物聯平臺）的協同邏輯，如直飲機實驗中數據從采集到傳輸再到決策的全流程；技能目標強調掌握Arduino調試、傳感器校準及跨學科數據分析能力，解決數據異常、確保準確性并為功能優化提供依據；素養目標則聚焦培養工程思維（需求分析 - 方案設計 - 測試優化）、跨學科遷移應用能力（整合化學/數學知識）及安全責任意識（水質與數據隱私保護）。

驗證性實驗：基礎性任務的標準化實施

1.實驗內容與實施

硬件搭建與功能驗證。選用主控板、水溫傳感器、水位傳感器、繼電器模塊等核心設備構建直飲機模擬系統，其連接關系如同“五臟六腑”各司其職：嚴格按標準將水溫傳感器連接數字引腳2、水位傳感器連接模擬引腳A0，繼電器模塊分別連接引腳4（抽水）和引腳5（加熱）以確保系統正常運行。功能驗證時，學生通過串口監視器實時監測水位（模擬量）和水溫（數字量）數據，當檢測到水位低于預設值或水溫未達標時，對應繼電器應觸發抽水泵或加熱棒工作。這一過程深化了學生對硬件連接關鍵性的理解。

代碼調試與數據匹配。學生通過ArduinoIDE上傳代碼框架驗證傳感器與執行器匹配性，調試中針對水位檢測誤差（如將目標閾值從350調至300優化靈敏度）和水溫漂移問題（檢查焊接接口或重新校準），在動手實踐中深化了對代碼邏輯與硬件原理的理解。

2.驗證性實驗的教學價值

（1）知識內化。學生通過標準化操作，親身參與物聯網系統的搭建和調試，深入理解物聯網系統的數據流邏輯（感知 $$ 網絡 $$ 應用），明白數據如何從傳感器采集，經過網絡傳輸，最終在應用層得到處理和反饋。

（2）技能強化。在實驗過程中，學生熟練掌握硬件連接規范、代碼燒錄流程與基礎調試方法，這些技能為后續的探究性實驗奠定了堅實的技術基礎。例如，在后續的功能優化實驗中，學生能夠快速準確地連接新增的傳感器模塊，得益于在驗證性實驗中掌握的硬件連接技能。

探究性實驗：典型性任務的創新拓展

1.實驗內容與實施

功能優化：水質檢測與低功耗設計。在直飲機模擬系統中，學生增設TDS傳感器（模擬引腳A1）和pH傳感器檢測水質純度與酸堿性，如通過TDS值分析水源污染問題；編寫代碼實現T DSgt;500 或pH異常（pH值 lt;6.5 或 gt;8.5 時推送警示信息，完成實時監測預警；同時優化低功耗模式，將采樣頻率從1秒/次調整為5秒/次，并基于水溫數據分析將加熱溫度從 25°C 降至 23^°C ，在保障功能前提下有效降低能耗。

跨學科融合：化學與數學的應用。學生運用化學知識分析TDS與pH健康標準，設計分級報警機制（如TDS在 500～800 區間時預警、大于800嚴重警告），實現學科知識融合；同時基于物聯平臺水溫曲線，通過數學建模優化加熱時段節能模型，如分析用水規律與水溫趨勢確定最佳加熱時間，在滿足需求的同時降低能耗。

2.探究性實驗的教學價值

探究性實驗通過設計分級報警、節能模式等優化方案激發學生創新思維，如增設語音提示功能展現個性化應用；同時融合化學（水質分析）、數學（節能建模）、物理（傳感器原理）等多學科知識，培養學生跨學科遷移能力，呼應基本目錄“育人性”要求，提升解決復雜問題的綜合素養。

教學成效與反思

1.驗證性與探究性實驗的協同效應

驗證性實驗為學生夯實了技術基礎，包括硬件連接、代碼規范等方面。探究性實驗則在此基礎上，驅動學生開展創新實踐，進行功能擴展和跨學科分析。這種由淺入深、循序漸進的方式，為學生的能力提升搭建了清晰的路徑。

2.核心素養落地

學生通過“需求分析 $$ 方案設計 $$ 測試優化”流程培養系統性工程思維（如直飲機項目中從功能分析到優化迭代的全程實踐）；同時在代碼設計中設置數據隱私權限（如限制物聯平臺數據共享范圍），強化技術倫理意識，踐行信息社會責任。

3.教學改進方向

硬件穩定性優化。針對實驗中出現的傳感器接觸不良等問題，教師可以提供預焊接模塊，并制作詳細的圖解指南，幫助學生更順利地完成實驗。例如，教師制作傳感器連接步驟圖，讓學生能夠直觀地了解正確的連接方法，減少因硬件連接問題導致的實驗失敗。

代碼易用性提升。開發“代碼注釋版”文件與微課視頻，降低學生的語法學習門檻。在“代碼注釋版”文件中，教師可對關鍵代碼進行詳細注釋，標注函數的水質檢測邏輯等；微課視頻則通過生動形象的講解，幫助學生理解代碼原理和操作步驟。

評價體系細化。設計多元化評價體系，突出跨學科價值。教師可從硬件搭建、功能實現、優化創新、跨學科應用、安全與協作等多個維度進行評價，全面、客觀地評價學生的學習成果。

參考文獻

[1]教育部教育技術與資源發展中心（中央電化教育館）.2023年版中小學實驗教學基本目錄正式發布[DB/OL].（2023-11-24）[2025-08-16].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt-gzdt/s5987/202311/t20231123_1091833.html.

[2]中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[3]鄭瑾.融合大概念，深化信息科技實驗教學[J]：中國信息技術教育，2025（6）：50-53.

作者單位：安徽碭山縣第二初級中學

編輯：張曉震