數(shù)字素養(yǎng)視域下的小學(xué)信息科技實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

中圖分類號(hào)：G434文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A論文編號(hào)：1674—2117（2025）19-0044—04

引言

在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的數(shù)智時(shí)代背景下，小學(xué)生的數(shù)字素養(yǎng)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，但其信息意識(shí)薄弱、計(jì)算思維欠缺、創(chuàng)新實(shí)踐不足及社會(huì)責(zé)任缺失等問題依然突出。因此，如何精準(zhǔn)有效地提升小學(xué)生的數(shù)字素養(yǎng)成為教育領(lǐng)域的核心議題。信息科技實(shí)驗(yàn)作為鏈接科學(xué)原理與應(yīng)用實(shí)踐的橋梁，在小學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)的提升方面有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。2023年，教育部等十八部門頒布的《關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》提出：“加強(qiáng)中小學(xué)科學(xué)及相關(guān)學(xué)科（物理、化學(xué)、生物、地理、信息科技等）課程標(biāo)準(zhǔn)及教材修訂完善工作，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)?！痹谏鲜霰尘跋拢W(xué)信息科技教學(xué)應(yīng)聚焦生活中的真實(shí)問題，應(yīng)用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)策略合理開發(fā)信息科技實(shí)驗(yàn)案例，將學(xué)科核心概念與主題活動(dòng)有機(jī)融合，以此來幫助學(xué)生深入理解數(shù)字技術(shù)背后的科學(xué)原理、技術(shù)突破、應(yīng)用創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的信息安全意識(shí)和信息社會(huì)責(zé)任，讓學(xué)生在自主協(xié)作解決問題的過程中建構(gòu)知識(shí)，提升數(shù)字素養(yǎng)。

信息科技實(shí)驗(yàn)資源體系構(gòu)建

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）在課程理念中明確提出“要基于數(shù)字素養(yǎng)與技能培育要求，從信息科技實(shí)踐出發(fā)，提升學(xué)生的知識(shí)遷移能力和學(xué)科思維水平，體現(xiàn)‘科'與“技'并重”。信息科技實(shí)驗(yàn)案例資源的開發(fā)，既要考慮新課標(biāo)的理念要求，也要兼顧學(xué)校自身的基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)，還要適應(yīng)數(shù)智時(shí)代的發(fā)展需求。筆者所在團(tuán)隊(duì)基于以上幾點(diǎn)思考，結(jié)合創(chuàng)客教育實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從基于新課標(biāo)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、基于開源硬件的探究性實(shí)驗(yàn)、基于人工智能的體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)三個(gè)維度開發(fā)了信息科技實(shí)驗(yàn)案例資源體系。

1.基于新課標(biāo)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)案例資源

基于新課標(biāo)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是一種旨在通過實(shí)驗(yàn)操作來驗(yàn)證已知科學(xué)原理或結(jié)論的教學(xué)活動(dòng)。這類實(shí)驗(yàn)，更加注重學(xué)生的實(shí)踐能力和科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，使學(xué)生掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本方法和技能，同時(shí)培養(yǎng)他們的觀察力、分析能力和解決問題的能力。參照新課標(biāo)對(duì)信息科技課程具體學(xué)習(xí)內(nèi)容的描述，筆者將實(shí)驗(yàn)案例按照學(xué)段進(jìn)行了劃分，每個(gè)學(xué)段又分割出不同的內(nèi)容模塊，并結(jié)合真實(shí)情境進(jìn)行資源的開發(fā)，設(shè)計(jì)了基于新課標(biāo)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)案例資源（如表1）。

基于信息科技新課標(biāo)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)案例資源的編寫過程緊扣新課標(biāo)中數(shù)字素養(yǎng)的信息意識(shí)和計(jì)算思維能力，確保案例與數(shù)字素養(yǎng)培養(yǎng)要求緊密銜接。通過實(shí)施這些案例，可以驗(yàn)證新課標(biāo)的可行性與有效性，為課程改革提供反饋。同時(shí)，這一過程也推動(dòng)了信息科技教育的創(chuàng)新發(fā)展，形成了更加多元化、個(gè)性化的教學(xué)模式。

表1

表2

2.基于開源硬件的探究性實(shí)驗(yàn)案例資源

基于開源硬件的探究性實(shí)驗(yàn)是指利用開源硬件和各種傳感器設(shè)備，讓學(xué)生通過自主設(shè)計(jì)、搭建、編程和測(cè)試的過程，探究生活中的信息科技科學(xué)原理和技術(shù)應(yīng)用，培養(yǎng)信息意識(shí)和數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。筆者結(jié)合開源硬件教育經(jīng)驗(yàn)以及已有研究成果，依托Arduino開發(fā)板及傳感器模塊開發(fā)了基于開源硬件的探究性實(shí)驗(yàn)案例資源體系（如表2），旨在通過硬件與編程的融合，提升學(xué)生的數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。

基于開源硬件的探究性實(shí)驗(yàn)將生活中的真實(shí)情境融入學(xué)生的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化學(xué)生的信息意識(shí)。通過對(duì)事物科學(xué)原理的探究和模擬實(shí)踐，讓學(xué)生經(jīng)歷問題解決過程中的抽象、分解、建模和算法設(shè)計(jì)等思維活動(dòng)，培養(yǎng)他們的計(jì)算思維。在實(shí)驗(yàn)探究過程中，學(xué)生與同伴合作共同解決問題，增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作精神。對(duì)身邊的信息科技產(chǎn)品原理的探秘過程讓學(xué)生更深入地理解自主可控技術(shù)對(duì)國(guó)家安全的重要意義，培養(yǎng)他們的信息社會(huì)責(zé)任感。

3.基于人工智能的體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)案例資源

基于人工智能體驗(yàn)的信息科技實(shí)驗(yàn)是指利用在線人工智能教育平臺(tái)，讓學(xué)生在實(shí)踐中體驗(yàn)、學(xué)習(xí)和探索人工智能知識(shí)，提升人工智能應(yīng)用意識(shí)和能力的實(shí)踐探究活動(dòng)。筆者結(jié)合已有知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，選取OpenInnoLab人工智能在線教育平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開發(fā)了包含語音識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別、圖像識(shí)別等智能技術(shù)的人工智能體驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)案例資源（如下頁表3）。

基于人工智能體驗(yàn)的信息科技實(shí)驗(yàn)?zāi)芤龑?dǎo)學(xué)生尋找和發(fā)現(xiàn)身邊的人工智能應(yīng)用，直觀感受到新技術(shù)給學(xué)習(xí)和生活帶來的深刻變化，理解人工智能的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和能力邊界，在探究實(shí)踐中潛移默化地提升學(xué)生的信息意識(shí)。通過親手操作和實(shí)踐，學(xué)生能夠?qū)ι婕暗募夹g(shù)基礎(chǔ)有所了解，學(xué)會(huì)與智能技術(shù)互動(dòng)，提升數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。通過體驗(yàn)人工智能應(yīng)用場(chǎng)景，學(xué)生能夠了解人工智能帶來的倫理與安全挑戰(zhàn)，認(rèn)識(shí)到自主可控技術(shù)在智慧社會(huì)安全發(fā)展中的重要作用。

基于項(xiàng)目的信息科技實(shí)驗(yàn)實(shí)施策略

筆者參照夏雪梅博士項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)施策略的六個(gè)階段，結(jié)合信息科技教學(xué)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將基于項(xiàng)目的信息科技實(shí)驗(yàn)實(shí)施策略劃分為以下五個(gè)環(huán)節(jié)。

1.聚焦核心概念，確定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

在信息科技實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，核心概念和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的確定，不僅有助于明確實(shí)驗(yàn)的方向和重點(diǎn)，確保項(xiàng)自的針對(duì)性和實(shí)效性，還能有效引導(dǎo)學(xué)生深人理解并掌握信息科技領(lǐng)域的核心知識(shí)。例如，在“蓄水池水滿了”項(xiàng)目中，聚焦信息科技學(xué)科核心概念“系統(tǒng)”，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究，了解“系統(tǒng)”的基本原理，認(rèn)識(shí)身邊無處不在的“過程與控制”，知道“過程與控制”包含輸入、計(jì)算、輸出三個(gè)典型環(huán)節(jié)。通過對(duì)核心概念的解析，筆者制訂了如下實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)： ① 了解控制系統(tǒng)的概念，能發(fā)現(xiàn)和分享身邊無處不在的控制系統(tǒng)（信息意識(shí)）； ② 知道可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)多種不同的控制系統(tǒng)，以及各種方案存在人員和效率上的差異，并能用編程進(jìn)行驗(yàn)證（數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、計(jì)算思維）；③ 能發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉蓄水池系統(tǒng)中輸入與輸出的關(guān)聯(lián)，了解控制過程包含輸入、計(jì)算和輸出三個(gè)環(huán)節(jié)（計(jì)算思維、信息意識(shí)）； ④ 在分析改造優(yōu)化農(nóng)業(yè)灌溉蓄水池系統(tǒng)的過程中，體驗(yàn)科技創(chuàng)新為生產(chǎn)生活帶來的便利，樹立學(xué)好科學(xué)知識(shí)、支持家鄉(xiāng)建設(shè)的理想信念（信息社會(huì)責(zé)任）。聚焦核心概念，能夠設(shè)計(jì)出更加精煉、高效的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，避免資源的浪費(fèi)和時(shí)間的消耗；明確的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，使他們?cè)趯?shí)驗(yàn)過程中保持清晰的目標(biāo)意識(shí)，從而促進(jìn)學(xué)習(xí)效果的最優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。

2.始于真實(shí)情境，發(fā)掘驅(qū)動(dòng)問題

信息科技實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目強(qiáng)調(diào)將學(xué)習(xí)與現(xiàn)實(shí)生活緊密相聯(lián)，使學(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中掌握知識(shí)與技能。真實(shí)情境為學(xué)生提供了直觀、具體的學(xué)習(xí)背景，有助于激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力。通過發(fā)掘驅(qū)動(dòng)問題，學(xué)生能夠明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，激發(fā)探究欲望，進(jìn)而在解決問題的過程中培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。例如，在“蓄水池水滿了”的入項(xiàng)環(huán)節(jié)，筆者創(chuàng)設(shè)了如下情境：（課件出示旱季河流干涸和雨季河流水量充沛的照片）學(xué)校地處魯中山區(qū)，每年五六月份因?yàn)榻邓可伲r(nóng)業(yè)灌溉用水較多，河流都會(huì)出現(xiàn)干涸，而到了雨季，水量充沛。因此，當(dāng)?shù)卣驮谏缴闲拗嗽S多農(nóng)業(yè)灌溉用蓄水池，用來合理調(diào)控農(nóng)業(yè)灌溉用水。這一真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)，能夠觸發(fā)學(xué)生的已有生活經(jīng)驗(yàn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望。接著出示驅(qū)動(dòng)性問題：如果你是一名系統(tǒng)工程師，請(qǐng)為農(nóng)業(yè)灌溉蓄水池設(shè)計(jì)一套注水控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)蓄水池蓄水水位的控制。這樣的場(chǎng)景設(shè)計(jì)賦予學(xué)生注水系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師的身份，他們將從工程專家的視角去思考問題、解決問題，從而更加深入地理解和掌握學(xué)科知識(shí)和技能。

表3

3.提供支架工具，開展探究實(shí)踐

在信息科技實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，教師為學(xué)生提供適切的支架工具，不僅能夠促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐探究活動(dòng)的順利開展，更能在深層次上推動(dòng)教育模式的創(chuàng)新。例如，在“蓄水池水滿了”項(xiàng)目中，教師首先引導(dǎo)學(xué)生開展頭腦風(fēng)暴，生成四種不同的控制模式，分別為按鍵控制（人工控制）、時(shí)間控制、水位傳感器控制和超聲波傳感器控制，四種控制模式體現(xiàn)了人們認(rèn)知世界的真實(shí)思考過程，同時(shí)也是技術(shù)演進(jìn)的過程。教師還可以為學(xué)生提供自制教具“農(nóng)業(yè)灌溉蓄水池模型”、自主學(xué)習(xí)單、實(shí)驗(yàn)記錄單、評(píng)價(jià)任務(wù)單等學(xué)習(xí)支架，支持學(xué)生小組實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)的開展。學(xué)生根據(jù)頭腦風(fēng)暴階段的方案設(shè)計(jì)情況，分組開展實(shí)驗(yàn)探究，驗(yàn)證自己的猜想。這種以工具為媒介、以實(shí)踐為導(dǎo)向的教學(xué)模式，為信息科技教育注入了新的活力，是適應(yīng)未來社會(huì)需求、培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力人才的關(guān)鍵路徑。

4.探索形成成果，公開交流分享在信息科技實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，學(xué)生將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際操作，從而形成成果。公開交流分享能夠打破信息孤島，促進(jìn)不同團(tuán)隊(duì)和個(gè)體之間的思想碰撞與合作，激發(fā)更多的創(chuàng)新靈感。例如，在“蓄水池水滿了”項(xiàng)目中，學(xué)生通過小組合作利用米思奇編程軟件編寫腳本程序、導(dǎo)入開發(fā)板、測(cè)試程序，在經(jīng)歷不斷地失誤并調(diào)整得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，修改程序腳本中的關(guān)鍵參數(shù)，形成實(shí)驗(yàn)成果，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告單。在成果分享環(huán)節(jié)不只要求學(xué)生展示“做出”了什么，同時(shí)要求學(xué)生能夠“報(bào)告”自己和小組為什么這樣做、做的過程是什么，以及經(jīng)歷了怎樣的思考和合作過程。

5.貫穿實(shí)驗(yàn)全程，設(shè)計(jì)多元評(píng)價(jià)

在信息科技實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，將評(píng)價(jià)貫穿于活動(dòng)全程，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、調(diào)整教學(xué)策略，確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的有效達(dá)成。多元評(píng)價(jià)的設(shè)計(jì)既關(guān)注學(xué)生在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中的過程性表現(xiàn)、思維發(fā)展及創(chuàng)新能力，也關(guān)注最終的項(xiàng)目成果，從而更全面地反映學(xué)生的能力提升水平。例如，在“蓄水池水滿了”項(xiàng)目中，既有對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)踐活動(dòng)的過程性評(píng)價(jià)，也有對(duì)項(xiàng)目成果的終結(jié)性評(píng)價(jià)。過程性評(píng)價(jià)針對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中涉及的探究性實(shí)踐、社會(huì)性實(shí)踐、技術(shù)性實(shí)踐等實(shí)踐活動(dòng)制訂了相應(yīng)的評(píng)價(jià)量規(guī)，對(duì)學(xué)習(xí)實(shí)踐的評(píng)價(jià)有助于學(xué)生拓寬相關(guān)知識(shí)、提高理解能力、激發(fā)學(xué)習(xí)熱情、提高自我評(píng)估能力。對(duì)項(xiàng)目成果的終結(jié)性評(píng)價(jià)包含兩個(gè)維度：一方面是對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的注水系統(tǒng)水位監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)；另一方面是對(duì)學(xué)生在成果交流分享階段展示活動(dòng)中的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。設(shè)計(jì)貫穿活動(dòng)全程的多元評(píng)價(jià)能夠更科學(xué)、全面地評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，促進(jìn)教學(xué)相長(zhǎng)。

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作者簡(jiǎn)介：孫凱，一級(jí)教師；賀瑋，一級(jí)教師；尹連春，正高級(jí)教師。

基金項(xiàng)目：2024年度山東省教育教學(xué)研究課題“數(shù)字素養(yǎng)視域下的小學(xué)信息科技實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：2024JXY205）；2024年度博山區(qū)基礎(chǔ)教育教學(xué)改革項(xiàng)目“小學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)提升路徑探索與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號(hào)：2024ZT13）；2024年度博山區(qū)基礎(chǔ)教育教學(xué)改革項(xiàng)目“小學(xué)信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號(hào)：2024ZT21）。