聚焦学科大概念的初中信息科技实验教学实践探究

【摘要】本文探讨了在新时代教育政策背景下，如何通过聚焦学科大概念来提升初中信息科技实验教学的效果。聚焦学科大概念，借鉴三阶段设计路径和六段式实施流程，设计了“莫高遗梦守护者”实验项目，以期培养学生可迁移的专家思维。【关键词】学科大概念；信息科技；实验教学“双减”政策背景下，教育部提出加强中小学科学教育，完善课程标准、教材及实验室建设。《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》指出，信息科技教学应导向实际应用，加强基础概念掌握，培养核心素养。学科大概念构建知识关联性，跨越不同学科，联系现实生活，与核心素养相互促进。这为信息科技实验教学提供了理论基础和方向指引。基于大概念进行初中信息科技实验教学的意义聚焦大概念进行初中信息科技实验教学，能增强学科知识的综合性和连贯性，打破知识壁垒，注重学生主体，锻炼计算思维能力。具体意义如下。一是强化知识整体性构建。教师围绕大概念设计实验教学，统一整合知识点，精简内容，促进深度联结，引导学生从实例到抽象概念，构建完整的大概念网络，为未来解决复杂问题奠定基础。二是增强知识点关联性。教师依托大概念设计教学目标，加深学生对学科逻辑关系的理解，构建知识体系，兼顾宏观与微观层面，将信息科技知识紧密联系在一起。三是重视学生学习主体地位。基于大概念的教学设计以学生为中心，关注主动活动，设计与学生能力匹配的实验任务，激发学生好奇心和探索欲，促进主动学习。大概念下实验教学设计的内涵信息科技实验是素养课程重要组成部分，核心是培养学生可迁移的专家思维，而非记易忘的专家结论。大概念具有高度概括性与持久价值，能连接素养和教学实践以实现知识高效迁移[1]，是培养专家思维的重要抓手，涵盖概念、观念和论题，可帮学生整合零散事实与技能，在课程教学中居核心地位[2]。本文依据新课标，参考弗雷尔大概念模型，借鉴刘徽2022年的大概念教学设计模型与郑洁2023年总结的大概念信息科技实验结构化教学设计为实践指导，在充分考虑初中信息科技学科特性和学生实际情况的基础上，进行“莫高遗梦守护者”实验项目教学的设计与实践。实验的设计分为三阶段。首先，发掘实验内容，教师提炼单元核心大概念，关联核心知识，形成学习性问题，并与项目情境结合，生成真实性问题。其次，开发实验操作，选择可编程设备，通过程序设计打破技术黑箱，使核心知识可见可观察。最后，设计观察分析单，利用弗雷尔模型（定义、特征、正例、反例），促进学生对概念的理解，为知识迁移做准备[3]。实验设计路径如图1所示。信息科技实验通过六段式流程实现。第一步，问题启思，教师在真实情境中挖掘“迷思概念”，提出问题，引发学生思考；第二步，经验猜想，学生提取生活经验，结合学科材料形成实验假设；第三步，方案设计，明确实验目的、器材、步骤，设计实验方案；第四步，实验践行，参照实验单，利用微课、图文教程操作，通过半成品程序精简操作；第五步，观察剖析，记录数据，分析系统稳定与变化，验证假设；第六步，提炼增智，横向迁移认知，纵向深挖概念，形成本质认识。整个流程遵循从体验观察到探索原理，再到抽象形成概念的深度学习路径。由于“莫高遗梦守护者”实验项目属于创新应用类实验，数据量较小且无验证假设的内容，因此第五步在项目设计中省略。实验项目设计1.内容分析“莫高遗梦守护者”实验项目属于新课标中的“物联网实践与探索”模块下的一个部分，要求学生能够理解万物互联的含义，能够设计并搭建具有数据采集、实时传输和简单控制功能的简易物联系统，能够通过智能终端编写程序，读取并处理物联设备中的数据。本实验以守护传统文化瑰宝莫高窟为情境，引导学生设计莫高窟环境监测物联网系统，实现温湿度监测以及简单的控制系统。2.核心概念挖掘首先，综合解读新课标、教材与教师教学指导用书，得出“物联网”单元的核心概念为：了解万物互联带来的影响，认识物理世界与数字世界的关联。其次，综合分析“物联网”整个模块，其中关键的概念有以下几点，物联网的概念、物联网的应用、物联网中的传感与识别技术、物联网中无线通信技术、控制与反馈。最后，探寻上位学科概念，构建大概念体系，结合信息科技学科六大核心逻辑主线，通过思维导图的形式梳理了“物联网”模块整体核心知识网络，如图2所示。结合以上分析，笔者总结了基于六大逻辑主线的大概念（表1）。基于此，笔者将实验素养目标设计如下。（1）通过了解物联网在文物保护行业的应用，进一步认识物联网给学习生活带来的改变，增强利用物联网知识解决现实问题的意识。理解物联网中数据的采集与传输过程，体验控制与反馈（信息意识、计算思维）。（2）根据真实问题，掌握物联网系统设计的一般方法，学会选择数字设备和数字平台，主动利用数字设备开展实践创新探究（数字化学习与创新）。（3）了解文物保护的重要性，提高对传统文化的理解和尊重，激发利用现代科技手段进行文化传承和创新的思考（信息社会责任）。实验项目实施1.问题启思播放《正在慢慢消失的世界级文化遗产——敦煌莫高窟》纪录片节选片段，莫高窟作为历史的见证，蕴含着丰富的文化精髓，是中华民族宝贵的财富。保护好这些文物，就意味着守护好我们的历史记忆与文化传承。然而，文物的保存工作绝非易事，因为温度、湿度、光照以及气体环境等因素的波动都可能对文物构成潜在威胁。引出问题：如何更好地保护每一件文物，让它们免受岁月的侵蚀？设计思路：以文物保护的紧迫性展开课堂，创设真实情境，引导学生分析通过传感器实现对文物温度、湿度、光照等环境因素的实时监测，根据环境因素及时采取措施，有效防止文物的损坏，开展敦煌莫高窟环境检测物联网系统的实践探索。2.经验猜想实验活动1：探究莫高窟环境监测系统的功能需求（1）与传统的环境监测工具相比，基于物联网的莫高窟环境监测系统有什么优势？（2）实时监测的环境数据。分小组讨论莫高窟环境监测系统需要实现哪些功能，完成采集数据、传输与存储数据、分析处理数据、分析处理数据的需求分析及功能概述。设计思路：学生步入课堂时，心中带着对物联网系统简单而基础的理解。因此，教师需要指导他们结合实验主题，从个人生活经验中提炼信息，以此作为学习过程的出发点，做好接受新知识的准备。3.方案设计实验活动2：探究莫高窟环境监测系统的功能实现根据需求分析，完善在采集数据、传输与存储数据、分析处理数据、反馈与控制各项功能中需要用到的传感器以及物联网平台。实验活动3：莫高窟环境监测系统算法设计根据功能分析表与功能实现表，设计莫高窟环境监测系统算法，使用算法模块，完成流程图的绘制。设计思路：在方案设计初期，学生需深入理解实验的目标、所需设备、具体步骤，并清晰确立实验设计的核心理念，以便全面掌控实验流程，避免进行无目的或不明确的操作。4.实验践行实验活动4：模拟实现莫高窟环境监测物联系统功能任务1：基本结构搭建（1）挑选物联实验所需的传感器与主控板等设备。（2）建立无线网络连接。（3）对物联网服务平台进行配置。任务2：采集数据使用温度、湿度传感器获取当前环境的数据，并显示在主控板上，将传感器数据采集到记录表。任务3：传输数据与反馈控制在物联网体系中，数据存储的任务由物联网服务平台承担，而主控板则负责从传感器获取数据，并通过网络传输给服务平台。针对莫高窟环境监测系统项目，主控板的操作流程是：首先建立网络连接，接着与物联网服务平台进行对接，随后持续不断地从传感器中读取数据，并将这些数据实时上传至物联网服务平台。设计意图：通过分步骤的任务，学生可以逐步掌握复杂的概念和技能，理解每个环节的原理，降低学习难度，提高学习效率。每个任务完成后，教师和学生都可以进行及时的反馈和调整，确保后续任务的改进和优化。5.提炼增智首先，成果展示与反馈评议，各小组分别展现其创作，并分享课堂收获。其次，教师鼓励学生课后探索外观设计领域，利用环保材料，动手实践外观创作。最后，教师抛出一个思考题：系统的功能还可以如何迭代优化升级？引导学生利用已学知识不断探索、发现并解决系统中存在的问题。还有很多室外的古建筑需要保护，涉及的因素更多，如需实时监测位移、沉降、倾斜、加速度、振幅、频率、风力等。设计理念：实现知识从课堂到生活的迁移，强调学习源自生活实践，最终服务于生活，构建完整的学习循环体系。结束语在以“莫高遗梦守护者”为主题的初中信息科技实验项目