當(dāng)“信息技術(shù)”遇見(jiàn)“科學(xué)”

張松

在全球新一輪科技教育革命中，多學(xué)科融合的教育理念、跨界跨學(xué)科的思維方式越來(lái)越受到教育者與受教育者的青睞。小學(xué)信息技術(shù)與科學(xué)這兩門學(xué)科相互支撐、相互補(bǔ)充，共同發(fā)展，在相互碰撞中，培養(yǎng)學(xué)生各方面技能，強(qiáng)調(diào)學(xué)生科學(xué)思維習(xí)慣的養(yǎng)成。本文提到信息技術(shù)和科學(xué)課，很多讀者也許會(huì)認(rèn)為，這又是一篇闡述信息技術(shù)在科學(xué)課上巧妙運(yùn)用的文章，恰恰不是，筆者所要講的，是信息技術(shù)課程與科學(xué)課程之間的融通嬗變，對(duì)小學(xué)生的科學(xué)思維帶來(lái)的影響。在小學(xué)階段，信息技術(shù)和科學(xué)分別是兩個(gè)不同的學(xué)科，它們分別有獨(dú)立的課程目標(biāo)，有特定的課程體系，有獨(dú)特的課程價(jià)值。但它們又同屬于學(xué)?？萍冀逃念I(lǐng)域，尤其是當(dāng)今“人工智能”的提出，機(jī)器人教育的普及，對(duì)科學(xué)學(xué)科以及信息技術(shù)學(xué)科的教育內(nèi)涵，都提出了更高的要求，因此，筆者嘗試將兩門學(xué)科的知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀三個(gè)層面深度融合，從而優(yōu)化學(xué)生科學(xué)思維的意志品質(zhì)。

知識(shí)與技能的融合，梳理思維的多元與邏輯

2017年10月，江蘇省小學(xué)信息技術(shù)教師基本功大賽圓滿落幕。從理論考試、上機(jī)實(shí)操到最后的課堂教學(xué)展示，提到最多的主題莫過(guò)于人工智能。國(guó)務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中也提出，要在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，推動(dòng)人工智能領(lǐng)域一級(jí)學(xué)科建設(shè)。而人工智能的知識(shí)體系，恰是科學(xué)和信息技術(shù)的合二為一，缺一不可。

片段一：在科學(xué)課上，學(xué)生把《杠桿》作為本節(jié)課的主要知識(shí)點(diǎn)。教師通過(guò)各種實(shí)例讓學(xué)生掌握了如何定位支點(diǎn)、動(dòng)力點(diǎn)、阻力點(diǎn)，再引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比動(dòng)力臂與阻力臂之間的距離，從而得出什么樣的杠桿是省力杠桿，什么樣的杠桿是費(fèi)力杠桿，什么樣的杠桿是不省力不費(fèi)力杠桿，課堂的著眼點(diǎn)在于真理的歸納和總結(jié)。

片段二：在信息技術(shù)課上，設(shè)計(jì)一個(gè)智能蹺蹺板，按鈕的觸動(dòng)可以使蹺蹺板自動(dòng)升降。機(jī)器人教學(xué)的著眼點(diǎn)放在編程上，教師教會(huì)學(xué)生如何用編程語(yǔ)言賦予機(jī)器人程序的思維，機(jī)器人就可以完成指定的任務(wù)。那么此時(shí)，學(xué)生所理解的機(jī)器人能夠“聽(tīng)指揮”，完全是因?yàn)榫幊淘斐傻?，沒(méi)有人會(huì)注意到組成機(jī)器人的結(jié)構(gòu)件里蘊(yùn)藏了很多機(jī)械原理，學(xué)生在編程之前，動(dòng)手搭建的蹺蹺板正是一個(gè)典型的杠桿，可是杠桿原理又屬于科學(xué)課的范疇。

諸如此類的課例屢見(jiàn)不鮮，如《手搖發(fā)電機(jī)器人》一課，學(xué)生通過(guò)機(jī)器人的模塊搭建出一個(gè)手搖機(jī)器人小車模型（如圖1）。

學(xué)生通過(guò)搖動(dòng)手中的馬達(dá)1，帶動(dòng)馬達(dá)2進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，形成小車前行和后退的過(guò)程。在信息技術(shù)的課堂上，學(xué)生體驗(yàn)了驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電的現(xiàn)象，證實(shí)了數(shù)據(jù)線傳遞信息的過(guò)程，了解了機(jī)器人的傳動(dòng)知識(shí)。其實(shí)這正是一次能源的二次轉(zhuǎn)化過(guò)程，馬達(dá)通過(guò)學(xué)生手搖產(chǎn)生了動(dòng)能，這一動(dòng)能又通過(guò)物理效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，最終電能使小車前行和后退。顯而易見(jiàn)，“能量之間的轉(zhuǎn)化”這一科學(xué)性知識(shí)點(diǎn)，又在信息技術(shù)的課堂上展現(xiàn)得通俗易懂，滲透得淋漓盡致。同時(shí)，如此生動(dòng)的課堂，能夠讓學(xué)生從多元的視角思考問(wèn)題，從不同的著眼點(diǎn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從多元的知識(shí)結(jié)構(gòu)上分析問(wèn)題，從而解決問(wèn)題。這不得不說(shuō)，信息技術(shù)與科學(xué)學(xué)科的融合勢(shì)在必行，知行合一。

過(guò)程與方法的融合，實(shí)現(xiàn)思維的理性與客觀

眾所周知，科學(xué)課講究的是實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明假設(shè)，驗(yàn)證假設(shè)的過(guò)程；信息技術(shù)課注重的是操作性和實(shí)踐性，通過(guò)探究活動(dòng)獲得技能的過(guò)程。兩者之間存在著必然的共性——以學(xué)生為主體的實(shí)踐活動(dòng)。當(dāng)前的信息技術(shù)課，教師過(guò)多地關(guān)注學(xué)生技能的訓(xùn)練，總以學(xué)生掌握技能、靈活使用為目標(biāo)，忽視了他們思維習(xí)慣的養(yǎng)成性培養(yǎng)。相比之下，科學(xué)課已經(jīng)形成的課堂教學(xué)模式“提出問(wèn)題—猜想假設(shè)—?jiǎng)邮謱?shí)驗(yàn)—收集數(shù)據(jù)—對(duì)照指標(biāo)—得出結(jié)論—?dú)w納真理”更值得借鑒。尤其是在機(jī)器人教學(xué)的編程模塊，更需要讓學(xué)生在編程之前，學(xué)會(huì)構(gòu)建程序流程圖，若程序中出現(xiàn)判斷語(yǔ)句，學(xué)生便要根據(jù)不同的判斷進(jìn)行合理的假設(shè)，并給出相應(yīng)的處理方案。待程序書寫并下載完畢后，再對(duì)機(jī)器人進(jìn)行調(diào)試，這一周而復(fù)始的預(yù)判、檢測(cè)、調(diào)試的過(guò)程也正是一個(gè)收集數(shù)據(jù)、對(duì)照指標(biāo)的過(guò)程。

在這里，筆者想和大家分享信息技術(shù)《變速風(fēng)扇》一課，學(xué)生在調(diào)試程序的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)科學(xué)奧秘的有趣故事。筆者把學(xué)生分成了甲、乙兩組，所給的實(shí)驗(yàn)材料為機(jī)器人搭建風(fēng)扇模型（如圖2）。

任務(wù)一：在程序編寫上，甲、乙兩組學(xué)生賦予電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的功率都為10。有一定編程基礎(chǔ)的學(xué)生，能很順利地完成此任務(wù)。

任務(wù)二：設(shè)置風(fēng)扇的第二個(gè)檔位。甲組學(xué)生修改程序，設(shè)置電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)功率為50；乙組學(xué)生把電機(jī)連接的主動(dòng)輪換成8齒小齒輪，再讓小齒輪嚙合扇葉連接的40齒大齒輪（如圖3），讓原主動(dòng)輪變?yōu)閺膭?dòng)輪，程序不做修改。猜測(cè)哪一組風(fēng)扇轉(zhuǎn)得更快呢？

絕大多數(shù)學(xué)生都會(huì)猜測(cè)修改功率的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速快。其實(shí)不然，通過(guò)偵測(cè)數(shù)據(jù)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)兩組風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速竟然還是一樣的，只不過(guò)一個(gè)是改變程序，一個(gè)是改變結(jié)構(gòu)，效果卻神奇般的一樣，并順勢(shì)發(fā)現(xiàn)了大齒輪帶小齒輪是加速的原理。此時(shí)，筆者再次質(zhì)疑：大齒輪和小齒輪之間的齒輪比與增速之間有什么關(guān)系呢？根據(jù)教師的引導(dǎo)，學(xué)生不難計(jì)算出40齒齒輪和8齒齒輪的齒輪比是5∶1，增加的電機(jī)功率值也剛好是5倍，它們是正比關(guān)系。

任務(wù)三：給風(fēng)扇設(shè)置第三個(gè)檔位，功率為200，但程序可設(shè)置的最大功率為100，那么該怎么做呢？此時(shí)，學(xué)生的思維被打開(kāi)，他們從最初的定勢(shì)思維，逐漸開(kāi)拓形成發(fā)散思維，學(xué)會(huì)了用科學(xué)機(jī)械原理與編程相結(jié)合的辦法來(lái)解決問(wèn)題，用客觀的依據(jù)和實(shí)踐的檢驗(yàn)來(lái)證明假設(shè)，用嚴(yán)密的邏輯計(jì)算和推理來(lái)歸納和演繹“齒輪組傳動(dòng)力”的科學(xué)真理，這也正是思維的理性與客觀的統(tǒng)一。

情感態(tài)度與價(jià)值觀的融合，培養(yǎng)思維的辯證與創(chuàng)新

課程標(biāo)準(zhǔn)明確指出，“情感態(tài)度與價(jià)值觀既是學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力因素，影響著學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的投入、過(guò)程與效果，又是教育的目標(biāo)之一”。諸如科學(xué)與信息技術(shù)學(xué)科一類的綜合實(shí)踐活動(dòng)學(xué)科，要由單一的知識(shí)與技能目標(biāo)改為多元教學(xué)目標(biāo)，注重培養(yǎng)學(xué)生的情感態(tài)度與價(jià)值觀。尤其是科學(xué)課上最能體現(xiàn)思維的思辨性——學(xué)生可以根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)習(xí)得，與同伴之間進(jìn)行平權(quán)的爭(zhēng)議；可以通過(guò)豐富的直接經(jīng)驗(yàn)和感性認(rèn)識(shí)進(jìn)行理性的懷疑，再通過(guò)自主活動(dòng)、實(shí)踐活動(dòng)和親身體會(huì)去推翻懷疑，爭(zhēng)論假設(shè)或者驗(yàn)證判斷。

再如，《機(jī)器人的芭蕾》一課的重點(diǎn)是兩個(gè)馬達(dá)之間的差速，會(huì)使“機(jī)器人小車”執(zhí)行不同的運(yùn)動(dòng)軌跡。筆者在執(zhí)教此課時(shí)，設(shè)計(jì)了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)量圖（如圖4）。

學(xué)生根據(jù)量圖提供的馬達(dá)功率進(jìn)行一一實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行判斷和總結(jié)，并將結(jié)果填入報(bào)告單。隨后，筆者組織小組討論，學(xué)生將自己的測(cè)試結(jié)果拿出來(lái)分享和比對(duì)，得出如圖5所示的結(jié)論。

在這一過(guò)程中，學(xué)生先從自我實(shí)踐中提煉出所謂的實(shí)驗(yàn)“真理”，當(dāng)與同伴交流碰撞中找到不同時(shí)，學(xué)生會(huì)對(duì)自己的預(yù)判提出質(zhì)疑，并再次投入測(cè)試和實(shí)驗(yàn)中，從而進(jìn)行“真理”的再次推敲和總結(jié)，周而復(fù)始，直至所謂“真理”扎實(shí)落地，任務(wù)得以完成，答案得以篤定，科學(xué)性的思維品質(zhì)在一個(gè)小小的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得以完美遇見(jiàn)。

如今的信息技術(shù)課堂也正需要這種思辨的思維方式來(lái)激發(fā)學(xué)生敢于質(zhì)疑真理的態(tài)度，用創(chuàng)新思維的方式來(lái)激勵(lì)學(xué)生敢于挑戰(zhàn)自我的意志品質(zhì)。課程之間只有深度融合，才能給予學(xué)生充分發(fā)揮想象的素材、進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)造的空間、展開(kāi)思維碰撞的路徑，才能讓教師的教育眼光更加深邃、教育思維更加睿智。

結(jié)語(yǔ)

小學(xué)信息技術(shù)課和科學(xué)課的融合就像使用粉筆、黑板、紙和筆一樣自然、流暢，這里是一個(gè)“糅合”的概念，這就是“課程融合”的核心。隨著教育改革與各學(xué)科之間的深度融通與嬗變，教與學(xué)的“雙重”革命正在教室內(nèi)外悄然發(fā)生。筆者認(rèn)為，這場(chǎng)“靜悄悄的學(xué)習(xí)革命”是支持每位學(xué)生的多元化、個(gè)性化需要的革命，也是促進(jìn)教師的自主性和創(chuàng)造性的革命。