高中信息技術(shù)必修課實驗與實驗室建設(shè)探索

摘要：高中信息技術(shù)課程標準首次使用了“信息技術(shù)實驗室”來指稱信息技術(shù)課程的教學場所，表明信息技術(shù)課程教學不僅需要新理念，更需要新環(huán)境。針對當前信息技術(shù)課程實施場所（機房）存在的設(shè)備單一、見物不見人、缺乏規(guī)范等問題，首先需要認真把握新課標和新教材的實驗需求，在此基礎(chǔ)上，還需要對豐富多彩的實驗進行必要的分類，按類別研究其實驗條件。結(jié)合成熟的理化生實驗的分類方法，該文從學習成果的角度將信息技術(shù)必修課實驗分為兩大類：一是作品導向類，側(cè)重可視化成果的產(chǎn)生，根據(jù)載體的不同細分為程序設(shè)計類和硬件搭建類;二是知識導向類，側(cè)重隱性的經(jīng)驗知識的產(chǎn)生，根據(jù)知識加工深度的不同細分為體驗感悟類和科學探究類。整體而言，信息技術(shù)必修課實驗具有綜合性、多樣性（開放性）、非線性和應用性（實踐性）等特點，其實驗條件的建設(shè)更為復雜。作為一項新的實驗室建設(shè)工作，還需要特別注意實驗室功能定位、人機比例、實驗助教、建設(shè)策略和標準規(guī)范等問題。

關(guān)鍵詞：高中信息技術(shù)課程;信息技術(shù)必修課;實驗分類;信息技術(shù)實驗室

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

信息技術(shù)課程的前身是計算機課程，這一變化不僅是名稱及其所指內(nèi)容的變化（超越了基于計算機/臺式機和網(wǎng)絡(luò)的教學內(nèi)容），還體現(xiàn)在課程目標的變革（從計算機素養(yǎng)轉(zhuǎn)變到信息素養(yǎng)的培養(yǎng)），然而一直以來信息技術(shù)課程的教學場所依然局限在計算機教室，以應用軟件的操作訓練和程序設(shè)計為主要學習活動，未能跟上課程名稱和內(nèi)涵的變化步伐。《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版）》（下文簡稱“新課標”）相比上一個版本，在課程目標和內(nèi)容上均有大幅革新，更加突出了實踐和實驗性內(nèi)容的設(shè)計，并首次使用了“信息技術(shù)實驗室”來指稱信息技術(shù)課程的教學場所，表明信息技術(shù)課程教學不僅需要新理念，更需要新環(huán)境?？梢哉f，建設(shè)信息技術(shù)實驗室不僅重要，而且必要，可謂正逢其時。

毋庸諱言，有關(guān)信息技術(shù)實驗室的探索才剛剛開始，是—個非常時新的話題，如何在原有機房基礎(chǔ)上升級改造，實現(xiàn)“華麗蛻變”，有諸多問題需要思考。首先需要了解當前機房建設(shè)和使用過程中的突出問題，然后從分析新課標和新教材出發(fā)，了解信息技術(shù)實驗的具體需求和案例，最后才能形成實驗項目的基本分類和實驗室的建設(shè)要求。此外，還需要認清信息技術(shù)實驗室的一些特殊性，預設(shè)實驗室建設(shè)過程中的可能問題。因課程內(nèi)容跨度大，信息技術(shù)實驗室姑且可以分為必修課實驗室和選修課實驗室兩類，鑒于后者所涉內(nèi)容相對單一，而前者更為復雜，因此本文將主要聚焦于必修課實驗室建設(shè)的討論。

一、當前機房建設(shè)和使用過程中的突出問題

當前信息技術(shù)課程所普遍采用的機房條件，主要存在三個方面的突出問題：

一是設(shè)備單一。因為諸多歷史原因，當前的計算機房以配置臺式機為主，缺少其他信息技術(shù)設(shè)備和教學資源。在教育督導部門的日常督導工作中，對機房的檢查也不得不側(cè)重計算機數(shù)的統(tǒng)計，主要關(guān)注生機比指標。顯然，這種設(shè)備配置與新課標要求不匹配。

二是見物不見人。目前大部分學校的機房布局依舊沿用普通教室大班授課制模式，秧田式布局，缺少活動空間，不方便開展合作學習，難以開展研討、測試和展示活動。

三是缺乏規(guī)范。除了計算機房建設(shè)的基本標準如安全性等技術(shù)指標外，目前依然缺少針對中小學信息技術(shù)課程教學場所的建設(shè)規(guī)范或指南。如果說采用常規(guī)計算機房就可以滿足老版課標和教材的主要教學需求，那么針對新課標和教材所提出的各種新的教學活動需求，從普通機房轉(zhuǎn)型升級的信息技術(shù)實驗室，必然在建設(shè)規(guī)范上有別于傳統(tǒng)計算機房，尤其是需要引入哪些實驗，需要使用何種功能的設(shè)備，如何合理使用，均提出了新的要求，也有待進一步探索。

二、新課標背景下的信息技術(shù)必修課實驗需求分析

針對現(xiàn)有機房所存在的種種不足，新建實驗室或?qū)εf有機房進行升級改造已無可避免。如何新建或升級改造，首先需要準確把握信息技術(shù)必修課的實驗需求。鑒于相關(guān)研究工作的缺失，尤其缺少信息技術(shù)必修模塊的實驗參考樣例，從既有研究文獻開始分析是行不通的。因此，新課標和新教材就成為我們分析信息技術(shù)實驗的一個較好起點。為此，本文首先基于新課標進行了梳理，同時結(jié)合教育科學出版社出版的高中信息技術(shù)必修教材（初審版本）做了補充對照分析，形成了高中信息技術(shù)必修課的主要實驗需求（如表1和表2所示）。

三、信息技術(shù)必修課實驗分類與實驗條件

根據(jù)表1和表2的分析，可以發(fā)現(xiàn)信息技術(shù)必修課的實驗需求非常多樣，如果只是以簡單枚舉的方式羅列信息技術(shù)必修課實驗，難免掛一漏萬，也不利于形成結(jié)構(gòu)性認識。因此，尋找一個合適的實驗分類是必要的。

（一）分類維度的探尋

既然信息技術(shù)實驗是一個全新的話題，缺少經(jīng)驗和理論積累，那么有關(guān)實驗分類的依據(jù)，可以從物理、化學、生物等成熟學科實驗中去尋找啟示。

1.物理實驗

關(guān)于物理實驗的分類研究較多，主要有如下三種代表性觀點：

三分類：（1）測量型實驗，又分直接測量類（主要涉及各種物理屬性的測量）和間接測量類（主要涉及各種物理定律的驗證或簡單應用）;（2）探究型實驗，主要探究各種物理規(guī)律、效應和影響因素，探究方法相對明確;（3）開放設(shè)計型實驗，需要學生具備綜合分析、設(shè)計和歸納的能力。三種物理實驗體現(xiàn)了不同的開放性程度，其中測量型實驗的實驗方法和結(jié)果均比較明確，相當于封閉型的探究任務(wù);探究型實驗的結(jié)果具有不確定性，相當于半開放的探究任務(wù);設(shè)計型實驗的實驗條件和方法均具有不確定性和多樣性，相當于開放性探究任務(wù)。

四分類：根據(jù)認知發(fā)展規(guī)律，可以將實驗項目分為演示性、基礎(chǔ)性實驗、綜合設(shè)計性實驗和研究性實驗等四個循序漸進的層次。

五分類：按學科屬性分類，如力、熱、聲、電、光實驗等。

2.化學實驗

有關(guān)化學實驗的分類研究并不多見，比較流行的一種分類方法是根據(jù)技能認知目標的要求，將化學實驗分為以下三類：體驗型實驗（體現(xiàn)感知、感悟兩個層級的技能目標）、應用型實驗（體現(xiàn)綜合、應用兩個層級的技能目標）、創(chuàng)新型實驗（體現(xiàn)創(chuàng)新層級的技能目標）。

3.生物實驗

與生物實驗相關(guān)的分類研究集中在高中階段，主要有兩種典型觀點：

高中生物實驗系統(tǒng)可分為三大類：以實驗操作為主的生物實驗、以實驗觀察為主的生物實驗、以結(jié)論總結(jié)為主的生物實驗。此種分類在一定程度上體現(xiàn)了學生參與實驗的不同程度。

高中生物課程的四類實驗：觀察、生理或生化分析、模擬探究、調(diào)查。此種分類基本上是依據(jù)實驗方法和工具的不同做的實驗分類。

綜上，我們可以得到兩個非常重要的發(fā)現(xiàn)和啟示：

一是盡管傳統(tǒng)理科實驗中邊界清晰的封閉性實驗依然是主流，但實驗類型已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，體驗實驗、調(diào)查實驗、探究實驗、設(shè)計實驗、應用實驗等開放性、綜合性實驗在理化生等傳統(tǒng)學科中都有不同程度的體現(xiàn)，表明傳統(tǒng)邊界清晰、流程嚴格的科學實驗已經(jīng)不再是理科實驗的唯一類型，學科實驗的邊界在不斷擴大，導致實驗與實踐甚至創(chuàng)新性實踐的邊界逐漸模糊。這種發(fā)展趨勢無疑與新課標強調(diào)項目式學習方式保持了高度的一致。反觀信息技術(shù)實驗，如果無法兼容此類開放式項目活動，則將難以適應新時代的課程實施需求。因此，本文認為，信息技術(shù)實驗具有鮮明的應用性和實踐性特征，不能沿襲傳統(tǒng)理科實驗的老路，應該更加開放和多樣。

二是不同學科甚至同一學科均提出了線索迥異的實驗分類維度，主要涉及實驗的開放性、實驗的認知難度、實驗內(nèi)容的學科歸屬、學生的參與度、實驗的方法與工具等。信息技術(shù)必修課實驗的分類也可以參考這些分類維度，但適用性仍需考量。例如，按涉及的學科歸屬分類，界限比較清晰，但對于必修模塊而言，涉及細分的學科較為廣泛且范圍并不確定，因此此種分類容易限制實驗室的可擴展性，也存在人為肢解綜合性實驗的弊端。也可以按照實驗任務(wù)的開放性分類，例如封閉性實驗、半開放實驗、開放性實驗，此種分類邊界也較為清晰，有利于教師梳理和設(shè)計實驗任務(wù)，但并不利于指導實驗室的建設(shè)。相較而言，學生的參與程度、認知難度、實驗的技術(shù)工具等有較好的啟發(fā)性，但如果單一使用這些分類維度，又力有不逮，整合這些分類線索也許是一種更可行的思路。

（二）實驗分類框架與歸類

結(jié)合上述分析，本文擬從學習成果的角度進行分類，首先將信息技術(shù)必修課的實驗活動分為兩大類：一是作品導向類，側(cè)重可視化成果的產(chǎn)生;二是知識導向類，側(cè)重隱性的經(jīng)驗知識的產(chǎn)生。其中，作品導向類實驗又可以根據(jù)載體的不同細分為程序設(shè)計類（面向純數(shù)字作品）和硬件搭建類（面向軟硬結(jié)合類作品，或稱虛實融合類作品），體現(xiàn)了實驗所需技術(shù)工具的差異;知識導向類實驗又可以根據(jù)知識加工深度的不同細分為體驗感悟類（側(cè)重感性經(jīng)驗和感性知識的獲得）和科學探究類（側(cè)重理性知識的獲得），既體現(xiàn)了學生參與實驗程度的不同，也體現(xiàn)了不同的認知難度。

根據(jù)下圖的分類，可以將好上頁表1和上頁表2中的實驗進行歸類，所有羅列的實驗均可以歸類到唯一的分類（如下頁表3所示），說明本分類體系是完備的，也是包容的。

（三）不同實驗類別的實驗室條件分析

1.程序設(shè)計類實驗

程序設(shè)計類實驗主要包括程序設(shè)計和移動應用開發(fā)，所需實驗條件與傳統(tǒng)機房有很大的相似度，但因為引入了移動應用的開發(fā)實驗，因此還需要提供移動終端（手機或平板設(shè)備）及相應的APP開發(fā)環(huán)境，如APP Inventor。

2.硬件搭建類實驗

硬件搭建類實驗不僅包含硬件，還包含程序控制，主要涉及計算機拆卸與組裝，無線網(wǎng)絡(luò)/局域網(wǎng)的搭建，機器人/物聯(lián)網(wǎng)等信息物理融合系統(tǒng)的實現(xiàn)。實驗條件除了傳統(tǒng)的計算機設(shè)備、各種網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備以外，還特別需要配置機器人和物聯(lián)網(wǎng)套件（含監(jiān)控云臺及控制軟件），以及較大的測試與展示場地。

3.體驗感悟類實驗

體驗感悟類實驗主要鼓勵學生嘗試使用各種信息資源、工具和系統(tǒng)，體驗信息技術(shù)給學習和生活帶來的諸種便利和優(yōu)勢，在使用體驗的過程中學會觀察和分析各種技術(shù)的基本工作原理或流程。實驗條件除了計算機設(shè)備（臺式機或移動終端）和網(wǎng)絡(luò)條件外，還需要配置可供教學使用的虛擬仿真系統(tǒng)、MOOC、人工智能應用等各種數(shù)字資源，以及可選的實體機器人、AR設(shè)備等。

4.科學探究類實驗

科學探究類實驗主要涉及兩個子類：一是基于編程軟件、系統(tǒng)工具或應用軟件的計算機科學問題探究;二是基于問卷調(diào)查的社會問題探究。傳統(tǒng)機房也可滿足這類實驗的所需條件。

除了上述實驗類別所需的特定實驗條件外，還有一些通用的實驗條件，例如用于快速建模和表達觀點的思維導圖、數(shù)位板/手繪板等。需要說明的是，部分體驗性實驗可能需要使用虛擬仿真系統(tǒng)，以配合體驗活動的有效開展。

（四）信息技術(shù)必修課實驗的特點分析

仔細分析上述實驗類型，與傳統(tǒng)理科實驗相比，信息技術(shù)必修課實驗具有如下四個特點：

1.綜合性

信息技術(shù)必修課涉及內(nèi)容廣泛，大部分實驗都要涉及多個知識點甚至多學科知識，具有較為明顯的綜合性，而傳統(tǒng)的理科實驗一般只針對單一知識點展開。

2.多樣性（開放性）

信息技術(shù)必修課的四類實驗，不僅在學習成果上有顯著差別，在實驗選題和手段上也非常多樣，需要設(shè)計不同形式的實驗活動，包括頭腦風暴與研討、書面與數(shù)字建模、設(shè)計與制作、測試與調(diào)試、展示與交流等，需要使用到體驗式學習、項目式學習、探究式學習、逆向工程式學習等多種學習方法，實驗具有典型的開放性，與傳統(tǒng)封閉式的理科實驗有較大不同。

3.非線性

因為活動形式和方法的多樣性，導致信息技術(shù)必修課實驗在具體操作步驟上缺少嚴格意義上的“實驗流程”，有時甚至因為鼓勵學生研討和創(chuàng)意而使得實驗過程非?！皬碗s”，難以做到“齊頭并進”。而傳統(tǒng)的物理實驗則一般需要依據(jù)實驗流程按部就班地展開，基本上能確保所有學生按固定時間節(jié)點完成各項實驗。

4.應用性（實踐性）

大部分的信息技術(shù)必修課實驗都需要圍繞實際問題展開，指向技術(shù)工具的實際運用。即便是知識導向類實驗，也需要在學習和體驗技術(shù)工具的過程中應用其解決學習或生活中的問題。整體而言，相比強調(diào)學科知識本位的傳統(tǒng)理科實驗而言，信息技術(shù)必修課實驗具有很強的應用性色彩。

四、信息技術(shù)必修課實驗室建設(shè)將面臨的挑戰(zhàn)

作為一項全新的課題，信息技術(shù)必修課實驗室建設(shè)如同新課程實施一樣，需要經(jīng)受復雜實踐的考驗，也必然遭遇諸多挑戰(zhàn)。就目前而言，有關(guān)實驗室的功能定位、人機比例、實驗助教、建設(shè)策略和標準規(guī)范等方面均需要進一步的思考和嘗試。

（一）功能定位問題：實驗室是不是開設(shè)信息技術(shù)課的主要場所

信息技術(shù)實驗室應該作為現(xiàn)有機房的補充，還是應該作為獨立實施信息技術(shù)課程的主陣地？鑒于筆者傾向于將信息技術(shù)實驗的范圍拓展到實踐教學和項目式學習，因此贊同“主陣地”的定位，即大部分信息技術(shù)課程的學習活動都可以在信息技術(shù)實驗室中完成。與之相反，如果除了信息技術(shù)實驗室外，還需要學校另外配置計算機房等實踐教室，顯然有重復建設(shè)之嫌，不利于教育經(jīng)費的有效利用。當然，由于信息技術(shù)課程涉及學習內(nèi)容非常廣泛，基于場館的學習也是一種重要的補充，因此將信息技術(shù)課程完全局限在信息技術(shù)實驗室中開展也不恰當。對于學校而言，如需實施新課程，可以根據(jù)自身條件，或者新建信息技術(shù)實驗室，或者改造已有計算機房。

（二）人機比例問題：多少學生一套實驗設(shè)備比較適宜

一線教師習慣采用一人一機或一人一套設(shè)備的方式開展教學，但筆者認為在很多情況下，這不是一種好的配置方式。一方面，在大班額教學的條件下，一人一機的方式將大幅占用緊張的場地空間，限制其他活動空間的提供;另一方面，在核心素養(yǎng)教育的背景下，學生合作能力的培養(yǎng)不可或缺。在我們最近有關(guān)程序設(shè)計教育和機器人教育的實證研究中，比較強調(diào)配對編程和配對學習模式的使用。所謂配對編程，指的是兩個人使用一臺計算機完成編程任務(wù)，一個是“駕駛員”（Driver），負責操作計算機編寫代碼;另一個通常被稱為“導航員”（Navigator）.負責觀察“駕駛員”的工作，及時指出錯誤并提出問題解決建議，任務(wù)完成過程中，配對雙方需要按一定的規(guī)則進行角色交換。由此引申出來的配對學習模式，也可以應用于信息技術(shù)實驗室的各種學習任務(wù)。研究表明，這種兩人合作模式相對人數(shù)較多的傳統(tǒng)合作學習有較大的優(yōu)勢，可以有效避免角色固化、“搭便車”現(xiàn)象、責任彌散等問題。如果采用配對學習模式開展信息技術(shù)實驗，那么只需要按2人一組為單位配置一套實驗設(shè)備，不僅可以有效減少建設(shè)經(jīng)費和維護成本，也可以節(jié)約實驗場地，留出更多的空間用于研討、測試和展示。兩個配對小組合并則可以開展傳統(tǒng)的合作學習，尤其是頭腦風暴活動的開展，也方便人數(shù)較多的班級使用。當然，如果條件允許，傳統(tǒng)的一人一機模式也可以作為配對學習的一種補充。

（三）實驗助教問題：一位信息技術(shù)教師如何勝任大班實驗教學任務(wù)

根據(jù)我們的實踐觀察，大班實驗教學對教師要求極高，指導老師往往“疲以奔命”，加之信息技術(shù)實驗的綜合性、非線性等特點，不適合采用講練結(jié)合的方式開展教學，導致相當一部分學生常常難以按時完成預定實驗任務(wù)。盡管一線老師在長期實踐中摸索出了一些行之有效的策略，如小老師、小導師、異質(zhì)分組等策略，但面對復雜多樣的實驗任務(wù)，這些策略有時并不奏效。因此，對于條件較好的學校，可以嘗試“主教+助教”模式以降低生師比，尤其在重要的實驗課時中，如果能夠以兩名教師合作的模式開展實驗教學，將有效提高實驗教學質(zhì)量。在今后有關(guān)信息技術(shù)實驗室建設(shè)指南的研制中，這或許應該成為一個需要專門討論的實驗室條件，也將是實驗室建設(shè)“見物又見人”的一個重要體現(xiàn)。

（四）建設(shè)策略問題：信息技術(shù)實驗室應該如何改造

從實踐操作的角度分析，信息技術(shù)實驗所需諸項條件的建設(shè)不是簡單的做加法或減法。一方面，需要考慮主次之分，由主到次統(tǒng)籌考慮，采用“必配+選配”策略有序配置，由現(xiàn)有條件利用向機房改造或新增實驗室逐步延伸。例如，老舊計算機及現(xiàn)有機房的臺式機和服務(wù)器應當視作信息技術(shù)必修課的最基礎(chǔ)設(shè)備（必配），其后是各種移動終端和虛擬仿真系統(tǒng)（必配或選配），然后是各種機器人套件和物聯(lián)網(wǎng)套件（必配或選配），最后才是人形機器人、AR設(shè)備等體驗性實驗所需的昂貴設(shè)備（一般作為選配）。另一方面，在電子設(shè)備的添置時序上，需要避免一次性大批量的購置行為，尤其是一些智能設(shè)備尚處于高速迭代升級階段，分批量購置才能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，避免浪費寶貴的教育經(jīng)費，這也是引入以小組為單位配置設(shè)備的另一個重要原因。事實上，因一次性采購所造成的嚴重浪費的學校案例并不鮮見，尤其值得教育主管部門和校長的重視。此外，無論是既有機房改造還是新建實驗室，需要考慮各種功能區(qū)（如設(shè)備空間、活動空間和儲物空間）的一體化設(shè)計，在滿足開放性、項目式學習的需求之外，還必須考慮到現(xiàn)實條件的制約和成本投入，將部分功能區(qū)進行疊加設(shè)計，有效利用寶貴的場地空間，從以往只注重生機比轉(zhuǎn)向生空比、生師比及多種功能區(qū)的綜合供給，避免過度投入和不必要的空間浪費。

（五）標準規(guī)范問題：信息技術(shù)實驗室是否需要建設(shè)標準

整體而言，本文主要思考的還是實驗室條件應該有什么的問題，隨著研究和深入的推進，今后可能還需要關(guān)注實驗室建設(shè)標準規(guī)范的問題，但鑒于信息技術(shù)實驗的綜合性和開放性等特點，以及不同版本教材涉及的項目活動差異，在短期內(nèi)要沉淀出一個比較穩(wěn)定的建設(shè)標準是比較困難的。鑒于新課程實施的緊迫性，就目前而言，以新課標為核心盡快推出信息技術(shù)實驗室的建設(shè)指南或指導性意見，或者以新教材為核心提供五套高中信息技術(shù)教材版本的建設(shè)指南，可能是比較現(xiàn)實的選擇。這個指南可能需要聚焦的問題包括：從實驗條件上看，一方面是設(shè)備和場地的建設(shè)指南，另一方面是實驗室使用與管理的指導意見;從基礎(chǔ)指標上看，一方面是技術(shù)指標，尤其是耐用性問題、兼容性問題;另一方面是功能指標，例如，每一類實驗需要包含哪些具體實驗（必做實驗和選做實驗），每一類實驗所需設(shè)備的具體功能（基本功能和可拓展功能），實驗設(shè)備和場地空間究竟應該提供哪些功能區(qū)（基本功能區(qū)和特色功能區(qū)）等。

作者簡介：

鐘柏昌：教授，博士生導師，研究方向為中小學機器人教育、創(chuàng)客教育、信息技術(shù)教育等（zhongbc@163.com）。