在數(shù)字化體驗中培養(yǎng)“數(shù)字化學習與創(chuàng)新”素養(yǎng)

王曉荔　王菁　田鈺

學生發(fā)展核心素養(yǎng)是課程育人價值的集中體現(xiàn)。教育部頒布的《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》明確指出，“數(shù)字化學習與創(chuàng)新”作為信息科技課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)之一，是指通過選用合適的數(shù)字設備、平臺和資源，有效地管理學習過程與學習資源，開展探究性學習，創(chuàng)造性地解決問題。其內涵可概括為適應數(shù)字化環(huán)境、利用數(shù)字化工具或資源、開展數(shù)字化協(xié)同創(chuàng)新三個方面。面向八年級學生開展的“構建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)原型”教學，所對應的課程標準為：通過簡易物聯(lián)系統(tǒng)的設計與搭建，探索物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)采集、處理、反饋控制等基本功能。若按傳統(tǒng)教學思路，整體教學易陷入知識講解和技能訓練的窠臼。如：教學內容和形式受限，沒能讓學生深入探索工作原理；過度關注工具運用的結果，忽視對學生發(fā)現(xiàn)真實問題、解決復雜問題能力的培養(yǎng)；學生無法及時有效地溝通交流，課堂節(jié)奏難以把握；等等。為讓學生真正掌握物聯(lián)網(wǎng)技術，并將其遷移到類似問題的解決上，筆者構思了“智能生活類”主題，指導學生利用掌控板等數(shù)字設備搭建簡易物聯(lián)系統(tǒng)，圍繞主題開展項目式學習。在項目進行過程中，學生通過三個遞進的實驗探究活動，體驗物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡傳輸和反饋控制過程，進一步理解其工作原理，探索創(chuàng)意應用。實踐證明，基于數(shù)字化學習平臺的項目式學習，使“數(shù)字化學習與創(chuàng)新”素養(yǎng)的培養(yǎng)轉化為可操作、可評價的課堂教學行為。

一、創(chuàng)設數(shù)字化環(huán)境，重構教學方式

（一）基于真實情境，確定項目主題

物聯(lián)網(wǎng)課程適宜采用項目式學習方式，以培養(yǎng)學生解決真實問題的能力。前導課中，學生對物聯(lián)網(wǎng)的傳感技術、識別技術、通信技術等有了粗淺的了解?？紤]到“構建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)原型”涉及的知識龐雜，如果教師只是介紹傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設備，或展示物聯(lián)網(wǎng)的神奇應用，學生只能了解到物聯(lián)網(wǎng)技術的皮毛。而通過親手搭建簡易物聯(lián)系統(tǒng)的方式，學生會更深刻地體會到物聯(lián)網(wǎng)技術的獨特魅力。為此，筆者設計了“物聯(lián)網(wǎng)燈”這樣一個源自學生生活的、具體而真實的項目，幫助學生體驗物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡傳輸和反饋控制過程。

在導入環(huán)節(jié)，教師通過視頻創(chuàng)設真實情境，學生跟隨視頻的演示，對生活中典型的物聯(lián)網(wǎng)應用做了初步了解。在教師的引導下，學生還現(xiàn)場體驗了用小愛音箱語音控制智能臺燈的過程，這大大激發(fā)了他們探究物聯(lián)網(wǎng)應用的興趣。教師趁熱打鐵，對學生進行了線上問卷調查。在分析學生需求（如圖1）的基礎上，教師規(guī)劃合理的項目主題“設計一款根據(jù)環(huán)境光強度自動調節(jié)亮度的燈”。

項目的實施主體是學生。只有貼近學生的興趣和能力的項目主題，才能激起他們完成項目的內驅力。學生在情境中發(fā)現(xiàn)問題，產(chǎn)生信息加工的需求，從而選擇合適的數(shù)字化工具處理工作任務。

（二）基于數(shù)字化平臺，改變學習方式

在設計項目之初，教師曾設想通過項目活動手冊引導學生自主學習和小組協(xié)作。但受傳統(tǒng)方式制約，項目式學習的開展存在三大困難：一是學生查找資料費時費力、效果不佳，無法進行個性化學習；二是在小組協(xié)作中組員無法有效分工，組長難以掌控項目整體進度；三是教學評價主體單一、流于形式，無法關注到學生的個體發(fā)展。

于是，筆者決定采用數(shù)字化手段提升學習體驗及學習效果。經(jīng)多方比較，筆者最終選用GateFace軟件搭建物聯(lián)網(wǎng)項目學習平臺。該軟件是一款所見即所得的網(wǎng)頁編輯器，具有多媒體化、超文本、上傳下載、資源共享、實時交互等特點。學生在局域網(wǎng)環(huán)境下只需要輸入教師機IP地址即可訪問，也可在家遠程登錄使用。這樣做既銜接了課前、課中、課后的學習過程，又管理了學習資料和資源，讓項目式學習落到實處。

在物聯(lián)網(wǎng)項目學習平臺中，教師精心設計了教學支架，包括項目簡介、方案設計、項目支持等，以保障項目式學習的順利實施（如圖2）?？紤]到微課這一學習資源形式更能滿足學生的個性化學習需要，教師使用萬彩動畫大師制作了系列動畫微課，涉及原理講解、程序編寫、實驗過程等內容。這些微課生動有趣，并且支持學生根據(jù)自身特點和需求自主學習、自由安排學習進度，既能查漏補缺，又能強化鞏固所學知識。

隨時、隨地、隨需的數(shù)字化學習平臺，整合了文字、圖像、音頻、視頻等多元化教學資源，為學生的學習提供了強有力的支撐。通過數(shù)字化學習平臺，學生可以完成課程預習、自主探究與協(xié)同創(chuàng)新等多種學習活動。在數(shù)字化學習平臺的加持下，教師的教從傳授型向引導型轉變，學生的學從被動型向主動型轉變。

（三）融合數(shù)字化工具，支撐教學實踐

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》強調以科學原理指導實踐應用。在真實情境中運用科學思維解決問題時，數(shù)字化工具的使用會讓學生在學習中如虎添翼。于是，教師決定提供相應的數(shù)字化工具，讓學生參與到簡易物聯(lián)系統(tǒng)的設計搭建中，體驗并掌握如何從物聯(lián)設備中讀取、發(fā)送、接收和使用數(shù)據(jù)，了解物聯(lián)網(wǎng)的工作過程。數(shù)字化工具的選擇，既要成本低廉、容易操作，又要適合開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)項目，便于后期的推廣和落地。尤為重要的是，硬件的選擇、平臺的搭建，要注意使用國產(chǎn)的優(yōu)秀產(chǎn)品，以此讓學生認識到自主可控技術對國家安全的重要性。在開源硬件方面，由于Arduino 套件連線不便且不易收納，micro：bit非自主可控且功能簡單，我們選取了國內第一款擁有完全自主知識產(chǎn)權的開源智能硬件——掌控板。支持掌控板的圖形化編程軟件主要有mPython、Mind+、Mixly（米思齊）等。經(jīng)過比較和體驗，我們認為mPython編程軟件更易閱讀、易維護，可離線安裝使用，可簡單仿真，且可加載多種擴展（如AI攝像頭、無人機、氣象站等硬件擴展，OneNet、SIoT、MQTT、Blynk等物聯(lián)網(wǎng)應用擴展），適合開發(fā)各類物聯(lián)網(wǎng)項目。教師還為學生提供了“掌控板物聯(lián)網(wǎng)”微信小程序，讓平板電腦與掌控板通過Wi-Fi通信，在平板電腦上控制掌控板及顯示數(shù)據(jù)，方便學生以數(shù)據(jù)分析、模擬驗證等方式開展探究實驗。

運用數(shù)字化工具進行實驗探究，能夠讓學生在剖析物聯(lián)網(wǎng)三層架構的過程中深入理解其工作原理。真實的主題學習，可激發(fā)學生的探究欲，培養(yǎng)學生的問題解決能力，形成探索和創(chuàng)新的意識。

二、在數(shù)字化學習中創(chuàng)新實踐

在“構建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)原型”的項目式學習過程中，學生通過教師創(chuàng)設的數(shù)字化學習情境，依據(jù)自身學習需求，利用數(shù)字化平臺獲取知識、加工信息、管理作品、共享成果、交流評價，借助掌控板等數(shù)字化工具開展實驗探究，深入理解物聯(lián)網(wǎng)工作原理，嘗試運用所掌握的原理和知識進行創(chuàng)意應用，將科學原理應用到生活實踐中去。

（一）小組協(xié)作，項目規(guī)劃

學生采用在線學習方式，在物聯(lián)網(wǎng)項目學習平臺閱讀教師提供的項目方案參考案例，明確項目實施過程，完善本小組的項目方案。根據(jù)之前所學的物聯(lián)網(wǎng)相關知識，學生自主思考若要實現(xiàn)燈的亮度根據(jù)環(huán)境光強度自動調節(jié)，需要采集什么數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)小程序如何獲得采集的數(shù)據(jù)，怎樣根據(jù)采集的數(shù)據(jù)控制燈的亮度。這樣，以問題為驅動，可層層推進項目流程。

學生通過物聯(lián)網(wǎng)項目學習平臺協(xié)作完成項目規(guī)劃。為保障項目順利實施，他們進行了小組分工。如，甲負責項目整體規(guī)劃、統(tǒng)籌協(xié)調，乙探究掌控板的硬件連接，丙利用mPython軟件完善并調試程序，丁負責成果匯報。學生明確各自職責，主動查找數(shù)字化資源進行相關學習準備。

“數(shù)字化學習與創(chuàng)新”素養(yǎng)的培養(yǎng)體現(xiàn)在，學生以小組協(xié)作的形式，在物聯(lián)網(wǎng)項目學習平臺完善方案設計，利用數(shù)字化資源自主學習，主動探索新知識與新技能，選擇合適的數(shù)字資源和工具進行項目規(guī)劃，體現(xiàn)了“以學生為中心”。

（二）實驗探究，項目實施

項目式學習強調在真實情境中運用科學思維和信息科技手段解決問題，在掌控板等數(shù)字化工具的助力下，學生能夠沉浸式地經(jīng)歷原理運用過程，并創(chuàng)新性地解決真實任務。

1.實驗探究一：利用掌控板的光線傳感器采集環(huán)境光線強度

掌控板板載光線傳感器，可感知周圍環(huán)境的光線強度并轉換為數(shù)字信號（即光線值）。師生使用簡單的代碼，即可將光線值在mPython軟件的“繪圖區(qū)”以點線圖的方式可視化呈現(xiàn)。學生自主探究光線傳感器的數(shù)據(jù)采集范圍，用遮蓋光線傳感器、手電筒照射光線傳感器等方式，觀察光線值的實時變化折線圖，從而得出結論：光線傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)范圍為0～4095。在這一探究過程中，學生體驗了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的過程。

2.實驗探究二：通過Wi-Fi把掌控板傳感器采集的光線值傳輸給物聯(lián)網(wǎng)小程序

將光線值傳輸給物聯(lián)網(wǎng)小程序，需要用到Wi-Fi設置、小程序設置和發(fā)送數(shù)據(jù)流等指令。通過這些指令，掌控板就能以數(shù)據(jù)流的方式將光線值傳輸給物聯(lián)網(wǎng)小程序。學生使用Wi-Fi連接掌控板和微信中的“掌控板物聯(lián)網(wǎng)”小程序，將光線傳感器采集的數(shù)據(jù)實時傳輸給平板電腦上的小程序。在此過程中，學生觀察小程序與掌控板互聯(lián)反饋檢測到的光線值，得出“光照越強，光線值越大；反之，光照越弱，光線值越小”的結論。通過這一實驗探究活動，學生體驗了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程。

3.實驗探究三：根據(jù)環(huán)境光強度自動調節(jié)燈帶的亮度

為實現(xiàn)根據(jù)環(huán)境光強度自動調節(jié)燈帶亮度的功能，學生用杜邦線連接掌控板的拓展接口和WS2812B全彩燈帶，并將掌控板作為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點進行光線監(jiān)測。通過平板電腦遠程控制掌控板，學生可以進行開燈、關燈、拖動滑塊調節(jié)燈帶亮度等操作。經(jīng)過修改程序代碼（如圖3），學生探究了掌控板如何根據(jù)環(huán)境光強度自動調節(jié)燈帶亮度。實驗結果表明，當環(huán)境光變亮時，燈帶自動調暗；當環(huán)境光變暗時，燈帶自動調亮。學生在此過程中體驗了物聯(lián)網(wǎng)的反饋控制過程。

通過結合掌控板等數(shù)字化工具的實驗，學生經(jīng)歷了物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡傳輸和反饋控制過程。這三個探究實驗還增強了課程的趣味性和實用性，達到了讓學生學以致用的目的。在項目實施過程中，學生可觀看、學習教師提供的微課等項目支架，下載、修改代碼片段，進行實驗探究，體驗物聯(lián)網(wǎng)的工作過程。他們還可以在平臺上互動答題、校正實驗數(shù)據(jù)等，并在獲得反饋后，及時調整實驗進程。

“數(shù)字化學習與創(chuàng)新”素養(yǎng)的培養(yǎng)體現(xiàn)在，學生圍繞真實問題，利用數(shù)字化資源和平臺，主動探索新知識與新技能，充分運用各種數(shù)字化工具進行實驗探究，在“做中學”“用中學”，逐步形成應用信息科技進行實踐探索的意識，在團隊協(xié)作中創(chuàng)新性地解決問題。

（三）成果分享，交流評價

項目成果的匯報既是學習成果的總結，也是學生分享交流的舞臺。學生在此基礎上，將物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)原型在應用場景上進行拓展延伸。他們觀看視頻短片，了解物聯(lián)網(wǎng)在校園、社會中的應用場景，在物聯(lián)網(wǎng)項目學習平臺搜索相關資源，按照物聯(lián)網(wǎng)的三層結構探索創(chuàng)意應用，增加更多的傳感器，與其他的設備聯(lián)動，實現(xiàn)更加智能化的控制。如“智能家居”場景，光線傳感器與窗簾聯(lián)動，根據(jù)環(huán)境光自動開關窗簾；“智慧教室”場景，吊燈亮度會根據(jù)外界光線變化自動調節(jié)，人體感應傳感器檢測到學生進入教室，燈漸亮，人離開，燈漸滅；“智能路燈”場景，夜深人靜時路燈亮度調低，雷達傳感器檢測前方來車時再調高亮度，這樣更加節(jié)能環(huán)?！瓕W生還可在平臺中搜索、選取所需的拓展知識和課外資源進行個性化學習，在平臺的“討論分享”欄目發(fā)帖闡述本組創(chuàng)意應用。其他學生可以跟帖發(fā)表自己的觀點、提出建議、互動交流（如圖4）。

項目評價伴隨著整個項目進程而展開，在項目學習過程中體現(xiàn)過程性評價。學生通過匯報展示項目成果，將程序代碼、可視化文檔報告上傳到平臺的相應欄目，組內成員共享本組資源和成果，各小組間分享學習收獲，師生觀摩評論，反映了學生學習過程中的真實表現(xiàn)。學生作為評價的主體，積極參與到評價中，在“點贊投票”欄目針對其他小組的各方面表現(xiàn)進行多元評價。數(shù)字化學習平臺的合理運用，提供了多維度、數(shù)據(jù)化、發(fā)展性的評價，學生能夠感受到評價的真實性和公平性，能夠檢測自己的能力并促進自己成長。

“數(shù)字化學習與創(chuàng)新”素養(yǎng)的培養(yǎng)體現(xiàn)在，數(shù)字化平臺的應用提高了學生學習與評價的參與度，通過系統(tǒng)自評、學生互評、教師點評等，實現(xiàn)了以評促教、以評促學。學生通過交流開闊視野，通過評價收獲信心，在協(xié)作交流中創(chuàng)造出更多個性化和創(chuàng)新性的作品。

這樣一來，學生在整個項目完成的過程中，不僅使用數(shù)字化學習平臺進行反復、多次、有針對性的學習，拓寬獲取知識的渠道，養(yǎng)成在日常學習中主動使用數(shù)字化平臺和資源的習慣，而且他們會共同配合完成項目，逐漸形成通過數(shù)字化學習平臺協(xié)作學習、團隊分工合作、分享經(jīng)驗和知識的意識，在協(xié)作中實現(xiàn)團隊創(chuàng)新。

三、“數(shù)字化學習與創(chuàng)新”素養(yǎng)的培養(yǎng)策略

目前，各學科都在探索數(shù)字化學習方式，如微課、思維導圖、智慧課堂等的普遍應用。與傳統(tǒng)課堂教學相比，數(shù)字化學習方式讓學生能夠更加自主地選擇和使用學習資源，管理學習過程，開展自主學習和合作探究，運用信息科技創(chuàng)造性地解決問題，并形成創(chuàng)新作品（如圖5）。

“數(shù)字化學習與創(chuàng)新”是信息科技學科育人價值在核心素養(yǎng)中的關鍵體現(xiàn)，提升學生的“數(shù)字化學習與創(chuàng)新”素養(yǎng)，是個人終身發(fā)展的需要，也是數(shù)字時代社會發(fā)展的需要。如何在信息科技教學中培養(yǎng)學生的“數(shù)字化學習與創(chuàng)新”素養(yǎng)，我們建議教師從三方面著手。

首先，教師需創(chuàng)設真實情境，以真實問題驅動項目，通過關鍵問題鏈串聯(lián)起整個項目。學生圍繞真實而有意義的驅動型問題，開展一系列探究活動，在探究項目的過程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題。層層遞進且具有系統(tǒng)性的一連串教學問題，能促進學生深度思考，激活學生的高階思維。學生的思考過程和實踐結果可能與教師預設不一致，但正因如此，學生學習與創(chuàng)新的過程性才得以呈現(xiàn)。

其次，教師搭建可記錄、可交互、可反饋的數(shù)字化學習平臺，提供豐富的學習資源和支架，引導和幫助學生實現(xiàn)數(shù)字化學習，主動建構知識。學生可通過數(shù)字化學習平臺管理學習過程和學習資源，利用平臺豐富的數(shù)字化資源進行自主學習和個性化學習，借助數(shù)字化學習平臺協(xié)作功能進行互動交流，在團隊合作中協(xié)同創(chuàng)新。除了上文介紹的GateFace軟件，UMU互動平臺也是一個在線教與學平臺，能為教師提供免費教育服務。它集成了較多的互動模塊，能方便快捷地開展多樣化互動活動。此外，Moodle平臺作為全球應用最廣泛的、免費開源的課程管理系統(tǒng)，也能夠幫助教師和學生組織教與學的資源和活動，但由于Moodle平臺自由度較高，設計和管理相對復雜。

最后，教師要混合多種數(shù)字化工具協(xié)助學生完成項目探究，鼓勵學生進行數(shù)字化創(chuàng)新，在合作中不斷完善解決方案，在實踐中實現(xiàn)創(chuàng)新，將學習的過程轉變?yōu)閯?chuàng)新、創(chuàng)造的過程。學生不僅僅要習得數(shù)字化工具的使用技能，還要運用數(shù)字化工具進行深入且個性化的探索。如開源硬件、3D打印給學生帶來全新的體驗，幫助學生打通物理空間和數(shù)字空間，基于真實情境創(chuàng)造性地解決問題。

未來已來，信息科技教師要邁出積極探索的腳步，在信息科技課堂上落實“數(shù)字化學習與創(chuàng)新”素養(yǎng)，讓學生養(yǎng)成探索和創(chuàng)新的意識，逐漸獲得適應未來數(shù)字化生活的學習能力和思維品質。

參考文獻

[1][3]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.

[2][4]熊璋，楊曉哲.信息素養(yǎng)·數(shù)字化學習與創(chuàng)新[M].北京：人民教育出版社，2020.

（作者王曉荔系安徽省合肥市第四十六中學信息科技教師；王菁系安徽省合肥市亳州路小學信息科技教師；田鈺系安徽省合肥市教育科學研究院教育信息化應用研究中心主任、信息科技教研員）

責任編輯：牟艷娜