大概念下初中信息科技學(xué)科實驗教學(xué)實踐

摘要：本文結(jié)合《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》，設(shè)計了初中信息科技學(xué)科大概念下的實驗教學(xué)設(shè)計基本框架，并以“智能養(yǎng)花系統(tǒng)”實驗項目為例進行實驗教學(xué)案例設(shè)計，鼓勵學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題，提升學(xué)生的計算思維能力。

關(guān)鍵詞：學(xué)科大概念；初中信息科技；智能養(yǎng)花系統(tǒng)；實驗教學(xué)

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）14-0090-04

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）指出，要從信息科技實踐應(yīng)用出發(fā)，提升學(xué)生對基本概念和基本原理的理解，從而培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，提升學(xué)生的數(shù)字素養(yǎng)與技能。因此，信息科技實驗教學(xué)為新課標(biāo)下的信息科技課程實施提供了有效方法。同時，學(xué)科大概念能夠幫助教師建構(gòu)學(xué)科教學(xué)的知識框架，而且能夠幫助學(xué)生進行知識的記憶和遷移，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。所以，筆者認(rèn)為促進大概念理解的信息科技實驗教學(xué)內(nèi)容最有價值。

大概念下初中信息科技學(xué)科實驗教學(xué)設(shè)計基本框架

“智能養(yǎng)花系統(tǒng)”實驗所屬單元選自新課標(biāo)中的“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”模塊，單元教學(xué)要求是：會使用實驗設(shè)備搭建簡易應(yīng)用或系統(tǒng)原型，并通過實驗平臺讀取、發(fā)送、接收、匯集和使用數(shù)據(jù)；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。實驗根據(jù)目的和方式不同可以有不同的分類，魏雄鷹老師提出的實驗的基本類型主要有驗證類、探究類、創(chuàng)新應(yīng)用類以及虛擬仿真類，“智能養(yǎng)花系統(tǒng)”實驗屬于利用概念和原理解決問題的創(chuàng)新應(yīng)用類實驗。因此，筆者基于六大學(xué)科邏輯主線，梳理了本單元的大概念（如下表）并設(shè)計了實驗教學(xué)設(shè)計的基本框架（如下頁圖）。

“智能養(yǎng)花系統(tǒng)”實驗項目教學(xué)案例設(shè)計

1.實驗素養(yǎng)目標(biāo)

①具有用物聯(lián)網(wǎng)知識解決問題的意識，理解物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)的獲取方式和數(shù)據(jù)的匯集與使用方法；體驗物聯(lián)網(wǎng)的控制與反饋，體會物聯(lián)網(wǎng)中控制與反饋的價值和意義，體驗物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用的方法與過程。（信息意識、計算思維）

②能從需求出發(fā)，設(shè)計和搭建物聯(lián)系統(tǒng)原型并運行、調(diào)試和發(fā)布，掌握物聯(lián)系統(tǒng)原型設(shè)計的一般過程和基本方法，提高利用數(shù)字設(shè)備與平臺開展創(chuàng)新實踐活動的能力。（數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）

③在物聯(lián)系統(tǒng)應(yīng)用中，能夠?qū)⒅悄茉O(shè)計應(yīng)用于國家造林活動，提高環(huán)保意識，培養(yǎng)綠色生活方式。（信息社會責(zé)任）

2.實驗教學(xué)過程

課時1：智能養(yǎng)花系統(tǒng)設(shè)計

①情境導(dǎo)入，問題拋出。

教師提出問題：放假期間班級盆栽無人照料影響生長，請使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)制作智能養(yǎng)花系統(tǒng)，實現(xiàn)24小時全方位照料盆栽。

設(shè)計意圖：通過情境問題，引導(dǎo)學(xué)生使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決問題，提高學(xué)生的信息意識。

②需求分析，功能設(shè)計。

教師引導(dǎo)學(xué)生思考影響植物生長的因素有哪些，在上網(wǎng)查詢后，小組合作填寫實驗導(dǎo)學(xué)單中的“影響盆栽生長的因素表”（如光照、水分、空氣溫濕度等）。接著，根據(jù)影響植物生長的因素，小組合作設(shè)計功能需求（自動澆水、自動補光、自動通風(fēng)等），并填寫實驗導(dǎo)學(xué)單中的“需求分析表”。

設(shè)計意圖：采用小組合作的方式，讓學(xué)生學(xué)會使用網(wǎng)絡(luò)資源獲取資料，在實踐中探索、獲取真知，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。

③功能分解，設(shè)計搭建。

學(xué)生根據(jù)需求分析表，分解系統(tǒng)功能，小組合作設(shè)計實現(xiàn)不同功能所需的硬件設(shè)備及平臺，填寫實驗導(dǎo)學(xué)單中的“系統(tǒng)設(shè)計表”。

設(shè)計意圖：進行頭腦風(fēng)暴，將以往所學(xué)物聯(lián)網(wǎng)知識遷移應(yīng)用到本環(huán)節(jié)中，完善知識結(jié)構(gòu)。

④交流展示，總結(jié)分享。

各小組展示本節(jié)課實驗導(dǎo)學(xué)單，并總結(jié)本課所學(xué)。教師啟發(fā)學(xué)生思考如何實現(xiàn)功能，為下一節(jié)課做準(zhǔn)備。

設(shè)計意圖：在交流展示中鞏固新知，強化設(shè)計思想。

課時2：智能養(yǎng)花系統(tǒng)功能實現(xiàn)

①復(fù)習(xí)舊知，導(dǎo)入新課。

教師先提問上節(jié)課所學(xué)知識。小組匯報系統(tǒng)不同功能及所學(xué)元件。接著，四人一組，各小組成員根據(jù)特長選擇角色。（項目管理師：統(tǒng)籌安排實驗活動，并做好實驗過程評價記錄；硬件設(shè)計師：負(fù)責(zé)指導(dǎo)其他小組成員進行硬件搭建；軟件設(shè)計師：進行軟件設(shè)計和編寫，其他成員進行調(diào)試與完善；數(shù)據(jù)記錄師：做好實驗過程中的數(shù)據(jù)記錄）

設(shè)計意圖：復(fù)習(xí)舊知；小組合理分工，合作學(xué)習(xí)。

②功能實現(xiàn)，自動澆水。

硬件設(shè)計師指導(dǎo)其他小組成員根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計表進行硬件搭建。軟件設(shè)計師設(shè)計程序，思考通過監(jiān)測三天盆栽土壤濕度數(shù)據(jù)獲取盆栽缺水時的濕度閾值。同時，教師提前準(zhǔn)備好實驗盆栽，由數(shù)據(jù)記錄師在實驗導(dǎo)學(xué)單上記錄實驗數(shù)據(jù)。

軟件設(shè)計師使用圖形化編程軟件Mind+編寫程序，通過土壤濕度傳感器監(jiān)測植物是否缺水，通過轉(zhuǎn)動舵機觸發(fā)澆水裝置，當(dāng)土壤濕度較小時，舵機搖臂向下，使水壺向下澆水，當(dāng)土壤濕度正常時，舵機轉(zhuǎn)動到其他角度，其他成員指導(dǎo)調(diào)試運行。屏幕顯示土壤濕度值，當(dāng)土壤濕度較小時，舵機轉(zhuǎn)動。（教師提供功能代碼文件供參考）

項目管理師做好實驗過程評價記錄。

③功能實現(xiàn)，自動補光。

硬件設(shè)計師指導(dǎo)其他小組成員根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計表進行硬件搭建。軟件設(shè)計師設(shè)計程序，思考通過掌控板自帶的環(huán)境光傳感器監(jiān)測三天內(nèi)光照強度。同時，教師提前準(zhǔn)備好實驗盆栽，由數(shù)據(jù)記錄師在實驗導(dǎo)學(xué)單上記錄實驗數(shù)據(jù)。

軟件設(shè)計師使用圖形化編程軟件Mind+編寫程序，確定盆栽適宜的光照強度最小值，當(dāng)光線較弱時，點亮RGB燈帶進行補光，當(dāng)光線較強時，熄滅燈帶，其他成員指導(dǎo)調(diào)試運行。

運行結(jié)果：屏幕顯示實測光線強度值，當(dāng)光線較弱時，點亮RGB燈帶。（教師提供功能代碼文件供參考）

項目管理師做好實驗過程評價記錄。

④功能實現(xiàn)，自動通風(fēng)。

硬件設(shè)計師指導(dǎo)其他小組成員根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計表進行硬件搭建。

軟件設(shè)計師設(shè)計程序，通過溫濕度傳感器監(jiān)測三天內(nèi)空氣溫濕度范圍，記錄實驗數(shù)據(jù)，教師提前準(zhǔn)備好實驗盆栽，由數(shù)據(jù)記錄師在實驗導(dǎo)學(xué)單上記錄實驗數(shù)據(jù)。

軟件設(shè)計師使用圖形化編程軟件Mind+編寫程序，確定盆栽適宜的空氣溫濕度最大值，當(dāng)溫度或濕度較高時，啟動電機帶動風(fēng)扇，來降溫或降濕。其他成員指導(dǎo)調(diào)試運行。

運行結(jié)果：屏幕顯示實測空氣溫濕度，當(dāng)溫度或濕度較高時，啟動電機。（教師提供功能代碼文件供參考）

項目管理師做好實驗過程評價記錄。

設(shè)計意圖：通過功能實現(xiàn)學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)原型設(shè)計的一般過程和方法；學(xué)習(xí)通過設(shè)計實驗、獲取實驗數(shù)據(jù)、分析實驗數(shù)據(jù)、應(yīng)用實驗數(shù)據(jù)解決問題的一般過程和方法，讓學(xué)生在做中學(xué)、用中學(xué)、創(chuàng)中學(xué)。

⑤功能實現(xiàn)，數(shù)據(jù)監(jiān)測。

教師提出問題：放假期間不在學(xué)校，如何遠程查看植物各項數(shù)據(jù)？（學(xué)生提出使用物聯(lián)網(wǎng)平臺Easy IoT實現(xiàn)遠程查看數(shù)據(jù)的猜想）

實驗驗證：小組討論思考如何使用物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測。（在Easy IoT中定義4個Topic，分別向Topic發(fā)送水分、光照、溫度、濕度的數(shù)據(jù)，這樣，在每個Topic中可以對應(yīng)查看各個數(shù)據(jù)的折線圖和數(shù)值）

程序設(shè)計師在以上程序的基礎(chǔ)上，進行程序設(shè)計（設(shè)置每隔3秒向Easy IoT平臺發(fā)送一次各類數(shù)據(jù)），自動澆水、自動補光、自動通風(fēng)、屏幕顯示函數(shù)不變，其他成員調(diào)試運行。

運行結(jié)果：除了實現(xiàn)自動澆水、補光、通風(fēng)以外，在Easy IoT中可以遠程查看各項數(shù)據(jù)。（教師提供功能代碼文件供參考）

最后，項目管理師做好實驗過程評價記錄。

設(shè)計意圖：通過系統(tǒng)功能實現(xiàn)，體會物聯(lián)網(wǎng)平臺層的作用，用實驗驗證數(shù)據(jù)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中傳輸?shù)囊话氵^程，通過實驗檢驗理論的正確性。

⑥交流展示，總結(jié)評價。

各小組展示作品，并匯報評價結(jié)果。

教師啟發(fā)學(xué)生在課下進行外觀設(shè)計，使用外觀材料如空飲料瓶、廢紙盒、雪糕棒、吸管、彩紙，使用工具如熱熔膠、裁紙刀進行外觀制作。

教師提出問題：能否將智能養(yǎng)花系統(tǒng)應(yīng)用于大棚種植？以此提高學(xué)生的環(huán)保意識，倡導(dǎo)綠色生活方式。

設(shè)計意圖：將課堂所學(xué)知識用到生活中，課堂學(xué)習(xí)來源于生活，最終又回到現(xiàn)實生活，形成學(xué)習(xí)的閉環(huán)。

3.實驗設(shè)計與創(chuàng)新點

借助數(shù)字化工具和開源硬件等資源，創(chuàng)新實驗教學(xué)方式，組織學(xué)生開展了大量的實驗探究活動。通過動手實踐，體驗感悟并總結(jié)歸納，編程實現(xiàn)創(chuàng)意，將理論學(xué)習(xí)與實踐探究相結(jié)合，取得了良好的效果。

結(jié)語

通過以上基于學(xué)科大概念在信息科技教學(xué)中融入實驗教學(xué)的嘗試，筆者收獲了很多寶貴經(jīng)驗：一是實驗課前準(zhǔn)備工作很重要，教師要提前準(zhǔn)備好所需實驗器材，深度挖掘物聯(lián)網(wǎng)基本概念、科學(xué)原理和架構(gòu)搭建，將其更好地融入到教學(xué)設(shè)計中；二是實驗操作要嚴(yán)謹(jǐn)，教師要引導(dǎo)學(xué)生按照實驗步驟進行操作，做好小組成員分工，記錄數(shù)據(jù)、整理器材，以便后續(xù)及時綜合和分析實驗結(jié)果；三是注重實驗結(jié)果分析和總結(jié)，找出實驗可能存在的問題，提出改進措施。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S]北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

[2]魏雄鷹.加強信息科技實驗教學(xué) 發(fā)揮信息科技育人價值[DB/OL].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/moe_2082/2023/2023_zl24/202311/t20231123_1091836.html.

[3]鄭潔.基于大概念的信息科技實驗結(jié)構(gòu)化設(shè)計實施路徑[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2023（11）：52-54.

[4]俞含盛，徐光濤.信息科技實驗教學(xué)：價值定位、教學(xué)模式與實施策略[J].中國信息技術(shù)教育，2024（05）：5-8.

[5]應(yīng)筱艷.《物聯(lián)網(wǎng)基本原理演示》實驗教學(xué)設(shè)計[J].中國信息技術(shù)教育，2024（05）：17-20.

[6]葛焱，朱君輝.基于學(xué)科大概念的初中信息科技大單元教學(xué)實踐——以“人工智能”大單元教學(xué)為例[J]中國信息技術(shù)教育，2024（06）：37-40.