國家將義務(wù)教育階段的“信息技術(shù)”課程更名為“信息科技”,深刻反映了課程內(nèi)容與教育理念的雙重演進(jìn)。其轉(zhuǎn)型核心在于課程焦點(diǎn)已不再局限于技術(shù)技能的傳授,而是擴(kuò)展至一個更加綜合的維度,強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”的實(shí)踐模式、對基礎(chǔ)概念與原理的深人探究以及對學(xué)科思維與方法論的掌握。在此背景下,強(qiáng)化基本概念與基本原理的學(xué)習(xí)顯得尤為重要?!读x務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》(以下簡稱“課標(biāo)”)中多次提到“原理”及“原理教學(xué)”,尤其在教學(xué)建議中要求“要注重學(xué)習(xí)要求的全面性,體現(xiàn)科學(xué)原理與實(shí)踐應(yīng)用的統(tǒng)一”“注重以科學(xué)原理指導(dǎo)實(shí)踐應(yīng)用”,提出了“場景分析一原理認(rèn)知一應(yīng)用遷移”的教學(xué)策略。對教師而言,如何以更有效的方式針對科學(xué)原理展開教學(xué),是一項(xiàng)重要的挑戰(zhàn)。許多教師限于簡潔的文字描述或圖示,未能將科學(xué)原理的“靜態(tài)”知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生“做中學(xué)”和“學(xué)中悟”的“動態(tài)”自我構(gòu)建過程。鑒于此,本文以《義務(wù)教育信息科技教學(xué)指南互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與創(chuàng)新七年級全一冊》(以下簡稱“七年級教學(xué)指南”)為例,提出針對信息科技課程內(nèi)容的“科學(xué)原理直觀化”教學(xué)方法。該方法的基本思路是,以技術(shù)賦能學(xué)生做中學(xué),憑借具體直觀現(xiàn)象或系統(tǒng)實(shí)例,通過“可看(觀察法)”“可比(類比法)”“可觸(操作法)”三類策略,以數(shù)字化教學(xué)創(chuàng)新的方式引導(dǎo)學(xué)生從感性體驗(yàn)向理性認(rèn)知逐級躍遷,旨在為教師提供一種新的視角和方法參考。
一、“科學(xué)原理直觀化” 的基本內(nèi)涵
課標(biāo)關(guān)于“互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與創(chuàng)新”模塊的內(nèi)容要求和學(xué)業(yè)要求雖僅160余字,卻涵蓋了數(shù)十項(xiàng)學(xué)科概念與基本原理。眾多概念性知識帶來了學(xué)習(xí)的困難。同時,課標(biāo)在“互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與創(chuàng)新”模塊的教學(xué)提示中,特別提出了“直觀原理”的建議[1。進(jìn)一步說,“直觀原理”是可以用“科學(xué)原理直觀化”來表達(dá)的一種教學(xué)方法,其基本內(nèi)涵是在信息科技課程的科學(xué)原理教學(xué)中,選取可觀察、可比擬、可操作的具體現(xiàn)象或?qū)嵗鳛榻虒W(xué)媒介,通過深入剖析,直觀揭示抽象概念與原理的本質(zhì)。該方法旨在引導(dǎo)學(xué)生從直觀的感性認(rèn)知逐漸提升至深人的理性認(rèn)知,進(jìn)而提高學(xué)習(xí)效率和理解能力。
(一)“科學(xué)原理直觀化”的理論基礎(chǔ)
“科學(xué)原理直觀化”可追溯至多種教育理論,其核心理念源自捷克教育家夸美紐斯(JohannAmosComenius)提出的直觀性原則。他認(rèn)為,直觀性原則是教學(xué)過程中的一條金科玉律,它要求利用一切可以利用的直觀教具,如實(shí)物、模型、圖片等,豐富學(xué)生的感知材料,使知識具體化、形象化,從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)習(xí)的效率[2。這一原則與懷特海(AlfredNorthWhitehead)的教育觀點(diǎn)不謀而合。懷特海曾指出,教育的自的就是要讓學(xué)生的思維既能更為具體,又能更為抽象。只有當(dāng)學(xué)生的思維能夠深入具體的事例并從中抽象出普遍的原則時,他們的自我發(fā)展才能真正被激發(fā)和引導(dǎo)。此外,認(rèn)知結(jié)構(gòu)主義理論提出的“學(xué)習(xí)是一個主動構(gòu)建知識的過程,概念與原理的教學(xué)必須更加具體化,才能幫助學(xué)生達(dá)成更為抽象的學(xué)習(xí)目標(biāo)”,本質(zhì)與“科學(xué)原理直觀化”教學(xué)方法理念相一致。
“科學(xué)原理直觀化”正是通過展示生動、具體的現(xiàn)象或?qū)嵗?,倡?dǎo)“做中學(xué)、用中學(xué)、創(chuàng)中學(xué)”,讓學(xué)生在直接經(jīng)驗(yàn)和直觀呈現(xiàn)的原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行理性思考,從而加深對原理的理解[3],進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和好奇心,增強(qiáng)他們學(xué)習(xí)的內(nèi)在動機(jī)。這種方法不僅符合學(xué)生從具體到抽象、從感性到理性的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律,還有助于學(xué)生將抽象的概念與具體的形象聯(lián)系起來,進(jìn)而促進(jìn)知識的同化與順應(yīng),加速認(rèn)知結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與完善。
(二)“科學(xué)原理直觀化”的學(xué)習(xí)機(jī)制
學(xué)習(xí)機(jī)制作為描述學(xué)習(xí)各要素間相互作用與影響的框架,涵蓋了學(xué)習(xí)者、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)環(huán)境及學(xué)習(xí)方法等多個維度,凸顯了學(xué)習(xí)者作為主體的自我感知、建構(gòu)與理解過程。因此,我們對“科學(xué)原理直觀化”的學(xué)習(xí)機(jī)制進(jìn)行了剖析(如圖1),厘清各個學(xué)習(xí)要素間的關(guān)系,旨在深化我們對科學(xué)原理學(xué)習(xí)過程的理解。
由圖1可知,教學(xué)要素間的互動形成了學(xué)習(xí)的動態(tài)機(jī)制,直觀感知經(jīng)由個體煉制,升華為概念或原理的理解。在直觀教學(xué)過程中,媒介扮演著不可或缺的角色。它是學(xué)生探索的起點(diǎn),其設(shè)計需貼合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn),激發(fā)學(xué)生的觀察興趣,確保信息的有效接收。教師引導(dǎo)學(xué)生通過觀察、想象、討論、實(shí)驗(yàn)等多種形式與媒介互動,并通過適時提問、解釋,幫助學(xué)生建立知識與現(xiàn)實(shí)世界的聯(lián)系,促進(jìn)深度思考。媒介可以“用現(xiàn)成的”,也可以利用生成式人工智能等數(shù)字技術(shù)制作,還可以在開源軟件基礎(chǔ)上改編。比如,瀏覽器中的“開發(fā)者工具”就是“現(xiàn)成的”技術(shù),學(xué)生借助此工具,就可以非常直觀地查探網(wǎng)頁內(nèi)隱的數(shù)據(jù)類型及傳輸過程。
圖1 “科學(xué)原理直觀化”的學(xué)習(xí)機(jī)制
同時,“科學(xué)原理直觀化”的學(xué)習(xí)機(jī)制也揭示了知識內(nèi)化由感性到理性的過程。首先,學(xué)生通過直觀的媒介接觸,初步形成對知識的感性認(rèn)識。其次,在教師引導(dǎo)下,學(xué)生將感性認(rèn)識與已有知識結(jié)合,通過分析、比較、歸納等思維活動,逐步提升至理性認(rèn)識層面。最后,經(jīng)過多次觀察、思考與討論,學(xué)生逐漸構(gòu)建起個性化的知識體系,這一過程不僅可加深學(xué)生對知識的理解,也可培養(yǎng)其學(xué)科思維和創(chuàng)新能力。
二、“科學(xué)原理直觀化”的實(shí)施策略與案例說明
我們參考課標(biāo)的內(nèi)容要求和七年級教學(xué)指南的課例,總結(jié)出了“科學(xué)原理直觀化”的主要分類方法和內(nèi)容,并針對部分案例提出教學(xué)建議。
(一)“科學(xué)原理直觀化”的主要分類
“科學(xué)原理直觀化”可以主要?dú)w納為三種類別:可看(觀察法)、可比(類比法)、可觸(操作法)(如圖2)。這三種類別各有不同,各有側(cè)重。其中,“可看”強(qiáng)調(diào)視覺觀察,“可比”側(cè)重于思維和想象,“可觸”強(qiáng)調(diào)動手實(shí)踐。它們可以單獨(dú)使用,也可以相互結(jié)合,共同促進(jìn)學(xué)生對知識的理解和掌握。需要注意的是,雖然在某些情況下“可觸”可能伴隨著“可看”,但兩者并非必然關(guān)聯(lián);同樣,“可比”雖然常常借助具體的觀察或操作來輔助理解,但它本身并不局限式人工智能制作促進(jìn)學(xué)生理解的學(xué)件。
圖2 “科學(xué)原理直觀化”的主要分類
3.操作法—可觸于這些形式。
1.觀察法—可看
觀察法側(cè)重于通過視覺感官直接感知抽象概念與原理的具體表現(xiàn)。它要求找到與抽象概念相對應(yīng)的、可見的實(shí)體媒介,使學(xué)生通過肉眼觀察到概念與原理對應(yīng)的內(nèi)容。這種方法的本質(zhì)在于透過現(xiàn)象觀察本質(zhì),實(shí)現(xiàn)抽象概念的可視化。通過觀察,學(xué)生能夠捕捉到抽象概念或原理對應(yīng)的具象特征,從而建立起對抽象內(nèi)涵的直觀理解。模型、原理圖、數(shù)據(jù)可視化的圖表,乃至用生成式人工智能制作的H5網(wǎng)頁,這些靜態(tài)、動態(tài)與交互式的媒介,能讓學(xué)生自主觸摸到聯(lián)結(jié)抽象概念的直觀層面。學(xué)生在觀察、動手與交互中,能從界面、功能、運(yùn)作狀態(tài)、輸出結(jié)果等多角度進(jìn)行自主感知,進(jìn)而引發(fā)“它是什么”“它能做什么”“它為什么…”的思考或聯(lián)想,從而為基本概念與關(guān)鍵原理的理解做思維鋪墊。
2.類比法 一可比
類比法通過比較兩個或多個具有相似特征的事物或情境,幫助學(xué)生借助已有的生活經(jīng)驗(yàn)或知識理解新的概念或原理。這種方法有兩種主要形式:一是找到與新概念或原理具有相似特征的可對比事物。這些事物通常是學(xué)生在生活中已經(jīng)熟悉的,通過它們可以搭建起通往新概念理解的橋梁。二是通過角色扮演或模擬游戲的方式,讓學(xué)生親自體驗(yàn)概念或原理中的某些元素,從而更深入地感受問題解決的原始情境,加深對概念或原理的理解和記憶。類比法強(qiáng)調(diào)思維和想象的運(yùn)用,是科學(xué)原理直觀化重要的組成部分。值得說明的是,類比法可以用言語類比,也可以用人或物的實(shí)體模擬類比,還可以用軟件交互來類比。比如,以“以快遞為類比,理解TCP/IP模型,要求生成交互式網(wǎng)頁,可拖動”為提示語,可以用生成
操作法建立在觀察法的基礎(chǔ)上,強(qiáng)調(diào)學(xué)生與實(shí)體媒介的真實(shí)交互。通過多視角、多層次的接觸式交互與觀察,學(xué)生能夠獲得更為豐富和深入的感知體驗(yàn),進(jìn)而有助于提煉出實(shí)體的特征,甚至構(gòu)建出對應(yīng)的抽象模型。在七年級的信息科技教學(xué)中,操作法極為常見。根據(jù)細(xì)微的特征差異,操作法被歸納為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐操作和編寫程序等子類。這些子類雖然各有側(cè)重,但它們的界限并不絕對清晰,而是相互滲透、相互補(bǔ)充的。通過操作法,學(xué)生能夠更直接地體驗(yàn)到概念或原理的實(shí)際應(yīng)用,從而加深對它們的理解和掌握。
(二)“科學(xué)原理直觀化”的案例說明
上述歸納的三類方法在七年級教學(xué)指南中多有呈現(xiàn),下面選取部分案例予以說明。
1.觀察法之“模型”
在第1課“互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展靠創(chuàng)新”中,七年級教學(xué)指南直觀地向?qū)W生展示了網(wǎng)絡(luò)連接的多樣化結(jié)構(gòu)(如圖3)。該圖示不僅讓學(xué)生迅速領(lǐng)悟了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的復(fù)雜性,還引導(dǎo)他們自然而然地思考“網(wǎng)絡(luò)健壯性”的議題。通過分析這些結(jié)構(gòu),學(xué)生可以關(guān)注到網(wǎng)絡(luò)安全的連接架構(gòu)層面,并探討更可靠的連接方式,從而加深對“互聯(lián)網(wǎng)可靠傳輸”的理解。“模型”這一實(shí)體媒介,包含多種不同的理解,此處是指經(jīng)過簡化或抽象的圖示。
圖3模型示例
2.觀察法之“原理圖”
第4課“數(shù)據(jù)分包靈活傳”通過圖4的原理圖,向?qū)W生直觀展示了數(shù)據(jù)分包傳輸?shù)娜^程。
七年級教學(xué)指南將網(wǎng)絡(luò)比作高速公路,天型數(shù)據(jù)需拆分并由多輛編號標(biāo)記的貨車運(yùn)輸。這些貨車可選擇相同或不同的路徑,到達(dá)終點(diǎn)后,拆分的數(shù)據(jù)需按編號重新組合。此原理圖清晰展示了數(shù)據(jù)分包的必要性、問題解決思路和流程,以及在規(guī)則框架內(nèi)可能出現(xiàn)的各種情況?!霸韴D”的直觀呈現(xiàn),使得復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸過程變得直觀易懂,有助于學(xué)生深入理解和掌握相關(guān)概念與原理。
圖4原理圖示例
3.類比法之“經(jīng)驗(yàn)類比”
學(xué)生是帶著經(jīng)驗(yàn)來到課堂的,教師在教學(xué)中可以借助學(xué)生已有的“學(xué)科經(jīng)驗(yàn)”和“生活經(jīng)驗(yàn)”,找到學(xué)生經(jīng)驗(yàn)與本課概念、原理之間的聯(lián)系之處,架構(gòu)聯(lián)系的橋梁。我們把這種聯(lián)系稱之為“經(jīng)驗(yàn)類比”。源于生活經(jīng)驗(yàn)的類比例子,學(xué)生往往能憑直覺揭示答案,無須深思熟慮。
在“網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層設(shè)”這一課中,學(xué)生面臨一項(xiàng)挑戰(zhàn):深刻理解通信分層的基本原理,即“在構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)時,將錯綜復(fù)雜的通信任務(wù)劃分至不同層級,每一層負(fù)責(zé)解決相對單一的子問題,通過層與層之間的有序疊加,最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)通信問題的有效處理”。攻克這一難點(diǎn)的關(guān)鍵在于能否用直觀化的方法勾勒出“復(fù)雜問題分解策略”“各層獨(dú)立處理子任務(wù)”以及“逐層遞進(jìn)解決宏觀問題”這三大核心特征。為此,七年級教學(xué)指南引入了一個貼近學(xué)生生活的分層實(shí)例快遞包裹的運(yùn)送網(wǎng)絡(luò),借助這一熟悉的生活情境,引導(dǎo)學(xué)生提煉出分層解決復(fù)雜問題的關(guān)鍵要素與核心理念,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對抽象分層協(xié)議概念的深刻理解和突破。
在七年級“數(shù)據(jù)傳輸有新意”課例中,學(xué)生對于在已知IP地址的情況下還需確定通信端口號感到困惑。為了幫助學(xué)生更好地理解,七年級教學(xué)指南巧妙地將計算機(jī)數(shù)據(jù)通信與學(xué)生去食堂窗口取餐的過程進(jìn)行了類比。在教學(xué)中,借助這一生動的比喻,學(xué)生恍然大悟:“IP地址”就如同“食堂的位置”,而通信的“端口”則對應(yīng)于食堂里的“取餐口”。這樣一來,學(xué)生便能清晰地認(rèn)識到,在同一個IP地址下的計算機(jī)設(shè)備上可能有多個通信程序在運(yùn)行,或者一個程序會同時開啟多個通信端口,正如食堂設(shè)有多個取餐口以滿足不同需求。
4.類比法之“游戲角色扮演
以第4課“數(shù)據(jù)分包靈活傳”為例,七年級教學(xué)指南設(shè)計了一項(xiàng)角色扮演的游戲活動,讓學(xué)生扮演通信介質(zhì)的角色。在明確的游戲規(guī)則指引下,學(xué)生需完成數(shù)據(jù)傳遞的任務(wù)(如圖5)。這項(xiàng)活動的核心目的在于,通過游戲體驗(yàn),促使學(xué)生清晰闡述規(guī)則細(xì)節(jié),并深刻理解這些規(guī)則是如何在應(yīng)對通信挑戰(zhàn)的過程中逐步建立起來的。教師可以在活動中不斷引人意外情況,激發(fā)學(xué)生的思考,促使他們探索解決方案,并據(jù)此對規(guī)則進(jìn)行調(diào)整和完善。通過這樣的過程,我們希望學(xué)生能夠認(rèn)識到,規(guī)則實(shí)質(zhì)上是通信底層操作的方法和步驟的體現(xiàn),從而引導(dǎo)他們形成算法思維。值得注意的是,此處的角色扮演并非強(qiáng)調(diào)“角色意識”,而是更多地采用類比的方式,讓參與的學(xué)生親身體驗(yàn)規(guī)則的形成與演變過程。
5.操作法之“實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”
做實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)“眼見為實(shí)”,讓學(xué)生觀察到網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸與處理的過程或結(jié)果,從而驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的基本原理。實(shí)驗(yàn)既可以看到指定輸入帶來的相應(yīng)輸出,也可以打開網(wǎng)絡(luò)通信的黑盒,跟蹤數(shù)據(jù)的編碼、傳輸路徑等。利用軟件工具觀察過程或結(jié)果,學(xué)生可加深對原理的理解。例如,第9課“數(shù)據(jù)傳輸有新意”中觀察TCP協(xié)議“三次握手”過程的實(shí)驗(yàn)可以使用軟件“網(wǎng)絡(luò)嗅探器”,使學(xué)生更直觀地理解TCP連接建立的過程。
6.操作法之“仿真實(shí)驗(yàn)
利用簡化軟件模擬真實(shí)系統(tǒng)或過程的教學(xué)方法即為“仿真實(shí)驗(yàn)”。例如,在第14課“互聯(lián)網(wǎng)搜索新發(fā)展”中,教師可以通過使用簡易搜索系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn),幫助學(xué)生理解搜索背后的基本原理。在第16課“探秘網(wǎng)頁與代碼”和第20課“組建網(wǎng)站跟我做”中,教師可以指導(dǎo)學(xué)生在局域網(wǎng)內(nèi)構(gòu)建簡易的Web服務(wù)器,并通過仿真實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生體驗(yàn)瀏覽和發(fā)布網(wǎng)站的過程。仿真也可視為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證法的子集。
7.操作法之“實(shí)踐操作”
系統(tǒng)組裝或拆解是原理教學(xué)的直觀且有效的方法。在第10課“綜合所學(xué)建網(wǎng)絡(luò)”中,七年級教學(xué)指南設(shè)計了一個真實(shí)情境下的學(xué)習(xí)任務(wù),即引導(dǎo)學(xué)生在局域網(wǎng)內(nèi)自己搭建一個網(wǎng)絡(luò)直播系統(tǒng),將運(yùn)動會的情況實(shí)時傳遞到教室。在這一過程中,學(xué)生不僅能夠親身體驗(yàn)系統(tǒng)組裝的全過程,還能夠通過實(shí)際操作深入理解技術(shù)及背后的原理。
8.操作法之“編寫程序”
這是體驗(yàn)和理解協(xié)議或算法的直觀途徑,旨在通過引導(dǎo)學(xué)生編寫(或修改)簡單的程序或腳本,讓他們認(rèn)識到程序代碼才是協(xié)議的真實(shí)面貌。在第17課“制作網(wǎng)頁展活動”中,利用HTML編輯器進(jìn)行網(wǎng)頁設(shè)計也可以被理解為一種編程形式。這個過程涉及網(wǎng)頁的結(jié)構(gòu)構(gòu)建和內(nèi)容呈現(xiàn)。例如,通過機(jī)器狗的HTML代碼設(shè)計實(shí)例,學(xué)生可以深入剖析網(wǎng)頁的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容呈現(xiàn)形式,更好地理解HTML網(wǎng)頁結(jié)構(gòu)與基本語法。
三、總結(jié)與展望
綜上所述,“科學(xué)原理直觀化”能有效連接抽象原理與具象認(rèn)知,激發(fā)學(xué)生的感性體驗(yàn)與理性思考,從而促進(jìn)知識的深度內(nèi)化與學(xué)科思維的培養(yǎng),具有教學(xué)探索的價值與意義。然而,該教學(xué)方法仍存在一定局限性。從教師角度看,確立和設(shè)計合適的直觀媒介和教學(xué)策略是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。部分直觀媒介需要依賴軟硬件資源的支持,而教師的專業(yè)水平和配套條件仍有待進(jìn)一步提升。從學(xué)生角度看,過度依賴直觀媒介可能會削弱他們對抽象邏輯的自主建構(gòu)能力,導(dǎo)致認(rèn)知停留在表象層面。從教學(xué)內(nèi)容角度看,部分復(fù)雜原理(如算法底層機(jī)制)難以通過直觀方式完整呈現(xiàn),易造成簡化失真或理解偏差。若教師未能平衡直觀與抽象的權(quán)重,可能陷入“直觀形式化”誤區(qū),忽視對學(xué)生批判性思維與創(chuàng)新能力的深層培養(yǎng)。DeepSeek等人工智能技術(shù)為教師備課帶來了便利,可以進(jìn)一步克服上述困難。人工智能技術(shù)能夠幫助教師優(yōu)化直觀媒介和教學(xué)策略,通過動態(tài)生成的教學(xué)場景能幫助學(xué)生突破認(rèn)知邊界,實(shí)現(xiàn)更加個性化的科學(xué)原理直觀教學(xué)。當(dāng)然,教師在利用人工智能賦能“科學(xué)原理直觀化”教學(xué)時,也應(yīng)充分重視如何激發(fā)學(xué)生的自主思考與深度思維,還應(yīng)重視科技倫理,兼顧技術(shù)能力、科學(xué)原理與社會責(zé)任的傳播,推動信息科技教學(xué)從“知識傳遞”向“素養(yǎng)生成”的全面轉(zhuǎn)型。
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(作者倪俊杰系杭州師范大學(xué)經(jīng)亨頤教育學(xué)院博士研究生,浙江省桐鄉(xiāng)市鳳鳴高級中學(xué)教師;費(fèi)海明系浙江省寧波市江北區(qū)教育局教研室教研員、正高級教師;慈黎利系人民教育出版社信息科技編輯室主任編輯;丁革建系浙江師范大學(xué)教授)
責(zé)任編輯:李媛
中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)2025年7期