服务于多学科智慧教育的“信息技术+”模式实践

黄强

● 信息技术支撑下的教学样态改造案例

本文所谈案例的实践主题为“肌肉电信号的获取与分析”与“简易3D眼镜的设计制作”，是信息技术与生物、通用技术、物理学科教学深度融合的智慧教育案例，也是笔者所在学校开展教学技术创新与项目式整合各科知识的实践代表作。案例中，生物学科与信息技术学科围绕如何改善“生物电信号”的知识呈现形式这一教学难点开展了研究实验;通用技术、物理学科与信息技术学科就“光的偏振”“人机交互关系”的知识探究开展了融合教学。两个案例中的主要内容如图1、图2所示。

● “信息技术+”模式实践的学校背景

笔者所在学校作为中国教科院STEM2029行动计划种子学校，为稳步推进学校STEM教育事业发展，向建成领航学校的目标迈进，创新了管理机制，采用学院制导师工作坊模式管理体系组建“鼎新学苑”。鼎新学苑致力于实现两个方向的发展：①建设“区域性的教学技术创新中心”，支持教学方法创新，支持思维能力培养，改善人与知识资源的关系;②建设“区域性的覆盖K12的课程中心”常态化的开发课程，打磨配套的教学资源，推进课程群建设，加强共享，实现对区域内STEM课程资源的有效补充。

● 聚焦知识呈现形式创新与探究方式改善问题

问题1：在一次全市性的生物学科教研活动中，某教师为笔者所在学校的高一学子开设了一堂“肌肉电信号的获取与分析”的知识探究课，课堂教学理念先进，环节紧凑，教学氛围良好。美中不足的是学生的学习动机在实验探究环节受到了极大的削弱，在该课教学中，教师选择了传统的实验方式，如图3所示。

该实验有几方面不足：①对实验材料要求较高，实验要求必备若干具有一定活性的肌肉组织，该因素较难保障，导致实验成功率较低;②现场卫生环境等因素对课堂实验连贯性影响较大，该实验用品还涉及一些药剂;③实验数据不稳定、不可信，对学生开展科学探究活动支撑不足。总体来看，实验环节对该课时的教学没有起到应有的作用，反之，粗劣的实验体验对学生理解生物学课的价值产生了消极影响。在课后评课环节，主讲教师也提出了这个问题，为此，学校鼎新学苑教师团队主动对接，分析该课程内容的特点，查找自身所拥有的设施设备的适切性，最终制订了设计以肌电传感器为核心元件的可穿戴设备，用于改良该课时的实验探究环节。

问题2：在一次校内骨干教师公开课巡展活动中，物理学科教师展示了“光的偏振”示范课，通用技术学科教师演示了“人机交互关系”示范课，两节课的教学设计精巧，知识传授高效。稍显欠缺的是，学生的实践体验不佳，对光的偏振的理解是依赖于教师的板书作图，对人机关系的感受来自视频素材。可见，课堂中人与知识资源的关系是僵化的，对知识的外延探究支持力度是不足的。两节独立的课，所讲授的内容都属于当前同一热门技术应用的基础知识部分，学生缺少项目式视角统整知识的体验。

● 实践解决——技术改良与项目改造

在将该案例付诸实践前，教学研究团队对技术的性质达成了共识，认为在不同的设计与使用条件下，信息技术在课堂上的运用效果层次是不同的，从低到高可分为：平行移动、提质增效、增加纵深、互联互通、学科融合。

因此，为了切实发挥信息技术的作用，紧扣以问题为导向的融合教学，在这两个课堂智慧教育项目改造实施前，学校鼎新学苑组织生物、物理、通用技术学科与信息技术学科教师开展了富有建设性的多学科虚拟教研组备课活动，尤其是信息技术设备参与该案例的时间节点、使用形式、是否科学等因素得到了充分讨论，之后，团队共同设计了如下实施方案。

案例设计

“肌肉电信号的获取与分析”

1.案例分析

本案例主题是浙教版普通高中生物学科中的重点知识，是学生深入理解人体神经知识的重要基础。本案例将着力点放在“创新学科知识呈现形式”上，创新“生物电信号”的呈现形式，以互动化、数字化的图形形式帮助学生探究理解。本案例适用于高中各阶段学生，涉及生物学科与信息技术学科。

2.教学目标

知识与技能目标：理解、掌握生物学科神经兴奋信号产生与传递原理;从理论出发理解生物电信号的生成原理;对先进的开源电子器件有一定程度认知;通过实验探究深度理解肌肉运动与电信号之间的关系。

过程与方法目标：通过生物学科知识讲授，学习生物神经信号生成原理;通过了解开源电子产品实际，接触先进的传感技术;通过互动实验探究，视觉化呈现肌肉电信号，提高建构知识的水平。

情感态度与价值观目标：通过多学科融合教学，从理论与实验探究角度思考问题，形成积极向上、创新发展的情感意志。

核心素养目标：正确建构生物、信息学科的相关知识，通过创新数字化实验高效落实生物学科知识。

3.教学准备与课时安排

教研准备：由生物学科、信息技术学科开展STEM混合教研活动。

设备资源准备：教学多媒体素材（生物神经兴奋信号教学素材、开源电子器材原理讲解）、肌电信号传感器套件（UNO控制板、DF肌电传感、杜邦线）。

课时安排：课时1“生物电信号的生成原理”;课时2“肌电传感器工作原理与实验实操”。

4.教学重点、难点

重点：生物神经电信号的产生原理。

难点：生物神经电信号的获取与分析。

5.实施过程

（1）课时1“生物电信号的生成原理”

①情境建立，导入新课：教师展现当前医学界对生物电信号的应用研究以及产业化现状。

②问题引导：教师邀请学生代表谈谈对生物電的现有了解，并发散性地想象人类如何更好地利用电信号。

③重点教学：教师完整规范地展现生物神经兴奋与电信号的关系、从理论角度展现兴奋电信号的传导全程。

④难点知识：依托探究学习形式，教师提出探究问题（电信号的强弱、周期等属性与人体肌肉运动的关系）。

设计思路：探究类型的知识点，一定要保证学生的探究活动得以开展，这一环节是培养学生发散性思维和创新精神的重要一环。

（2）课时2《肌电传感器工作原理与实验实操》

①问题引入：信息技术学科教师展现当前领先的传感科技成果，介绍本课时中DF肌电传感器的属性特点。

②重点知识讲解：由信息技术学科教师展现完整的开源电子设备搭建过程、简易编程过程以及数据往返过程。

③学科融合探究：信息技术学科与生物学科融合，开展实验，依托编程与开源电子优势，将肌肉电信号以图形的形式呈现。

案例设计

《简易3D眼镜的设计制作》

1.案例分析

本案例是基于“信息技術+”模式的项目式学习案例，是将物理学科与通用技术学科中属于同一热门技术应用的基础知识部分通过项目的形式进行整合（如图4）。

2.教学目标

知识与技能目标：理解光的偏振原理;从理论出发解释3D眼镜成像原理;对人机交互设计原则有一定程度认知;通过产品设计实践落实人机交互设计原则。

过程与方法目标：通过物理学科知识讲授，落实光偏振原理的学习;通过了解典型产品优缺点，养成批判性思维，进而建构有关人机交互设计原则的知识;通过3D设计与打印实践，达到学以致用的效果。

情感态度与价值观目标：通过多学科项目式教学，从产品角度思考问题，形成社会性、全人性的情感意志。

核心素养目标：贴近产品开发实际任务，打破学科边界，培养STEAM学科综合运用素养。

3.教学准备与课时安排

教研准备：由物理学科、通用技术学科、信息技术学科教师开展STEM混合智慧教育教研活动。

设备资源准备：快速成型设备（3D打印机、激光切割机）、5mm纸板、偏振片、金工木工工具等。

课时安排：课时1“光的偏振原理”;课时2“人机交互设计原则”;课时3、4“3D眼镜设计建模与成型”。

4.教学重点、难点

重点：光的偏振原理、人机交互设计要点。

难点：在3D建模中落实友好的人机交互设计，偏振光仓的设计。

5.实施过程

（1）课时1“光的偏振原理”

①情境建立，导入新课：教师展示科技产品3D眼镜，并请若干学生现场体验，各自畅谈使用感受。

②问题引导：通过教师邀请学生代表谈使用感受，引出一个关注点，即“左眼内容与右眼内容不一致”，引发课堂教学活动。

③重点教学：教师借助多媒体素材，从抽象角度完整演示光的偏振过程。

④难点知识：依托于探究学习形式，教师提出探究问题，帮助学生识别偏振类型。

（2）课时2：“人机交互设计原则”

①问题引入：通用技术学科教师明确3D眼镜主题，展现当前市场上存在的几款产品，邀请学生对各款产品分别予以点评。

②重点知识讲解：由通用技术学科教师讲授如何从材质、稳定性、安全性、艺术造型、创新附加值等角度去解读产品的人机交互设计层次。

③学科融合探究：信息技术学科与物理、通用技术学科融合，开展项目式学习，依托3D建模与激光切割等快速成型技术，将产品创意以实物的形式呈现。

（3）课时3、4：“3D眼镜设计建模与成型”

①问题引入：总结物理学科中对偏振光仓的要求与通用技术学科对眼镜人机交互设计的要求，向学生明确项目目标，即设计一款符合物理科学与人机交互体验良好的眼镜产品。

②重点知识讲解：SolidWorks软件拉伸技巧与建立光仓、SolidWorks薄壁技巧与安放偏振片、SolidWorks软件填充密度设置与产品重量。

③学科融合探究：信息技术学科与物理、通用技术学科融合，开展项目式学习，依托3D建模与激光切割等快速成型技术，将产品创意以实物的形式呈现。

● 现阶段实践成效和经验

两个案例均以“区域性的教学技术创新中心”为定位，开展以信息技术为核心的“1+N”智慧教育模式，由鼎新学苑为主干学科提供技术、设备、资源上的支持。案例1采用了混合式教学模式，由信息技术学科与生物学科融合开展教学活动，依托先进数字传感器，创新了知识呈现形态，创新了学生思维建构模式，改变了课堂教学形式。但因受制于学生编程技能素养，缺少了学生动手实践编程的实践环节，对课程的完整性有一定影响。值得肯定的是，信息技术在该案例中的着力点选择十分恰当，使学生的学习动机进一步增强，随着课堂的开展，肌肉电信号的抽象形象通过数字图像的形式呈现，学生对知识的建构水平也趋于深入。

案例2是多学科项目式教学实践，该案例中的项目式教学由学校鼎新学苑发起，学科师资、所需设施设备均由学校鼎新学苑协调，为“信息技术+”模式的有效实践提供了保障。此可见，项目式学习若要在学校内常态化开展，需要创新体制机制，量身定做成立专门协调机构，以促进校内智慧教育的可持续发展。

●“信息技术+”教学创新实践展望

作为区域性的教学技术创新中心，笔者所在学校鼎新学苑除了加快建设数字传感项目，力争引进种类更为丰富的传感器（既覆盖标准课程基础中的声、光、电、波知识，同时涉及部分高端的如视觉识别、声音识别等传感设备），支持范围更广、融合程度更深的多学科融合实践活动外，还将进一步研讨如何将自身的装备与理论研究优势转化为实践优势，承担区域内各级各类教学技术创新的协同需求。同时，利用学苑内的开源电子设备为课程教学个性化定制教具、实验器械，实现对传统课堂教学的转型升级。