指向高阶思维培养的信息科技实验教学创新研究

【摘 要】以学生为中心的信息科技实验教学注重实践体验，让学生学会用科学的思维和方法解决问题，从而培养他们探究精神及高阶思维。本文结合工作室实践案例，从项目情境重构、实验目标拟定、非良构元素添加、软硬件协同模拟及实验报告填写等方面阐述了多维度创新实验方法，培养学生高阶思维的策略及途径。

【关键词】高阶思维；信息科技；实验教学

【中图分类号】G434 【文献标志码】A

【论文编号】1671-7384（2024）011-050-03

教育家杜威认为：实践是一种使经验更富成效的智慧。英国教育家斯特朗对课堂教学提出了“实验室教学法”。无论是教育部2019发布的《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，还是2022新颁布的课程标准，都强调了科学原理和实践应用的结合。

信息科技实验教学是一种以学生为中心的教学方法，它强调学生在真实情境的项目任务中，通过实际操作和问题解决来驱动学习。在这种教学模式下，学生会在相应的软件或软硬件系统环境中，不断地提出假设并通过实验来验证问题解决方法，以达成目标任务。这种教学方式特别注重学生亲身体验和尝试，即使面临失败和挫折，也鼓励学生不断探索和学习。正因为其充满了挑战性和不确定性，信息科技实验教学成为连接技术与素养培养的重要桥梁，有助于学生在实践中提升信息素养和解决问题的能力。

指向高阶思维的小学信息科技实验教学创新是申报苏州市基础教育教学成果奖的重要内容之一。图形化编程类似积木块的拼搭，提供了低门槛、适合小学生的信息科技实验软器材，围绕图形化编程进行信息科技实验，能够提升学生高阶思维。因此，我们进行了一些有益的探索和实践。

项目化情境重构：凸显实验任务意义，提升跨学科思维

实验的过程伴随着目标定位、试验验证的循环过程，其间生成的心流体验有利于学生对知识技能多维度的立体建构与内化，建立的诸多超级链接有助于学生今后的迁移及灵活应用。项目化的情境创设赋予实验任务以真实意义，能够有效触发学生的探索欲望与学习动机。

“算法与问题解决”课例旨在让学生体验算法思维在实际问题解决过程中的巧妙应用，项目化重构后的案例变身为“智能投票计数装置”。教师先让学生模拟对两张航天电子小报无记名纸张投票，明确投票人数、唱票计票人员等分工后，实验结果记录总用时数为20名学生用时1分20秒。随后如何让全校师生在更短时间内更加准确有效地分类统计投票总数成为新的实验目标。真实情境中的问题都需要跨学科融合来解决，将图形化编程的半成品程序中添加两个“如果……那么……否则……”后，实验用时降为25秒。两组实验数据的对比使效率高低显而易见。然而在质疑评价环节问题迭出，诸如“如何设置不区分大小写？”“如何限定总投票人数？”“如何统计无效票数？”“如何保护投票者隐私？”“统计结果怎样用更生动有趣的方式发布”等。此项目本身从传统的人工统计投票方式到计算机自动化解决的过程，是一个跨学科融合算法迁移的旅程。最后的拓展环节抛出新的棘手问题则是如何让所有班级同时开始投票以节约更多时间，作为单元教学的一部分，需用光环板组成局域网完成各投票站的建设。此案例从传统方法到信息科技的融合，从程序设计到光环板硬件的加盟，从单机实施到互联网思维的融入，学生解决问题的思维在不断的实验中得到验证与成长。

全过程深度参与：分解拟订实验目标，培养计算思维

如何让学生真正地沉浸在课堂创设的情境之中，同样需要让他们有自我掌控进程的体验。如巡线清障机器人的创意来自学生，在他们编制了巡线机器人及避障机器人程序后，教师布置作业：能否整合相关传感器，创意一个简单而有趣的机器人项目，此项目入选后将成为全年级的机器人课程内容。该课主题也是让学生抽象分解两个子项目（分别用两个词高度概括后生成），课间学生分别设计了巡线及清障的程序并在场地中脱线运行实验验证，其间经历了诸如传感器接错端口或者接触不良、程序子模块中变量设置问题、读取端口设置错误、没有实施固件更新、条件语句数值设置不当等非良构因素。由于一开始的视频给出了机器人运行的目标效果，学生将机器人运行结果跟视频演示目标不断比对，找寻差距、修改代码模块，他们在反复的调试程序、上传程序、机器人场地运行过程中经历了失败的体验，绝大部分小组都经历了3～5次的失败。失败应该是信息科技实验的重要组成部分，如果没有经历失败，那么实验是不完整的，甚至于不能称之为实验。如果我们的教学都是一蹴而就的高效率，那么学生就不会遇到麻烦，没有经历辗转反侧之后的柳暗花明，智慧也就无法生成。

该项目的实施是学生经历运用计算思维解决问题的全过程。机器人的场地运行结果，能够将通过图形化编程投射到主板上的自动化解决问题的思维过程显性化，外化之后与项目最终目标的差距就一目了然。学生的思考优化及努力及时得到试验反馈，而老师要做的是将学生拖拽入这个慢慢接近问题解决的正向螺旋之中，使其沉浸其中欲罢不能。

当然教师还要做好课堂节奏的掌控。当学生经历了够多的失败急切需要寻求教师帮助之时，当课堂离下课铃声响起不远之刻，及时介入引领学生发现问题、解决问题，走向成功的彼岸。

非良构元素添加：构建沉浸式实验情境，提升解决问题能力

真实生活中的问题都是劣构的，解决路径策略不清晰，甚至目标本身还有变量存在。如果课堂上为了所谓的效率而不让学生亲身经历问题的抽象分解及模式的假设实验验证过程，那么在遇到类似问题时，学生独立解决的可能性是存在疑问的。

在机器人利用避障传感器智能驾驶的拓展课上，学生自己搭建机器人竞赛的场地，自己确定实验场景及目标，自己掌控假设实验迭代的全过程，其间学生在场地及计算机之间往返。有学生称：要设计一个有思想的机器人！由于实验目标也是课堂上征集所得，包括教师在内都无法预知最佳的程序样态。学生小组协作不断添加修补程序，甚至推倒重来。

学生在搭建S型的智能驾驶场景，用单个超声波传感器无法让小车一次性准确高速通过时，提出“二郎神”机器人的组装设想，即给机器人安装三个超声波传感器，相邻两个呈120度角，用3D建模打印支架，当前面遇到障碍物时，最左边传感器跟最右边传感器的数据进行比较，引领机器人小车往空旷处行进。其间学生分别用1～3个超声波传感器在场地中实验行进，评比出性价比最高的机器人智能行驶方案。而学生搭建的“回字型”智能驾驶场景，程序相对简单，就有学生提出要适应不规则环形迷宫，且将通过时间作为评价要素，于是又进入新一轮图形积木的堆叠及参数的修改螺旋之中。

软硬件协同：模拟解决问题过程，给课堂添加工程思维

智能文明时代，无论互联网还是人工智能技术，其对于各行业的快速渗透，都离不开软硬件协同的系统思维，而这种系统思维能力即是工程思维。我们的课堂需要让学生体验工程师解决问题的过程。课堂上每一次软硬件的协同共进，每一个“问题沼泽”的跨越都伴随着思维能力的提升。

如“夜间手势智能控制灯”目标指向晚上起夜如何快速开启卧室及大厅等灯光。对于目标的解析，各组学生的答案五花八门。有的学生准备用AI语音智能控制，也有的学生用人体感应技术。由于刚在Arduino UNO 板上用过数字避障传感器，有的学生提出用两个数字避障传感器，一个负责开，另一个则负责关。产品的优劣自然通过实验来验证。在第一课时我们让这些产品制作组外的学生，作为使用者进行质疑、挑刺并评价。AI语音控制的缺点显而易见，晚上发声会惊扰他人，且普通话不标准即无法识别；人体感应及单个数字避障传感器则容易误触发。最后确定新的创意目标是制作手势控制智能灯。这需要用Scratch程序控制舞台“灯光”及Arduino板接LED的亮灭，且需要正确安装两个数字避障传感器在一个相距10cm左右的平面上。实验初期，先让学生实现屏幕内外的灯光协同控制，此时往往会出现顾此失彼，LED灯亮了，舞台灯光没变化，或者反之，也有LED驳接脚与程序不一致等诸多问题。实验难点则在于确认在短时间内依次触发两个避障传感器的程序表达，此时有的学生的实验程序在第一个传感器触发后会用到计时器，如果“第二个传感器触发”且“计时器<0.5秒”就开灯，最后实验的结果显示很难触发，按流程解析的原因是在第二个条件语句中只判断了一次，经历多次实验爬“坑”体验，最后相对完美的程序是——添加“重复执行直到计时器<0.5秒”。在第一传感器触发后的0.5秒内多次探测第二传感器是否被触发，最后重复执行时间也是对于多个样本时间精力多次实验后确定的。此时有的学生觉得0.5秒很快或许也就执行1～2次，此时适时提出如何计算0.5秒内的循环次数又成了新的实验目标。

即便如此，还有学生质疑白天也可能触发，于是在模拟端添加光线传感器。产品的迭代一直在路上，学生在每次取得小小的成功之时就要面对质疑和批评，一次次对于作品的自我否定，无疑是一种痛苦的旅程，然而这也是每一位工程师都经历过的。

实验报告填写：反思促进隐性知识外化，增加质疑评价环节

隐性知识通常指的是那些难以言传的技能、经验和直觉。在信息科技实验教学中，实验报告是一个重要的工具，可以有效地促进隐性知识外化，通过实验报告的书写和分享，学生可以将这些隐性知识转化为显性知识，从而更好地理解和掌握。我们鼓励学生使用图表和可视化工具分析实验结果与预期差异；详细记录实验过程和思考，并在小组及组间进行讨论与分享。其间教师适时反馈和指导并建立实验报告档案库，以供其他学生实验遇到非良构问题时参考。

如“PicoBoard 互动——黄山日出”课后拓展模块要求学生写科技小作文，回顾自己的经历并编制改用按钮控制日出的程序。有的学生如是说：“课中一开始遇到的拦路‘虎’是如何将控制板滑竿传感器0至100的控制区间扩大到Scratch舞台纵向的-180°至180°，后来反复实验，通过区间下移然后再扩大的表达式解决。拓展环节又卡在了用滑竿同时控制两个角色相向而行上……老师要我用一句话总结感受，我觉得编程的尽头是数学。课后，我自己还产生了一些思考。Picoboard不仅仅有滑竿一个传感器。在这个程序中，它可以替换成其他传感器吗？光线和声音传感器的使用存在许多客观因素，我们无法完全操纵，势必会导致太阳升降的不稳定性，达不到诗朗诵动态背景的制作要求。那么就只剩下按钮传感器了。不过按钮传感器和滑竿传感器有着很大的区别，恐怕要添加变量来控制太阳的升降，这个问题需要我大量的思考。”以上片段以学生视角记录了其在实验中用不同传感器制作“日出”诗朗诵背景的思考过程和实验中的直觉判断，在40分钟的真实“爬坑”体验中，学生的反思有助于将隐性知识明确化，而知识的显性化显然有助于学生有效内化建构及今后的迁移运用。

存在的问题及展望

中国知网CNKI关于“信息科技、实验教学”的检索，2012—2022年仅有2篇，2023年至发稿前也不足二十篇，信息科技实验作为高阶思维培养的重要途径，相关研究显然尚处起步阶段。知网论文数量也反映了目前我们的信息科技实验开出率偏低现状。当然这里有课程滞后、实验器材不到位的因素，也有教师信息科技实验理念意识、专业技能实践方法的问题。基于全国中小学实验教学精品课案例分析，评分较低的案例占80%，较高的仅17.3%，中小学信息科技实验创新水平亟待提升[1]。

多变的时代需要更多样的学习方式，作为一线教师要努力建构校本特色的数智课程，整合应用大语言模型助力实验教学的创新与实践，让学生在数智课程花更多的时间去实践探讨，去亲身经历从失败慢慢走向成功的心路历程，使信息科技“科”与“技”并重的理念充分体现，学生学科核心素养真正落地。

注：本文系江苏省教育科学“十四五”规划 2021 年度课题“发现性学习及其支持体系建构研究”（项目编号：D/2021/02/778）研究成果

参考文献

张海南，刘强，郭晓萍，等. 中小学信息学科实验教学实践与创新水平研究： 基于全国中小学实验教学精品课案例分析[J]. 中国电化教育，2024（4）： 99-104.