【摘要】本文探討了在新時代教育政策背景下，如何通過聚焦學科大概念來提升初中信息科技實驗教學的效果。聚焦學科大概念，借鑒三階段設計路徑和六段式實施流程，設計了“莫高遺夢守護者”實驗項目，以期培養(yǎng)學生可遷移的專家思維。【關鍵詞】學科大概念；信息科技；實驗教學“雙減”政策背景下，教育部提出加強中小學科學教育，完善課程標準、教材及實驗室建設?！读x務教育信息科技課程標準（2022年版）》指出，信息科技教學應導向實際應用，加強基礎概念掌握，培養(yǎng)核心素養(yǎng)。學科大概念構建知識關聯(lián)性，跨越不同學科，聯(lián)系現(xiàn)實生活，與核心素養(yǎng)相互促進。這為信息科技實驗教學提供了理論基礎和方向指引?；诖蟾拍钸M行初中信息科技實驗教學的意義聚焦大概念進行初中信息科技實驗教學，能增強學科知識的綜合性和連貫性，打破知識壁壘，注重學生主體，鍛煉計算思維能力。具體意義如下。一是強化知識整體性構建。教師圍繞大概念設計實驗教學，統(tǒng)一整合知識點，精簡內(nèi)容，促進深度聯(lián)結，引導學生從實例到抽象概念，構建完整的大概念網(wǎng)絡，為未來解決復雜問題奠定基礎。二是增強知識點關聯(lián)性。教師依托大概念設計教學目標，加深學生對學科邏輯關系的理解，構建知識體系，兼顧宏觀與微觀層面，將信息科技知識緊密聯(lián)系在一起。三是重視學生學習主體地位。基于大概念的教學設計以學生為中心，關注主動活動，設計與學生能力匹配的實驗任務，激發(fā)學生好奇心和探索欲，促進主動學習。大概念下實驗教學設計的內(nèi)涵信息科技實驗是素養(yǎng)課程重要組成部分，核心是培養(yǎng)學生可遷移的專家思維，而非記易忘的專家結論。大概念具有高度概括性與持久價值，能連接素養(yǎng)和教學實踐以實現(xiàn)知識高效遷移[1]，是培養(yǎng)專家思維的重要抓手，涵蓋概念、觀念和論題，可幫學生整合零散事實與技能，在課程教學中居核心地位[2]。本文依據(jù)新課標，參考弗雷爾大概念模型，借鑒劉徽2022年的大概念教學設計模型與鄭潔2023年總結的大概念信息科技實驗結構化教學設計為實踐指導，在充分考慮初中信息科技學科特性和學生實際情況的基礎上，進行“莫高遺夢守護者”實驗項目教學的設計與實踐。實驗的設計分為三階段。首先，發(fā)掘實驗內(nèi)容，教師提煉單元核心大概念，關聯(lián)核心知識，形成學習性問題，并與項目情境結合，生成真實性問題。其次，開發(fā)實驗操作，選擇可編程設備，通過程序設計打破技術黑箱，使核心知識可見可觀察。最后，設計觀察分析單，利用弗雷爾模型（定義、特征、正例、反例），促進學生對概念的理解，為知識遷移做準備[3]。實驗設計路徑如圖1所示。信息科技實驗通過六段式流程實現(xiàn)。第一步，問題啟思，教師在真實情境中挖掘“迷思概念”，提出問題，引發(fā)學生思考；第二步，經(jīng)驗猜想，學生提取生活經(jīng)驗，結合學科材料形成實驗假設；第三步，方案設計，明確實驗目的、器材、步驟，設計實驗方案；第四步，實驗踐行，參照實驗單，利用微課、圖文教程操作，通過半成品程序精簡操作；第五步，觀察剖析，記錄數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)穩(wěn)定與變化，驗證假設；第六步，提煉增智，橫向遷移認知，縱向深挖概念，形成本質(zhì)認識。整個流程遵循從體驗觀察到探索原理，再到抽象形成概念的深度學習路徑。由于“莫高遺夢守護者”實驗項目屬于創(chuàng)新應用類實驗，數(shù)據(jù)量較小且無驗證假設的內(nèi)容，因此第五步在項目設計中省略。實驗項目設計1.內(nèi)容分析“莫高遺夢守護者”實驗項目屬于新課標中的“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”模塊下的一個部分，要求學生能夠理解萬物互聯(lián)的含義，能夠設計并搭建具有數(shù)據(jù)采集、實時傳輸和簡單控制功能的簡易物聯(lián)系統(tǒng)，能夠通過智能終端編寫程序，讀取并處理物聯(lián)設備中的數(shù)據(jù)。本實驗以守護傳統(tǒng)文化瑰寶莫高窟為情境，引導學生設計莫高窟環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)溫濕度監(jiān)測以及簡單的控制系統(tǒng)。2.核心概念挖掘首先，綜合解讀新課標、教材與教師教學指導用書，得出“物聯(lián)網(wǎng)”單元的核心概念為：了解萬物互聯(lián)帶來的影響，認識物理世界與數(shù)字世界的關聯(lián)。其次，綜合分析“物聯(lián)網(wǎng)”整個模塊，其中關鍵的概念有以下幾點，物聯(lián)網(wǎng)的概念、物聯(lián)網(wǎng)的應用、物聯(lián)網(wǎng)中的傳感與識別技術、物聯(lián)網(wǎng)中無線通信技術、控制與反饋。最后，探尋上位學科概念，構建大概念體系，結合信息科技學科六大核心邏輯主線，通過思維導圖的形式梳理了“物聯(lián)網(wǎng)”模塊整體核心知識網(wǎng)絡，如圖2所示。結合以上分析，筆者總結了基于六大邏輯主線的大概念（表1）。基于此，筆者將實驗素養(yǎng)目標設計如下。（1）通過了解物聯(lián)網(wǎng)在文物保護行業(yè)的應用，進一步認識物聯(lián)網(wǎng)給學習生活帶來的改變，增強利用物聯(lián)網(wǎng)知識解決現(xiàn)實問題的意識。理解物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)的采集與傳輸過程，體驗控制與反饋（信息意識、計算思維）。（2）根據(jù)真實問題，掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計的一般方法，學會選擇數(shù)字設備和數(shù)字平臺，主動利用數(shù)字設備開展實踐創(chuàng)新探究（數(shù)字化學習與創(chuàng)新）。（3）了解文物保護的重要性，提高對傳統(tǒng)文化的理解和尊重，激發(fā)利用現(xiàn)代科技手段進行文化傳承和創(chuàng)新的思考（信息社會責任）。實驗項目實施1.問題啟思播放《正在慢慢消失的世界級文化遺產(chǎn)——敦煌莫高窟》紀錄片節(jié)選片段，莫高窟作為歷史的見證，蘊含著豐富的文化精髓，是中華民族寶貴的財富。保護好這些文物，就意味著守護好我們的歷史記憶與文化傳承。然而，文物的保存工作絕非易事，因為溫度、濕度、光照以及氣體環(huán)境等因素的波動都可能對文物構成潛在威脅。引出問題：如何更好地保護每一件文物，讓它們免受歲月的侵蝕？設計思路：以文物保護的緊迫性展開課堂，創(chuàng)設真實情境，引導學生分析通過傳感器實現(xiàn)對文物溫度、濕度、光照等環(huán)境因素的實時監(jiān)測，根據(jù)環(huán)境因素及時采取措施，有效防止文物的損壞，開展敦煌莫高窟環(huán)境檢測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實踐探索。2.經(jīng)驗猜想實驗活動1：探究莫高窟環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求（1）與傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測工具相比，基于物聯(lián)網(wǎng)的莫高窟環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)有什么優(yōu)勢？（2）實時監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)。分小組討論莫高窟環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需要實現(xiàn)哪些功能，完成采集數(shù)據(jù)、傳輸與存儲數(shù)據(jù)、分析處理數(shù)據(jù)、分析處理數(shù)據(jù)的需求分析及功能概述。設計思路：學生步入課堂時，心中帶著對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)簡單而基礎的理解。因此，教師需要指導他們結合實驗主題，從個人生活經(jīng)驗中提煉信息，以此作為學習過程的出發(fā)點，做好接受新知識的準備。3.方案設計實驗活動2：探究莫高窟環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的功能實現(xiàn)根據(jù)需求分析，完善在采集數(shù)據(jù)、傳輸與存儲數(shù)據(jù)、分析處理數(shù)據(jù)、反饋與控制各項功能中需要用到的傳感器以及物聯(lián)網(wǎng)平臺。實驗活動3：莫高窟環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)算法設計根據(jù)功能分析表與功能實現(xiàn)表，設計莫高窟環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)算法，使用算法模塊，完成流程圖的繪制。設計思路：在方案設計初期，學生需深入理解實驗的目標、所需設備、具體步驟，并清晰確立實驗設計的核心理念，以便全面掌控實驗流程，避免進行無目的或不明確的操作。4.實驗踐行實驗活動4：模擬實現(xiàn)莫高窟環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)系統(tǒng)功能任務1：基本結構搭建（1）挑選物聯(lián)實驗所需的傳感器與主控板等設備。（2）建立無線網(wǎng)絡連接。（3）對物聯(lián)網(wǎng)服務平臺進行配置。任務2：采集數(shù)據(jù)使用溫度、濕度傳感器獲取當前環(huán)境的數(shù)據(jù)，并顯示在主控板上，將傳感器數(shù)據(jù)采集到記錄表。任務3：傳輸數(shù)據(jù)與反饋控制在物聯(lián)網(wǎng)體系中，數(shù)據(jù)存儲的任務由物聯(lián)網(wǎng)服務平臺承擔，而主控板則負責從傳感器獲取數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡傳輸給服務平臺。針對莫高窟環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)項目，主控板的操作流程是：首先建立網(wǎng)絡連接，接著與物聯(lián)網(wǎng)服務平臺進行對接，隨后持續(xù)不斷地從傳感器中讀取數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)實時上傳至物聯(lián)網(wǎng)服務平臺。設計意圖：通過分步驟的任務，學生可以逐步掌握復雜的概念和技能，理解每個環(huán)節(jié)的原理，降低學習難度，提高學習效率。每個任務完成后，教師和學生都可以進行及時的反饋和調(diào)整，確保后續(xù)任務的改進和優(yōu)化。5.提煉增智首先，成果展示與反饋評議，各小組分別展現(xiàn)其創(chuàng)作，并分享課堂收獲。其次，教師鼓勵學生課后探索外觀設計領域，利用環(huán)保材料，動手實踐外觀創(chuàng)作。最后，教師拋出一個思考題：系統(tǒng)的功能還可以如何迭代優(yōu)化升級？引導學生利用已學知識不斷探索、發(fā)現(xiàn)并解決系統(tǒng)中存在的問題。還有很多室外的古建筑需要保護，涉及的因素更多，如需實時監(jiān)測位移、沉降、傾斜、加速度、振幅、頻率、風力等。設計理念：實現(xiàn)知識從課堂到生活的遷移，強調(diào)學習源自生活實踐，最終服務于生活，構建完整的學習循環(huán)體系。結束語在以“莫高遺夢守護者”為主題的初中信息科技實驗項目