指向創新素養培育的高中信息技術探究實驗設計與實施

王堃 陳子勇

摘 要：創新素養是學生諸多素養中的關鍵要素，在核心素養的所有構成要素中處于統領地位。筆者通過開展高中信息技術實驗教學挖掘學科課程中的創新要素，培育學生創新素養。本文以教科版必修1第2單元《編程計算》的教學內容為例，詳細闡述了信息技術探究實驗的設計與實施過程，實驗項目融合開源硬件，讓學生在創新實踐活動中發展創新思維，形成創新人格。

關鍵詞：創新素養；信息技術；探究實驗；開源硬件

當今的國際競爭是科技的競爭、人才的競爭，歸根結底是人的創新力的競爭。因此，創新素養已經成為每個現代公民都需要具備的關鍵能力和必備品格。創新素養包含創新人格、創新思維和創新實踐三個要素，創新人格的形成、創新思維的發展、創新實踐的開展是培育創新素養的重要渠道?！秶覄撔买寗影l展戰略綱要》（2016）、《關于加強新時代學生創新素養培育體系建設的意見》（2021）指出要改革人才培養模式，把科學精神、創新思維、創造能力和社會責任感的培養貫穿教育全過程，并特別強調注重挖掘利用學科課程中的創新要素和高度重視信息技術、綜合實踐活動等課程的實施?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g課程標準》（2020修訂版）中明確信息技術教學的重要任務是培養具有信息意識、計算思維、數字化學習與創新能力、信息社會意識的數字化公民。課標要求在數字化學習環境中，引導學生體驗數字化學習與創新活動，用數字化工具表達思想、構建知識，養成數字化學習與創新的習慣，這與學生創新素養的培育是相通的。

一、信息技術教學中存在的問題及解決策略

信息技術課程的有效實施，對學生創新素養的培育能起到關鍵作用。但是從目前實施情況來看，高中信息技術教學中還存在著以下問題：一是信息技術課堂教學多關注具體知識點和操作步驟方面的講解，不注重學生知識遷移能力和創新思維品質的培養；二是學生學習方式被動，受限于“觀看演示—模仿操作”固有模式，主動思考和創新實踐較少，很難對知識進行遷移內化進而提升創造性解決問題的能力；三是信息技術發展日新月異，“教材的更新跟不上時代發展”這個問題在信息技術學科中表現得尤為突出。為解決上述問題，筆者嘗試開展高中信息技術實驗教學，引入相對穩定的、具有時代性的軟硬件資源進行國家課程校本化實施，挖掘信息技術課程中的創新要素，為學生提供創新實踐機會，發展學生創新思維，進而促進學生創新人格的形成[1]。

二、指向創新素養培育的高中信息技術探究實驗設計與實施

下面，筆者以高中信息技術教科版必修1第2單元《編程計算》的教學內容為例，詳細闡述信息技術探究實驗的設計與實施過程。

教材將第2單元分成了四小節，從“計算機解決問題的過程”開始，到“可以復用的代碼”結束，每一節都設計了相對獨立的項目。通過四節的學習，引導學生學習python語言的基礎語法知識、掌握三種算法結構的編程實現方法以及運用函數進行模塊化編程的思想。筆者在教材已有內容基礎上進行二度開發，融入了開源硬件Arduino和數據編碼的相關內容，利用開源硬件將整個章節的學習內容整合到一個實驗項目中，讓學生在動手實踐中體驗、學習、創新。

（一）確定實驗項目主題

本單元是教材中Python編程教學的起始單元，教師需要做的是引領學生順利“入門”，而不是在學習起點就為學生豎起“高墻”。因此，筆者在設計實驗時，選擇了開源硬件中的入門級元器件——LED燈。圍繞LED燈這個入門級元器件，確定了實驗項目主題“燈光魔法師”。學生從“制作調光燈”到“用燈語傳遞信息”，融合學習順序結構、分支結構、循環結構、函數等編程知識，感受利用程序控制燈光、傳遞燈語的樂趣。通過本實驗項目，學生可以完成一個“摩斯電碼生成器”。這個作品需要學生綜合運用分支、循環和函數等知識去解決問題，需要學生自主設計解決實際問題的方案?？梢哉f，本實驗項目為學生提供了一個學以致用、體驗創造的平臺。

（二）分析學情

本實驗項目的授課對象是高一年級的學生，他們在義務教育階段的信息科技課上系統地學習過圖形化編程?？梢哉f，他們對編程解決問題并不陌生，對順序、分支和循環三種算法結構也已經有了一定的認識。高中生邏輯思維能力較強，喜歡挑戰和探究新事物，因此在對教材進行二度開發設計實驗項目時，可以適當設計一些探究性、挑戰性強的任務，由此來激發學生學習、創造的欲望。

（三）明確實驗教學目標

基于對課標、教材的理解和對學情的分析，筆者確定了如下實驗教學目標：1.通過動手實踐，掌握Python語言的基礎知識和使用開源硬件設備的基本方法。（計算思維）2.依據實際需求抽象建模、設計算法，形成問題解決方案；靈活運用分支、循環、函數等知識編寫程序實現方案。（計算思維、創新思維）3.適應數字化學習環境，能夠運用開源硬件等數字化工具進行數字化學習與創新。（數字化學習與創新）4.在實驗項目實施過程中，遇到技術問題能夠有意識地、主動地查閱資料、合作交流，進而解決技術難題。（信息意識、數字化學習與創新）

（四）制訂實驗項目評價方案

實驗項目需要學生分組合作完成。為了引導學生更好地探究實踐和合作學習，筆者為學生設計了個人自評、組內互評量表。個人自評主要關注“任務完成、思維發展、創新實踐”三個維度，組內互評則關注學生在實驗過程中的“參與度、貢獻度和合作度”。評價量表除了能指引學生，也能幫助教師掌握學生的學習狀態。

（五）明確實驗器材與關鍵技術

本實驗項目需要使用的硬件器材有計算機、Arduino Uno開發板、數據線、Led燈、按鈕、杜邦線。為排除硬件干擾因素，建議在實驗初期，盡量選用將開發板和Led燈、按鈕等集成在一起的實驗設備。

本實驗項目的關鍵是使用Python語言控制Arduino Uno開發板和Led燈來傳遞燈語信息。

具體包括以下兩個技術問題：

1.Python控制Arduino Uno開發板。pinpong庫是一套基于Firmata協議的控制開源硬件主控板的Python第三方庫。借助pinpong庫，用Python代碼就能給Arduino開發板編程實現對Led燈等電子元器件的控制。pinpong庫目前支持Uno、Leonardo、Mega2560、ESP32等多種開發板和50多種傳感器，與MicroPython兼容，自帶豐富的編程實例。使用pinpong庫，學生可以比較輕松地開展創新實踐活動。

2.燈語編碼。燈語是一種通信手段，用燈光一明一暗的間歇做出長短不同的信號來傳遞信息。通信雙方需要約定的明暗表達方式就是燈語編碼，國際上流行的燈語編碼就是摩斯電碼。

（六）設計實施實驗教學活動

開展實驗教學的目的是給學生提供應用知識解決實際問題、創新實踐的平臺，促進學生學科核心素養和創新素養的培育。因此實驗活動的設計需特別注意兩點：一是提高實驗內容本身與學科素養、學科大概念的貼合度，讓學生在實驗中理解學科大概念、培養學科素養，應用學科思維形成解決問題的方案；二是實驗本身要為學生留足思考空間、創新空間，實驗的過程也是學生思維發展和創新體驗的過程，不要讓實驗變成另一種形式的“操作說明書”式教學?；谝陨蟽牲c，筆者根據第2單元的教學內容，設計了“燈光魔法師”這個實驗項目，項目由3個小實驗組成。

實驗1：制作調光燈實驗

“制作調光燈”實驗引導學生嘗試利用Python程序控制Arduino開源硬件，應用分支語句實現“多個按鈕調節LED燈亮度（單分支）——1個按鈕控制LED燈亮滅（雙分支）——1個按鈕實現三級亮度調節（多分支）”三種效果。實驗從學習范例開始，教師先為學生提供實現“按鈕按下LED燈亮”功能的范例代碼，通過范例代碼學習Python控制開源硬件設備的方法和單分支語句、關系表達式等基礎知識。

范例學習之后，運用知識優化范例，完成第1種效果：多個按鈕調節LED燈亮度（單分支）。再引導學生發現問題：按鈕太多，如何將功能集成到一個按鈕上？實現這個功能的常規方法是引入變量，記錄按鈕按下次數，再通過雙分支或多分支語句對按下次數進行分析判斷，進而對LED燈的亮度做出不同的設置。

“將多個功能都集成到一個按鈕上”這個問題的解決實際上就是對學生計算思維的培養。其中，如何“對按下次數進行分析判斷”這個問題盡量引導學生自主探究，讓學生在實踐中摸索出自己的判斷方法。

實驗2：用燈語傳遞信息（發送SOS的摩斯電碼）

“用燈語傳遞信息（發送SOS的摩斯電碼）”需要學生了解經典燈語編碼（摩斯電碼）的編碼原理，并應用循環語句實現“LED燈閃爍——LED燈閃出SOS的摩斯電碼（三短三長三短）——LED燈傳遞你的暗語”三個效果。

在實現“LED燈閃爍”效果過程中，會讓學生對比LED燈閃爍5次的順序結構代碼和循環結構代碼，學生可以直觀感受到循環結構簡潔和易于維護的優勢。

在完成“LED燈閃出SOS的摩斯電碼（三短三長三短）”效果時，不同字符間是有長停頓的，這個長停頓的準確實現，對初學循環的學生來說有一定挑戰。通過實現這個效果，學生不僅要思考循環次數的問題，還需要思考循環體和非循環體的問題，能讓學生對循環語句有更深刻的認識。

“LED燈傳遞你的暗語”這個效果需要學生自選想傳遞的信息，并用LED燈閃出信息的摩斯電碼。設計本任務有兩個意圖，一是讓學生鞏固循環語句的用法，二是讓學生感受這個過程的“麻煩”之處：每次更換信息就需要重新編寫程序。這個“麻煩”其實就是我們需要解決的問題：如何提高程序的自動化程度，讓程序自動分析給定信息的摩斯電碼，并根據摩斯電碼自動地閃出相應的燈語。這涉及摩斯電碼的存取以及摩斯電碼中基本符號“·”和“-”的模塊化處理兩個問題。在第3個實驗開始之前，把問題“暴露”出來，并為學生展示最終實驗效果，激發學生探索欲望，引導學生主動思考、創新，尋找解決問題的策略。

實驗3：用燈語傳遞信息（制作摩斯電碼生成器）

“用燈語傳遞信息（制作摩斯電碼生成器）”對學生的計算思維、創新思維以及綜合運用知識的能力要求較高，需要學生充分發揮團隊合作精神，合力完成。實驗具體分三個環節“確定存儲摩斯電碼表的方法——探究從原文到電碼再到燈語的轉換方式——編程實現摩斯電碼生成器”。存儲摩斯電碼表可用列表或字典，此處建議使用字典。教科版教材中沒有涉及字典的相關知識，需要教師補充講解。注意，知識夠用即可，講解時不必貪多求全。而從原文到電碼再到燈語的轉換則需經歷“分離——查字典——再分離——模塊化處理”的過程。思路的梳理過程，教師要把握好度，既要在關鍵時刻引導學生，又要給學生留足思維空間。最后的編程實現環節，需要學生綜合運用第2單元的所有知識來完成。

三、效果與啟示

（一）效果

通過一系列探究實驗項目的設計與實施，明顯感覺學生對信息技術的學習熱情有了很大提升，課堂參與度高了起來，學生在課堂上愿意去思考、表達自己的想法，動手實現自己的創意。學生也開始習慣用計算機科學領域的思維方法去分析界定問題、合理組織數據并設計算法形成解決問題的方案。越來越多的學生能利用數字化學習工具創造性地解決問題。

（二）啟示

開展高中信息技術實驗教學，融入創新素養培育，應關注以下幾點：

1.精心設計，問題驅動。結合實驗任務和教學內容精心設計問題鏈，通過問題驅動，引導學生發現問題的本質，尋求解決問題的方案。以實驗2中“發送SOS的摩斯電碼”任務為例，就設計了這樣一個問題鏈：“①需要幾個for循環？——②每個for循環的循環體需要執行幾次？——

③循環體中都有哪些語句？——④如何修改燈的亮滅時間？”以此問題鏈來引導學生做中學、創

中學。

2.無懼錯誤，鼓勵嘗試。在實驗教學中，鼓勵學生勇敢嘗試，不怕錯誤。讓學生意識到“錯誤”是很好的學習資源和創新資源。筆者在教學中，也會有意識地將學生的經典錯誤編輯到代碼半成品中，讓學生去調試程序排除錯誤。

3.尊重不同，給予空間。每個實驗任務都有其常規解決方法，教師在教學中要注意，不要過度引導學生，給學生思考、創新的空間，尊重學生所表現出的非常規想法，并鼓勵學生去動手實踐。以實驗2中“讓LED燈閃爍5次”任務為例，很多學生想到的方法是復制代碼5次，而不是使用循環。筆者在課堂中就鼓勵學生嘗試這個方案，嘗試之后教師再提出問題，這樣學生能更直觀地感受使用循環的優勢。

4.制造麻煩，刺激創新。麻煩就是需求。讓學生感受到一種解決方案的麻煩之處，就是將優化的需求呈現出來，就是刺激學生去改變、去創新。實驗1中“多個按鈕調節LED燈亮度”和實驗2中“LED燈傳遞你的暗語”就起到了制造麻煩刺激創新的作用[2]。

結束語

高中信息技術實驗教學的開展，為學生提供了創新實踐的平臺，有助于落實學生學科素養和創新素養的培育，真正做到助力學生終身發展。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社.

[2]趙偉剛，孫波.探究開源文化 發掘本土資源 激發創新志趣：“開源硬件的特征”教學建議[J].中國信息技術教育，2022，399（24）：18-20.

本文系山東省教育科學規劃創新素養專項一般課題“基于創新素養培育的高中信息技術課程體系建設與實踐研究”（課題編號：2022CYB174）階段性研究成果。