单元视域下高中信息技术实验教学的实践研究

摘要：实验教学是高中信息技术教学的重要组成部分，学生通过参与实验教学活动可以掌握必备知识，培养关键能力，提升学科核心素养。本文在阐述信息技术实验教学内涵与框架的基础上，以具体的单元实验项目“室内环境实时监测系统搭建”为例，探讨了单元视域下的高中信息技术实验教学的设计与实施，以期为高中信息技术实验教学提供参考。

关键词：信息技术；单元视域；实验教学

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）24-0068-04

《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）明确提出高中信息技术课程“要设立能满足各模块教学需要的信息技术实验室，配备相应的实验设备，开展项目实验活动”。因此，实验教学要创设真实的问题情境，让学生通过实践体验掌握必备知识，培养关键能力，提升学科核心素养。

信息技术实验教学的内涵与特征

1.内涵阐释

信息技术实验教学侧重于通过科学严谨的学科实践活动，为学生提供参与或设计实验的机会，鼓励学生亲身经历知识形成和发展的过程，通过小组讨论和合作实验，形成对知识的系统性理解，建立完整的知识体系，实现深度学习及持续性学习。

2.特征分析

（1）素养导向的实验目标

在素养导向下，高中信息技术实验教学的目标已经悄然从“知识本位”转向“素养本位”，不再局限于单纯的理论教学和技能教学，而是注重通过实验教学活动培养学生解决真实性问题的能力，并能够将学校所学知识与技能迁移到新的问题情境中。

（2）学生主体的探究学习

高中信息技术实验教学倡导“学为中心”的教学理念，鼓励学生从被动接受知识转变为主动探索和实践，让学生亲身经历知识形成和发展的过程，形成对知识的系统性理解，学会合作学习，发展主体能力。

（3）深度融合的课程内容

高中信息技术单元实验教学强调超越单节课的范畴，形成整合特定学科概念（如数据、算法、信息系统等）、模块或单元的实验内容。同时，实验资源的整合应包括多种数字化资源，以支持学生的个性化学习需求。

信息技术实验教学框架

笔者认为，在“做中学”“用中学”“创中学”的指导下，高中信息技术实验教学应从“为素养教学”的最终目标出发，围绕“数据、算法、信息系统、信息社会”学科大概念，设计高中信息技术实验教学项目，让学生在完成具有实际意义的实验后，反思学习过程，总结学习方法，评估学习结果，从中不断迭代优化学习策略，提升知识迁移水平。笔者提炼的高中信息技术单元实验教学的整体框架如图1所示。

信息技术实验教学的设计与实施

笔者选取浙教版必修模块2

“信息系统与社会”中的“信息系统的搭建实例”单元进行单元实验教学的整体设计研究。新课标对本单元的内容要求是：通过分析常见的信息系统，理解软件在信息系统中的作用，借助软件工具与平台开发网络应用软件。通过搭建小型信息系统的综合活动，体验信息系统的工作过程，认识信息系统在社会应用中的优势及局限性。

1.实验教学内容

本单元的创新应用性实验项目旨在利用开源的Web框架，借助各类传感器搭建一个简易的“室内环境实时监测系统”，帮助学生更好地了解和改善居住环境。该系统使用传感器采集室内温度、湿度数据，通过智能终端传输至数据库服务器（采用GET方式接受温度和湿度数据），当监测到的环境数据超出阈值或出现异常时，Web服务器将自动触发报警信息。同时，学生可以通过浏览器访问Web服务器，获取实时的环境数据和历史数据。“室内环境实时监测系统”结构如图2所示。

基于以上分析，笔者立足单元整体设计理念，将“室内环境实时监测系统”作为一个贯穿整个单元实验教学的大项目，通过创设室内环境实时监测问题情境，引导学生积极参与各个子实验的探究，最终实现“室内环境实时监测系统”的目标与功能。

2.实验教学目标

①通过分析室内环境监测系统的需求，确定监测的室内环境参数，选择合适的传感器，搭建信息系统的基础硬件架构。

②根据功能需求，能将复杂的系统问题分解为若干子问题，编写智能终端Python程序，实现利用智能终端读取传感器数据。能使用SQLite创建数据库，将传感器采集到的环境数据存储到Web服务器数据库中。

③使用Python的Flask Web框架创建Web应用，通过浏览器访问并呈现实时和历史室内环境数据。

④通过对系统的运行测试发现其中的问题，并进行调整和优化，修正系统。

⑤感知信息技术对生活和工作的影响，增强对环境数据重要性的认识。能够认识到信息技术对社会的积极影响，同时意识到保护隐私和数据安全的重要性。

3.实验教学思路

本节实验课的教学组织围绕“室内实时环境监测系统”这一主题，通过三个循序渐进的探究实验——“硬件搭建”“软件开发（智能终端与服务器端程序编写）”“系统测试”，引导学生明确信息系统开发的一般过程，理解信息系统开发过程中各关键阶段的注意事项。在实验课前，教师将班级学生分成若干小组，每组3位成员，每个小组将收到一套完整的硬件器材和一张详尽的实验任务单，指导他们完成整个实验过程。

4.实验教学过程

探究实验一：硬件搭建

①硬件选择。根据环境监测系统的目标与功能，从提供的硬件器材（如表1）中选择合适的传感器、执行器、智能终端、网络设备等硬件。

②硬件连接。micro：bit不仅能够处理来自各种传感器的数据，还可以控制LED灯、蜂鸣器等执行器。因此，可以另外接一个温度传感器、一个湿度传感器、一个蜂鸣器以及IoT模块，通过micro：bit的扩展板引脚与主板相连，实现数据的收集和控制命令的输出。

学生观看模块的端口连接微课教程，并将智能终端引脚分布情况填入表2中，讨论思考同一个模块能否连接到不同的引脚；尝试在BXY Python Editor上编写程序实现温度、湿度的采集，并在超过设定的阈值后，蜂鸣器开始工作，以检测智能终端与模块是否连接正常。

探究实验二：软件开发

使用Python在VSCode编辑器中编写一个智能终端应用程序，该应用程序连接到传感器硬件，实时读取温度和湿度数据；编写一个Web服务器端程序，通过GET方式接收从智能终端发送的温度和湿度数据；编写Web模板文件代码，呈现室内环境数据。

①服务器端程序。室内环境实时监测系统采用B/S架构，服务器端程序基于Python的Flask Web框架编写，采用模板功能，以index.html为模板，服务器端的IP地址为192.168.0.101，端口为8080。服务器端的路由信息如表3所示。

A.Web服务器程序如图3所示。

B.Web模板文件代码。教师提供分析HTML语言和Web模板文件的微视频。学生打开“templates”文件夹中“index.html”的模板文件，根据功能需求编写代码以显示当前的室内温度和湿度数据。同时，该页面还要显示历史的温度和湿度数据，并实时更新数据。

②智能终端程序。智能终端获取传感器的数据，并将该数据提交至服务端。若服务端有返回数据，智能终端根据该返回数据进行反馈。本次室内环境实时监测系统采用micro：bit为智能终端，由于micro：bit本身不带Wi-Fi功能，可以外接IoT模块实现接入互联网，如上页表4所示。

探究实验三：系统测试

通过“系统测试”实验，将对整个室内实时环境检测系统进行全面的测试，包括功能测试、性能测试和安全性测试等，旨在让学生理解系统测试的重要性和必要性，以及在实际测试中需要注意的问题和解决方法。学生根据表5所示的系统测试分析，对服务器端与智能终端代码进行调试，分析问题原因及解决方案。

信息技术单元实验教学的效果分析

本案例通过对“室内环境实时监测系统搭建”的实践研究，探讨了单元视域下实验教学的整体设计与实施的具体步骤。通过硬件搭建、软件开发、系统测试等环节，引导学生深入理解搭建信息系统的一般过程、信息系统的工作过程，挖掘了信息系统背后的程序思维，培养了学生运用实验方法发现问题、分析问题并解决问题的能力，提升了学生知识迁移能力，实现了信息技术与日常生活应用的有机融合。

参考文献：

中华人民共和国教育部.普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.