摘要：在《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》中，“跨学科”一词被多次提及。在实际教学中，它主要基于主题展开，强调跨学科概念的整合与应用，重视学生的学习体验。因此本文提出，面对信息科技学科核心素养中新增的“科学”取向，对跨学科教学设计模式的研究需从宏观的系统性
在《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》中，“跨学科”一词被多次提及。在实际教学中，它主要基于主题展开，强调跨学科概念的整合与应用，重视学生的学习体验。因此本文提出，面对信息科技学科核心素养中新增的“科学”取向，对跨学科教学设计模式的研究需从宏观的系统性教学设计层面规划，以中观的教学模式界定主题单元，并开展微观的单元教学活动，最终通过课堂实验检验其有效性。
●信息科技跨学科教学的内涵
“信息科技跨学科”可以定义为“体现信息科技的手段与目标属性，师生共同整合不同学科（一门或一门以上）的内容，综合理解并构建新的方法以解决复杂问题的过程”。因此，信息科技跨学科教学可基于主题单元及具体活动组织开展。主题单元围绕跨学科主题设计，具备自身的活动特征，侧重不同学科核心素养的培养，不同主题单元间通过主题概念联系起来。单元活动并非限制于一节课完成，可以通过多课时的主题单元组合实现。
●信息科技跨学科教学设计模式的研究
面向核心素养的信息科技跨学科教学设计模式研究需从宏观的系统性教学设计层面规划。笔者采用ADDIE模型[Analysis（分析）、Design（设计）、Development（开发）、Implementation（实施）、Evaluation（评价)]开展了相关教学设计。
1.分析阶段
（1）学习者特征分析
本研究以初二学生为实验对象，其认知思维普遍处于形式运算阶段，他们具备假设、推理与演绎的能力，具有较强的学习动机，对协作探究的学习活动有较高的参与性。教师在开展相关活动时，既要为学生提供问题引导或任务说明等实时支架，又要提倡多样化的互动形式，以满足学生的学习需求。经过初一学段的学习，学生已具备一定的图形化编程基础、网络搭建及故障诊断经验，适应了软硬件结合的学习环境，因此，教师可由“互联”自然过渡到“物联”。
（2）跨学科拓展性分析
本研究采用浙教版初中信息科技教材，根据教材中的模块主题，分析其跨学科拓展的可行性。对于支持拓展的模块主题，可以将其中的相关内容先转换为主题核心概念，如“物联原型的设计”“物联原型的编写与运行”等，然后再在后续阶段整合其他学科概念，确定具体的跨学科主题。
（3）学习需求分析
学习需求包含基础学习需求与高级学习需求。对所跨学科间知识概念、技能的掌握是基础学习需求；跨学科整合所形成的新规律、新方法是高级学习需求，对应学科核心素养的培养。
（4）内容来源分析
内容来源由学生的学习需求决定，除基础来源外，还应包含助力创新的拓展来源。基础来源指教材中对学科概念的描述及相应活动案例。拓展来源是支持学生协作探究、反思提升、灵感迁移，助力方案设计与作品完成的各类资源工具。
2.设计阶段
（1）教学原则设计
①整合性原则。在选用跨学科交叉内容时，应体现整合性原则，围绕主题核心概念编排跨学科概念，形成跨学科主题概念框架，保证各主题单元间多重活动的科学衔接与开展。此外，问题或任务的设计应体现多学科概念向跨学科概念的过渡。
②情境性原则。主题下具体问题或任务的产生都要基于情境。在设计单元活动内容时，应体现情境性原则，强调将跨学科概念还原于丰富的日常生活场景，并与学生经验相契合。应寻找契合于真实情境需求的问题发掘点或任务突破点，借助适合的资源与支架呈现教学活动。
③主体性原则。跨学科主题学习强调学生在主题情境引导下不断主动发现与解决问题，完成主题任务。主题情境为学生主动探究与创造提供了必要线索，让学生能够激活相关认知结构中的已有经验，同化和索引学科概念，在跨学科学习过程中建构跨学科认知体系，从新角度赋予学科概念以深层意义。
④实践性原则。跨学科主题学习是认识与实践相互促进的过程，学生的认识从感性认识上升到理性认识，学科间概念不断与最新的实践经验建立联系，实现跨学科概念的内化与重组，以及概念间关系的调整。学生在每节课结束时均需完成作品，实现方案到作品的转化，结合自主发挥与团队协作，跨学科规律与方法得到积极调用与组合。
（2）主题单元界定
本研究采用契合问题探究、实践创造、协作学习特征的“5E”教学模式帮助界定主题单元，其中包含参与、探究、解释、精致和评价五个环节，如下图所示。
(3)活动类型划分
不同主题单元的活动理念、学习方式等均存在差异，教师需要根据不同的培养目标安排活动类型，形成循序渐进、深入探索的多重学习活动，满足学生的不同学习需求。活动类型与主题单元对应关系如下表所示。
3.开发阶段
（1）跨学科交叉内容选取与跨学科主题确定
教学内容的深度开发需考虑知识粒度与分科教学安排，着重体现主题概念中的信息科技核心概念。从硬件层面的物联设备连接及软件层面的图形化编程配置出发，以物联原型运行为目标，以显示区域的坐标设定，温湿度、气压、光照强度等的实时测量，设备串并联，乃至影响气压的因素分析，反射与折射光线的强度比较等为跨学科结合点，对信息科技、物理、数学学科教材进行细致研究，寻找支持信息科技核心概念的章节内容，如浙教版七年级下册信息科技教材中的《走进物联网》《传感器的应用》《物联网协议》《物联网数据的获取》《物联网控制与反馈》《物联系统原型设计》《物联系统原型实践》，人教版八年级物理教材中的《温度》《光的反射与折射》《大气压强》及九年级全册中的《串联和并联》《电磁继电器》，人教版七年级下册数学教材中的《平面直角坐标系》《坐标方法的简单应用》。最终，确定“校园环境检测——物联原型搭建初体验”为跨学科主题。
（2）主题概念框架梳理
以导图建构和原型设计为基础，通过硬件层面的物联网设备连接，结合软件层面的Mind+图形化编程，配套行空板、MQTT-py、pinpong官方库进行代码编写、设备配置等一系列探究实践。以此为主线，以设备串并联、继电器的使用及多源数据呈现为创意实现的主要方式，支持功能拓展、个性化控制及多源数据分析。经相关学科教师协作整理的“物联原型搭建”跨学科主题概念框架如下图所示。
（3）跨学科核心素养目标细化
①能够根据主题任务，设计任务解决方案和步骤。将思维导图、算法流程图和三种程序结构（顺序结构、选择结构、循环结构）的经验迁移到“校园环境检测——物联原型搭建初体验”方案设计中，清晰表达传感器、服务器、订阅接收器与主题订阅、主题发布、主题接收之间的联系，并结合物理与数学学科知识概念与技能，配合电路中基本的串并联的特征与区别、平面直角坐标系的构成及作用，开展物联原型的设计。（信息意识、计算思维、物理观念、数学抽象）
②综合运用信息科技与其他学科知识概念与技能，实施解决方案，搭建出不同功能物联原型：利用串并联规律，探索硬件设备在正常运行情况下，满足不同场合需求的多样化连接方式，助力物联原型的调试，并使用Mind+图形化编程软件，基于pinpong扩展库配置传感器，基于行空板扩展库确定接收到的主题消息的显示位置、显示值，基于MQTT-py库确定订阅主题的名称路径及传感器需要发布的主题消息。（数字化学习与创新、科学思维、科学探究）
③通过读取并处理含有物联功能的设备中的数据，进行适当反馈和控制。运用平面直角坐标系定位对象，保证行空板屏幕的显示效果，根据需要，利用图形化编程软件、流程图及思维导图，培养结构化的信息习惯。（信息社会责任、逻辑推理、直观想象）
（4）活动过程整合性开发
①参与单元。A.创设情境，情境互动：播放科普视频《平面直角坐标系的诞生》《由互联网到物联网》，鼓励学生记录并思考。B.旧知导入，新旧联想：引导学生由前一轮学习的“数轴”及之前学习过的“互联网架构”概念，自然过渡到本节课要学习的“平面直角坐标系”及“物联网架构”概念。C.问题聚焦，确定主题：通过“物联网能连接数字和现实世界，极大地加强了我们对现实世界的掌控程度，视频中出现了哪些物联形式呢？”“同学们想不想自己搭建校园物联网呢？”等问题聚焦，代入“校园环境检测——物联原型搭建初体验”主题。
②探究单元。A.每组5人，随机分组。B.任务要求，任务准备：为学生提供探究过程所需的各类资源与支架（包含引脚连接说明、物理量的描述、行空板使用说明、pinpong库说明、平面直角坐标系图解）。教师演示，引导学生连接一组最基本的主机—行空板—传感器的原型结构，更新与呈现变量值，进行初步尝试。接着，提供新支架（物联网架构、MQTT协议模型与拓展库、流程图图解），提出任务要求，即本节课要进行不同功能物联原型的设计，形成导图方案。C.组织启发，头脑风暴：采用前述支架，组织学生头脑风暴。提示学生可按照偏好传感器进行分工，或按照偏好的“Mind+”拓展库进行分工，还可按照面向导图方案的职责（如绘制流程图、跨学科概念挖掘、跨学科关联分析等）进行分工。D.引导探究，任务探究：学生开始探究并形成设计方案。教师可引导学生将物联网架构与MQTT协议模型整合，引导学生在流程图中全面表达顺序、循环与选择结构，并与思维导图整合。保证设计方案的结构性与系统性。E.答疑解惑，量规自评：学生在遇到困难时，可以内部沟通或请教教师，同时开展量规自评。
③解释单元。A.鼓励交流，展示交流：鼓励代表展示小组方案导图，鼓励组员评价他组作品优缺点。B.实时点评，量规互评：教师实时点评以引导学生的讨论方向，便于学生侧重分析不同功能原型，或同一功能原型下不同逻辑的程序流程，并要求学生开展量规互评。C.分析小结，保留悬念：围绕信息科技核心概念做出小结，提出问题——下节课，大家想不想编写程序并运行我们设计的原型？
④精致单元。A.情境发散，情境迁移：这堂课，我们将依据设计方案，进行物联原型的编写与运行。会用到MQTT-py库，有没有哪位同学能上台演示？B.问题聚焦，聚焦思考：在演示结束后，结合旧概念引导学生回答“初始化MQTT模块需要配置哪些信息？”“哪个设备既作为服务器中介，同时又作为订阅接收设备？”等问题。启发学生记录并思考。C.任务要求，任务准备：教师提醒学生，这节课主要围绕“物联原型的编写与运行”个性化小组主题开展活动。提出“基于前课设计方案，编写与运行各自小组物联原型”的任务要求，发放“作品说明表”。D.组织启发，头脑风暴：教师为学生提供各类资源与支架（包含前课支架及MQTT-py库说明、串联并联方式说明），组织头脑风暴。启发学生探索传感器的串并联连接方式，小组可按照“作品说明表”给出的原型线路展示、思维导图展示、图形化程序展示等角度重新分配任务。E.任务分层，探索迁移：学生开始探索物联原型的创意实现。教师进行任务分层，提供“继电器的运行原理”支架，引导学生探索继电器与水泵串联的任务，实现物联控制反馈，拓展跨学科框架（思维导图）。鼓励有能力的学生探索串联或并联传感器对数据采集速度、准确度的影响。继续鼓励有能力的学生利用matplotlib、pandas等库开展多源数据分析，探索气压和温度、湿度间关系，或直射、反射、折射光线的强弱变化，并开展原型调试。学生遇到困难可以内部沟通或请教教师，同时完善并上交量规。
⑤评价单元。教师鼓励学生代表进行小组物联原型展示，代表可结合“作品说明表”表达。教师公布量规评价结果，并进行总结分析。学生在观察的基础上，比较分析个人及小组在本次跨学科主题学习活动中的优势与不足，改进原型作品，反思活动表现。
4.实施阶段
实施阶段可以与准实验研究法相结合。从广义上讲，它是指准实验研究中的“确定研究问题”“设计实验方案”“数据收集”“数据分析”“结果解释”全部环节。但从狭义的角度讲，分析阶段对应“确定研究问题”环节，设计、开发阶段对应“设计实验方案”环节，实施阶段对应“数据收集”环节，评价阶段对应“数据分析”“结果解释”环节。
5.评价阶段
通过定量分析量规数据，能够验证信息科技跨学科教学设计模式的科学性与“校园环境检测——物联原型搭建初体验”跨学科主题教学案例的可行性。从相关数据可以看出，不同组别样本对信息意识、计算思维、数字化学习与创新维度均呈现出显著差异（p＜0.05），这既可证明跨学科主题教学案例使不同水平学生的信息科技核心素养都得到较大发展，也可证明本文提出的信息科技跨学科教学设计模式较科学，可以进行推广。
本文作者：
王霖生
辽宁省沈阳市第一四五中学
张威
东北师范大学信息科学与技术学院
张妍
辽宁省沈阳市沈河区教师进修学校
杜薇薇
辽宁省沈阳市第一四五中学
文章刊登于《中国信息技术教育》2024年第21期
引用请注明参考文献：
王霖生，张威，张妍，杜薇薇.面向核心素养的信息科技跨学科教学设计模式研究——以“物联原型搭建”为例[J].中国信息技术教育，2024（21）：40-44.
来源：中国信息技术教育
