指向设计思维发展的信息科技实验教学

［1］ Thomas K F Chiu，Qi Xia，Xinyan Zhou，etal.Systematic literature review on opportunities，challenges，and future research recommendations of artificial intelligence in education［J］.Computers and Education：Artificial Intelligence，2023，04（Suppl C）：100-118.

摘要

与传统实验相比，信息科技实验具有介质多元、场域虚拟、操作灵便等优势，设计思维是开展实验教学的行动指南，是实现知识建构、能力发展与价值观塑造的统一。提出“需求洞察—定义问题—创意发散—原型开发—测试反馈”五个阶段和“教师—实验—学生”三个维度的教学策略及实验模型，并以搭建Cutebot遥控小车为例，完整呈现了从需求洞察到成果迭代的设计思维驱动型的实验活动路径，分析了信息科技实验教学存在的问题并提出改进意见。

Graphical abstract

关键词

设计思维 / 信息科技 / 实验教学 / 活动路径

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）指出：遴选科学原理和实践应用并重的课程内容，从信息科技实践应用出发，注重帮助学生理解基本概念和基本原理，引导学生认识信息科技对人类社会的贡献与挑战，提升学生知识迁移能力和学科思维水平，体现“科”与“技”并重^［1］。信息科技实验教学基于学科理论，通过结构化实践促进知能转化，既是培育学生“数智素养”的核心路径，也是深化知识迁移与创新能力的关键环节。当前义务教育阶段信息科技实验教学尚处于探索初期，其概念内涵、分类体系、教学模式及评价标准等基础架构尚未明晰，相关理论与实践研究亟待系统深化。笔者以搭建Cutebot遥控小车为例，围绕信息科技实验教学内涵、实施策略、模型及活动路径开展研究，探寻指向设计思维发展的信息科技实验教学育人成效。

1 研究背景

1.1 信息科技实验教学内涵

相较于其他学科实验，信息科技实验具备介质多元、场域虚实交融、操作灵活可变等特征。该类实验强调学科理论与动手实践深度耦合，引导学生自主构建“技术操作—原理验证—问题解决”的研习路径；同时以真实生活情境作为认知起点，推动学生主动拆解问题内在机理。借助现象溯因与原理验证之间的双向印证，学生得以开展技术迁移应用，形成现象观察、理论建模、方案迭代的完整探究链条，最终推动学科理论知识从虚拟实验环境走向复杂真实情境的落地应用。

1.2 设计思维核心价值理念

斯坦福大学设计思维学院（D.School）将设计思维分成共情（Empathize）、定义（Define）、构想（Ideate）、原型（Prototype）和测试（Test）5个环节^［2］。设计思维是面向创新实践的重要方法论，其核心育人理念与实践理念可概括为四个维度。一是以人为本；二是协作共创；三是迭代进化；四是系统思维。整体而言，设计思维兼具创新赋能、体验优化、高效破题、持续育人与组织进阶的多重价值，已然从单一实践方法论升级为支撑教育创新的系统性战略范式。

2 信息科技实验教学策略

“新课标”强调以学科原理指导实践应用，探索“场景分析—原理认知—应用迁移”教学，从真实场景入手引导学生提出和分析问题，在已有知识基础上分析、探究现象的机理，学习、理解相应科学原理，尝试用所掌握的原理解释相关现象或解决相关问题^［3］。为此，笔者优化EDIPT设计思维模型后提出了“指向设计思维发展的信息科技实验教学策略”（图1），依托设计思维理论构建信息科技实验教学流程，从“需求洞察—定义问题—创意发散—原型开发—测试反馈”5个阶段和“教师—实验—学生”3个维度设计了各阶段的主要任务。

3 设计思维实验教学模型

指向设计思维发展的实验教学模型（图2）以学生为中心，强调真实问题解决和迭代优化。围绕需求洞察、定义问题、创意发散、原型开发和测试反馈5个阶段开展实验教学，学生在实验探究中经历迭代学习过程，思维在发散和收敛之间循环往复^［4］。以同理心洞察问题为切入点，依托跨学科知识视角探究多元解决方案并择优落地，实现学习成果的具象化呈现。模型围绕实验主题完整覆盖器材筹备、目标确立、内容遴选、过程组织、评价设计等全流程，深度贯穿科学化教学策略与探究式活动路径，通过“洞察问题—聚焦问题—解决问题”的闭环逻辑，为信息科技实验教学提供规范、可落地的系统化实施框架。

4 实验教学活动路径设计

搭建Cutebot遥控小车这一课选自福建教育出版社《信息技术》（八年级下册）“搭建救援机器人”的综合主题，对应《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》的“人工智能预测出行”跨学科实验教学主题。

4.1 教材学情分析

实验教学依据课标、遴选内容、落实素养，教学目标如下：一是通过认识身边的人工智能应用原理，创设疫情防控下无接触购物情境，搭建Cutebot遥控小车，感受科技对生活的影响；二是了解搭建Cutebot遥控小车所涉及的算法编程，掌握无线通信、遥控小车接收和发射的程序编写；三是通过疫情防控演练，让学生意识到自己是健康责任的第一守护人，主动做好疫情防控，自觉遵守法规，树立科技强国为民服务的正确价值观。初二学生已具备一定的“搭建救援机器人”单元知识储备与问题分析能力，但对建立无线通信组和小车变速行驶问题较为生疏，实验操作能力和解决问题能力较为欠缺。

4.2 实验资源准备

实验活动资源包括硬软件和素材资源。软硬件：Makecode在线编程网站、UMU资源平台、Micro：bit主板2块、Cutebot小车1辆、Joystick：bit手柄1支、7号电池5颗、USB数据线1条、网络计算机1台；实验素材：实验报告、导学案、实验应急预案等。

4.3 活动路径设计

依据上述分析，本课实验教学活动路径设计围绕“指向设计思维发展的信息科技实验教学模型”开展探究，主要活动路径设计见表1。

5 实验教学中存在的问题与建议

5.1 存在的问题

当前存在的主要问题：一是实验资源建设滞后。软硬件设备更新迭代缓慢，虚拟仿真平台功能较为单一，缺少多场景沉浸式交互设计，难以支撑综合性探究实践。二是课程体系结构失衡。实验内容呈现碎片化特征，实操技能训练与核心素养培育衔接不足，实验教学设计未充分融入隐私保护、数字公民责任等相关内容。三是跨学科融合程度不足。未能实现语言表达、计算逻辑、情感艺术、科学创造等领域内容的有机整合，学科壁垒较为突出。四是师资专业能力适配度不够。部分教师跟进新技术迭代的能力偏弱，缺少人工智能等前沿技术落地课堂的教学实践经验，现有实验方案多局限于验证性操作；同时实验教师跨学科指导能力欠缺，难以在实验教学中有效开展法律、伦理等非技术维度的研讨引导。

5.2 改进建议

针对上述问题，结合信息科技实验教学育人目标，提出全方位优化改进举措如下。

一是搭建虚实融合的优质实验资源体系。迭代升级实验室软硬件设施，打造智能化新型实验空间，配套适应各学科教学需求的人工智能工具，全面支撑机器学习、智能探究等新型实验开展，破解传统实验资源滞后、功能单一的痛点。

二是重构以素养为导向的一体化课程体系。依托家、校、企、社等协同育人机制，联合开发跨学科融合实验教学案例。以社会真实场景问题为核心搭建问题链，统领各类实验项目设计，将数据采集、算法研发、伦理研讨、责任培育等环节贯穿实验全流程，打通技能训练与核心素养培育的壁垒。

三是培育复合型专业化师资队伍。推进跨学科教研协作，组建由信息科技骨干教师、法务专业人员、行业工程师构成的专项实验研发团队，协同编制兼具技术实操、伦理规范、法治要求的复合型实验指导手册，提升教师新技术应用、跨学科指导及伦理法治教学能力。

四是深化产教协同创新育人模式。深化校企合作、项目引领教学模式，共建校企“微实验室”，将真实工业场景、行业实操案例转化为标准化教学资源。引导学生全程参与项目需求分析、算法设计、落地部署、运维优化的完整实践链条，同时衔接社会服务场景，组织学生开展社区数字化升级、智慧服务优化等实践项目，让学生在解决真实社会问题的过程中锤炼专业能力、树立技术责任意识。

综上，聚焦设计思维发展的信息科技实验教学，需彻底实现从单一“技术训练场”向综合“素养孵化器”的转型。通过技术锚点夯实、真实问题驱动、价值理念渗透的三维重构路径，实现知识传授、能力培养与价值观塑造的深度融合。未来可进一步探索基于大模型的个性化智能实验指导体系，持续创新教学模式、优化育人范式，构建适应数字文明时代发展要求的信息科技教育新生态。

GenAI对促进学生创新思维能力、问题解决能力而言，远不止于“全知的导师”和“调试的助手”这两个方面，而是能够成为身边的“哆啦A梦”。一方面，GenAI将会基于对学生大数据学习行为的洞察和分析，帮助学生找到真实世界未解决的问题，促使学生实现“由解决问题转向发现问题”，从而走向更高阶的“有问题可做”；另一方面，GenAI可以记录学生问题发现和解决的全过程实验数据，比较并分析学生的提问方式、实验方案迭代过程、调试错误类型等，对学生的整个研究过程“对镜反观”，在复盘自我的同时，回溯“原初”的目标与过程中的知识短板和策略偏好，从而精准培养学生解决复杂问题的元认知能力。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育信息科技课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 陈鹏，黄荣怀.设计思维：从创客运动到创新能力培养［J］.中国电化教育，2017（09）：6-12.

[3] 顾海艳.初中信息科技实验教学的实践探索［J］.上海课程教学研究，2023（C1）：110-114.

[4] 陈小辉.设计思维视域下的项目学习活动研究：以Micro：bit课程为例［J］.中国教育技术装备，2022（23）：98-101，105. （上接第123页）

[5] 如何设计有效的教学方式和评价模式引导学生将GenAI用作“思维的杠杆”，而不只是“认知的杀手”。其次，依托一线教学经验形成的综合判断，是GenAI难以预判与统筹的。这对教师提出了非常高的要求，教师须具备课程设计、信息素养、批判性思维引导和社群组织等多方面的综合能力。因此，对一线教师进行有效的培训，帮助他们顺利完成从“知识权威”到“学习设计师”的角色转变，是模型能否大规模推广应用的核心制约因素。

[6] 未来展望

基金资助

2024年度福建省教育科学规划常规课题“指向设计思维的初中人工智能跨学科主题学习研究”(FJJKZX24-046)

2025年度福建省新时代基础教育学科带头人专项课题“指向设计思维的初中信息科技作业设计新样态研究”(145MJYXD263)

中国教育装备行业协会2024年度教育装备科研课题“新课标视野下开源硬件在中小学的应用研究与实践”(CEFR24011R01)