【市一等奖】基于AI 的信息科技数字化实验教学工具设计探索

摘要：信息科技数字化实验教学工具是指用于信息科技实验教学的交互式软件或网页等数字化教学资源，可以帮助学生理解数字化人造物的运行原理。当前，该领域存在实验步骤固定、实验资源不足、探究性不强等问题。基于教学实践提出四项设计原则和相应的设计策略，以期为快速开发实验教学工具、解决信息科技实验教学资源缺乏等问题提供实践路径。

关键词：信息科技；数字化实验教学工具；设计原则；设计策略

引言

实验教学是培养学生动手实践能力、科学探究精神，培育创新型人才的重要途径。传统实验教学工具在内容呈现与交互方式上存在一定的局限性，难以满足学生多样化的学习需求。而数字化实验教学工具凭借其丰富的多媒体资源、动态交互功能能够将抽象的信息科技知识转化为直观、有趣的学习体验。目前，人工智能（AI）技术支持根据提示词要求生成代码，使教师可以根据教学实际创新实验项目，开发针对性强的实验工具。

2019年发布的《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》指出，要创新实验教学方式，促进传统实验教学与现代新兴科技有机融合；《中小学实验教学基本目录（2023年版）》给出分类别的信息技术实验类目 ；《国家中小学智慧教育平台与人工智能融合应用指南（试行） 》给出了AI 协同课程教学在设计开发、课程教学等方面的场景描述和示例。这些文件和指南的出台表明，信息科技学科教师自制急需实验教学工具具备较好的政策与实践条件。高淑印[1] 、张海南等[2]指出，信息科技专用实验场所的装备条件有待提升，亟待编制建设标准；钟柏昌[3]提出根据实验要求配备、改造传统计算机教室，实施实验教学的建议。谢作如[4]通过搭建本地算力服务器，借助网页完成常见人工智能实验。 由此可见，实验教学完全可以在满足基本条件的计算机教室完成，教师已经具备自主搭建实验环境的能力，该环境既支持本地运行也可借助云平台完成部署。

目前，已有信息科技实验教学（含人工智能）平台基本满足《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》《普通高中信息技术课程标准（2017 年版2020年修订）》提出的创设数字化学习环境、开展项目式学习的要求 。但当前实验教学实验步骤固定，无法满足学生的个性化需求。除此之外，张海南等[2] 、朱莎等[5]还提出教材配套资源不够丰富、教学偏向演示与模仿，实验探究属性不够突出，学生在实验中参与度不足等问题。本研究结合实验教学课堂实践，提出教师利用AI 技术自创数字化实验教学工具的设计原则和策略，让教师既可以根据具体项目创设实验探究过程，又可以根据实验内容设计实验难度。

1 信息科技数字化实验教学工具概述

1.1 概念界定

广义的数字化实验是用传感器采集数据，以数字信号方式传递给计算机进行处理的数字化实验系统[6] ；数字化实验教学工具是实验系统可供教学实操的各类软件或硬件设备。信息科技数字化实验教学工具特指用于信息科技学科教学的、具有交互功能或演示功能的软件或硬件设备，它可以是程序编译平台、虚拟实验平台或专业化的大型实验平台，也可以是教师自制， 由 Tkinter 生成带有 GUI 界面的软件，还可以是通过HTML 代码运行的交互式网页。文中信息科技数字化实验教学工具特指AI 协助开发的微型软件或网页式实验教学工具。

信息科技属于人工科学范畴。信息技术实验有别于自然科学、社会科学实验，其研究对象是数字化人造物，该类实验对象具有运行过程中的电信号不易被直接观察的特点。

1.2 信息科技数字化实验教学工具设计原则

信息科技基本原理反映数字化人造物运行表象背后的科学原理。实验教学工具设计的目的是促进学生理解科学原理，进而让学生掌握其运行逻辑及其迭代优化过程。除符合科学性和教学规律等，设计还要遵循以下原则。

1.2.1 内容设计围绕核心概念，聚焦重难点理解

实验教学工具开发应针对特定实验内容，其内容选择应反映学科本质，聚焦核心概念，解决实验难点问题。例如，像素是构成图像的基本单位，虽然在屏幕上可以被直接观察，但是看不到其背后的数值变化。图像像素与灰度值关系实验教学工具围绕像素这个核心概念，动态展示这种微观层面的变化（图1）。 该数字化实验教学工具通过模拟对比的方法帮助学生克服理解方面的困难，左侧图像的方格显示颜色，右侧对应数字矩阵的方格显示数值，通过对照比较帮助学生构建像素的概念；此外，其按钮、标签、标题、图例等文字要用专业术语， 以服务学生对核心概念的理解；软件功能也要有利于学生深入思考核心概念，如借助基于y=(R+G+B)/3模型的动态计算公式功能，引导学生思考像素色彩与灰度值的关系，加深其对概念的理解。

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