湯蓉

【摘 要】圍繞大概念開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，并不是按照傳統(tǒng)的知識(shí)點(diǎn)在知識(shí)體系中的順序展開，也不是掌握了相關(guān)知識(shí)點(diǎn)和技能后，再去解決問題，而是以綜合問題的解決過程為線索，驅(qū)動(dòng)重要知識(shí)的生成，將靜態(tài)的概念內(nèi)涵轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生經(jīng)歷項(xiàng)目的學(xué)習(xí)過程、體悟過程、實(shí)踐過程和價(jià)值判斷的過程，促進(jìn)概念理解的進(jìn)階，形成知識(shí)結(jié)構(gòu)。對(duì)于教學(xué)設(shè)計(jì)來說，概念的邏輯內(nèi)涵是暗線，活動(dòng)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)銜接是明線。

【關(guān)鍵詞】學(xué)科大概念；學(xué)習(xí)進(jìn)階；項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

【中圖分類號(hào)】G434? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2024）06-055-04

2017年高中新課程標(biāo)準(zhǔn)明確了信息技術(shù)學(xué)科的四個(gè)大概念：數(shù)據(jù)、算法、信息系統(tǒng)和信息社會(huì)。四個(gè)學(xué)科大概念之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)為：數(shù)據(jù)是描述事物的符號(hào)記錄，它也是計(jì)算工具識(shí)別、儲(chǔ)存、加工的對(duì)象；算法是用來處理數(shù)據(jù)的一系列步驟；信息系統(tǒng)是一個(gè)人機(jī)交互系統(tǒng)，交互的正是基于算法的數(shù)據(jù)；信息社會(huì)是以信息活動(dòng)為基礎(chǔ)的新型社會(huì)形態(tài)，由各種信息系統(tǒng)交叉作用形成[1]?；谶@樣的關(guān)聯(lián)，課程內(nèi)容呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)化的框架。

相對(duì)于前兩個(gè)大概念，“信息系統(tǒng)”大概念的抽象和復(fù)雜程度較高。高中階段對(duì)信息系統(tǒng)大概念的理解，更強(qiáng)調(diào)信息系統(tǒng)的層次性和結(jié)構(gòu)性，核心概念是從系統(tǒng)的開發(fā)要素、運(yùn)行流程和發(fā)展趨勢(shì)等出發(fā)，包含了信息系統(tǒng)的組成與功能、信息系統(tǒng)的集成、信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)、信息系統(tǒng)的安全等。大量數(shù)據(jù)的處理是信息系統(tǒng)的關(guān)鍵流程之一，涉及多個(gè)環(huán)節(jié)和技術(shù)，要確保數(shù)據(jù)處理的安全性和穩(wěn)定性，需要采用自主可控的技術(shù)和工具，建立自主可控的思想。同時(shí)，通過抽象建模的方法，可以對(duì)數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行簡(jiǎn)化和優(yōu)化，提高數(shù)據(jù)處理效率和準(zhǔn)確性。

信息系統(tǒng)大概念的分解與落實(shí)

要組織大概念統(tǒng)領(lǐng)下的項(xiàng)目式教學(xué)，我們首先要以大概念為主線，深入解讀、分析和重組教材等教學(xué)資源。大概念的本質(zhì)是一種觀念，是由事實(shí)、經(jīng)驗(yàn)逐步向上提煉出的概念體系[2]。當(dāng)我們自上而下分解大概念時(shí)，可以從概念的產(chǎn)生與來源（如數(shù)據(jù)的來源、信息的產(chǎn)生）、概念的本質(zhì)與規(guī)律（如編碼的本質(zhì)為了秩序，算法的本質(zhì)為了效率）、概念的方法與思想（如字符編碼和聲音編碼的方法異同）、概念的關(guān)系與結(jié)構(gòu)（如數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系）和概念的作用與價(jià)值（如算法怎樣提高信息系統(tǒng)的運(yùn)行效率和安全系數(shù)）五個(gè)方面，去深度解讀大概念。

以“信息系統(tǒng)”大概念為例，我們要從信息系統(tǒng)的關(guān)鍵要素組成、工作過程、發(fā)展趨勢(shì)等方面出發(fā)，先厘清下一層核心概念，再對(duì)核心概念內(nèi)涵進(jìn)行分解，結(jié)合單元模塊內(nèi)容，梳理出下一層具體概念，最后探尋具體概念所指向的真實(shí)問題，從而創(chuàng)設(shè)適合的項(xiàng)目式情境。比如“信息系統(tǒng)”（大概念）的教學(xué)，要先理解“信息系統(tǒng)的組成”（核心概念），再到理解“人、硬件和軟件、數(shù)據(jù)和通信方式”（四個(gè)具體概念），最后鏈接到“真實(shí)問題”。

1.人作為主導(dǎo)要素

在各個(gè)信息系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)、組織開發(fā)和后期維護(hù)中，人都是主導(dǎo)因素，要根據(jù)使用者和開發(fā)者的需求來完成。比如“掃碼點(diǎn)餐系統(tǒng)”的功能設(shè)計(jì)，學(xué)生分角色體驗(yàn)應(yīng)用場(chǎng)景，從顧客、收銀員、服務(wù)員、經(jīng)營(yíng)商家等多個(gè)角度規(guī)劃系統(tǒng)功能，再考慮餐桌、菜單、人員架構(gòu)等因素，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，最后分析其局限性，從老人使用掃碼功能是否方便、掃碼中個(gè)人信息的安全性等角度思考，思考需要補(bǔ)充完善哪些功能。通過這個(gè)實(shí)踐過程，學(xué)生體驗(yàn)信息系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的迭代優(yōu)化，更深刻理解信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)始終圍繞人的需求，充分體現(xiàn)以人為主導(dǎo)的理念。

2.數(shù)據(jù)是信息系統(tǒng)的核心內(nèi)容

信息系統(tǒng)以處理信息為目的，主要功能在于收集、處理、存儲(chǔ)、分析和傳遞數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的高效管理和利用。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的能力顯著提升，數(shù)據(jù)的來源日益多樣化，信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的特征、量級(jí)和類型等概念內(nèi)涵都在發(fā)生變化。比如“公交車智能調(diào)度系統(tǒng)”，有精準(zhǔn)顯示公交車到站時(shí)間和顯示公交車到站距離兩種功能。學(xué)生探討這兩種功能需要搜集和處理的數(shù)據(jù)有什么不同，嘗試建立數(shù)據(jù)表，分析設(shè)計(jì)E-R圖，確定所需要的字段，在探究數(shù)據(jù)庫(kù)的建立步驟中，加深對(duì)信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)概念的理解深度。

3.硬件與軟件是信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)

信息系統(tǒng)的運(yùn)行需要物理平臺(tái)，包括計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通訊設(shè)備等，硬件是信息系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，硬件和軟件是信息系統(tǒng)的組成要素。這在概念邏輯上容易理解，難點(diǎn)在于選擇適合高中生的硬件項(xiàng)目，在動(dòng)手實(shí)踐中理解概念內(nèi)涵。

在教學(xué)實(shí)際中，目前由于各校的硬件條件、課時(shí)限制，加上大部分學(xué)生對(duì)開源硬件并不熟悉，這部分教學(xué)組織難度較大，教師需要做大量前期準(zhǔn)備，對(duì)需要引導(dǎo)的問題進(jìn)行預(yù)判。在相應(yīng)學(xué)情下，小型信息系統(tǒng)的硬件搭建有兩種學(xué)習(xí)方式可以采用：一是可以構(gòu)建硬軟件一體（開源硬件+算法編程）的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，讓學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)、模擬組裝，真實(shí)體驗(yàn)小型信息系統(tǒng)的自動(dòng)化控制；二是對(duì)于硬件配置有困難的學(xué)校，可采用Linkboy、Wokwi等圖形化編程仿真平臺(tái)，支持程序仿真運(yùn)行、實(shí)時(shí)查看運(yùn)行效果；還有Cisco Packet Tracer、Boson NetSim 等網(wǎng)絡(luò)模擬器，提供交互式的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，支持故障排除和調(diào)試等，幫助學(xué)生深入理解抽象復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)概念和技術(shù)。

與其他學(xué)科不同，信息技術(shù)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)一般是針對(duì)數(shù)據(jù)和信息，結(jié)合跨學(xué)科主題項(xiàng)目式的探究，如“樓道感應(yīng)燈系統(tǒng)”“自動(dòng)澆花系統(tǒng)”“小型紅綠燈系統(tǒng)”等。在功能設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，“自動(dòng)澆花系統(tǒng)”要根據(jù)植物的生長(zhǎng)需求和土壤濕度來設(shè)計(jì)澆水頻率和澆水量，需要了解植物生長(zhǎng)知識(shí)和土壤濕度的測(cè)量方法；“樓道感應(yīng)燈”通過感應(yīng)人體的移動(dòng)來自動(dòng)開關(guān)燈，需要理解光學(xué)原理和人體感應(yīng)技術(shù)；“小型紅綠燈系統(tǒng)”則需要模擬真實(shí)的交通環(huán)境，實(shí)現(xiàn)紅綠燈的定時(shí)切換。在硬件搭建環(huán)節(jié)，Arduino主板、傳感器、繼電器等裝置的使用，需要結(jié)合物理知識(shí)來理解其工作機(jī)制。例如，傳感器的工作原理涉及到電路的基本知識(shí)和信號(hào)的轉(zhuǎn)換，繼電器的使用則需要理解電磁學(xué)的基本原理。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過假設(shè)、實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證等方法，不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，提高算法效率，從而優(yōu)化系統(tǒng)的性能。學(xué)生完整體驗(yàn)一個(gè)小型信息系統(tǒng)的開發(fā)流程，在遇到問題、解決問題的個(gè)性化探究中，對(duì)“信息系統(tǒng)的工作流程”“自主可控”“抽象建?！钡雀拍罾斫飧由钊?，有效地建構(gòu)自己的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。

4.通信技術(shù)是信息系統(tǒng)運(yùn)行的保障

網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是信息系統(tǒng)與外部世界連接的重要橋梁，是實(shí)現(xiàn)資源共享和信息交換的重要基礎(chǔ)。對(duì)于這個(gè)概念的理解要求，對(duì)應(yīng)新課標(biāo)內(nèi)容是“通過分析物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例，知道信息系統(tǒng)與外部世界的連接方式，了解常見的傳感與控制機(jī)制”。

近幾年人工智能物聯(lián)網(wǎng)AIoT（人工智能AI+物聯(lián)網(wǎng)IoT）正在應(yīng)用到生活方方面面。實(shí)現(xiàn)真正意義上的萬物互聯(lián)，不僅僅是設(shè)備和場(chǎng)景間的互聯(lián)互通，而是物—物、人—物、人—物—服務(wù)之間的連接和數(shù)據(jù)的互通，連接的物理設(shè)備多樣化，對(duì)應(yīng)的通信連接方式也更加多樣。教師可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)生活中常見的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)是如何傳輸?shù)?，采用了哪種無線通信技術(shù)等（表1和表2）。

通過分析數(shù)據(jù)在其中的處理流程，學(xué)生直觀理解網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在其中的支撐作用。

大概念統(tǒng)領(lǐng)下的項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)策略

對(duì)于大概念統(tǒng)領(lǐng)下的項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)來說，概念的邏輯內(nèi)涵是暗線，活動(dòng)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)銜接是明線，如圖1所示。

圖1? 大概念統(tǒng)領(lǐng)下的項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)路徑

1.明晰大概念，設(shè)計(jì)項(xiàng)目情境

教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，運(yùn)用的是與學(xué)生探究過程相反的逆向思維，是在學(xué)生明晰了大概念內(nèi)涵、厘清了概念體系的基礎(chǔ)上，再找出概念體系與真實(shí)世界的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，將抽象性高的概念融入到學(xué)生感興趣的生活問題中，提煉出典型的項(xiàng)目情境，引導(dǎo)學(xué)生深入探究。教師可以通過生活中觸手可及的智能系統(tǒng)，多角度創(chuàng)設(shè)問題情境（表3）。

從生活中提煉典型的項(xiàng)目情境，教師需要注意以下三點(diǎn)：一是情境問題要精準(zhǔn)指向大概念的內(nèi)涵本質(zhì)，涵蓋大概念下的核心概念，核心概念為項(xiàng)目探究提供相關(guān)性的焦點(diǎn)。二是包含真實(shí)問題的項(xiàng)目情境，具備開放度和挑戰(zhàn)性，而不僅僅是對(duì)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)、某個(gè)概念的簡(jiǎn)單呈現(xiàn)和回答。學(xué)生必須運(yùn)用高階思維，展開綜合性的學(xué)習(xí)與探究。三是問題情境沒有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的答案，允許差異化，但評(píng)價(jià)必須有參考標(biāo)準(zhǔn)，參考標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)核心素養(yǎng)目標(biāo)。

2.解構(gòu)大概念，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)問題鏈

卡爾·波普爾（Karl Popper）認(rèn)為：“知識(shí)的增長(zhǎng)永遠(yuǎn)始于問題，終于問題——越來越深化的問題，越來越能啟發(fā)大量新問題的問題?！盵3]驅(qū)動(dòng)問題鏈的設(shè)計(jì)，是將概念理解融入探究活動(dòng)的落腳點(diǎn)，能夠幫助學(xué)生逐步接近、理解大概念。可以說，解決驅(qū)動(dòng)問題鏈的過程就是建構(gòu)大概念的過程。

來自真實(shí)生活的項(xiàng)目情境，具有一定的現(xiàn)實(shí)繁復(fù)性，容易使大概念的學(xué)習(xí)變得模糊。在實(shí)際教學(xué)中，設(shè)計(jì)的系列活動(dòng)往往沒有產(chǎn)生連續(xù)的、生成性的學(xué)習(xí)效果，究其原因，是缺乏結(jié)構(gòu)化的驅(qū)動(dòng)問題鏈作為錨點(diǎn)，沒有關(guān)注和引導(dǎo)學(xué)生的思維進(jìn)程。那么，驅(qū)動(dòng)問題鏈如何設(shè)計(jì)？

其基本思路如下：第一，分析核心概念與項(xiàng)目情境的內(nèi)涵關(guān)聯(lián)，選取關(guān)鍵點(diǎn)；第二，根據(jù)學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，梳理大概念理解的進(jìn)階層級(jí)；第三，明晰學(xué)生所處的層級(jí)與學(xué)習(xí)目標(biāo)，調(diào)整大概念的解構(gòu)程度和驅(qū)動(dòng)性問題的大小及形態(tài)。

同時(shí)注意問題設(shè)計(jì)的非良構(gòu)程度，真正起作用的驅(qū)動(dòng)問題會(huì)引發(fā)學(xué)生思維困惑，引出有趣的、可選擇的其他觀點(diǎn)。我們要聚焦于尋求問題答案的探究、推理過程，而不是簡(jiǎn)單的“是與非”或“對(duì)與錯(cuò)”的結(jié)果呈現(xiàn)；避免過度精細(xì)化的問題設(shè)計(jì)，而把學(xué)生的思維發(fā)展限制在同一維度，束縛個(gè)性化探究。

3.外顯大概念，組織項(xiàng)目活動(dòng)

圍繞知識(shí)關(guān)鍵點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)問題，教師設(shè)計(jì)和組織相應(yīng)的項(xiàng)目活動(dòng)，讓學(xué)生主動(dòng)探究，從而建構(gòu)自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)[4]。探究過程的關(guān)鍵點(diǎn)，往往實(shí)踐難度較大、步驟較多，教師可以根據(jù)學(xué)生不同的認(rèn)知基礎(chǔ)和課時(shí)情況，搭建學(xué)習(xí)支架，為學(xué)生提供必要的經(jīng)驗(yàn)、工具、知識(shí)等來輔助達(dá)到探究目標(biāo)，有效保證項(xiàng)目實(shí)踐的完整度。

比如信息系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)節(jié)，一般流程與步驟比較復(fù)雜，教師可采用的支架方法有：可提供算法框架或者半成品的代碼段，算法設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)留給學(xué)生思考；借助各類學(xué)習(xí)平臺(tái)，提供微視頻、學(xué)案等學(xué)習(xí)資源，讓學(xué)生根據(jù)需要自主選擇；建立小組，呈現(xiàn)各小組活動(dòng)進(jìn)度、任務(wù)完成情況統(tǒng)計(jì)等，并及時(shí)反饋。這些方法對(duì)于學(xué)生的探究活動(dòng)，都會(huì)起到腳手架的支撐作用。

4.表征大概念，實(shí)施多元化評(píng)價(jià)

根據(jù)澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)克里斯提那·查莫斯團(tuán)隊(duì)的研究成果，基于大概念的STEM綜合課程單元設(shè)計(jì)中，評(píng)估系統(tǒng)包含收集、展示、呈現(xiàn)、論證四種評(píng)估工具[5]。我們?cè)趯?shí)踐中概括出大概念統(tǒng)領(lǐng)下的項(xiàng)目式教學(xué)評(píng)價(jià)的大致流程：收集學(xué)生在項(xiàng)目探究過程中的作品；給學(xué)生提供展示交流的機(jī)會(huì)；利用課堂行為觀察量表、小組完成進(jìn)度統(tǒng)計(jì)表等工具對(duì)學(xué)習(xí)活動(dòng)過程的理解程度進(jìn)行外顯；用訪談、測(cè)評(píng)等方法確證學(xué)生對(duì)大概念的理解程度。在教學(xué)中，教師可以根據(jù)大概念的解構(gòu)程度和實(shí)際學(xué)情，對(duì)評(píng)價(jià)流程進(jìn)行調(diào)整。

最后對(duì)于概念理解程度的測(cè)評(píng)，教師可以按照“知道什么”“理解什么”“能做什么”與“想做什么”四個(gè)維度，設(shè)計(jì)概念理解程度的評(píng)價(jià)框架及細(xì)則，比如對(duì)函數(shù)概念的評(píng)價(jià)框架（表4）。

表4? 函數(shù)概念的評(píng)價(jià)量規(guī)表框架

評(píng)價(jià)維度 評(píng)價(jià)內(nèi)容 自評(píng) 他評(píng)

知道什么 能否用自己的話對(duì)函數(shù)的作用進(jìn)行解釋、表達(dá)

理解什么 能否根據(jù)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行推論、并解釋函數(shù)適用的情況

能做什么 能否舉一反三，自行設(shè)計(jì)新的函數(shù)

能否綜合幾方面的相關(guān)知識(shí)，用函數(shù)優(yōu)化本項(xiàng)目中的復(fù)雜問題

想做什么 能否發(fā)現(xiàn)實(shí)際生活中的函數(shù)適用情況，并解決問題

結(jié)? 語

對(duì)大概念的理解是一個(gè)循序漸進(jìn)、不斷拓展和提升的進(jìn)階過程。圍繞大概念開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，并不是按照傳統(tǒng)的知識(shí)點(diǎn)在知識(shí)體系中的順序展開，也不是掌握了相關(guān)知識(shí)點(diǎn)和技能后，再去解決問題，而是以綜合問題的解決過程為線索，驅(qū)動(dòng)重要知識(shí)的生成，將靜態(tài)的概念內(nèi)涵轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生經(jīng)歷項(xiàng)目的學(xué)習(xí)過程、體悟過程、實(shí)踐過程和價(jià)值判斷的過程，促進(jìn)概念理解的進(jìn)階，形成知識(shí)結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

任友群，黃榮懷. 普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）解讀[M]. 北京：高等教育出版社，2020：35.

格蘭特·威金斯，杰伊·麥克泰格. 追求理解的教學(xué)設(shè)計(jì)[M]. 閆寒冰，宋雪蓮，賴平，譯. 2版. 上海：華東師范大學(xué)出版社，2017： 77.

波普爾. 猜想與反駁：科學(xué)知識(shí)的增長(zhǎng)[M]. 傅季重，譯. 上海：上海譯文出版社，2001：318.

李剛，呂立杰. 大概念課程設(shè)計(jì)：指向?qū)W科核心素養(yǎng)落實(shí)的課程架構(gòu)[J]. 教育發(fā)展研究，2018，38（15）： 35-42.

Chalmers C，Nason R.Systems Thinking Approach to Robotics Curriculum in Schools[M].In Khine M S.Robotics in STEM Education：Redesigning the Learning Experience.Cham，Switzerland：Springer，2017：33-57.