摘要：本文介紹了北京市十一學(xué)校（BNDS）的信息技術(shù)課程分層框架，其中涵蓋了新課標(biāo)中的必修、選擇性必修和選修等內(nèi)容，并分享了課程體系、示例和學(xué)生表現(xiàn)，希望能為各學(xué)校開發(fā)自己的信息技術(shù)課程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：計算機科學(xué)課程；分層課程框架；信息技術(shù)課程

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）14-0049-05

引言

我國教育部在2018年頒布了《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱“高中課標(biāo)”），在2022年又頒布了《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“義教課標(biāo)”），這兩個課標(biāo)在核心素養(yǎng)等方面為信息技術(shù)課程教學(xué)提供了前瞻性的指導(dǎo)，但我國大多數(shù)中學(xué)在實施課標(biāo)期望的課程框架方面還存在困難。在此之前，較少有系統(tǒng)且合適的信息技術(shù)課程的相關(guān)教學(xué)經(jīng)驗和材料[1]作為高中教師教學(xué)以及學(xué)生學(xué)習(xí)的參考，而配合新課標(biāo)出版的教材也未能適配各學(xué)校的實際情況。

目前在我國部分城市，不少走在教育改革前沿的中學(xué)非常重視信息技術(shù)的教育，有些學(xué)校已經(jīng)實踐了完整的課程框架。下面，簡要介紹筆者所在的北京市十一學(xué)校的分層和系統(tǒng)的信息技術(shù)課程以及教學(xué)經(jīng)驗。

分層的信息技術(shù)課程

自高中課標(biāo)和義教課標(biāo)頒布后，北京市十一學(xué)校（以下簡稱“學(xué)校”）對信息技術(shù)課程體系不斷進(jìn)行改進(jìn)和完善，將原本的信息技術(shù)課程分成了兩類，即通用技術(shù)課程和信息課程。

信息技術(shù)課程在學(xué)校開展的實際情況相對復(fù)雜，針對六年一貫制、非六年一貫制、國際部的學(xué)生分別設(shè)有不同的課程體系，本文主要介紹六年一貫制學(xué)生的分層課程體系，其中包括義教課標(biāo)和高中課標(biāo)要求的必修課程、選修必修課程和選修課程等。如圖1所示，每層的課程都是從義教課標(biāo)和高中課標(biāo)出發(fā)，結(jié)合學(xué)校學(xué)生實際情況融合而成的校本課程。必修課程類似于大學(xué)中的計算導(dǎo)論課程，其目標(biāo)是讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)特定編程語言（如Python）理解計算機和程序的基本原理。學(xué)生可以在短暫的學(xué)習(xí)后完成一些簡單的工作，進(jìn)而幫助他們解決生活中的實際問題。

第一層級為必修課程，對所有學(xué)生在初中階段開設(shè)。第二層級為選擇性必修課程，當(dāng)學(xué)生具備使用編程語言和處理簡單算法的基本能力后，可以根據(jù)個人興趣在高中階段選擇若干門選修課程，如機器人和人工智能等。第三層級是為對計算機科學(xué)專業(yè)特別感興趣的學(xué)生提供的選修課程，在這些課程中，學(xué)生可以學(xué)習(xí)更深入、更專業(yè)的信息技術(shù)知識，如信息學(xué)奧林匹克（OI）中的算法競賽、機器學(xué)習(xí)和數(shù)學(xué)建模等。

此外，一些有天賦的學(xué)生可以輕松完成常規(guī)高中課程甚至大學(xué)本科課程，常規(guī)課程很難滿足這些學(xué)生的需求。因此，除了義教課標(biāo)和高中課標(biāo)中的課程外，學(xué)校為他們提供了創(chuàng)新人才計劃，創(chuàng)新人才計劃中的學(xué)生可以在計算機專業(yè)人士的指導(dǎo)下進(jìn)行自己的研究。

必修課程

必修課程分為計算機科學(xué)和程序設(shè)計與應(yīng)用兩門課程，旨在讓學(xué)生通過特定編程語言解決各類問題，理解計算機和程序的基本原理。必修課程對8～9年級的學(xué)生開設(shè)，共兩個學(xué)期，每周課時為2×45分鐘。所有的任務(wù)都在課堂上完成，學(xué)生沒有家庭作業(yè)。

課程分為兩個學(xué)期，學(xué)生在第一學(xué)期學(xué)習(xí)Python的基本語法和邏輯，即基本算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括Python中的輸入輸出、分支和循環(huán)、枚舉等。同時，也會為感興趣的學(xué)生教授一些綜合算法，如遞歸等。除了課堂上的常規(guī)講授外，教師還使用了定制的在線評測（OJ）[2]

平臺。在該平臺上，教師為學(xué)生設(shè)計了數(shù)百道如A+B的問題（輸入a和b，然后打印a+b），供學(xué)生練習(xí)Python的基本邏輯和語法、算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)站可在很短時間內(nèi)判斷程序的有效性并給予學(xué)生反饋。根據(jù)教學(xué)實踐經(jīng)驗筆者發(fā)現(xiàn)，OJ平臺的評分和反饋機制可以有效地激發(fā)學(xué)生的編程興趣。同時，OJ平臺還可以幫助教師分析學(xué)生的表現(xiàn)，以改進(jìn)教學(xué)和學(xué)習(xí)過程。超過60%的學(xué)生可以在學(xué)期結(jié)束時應(yīng)用程序來解決新問題；約30%的學(xué)生可以解決學(xué)過的問題；只有少數(shù)學(xué)生需要反復(fù)練習(xí)同樣的問題來學(xué)習(xí)。通過一個學(xué)期的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以學(xué)會如何用Python編程，了解計算機的工作原理以及他們在信息社會中的責(zé)任。

在第二個學(xué)期，教師設(shè)計了一系列來源于日常生活的項目，通過簡化問題，突出學(xué)科概念，并在每個項目中整合算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的知識。例如，學(xué)生在8年級的語文課中閱讀了《三國演義》一書，因此，教師設(shè)置了“幫助學(xué)生統(tǒng)計該書中出現(xiàn)最頻繁的名字”的項目。為了完成項目，學(xué)生需要學(xué)習(xí)計算語言學(xué)中的基本概念，如分詞和詞頻統(tǒng)計，并最終使用文件操作和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來完成程序。超過60%的學(xué)生可以在教師的指導(dǎo)下完成任務(wù)，其中30%的學(xué)生可以進(jìn)一步改進(jìn)算法，并將這種方法應(yīng)用于分析其他書籍。第二學(xué)期的項目可以幫助學(xué)生復(fù)習(xí)第一學(xué)期的知識，而通過構(gòu)建自己的程序來解決現(xiàn)實問題，也可以幫助學(xué)生對知識產(chǎn)生更深層次的理解。

通過必修課程，學(xué)生可以在四個維度上強化核心素養(yǎng)，這有助于更好地理解數(shù)字世界，并將算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于解決簡單問題。

選擇性必修課程

為滿足不同學(xué)生的個性化需求，學(xué)校還設(shè)計并實施了多種基于學(xué)校的選擇性必修課程，這些課程融合了高中課標(biāo)中選擇性必修課程的一個或多個模塊的內(nèi)容。所有學(xué)生都可以在高中階段根據(jù)自身的興趣和精力進(jìn)行選擇。每門課程持續(xù)一個學(xué)期，每周課時為2×45分鐘，學(xué)生沒有家庭作業(yè)。

表1所示的選擇性必修課程方案包括人工智能與應(yīng)用、手機APP開發(fā)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)頁設(shè)計等課程。在每門課程中，學(xué)生在特定計算機科學(xué)領(lǐng)域完成一系列綜合項目。例如，在程序設(shè)計與博弈課程中，學(xué)生會編寫五子棋AI并進(jìn)行對戰(zhàn)。在手機APP開發(fā)課程中，學(xué)生設(shè)計手機APP以自動識別汽車和花朵。在人工智能與機器人課程中，學(xué)生訓(xùn)練機器人完成各種任務(wù)等。三名學(xué)生在人工智能技術(shù)課程中為學(xué)校的訪客設(shè)計了一個微信智能校園導(dǎo)航，該導(dǎo)航還應(yīng)用在2019年聯(lián)合國首屆國際人工智能與教育大會上。[3]

在選擇性必修課程中，學(xué)生通過編寫相對復(fù)雜的程序，并處理更為綜合的現(xiàn)實問題，進(jìn)一步發(fā)展核心素養(yǎng)。這些能力可以幫助學(xué)生在后續(xù)的學(xué)習(xí)中利用信息技術(shù)解決更為復(fù)雜的問題。

選修課程

所有年級的學(xué)生都可以根據(jù)自己的興趣和能力選擇選修課程。每門課程的持續(xù)時間和每周課時取決于每門課程的具體需求。課程主要由學(xué)生的興趣驅(qū)動，一些學(xué)生可能會花費多達(dá)數(shù)十個小時深入研究一個特定項目。選修課程的方案如表2所示，其中包括數(shù)學(xué)建模、地理信息系統(tǒng)等課程。

選修課程的難度都很高，內(nèi)容與大學(xué)的相應(yīng)課程相近。例如，在數(shù)學(xué)建模課程中，介紹了許多著名的偏微分方程（PDE）模型，如軍備競賽模型。學(xué)生將使用典型的PDE模型模擬現(xiàn)實問題，并最終用計算機解決它們。在信息學(xué)奧林匹克競賽課程中，學(xué)生可以學(xué)習(xí)復(fù)雜的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并參加相關(guān)競賽。

盡管每門選修課程都較有難度，且大多數(shù)選修課程的內(nèi)容與高考沒有直接關(guān)系，但學(xué)生的參與積極性都很高（課程的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)模是每學(xué)期12人，然而申請者常遠(yuǎn)超12人）。

創(chuàng)新人才計劃

一些有天賦的學(xué)生可以輕松完成常規(guī)的高中課程，甚至基礎(chǔ)的本科課程。同時，他們對一個或多個特定研究領(lǐng)域也有極大的興趣和天賦。為了滿足這些學(xué)生的期望，學(xué)校與中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會聯(lián)合建立了創(chuàng)新人才計劃，以支持這些有天賦的學(xué)生。該計劃得到了多所大學(xué)的支持，每年可以推薦40多名有天賦的學(xué)生進(jìn)入這些大學(xué)，在數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、計算機科學(xué)或工程科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行科研。經(jīng)過為期一年的培訓(xùn)，這些學(xué)生能夠掌握文獻(xiàn)搜索、科學(xué)調(diào)查和數(shù)據(jù)處理的基本方法。

例如，一名10年級的學(xué)生在北航教授的指導(dǎo)下提出了一種新的基于手機的圖像表面模型。與傳統(tǒng)的解決復(fù)雜照明和背景問題的模型相比，該模型基于歸一化方法，在發(fā)型和面部組合過程中具有更好的效果和計算效率。

課程迭代

高中課標(biāo)發(fā)布已有6年多的時間，而學(xué)校建立新的計算機科學(xué)課程體系也經(jīng)歷了6年的時間，在這6年的時間里，學(xué)校的教師一直在修訂框架和其中的課程。隨著課程改革的開展，學(xué)校更加關(guān)注提高學(xué)生用計算機解決實際問題的能力，即信息素養(yǎng)。

教師在必修課程中引入了更多跨學(xué)科和人文的項目。例如，教師設(shè)計了一個“小眾點評”的項目。在這個項目中，學(xué)生需要構(gòu)建一個程序?qū)λ麄兊呐笥堰M(jìn)行點評，這個項目既能讓學(xué)生了解計算機中的鍵值關(guān)系，也可以引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)如何在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑u論。

同時，教師還嘗試引入現(xiàn)實生活項目，更加重注以學(xué)生為中心展開課堂教學(xué)。例如，學(xué)生可以在文學(xué)課上構(gòu)建自己的背誦小助手，在數(shù)學(xué)課上使用Python模擬新冠疫情期間的冠狀病毒傳播規(guī)律。

在必修課程中，為了讓學(xué)生直觀感受數(shù)據(jù)與信息的關(guān)系，需要完成一個圖像融合的項目，即將兩張圖片合并為一張。隨著課程的推進(jìn)，很多學(xué)生非常有興致地把他們的證件照進(jìn)行了合并。在后續(xù)的課程中，該項目變?yōu)榱擞嬎銓W(xué)校的“平均臉”。學(xué)生首先使用網(wǎng)絡(luò)爬蟲或其他技術(shù)獲取校園網(wǎng)上的證件照，然后利用Python提取出其中的信息，計算出每個像素的平均值。后來教師逐漸發(fā)現(xiàn)平均臉可以幫助學(xué)校判斷學(xué)生在校園網(wǎng)上傳的證件照是否合規(guī)。迭代后的項目，綜合應(yīng)用了從數(shù)據(jù)獲取到處理再到分析展示的每個環(huán)節(jié)，既幫助學(xué)生學(xué)習(xí)到了知識，也幫助學(xué)校解決了實際問題，使師生感受了人工智能算法的樸素分類思想。

此外，一些選擇性必修和選修課程中學(xué)生不太感興趣的課程會被新的課程所取代，如一門搭建機器人的課程就調(diào)整為利用機器人進(jìn)行AI識別的課程。

最后，針對8年級和9年級的部分學(xué)生提出的上述課程內(nèi)容太簡單的問題，學(xué)校還在此基礎(chǔ)上提出了三年的AI課程框架（如圖2），部分課程材料已經(jīng)開源供參考。[4]

結(jié)論

本文介紹了學(xué)校的信息技術(shù)課程分層體系和教學(xué)經(jīng)驗。該體系涵蓋了義教課標(biāo)和高中課標(biāo)中的必修課程、選擇性必修課程和選擇性課程，以及基于學(xué)生情況的創(chuàng)新人才計劃。學(xué)生可以通過必修和選擇性必修課程發(fā)展計算思維和工程能力。實踐證明，通過學(xué)校和教師的個性化教育和指導(dǎo)，學(xué)生更加關(guān)注學(xué)習(xí)知識和提高計算機科學(xué)方面的核心素養(yǎng)，而不只面向考試，同時中學(xué)生有能力完成義教課標(biāo)和高中課標(biāo)中的課程內(nèi)容。希望通過介紹學(xué)校的教學(xué)框架和經(jīng)驗，能為其他學(xué)校開發(fā)自己的信息技術(shù)課程提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]D.SUN AND Y.LI.The development status，research hotspots and enlightenment of youth programming education in china and foreign countries： also discuss the implementation strategy of programming education for china in the age of intelligence[J].Journal of Distance Education，2019（03）：47-50.

[2]北京市十一學(xué)校.北京市十一學(xué)校在線評測平臺[EB/OL].https：//onlinejudge.bnds.cn.

[3]人民日報.北京市十一學(xué)校將人工智能納入教學(xué)全鏈條[N/OL].2019-05-24.[2019-05-24].http：//m.haiwainet.cn/middle/3543599/2019/0524/content_31562878_1.html.

[4]鄭子杰.北京市十一學(xué)校人工智能課程材料[EB/OL].https：//www.bilibili.com/video/BV12R4y1F7UQ？share_source=copy_web&vd_source=ca9ee67f2189c612bd2ca8755b7037a3.