信息科學課程化的實踐研究 *
——以“模型與模擬”單元課程為例

李 赫，董玉琦

(1.長春工業大學 信息傳播工程學院，吉林 長春 130012；2.上海師范大學 教育技術系，上海 200234)

信息科學課程化的實踐研究*
——以“模型與模擬”單元課程為例

李 赫1，董玉琦2

(1.長春工業大學 信息傳播工程學院，吉林 長春 130012；2.上海師范大學 教育技術系，上海 200234)

信息科學的興起，豐富了科學發展的圖景，并且正在成為信息社會中的一門中心科學，成為人類社會進步的關鍵，加緊基礎教育階段信息科學課程化的研究必要且緊迫。信息科學課程化，首先就要建立課程研究“科學化”的概念，即要用科學的思路來設計和開發信息科學課程，在結構上、問題域上、術語學上尋求信息科學知識與中小學信息教育課程的銜接與一致。該文以“模型與模擬”單元課程為例，從單元課程選題、單元課程開發、單元課程教學實驗等方面對信息科學課程化的實踐研究進行匯報，得出以下結論：通過創設情境，使學生親身經歷信息科學過程，在真正掌握信息科學知識、信息科學方法的同時，理解信息科學的本質與價值，提升了信息科學素養；通過實踐研究獲得反饋信息，對信息科學課程方案進行修改和完善，以確保內容上的可行性、方法上的科學性，為信息科學課程的推廣和使用奠定堅實的基礎。

信息科學課程；模型與模擬；課程開發；教學實驗

信息科學的興起，豐富了科學發展的圖景，并且正在成為信息社會中的一門中心科學，成為人類社會進步的關鍵。我國當前中小學教育課程難以適應新的需求，尤其體現為信息科學的教育內容未能有效地融入到基礎教育課程中去。著眼于信息時代發展潮流，設計開發有關信息科學的教育內容及其資源顯得十分必要。從信息科學到信息科學學科課程，即信息科學課程化，實際上包含兩個知識轉化過程：一是科學知識向學科課程知識的轉化，二是學科課程知識向學生知識的轉化。而信息科學課程化，首先就要建立課程研究“科學化”的概念，即要用科學的思路來設計和開發信息科學課程，在結構上、問題域上、術語學上尋求信息科學知識與中小學信息教育課程的銜接與一致。

信息科學課程化研究，包含理論研究和實踐研究，實踐研究是信息科學課程化研究的關鍵階段。通過實踐研究，要讓信息科學課程價值、課程目標、課程內容等理論研究成果接受實際檢驗，以確保信息科學課程化在內容上的可行性、方法上的科學性。本文以“模型與模擬”單元課程為例，對信息科學課程化的實踐研究進行闡述。

一、“模型與模擬”單元課程選題

首先，從學科角度出發，課程內容應反映信息科學學科的基本特征和發展趨勢，要能體現最基本的信息科學概念和原理。在信息科學的學科邏輯體系中，模型化和模擬是信息認知原理的重要組成部分[1]。

其次，模型與模擬作為信息科學課程的學習內容，在一些國家的中小學信息科學教育課程中占有重要位置。如俄羅斯教育部于2000年制訂的“信息學的結構與內容”[2]中，“信息模擬的基礎”作為理論信息學的重要內容被明確列出，具體包含信息模型、模型設計、計算機模擬、模型化方法等內容。日本文部省于2008年12月頒布了新的學習指導要領[3]，根據該指導要領制定的“日本高中信息科學科目內容構成”[4]中，包含“模型化和模擬：理解模型化和模擬的思想和方法，并能夠根據此解決實際問題”的內容。英國早在1995頒布的國家信息技術課程標準[5]中，就規定了模型和模擬的相關內容。如在小學階段，要求學生使用建模工具控制計算機屏幕上小龜圖像的移動。在高中階段，要求學生利用計算機模擬探索某些事物之間關系，形成一些簡單的假說并進行測試。2000年英國頒布實施國家信息與通信技術課程標準[6]，其基本理念是培養學生的信息技術能力。該信息技術能力被界定為“有效地分析、處理與呈現信息和模擬、檢測與控制事件的能力”[7]。

此外，就信息科學教育而言，模型和模擬有其自身的價值。模型和模擬不僅包含重要的信息科學概念、原理，還能夠充分體現信息科學的思想和方法。信息方法作為信息科學方法論體系的核心，已經成為一種具有普遍方法論意義的科學方法。信息方法是指通過分析事物所包含的信息過程來揭示它的工作機制，通過建立適當的信息模型和合理的技術手段來模擬或實現高級事物的復雜行為[8]。模型與模擬要求從信息的觀點出發考察事物，通過對原型的抽象，也就是對問題的建模，來模擬系統的工作機制和復雜行為，達到認識并加以控制。可以說，模型與模擬正是信息方法的具體運用。

筆者分別開發出適合初中階段學習和高中階段學習的兩個單元“模型與模擬”課程版本。初中階段主要是通過可視化編程語言Scratch的學習，使學生初步形成建模的思想。高中階段主要是通過信息建模的方法對事物的信息過程進行分析，通過計算機軟件如Excel、“Z+Z超級畫板”[9]對動態模型和概率模型進行模擬，達到對事物行為的控制和事物發展的預測。本文詳細介紹高中階段“模型與模擬”單元課程開發和教學實驗的詳細情況。

二、“模型與模擬”單元課程開發

如何對模型與模擬進行單元課程開發？筆者提出信息科學課程開發模式[10]，在信息科學課程的實踐研究中，作為課程開發過程中遵循的基本程序和方法，如圖1所示。

圖1 信息科學課程開發模式

該信息科學課程開發模式特指適用于單元層次的信息科學課程開發，包含前端分析、目標設定、活動和資源開發、課程教學、課程評價等環節。筆者運用該模式成功開發出“模型與模擬”單元課程資源，如教材、教學設計、學生實驗、教師講義等。篇幅所限，重點舉例如下：

(一)“模型與模擬”單元教學設計

表1 “模型與模擬”單元教學設計

(二)“模型與模擬”單元學生實驗

為使學生理解和掌握“模型與模擬”單元課程所蘊含的信息科學原理和信息科學方法，特此開發出“模型與模擬”單元的學生實驗。

其中，“實驗一、對動態模型求解的計算機模擬實驗”主要是采用設計性實驗，學生對昆蟲繁殖的問題建立模型，通過計算機進行模擬求解。在實驗一中，從建立模型到計算機模擬求解，學生要經歷問題分析、模型假設、模型構成、模型求解、模型檢驗、模型應用六個關鍵步驟。

“實驗二、對概率模型求解的計算機模擬實驗”，實驗內容是對圓周率π值的求解。實驗二分別采用設計性實驗和驗證性實驗兩種實驗途徑。設計性實驗主要是通過產生隨機數對圓周率π值進行模擬，其實驗步驟與實驗一相同。驗證性實驗環節，借助“Z+Z超級畫板”工具及其資源“投豆實驗”。投豆實驗與歷史上著名的蒲豐投針實驗相似，將π值的求解問題同一定的概率模型相聯系，通過統計獲得π值的近似解。向學生介紹蒲豐投針實驗的史實，使學生通過投豆實驗模仿科學家的科學發現過程，體驗科學探索的樂趣。驗證性實驗中，學生要經歷構造概率模型、從已知概率分布抽樣、建立π值估計量三個關鍵步驟。

三、“模型與模擬”單元教學實驗

信息科學課程教學的實施，是信息科學理論課程走向實踐課程的關鍵。通過教學實驗，使信息科學學科知識轉化為學生知識，并對課程方案的可行性進行檢驗。

(一)教學實驗過程

“模型與模擬”單元教學實驗對象為長春一汽三中高一46名學生。由筆者擔任授課教師，由長春工業大學信息傳播工程學院的5名學生協助教學準備及視頻、圖片數據的采集。此外，還有該校信息技術教研組3位教師教學觀摩。

“模型與模擬”單元教學實驗總計6課時，分三次課進行。“模型與模擬”單元教學實驗之前，除上述課程資源之外，還進行了充分的教學準備，包括科學模擬實驗視頻、學生機“Z+Z超級畫板”安裝、投豆實驗課件、擲骰子實驗課件、儲水式水箱工作原理課件、教學實驗前測問卷、教學實驗后測問卷等。

(二)前測問卷、后測問卷設計

對“模型與模擬”單元教學實驗結果，主要是通過前測問卷和后測問卷的分析以及課堂觀察記錄等獲得。為得到教學實驗效果的準確信息，對“模型與模擬”前測問卷、后測問卷中的相關題目進行了統一設計，如表2所示。

表2 “模型與模擬”單元前后測問卷設計

(三)教學實驗結果與分析

1.學生對“模型與模擬”單元概念、原理的掌握程度

通過前測問卷和后測問卷的統計分析，獲得教學前后學生對“模型與模擬”單元重要概念、原理的掌握程度，如下頁表3所示。

表3 教學前后”模型與模擬”單元概念、原理的掌握程度

統計結果顯示，學生對模型與模擬概念、原理的了解程度從教學前均值1.26上升至教學后均值2.64，有顯著提升。說明“模型與模擬”單元課程的學習能夠幫助學生掌握模型與模擬重要概念和原理。

2.學生運用模型與模擬的相關技能

通過前測問卷和后測問卷的統計分析，獲得教學前后學生運用模型與模擬相關技能的情況，如表4所示。

表4 教學前后學生運用模型與模擬的相關技能水平

統計結果顯示，學生運用模型與模擬相關技能水平從教學前均值2.05上升到教學后均值3.43，有顯著提升。說明“模型與模擬”單元課程的學習能夠促進學生運用模型與模擬相關技能水平的提高。

3.學生對模型與模擬核心概念、原理的一般應用技能

前測問卷和后測問卷均考查了反饋原理、模型分類、蒙特卡羅法三項內容，以獲得學生對模型與模擬核心概念、原理的一般應用情況，統計結果如圖2所示。

圖2 學生對模型與模擬核心概念、原理的一般應用情況

統計結果顯示，教學后反饋原理的正答率為84.8%，模型分類的正答率為82.6%，蒙特卡羅法的正答率為91.3%。而教學前三項內容的正答率都不足20%。說明“模型與模擬”單元課程的學習能夠幫助學生提高對模型與模擬核心概念、原理的一般應用。

4.學生運用模型與模擬進行問題解決：基數比例動態模型

后測問卷中設置了基數比例動態模型的問題解決，要求學生對中國網民數量增長情況進行建模型并模擬求解，學生表現如圖3所示。

圖3 學生對基數比例動態模型的問題解決情況

統計結果顯示，有33名學生完成對該問題的分析、建模和求解，占樣本總數的71.7%，說明學生運用模型與模擬進行基數比例動態模型的問題解決普遍獲得成功。

5.學生運用模型與模擬進行問題解決：系統反饋動態模型

后測問卷中設置了系統反饋動態模型的問題解決，要求學生對空調溫度調節的系統反饋機制進行建模并模擬求解，學生表現如圖4所示。

圖4 學生對系統反饋動態模型的問題解決情況

統計結果顯示，有36名學生完成對該問題的分析、建模和求解，占樣本總數的78.3%，說明學生運用模型與模擬進行系統反饋動態模型的問題解決普遍獲得成功。

6.學生對學習活動的自我評價

后測問卷中設置了學生對課程學習的自我評價項目，以獲得學生對“模型與模擬”單元課程內容的認知情緒，統計結果如圖5所示。

圖5 學生對“模型與模擬”單元學習的自我評價

統計結果顯示，有40名學生認為“對我很有啟發，學到很多東西”，占樣本總數的87.0%，說明“模型與模擬”單元課程能夠引發學生的興趣和求知欲望，滿足學生的學習需要。

7.學生對課程內容的評價

后測問卷中設置了學生對課程內容的評價項目，以獲得學生對“模型與模擬”單元課程內容的認知反應，統計結果如圖6所示。

圖6 學生對“模型與模擬”單元課程內容的評價

統計結果顯示，有32名學生認為“內容不算難，但需要反復思考才能消化理解”，占樣本總數的69.6%；認為內容簡單和偏難的學生各有9名和5名，符合正態分布。說明“模型與模擬”單元課程內容選取適當，能夠促進學生思維和認知的發展。

8.學生對教師教學水平的評價

后測問卷中設置了學生對教師教學水平的評價項目，統計結果如圖7所示。

圖7 學生對教師教學水平的評價

統計結果顯示，有41名學生評價“講解清晰，我聽得很明白”，占樣本總數的89.1%。筆者本人擔任授課教師，出于對信息科學課程研究的投入，在授課內容的把握上具有一定的優勢。課后與本次教學觀摩的3位高中信息技術教師座談，他們表示對“模型與模擬”單元課程的教學缺少勝任的信心，需要前期培訓和深入學習才有可能。

四、結束語

以“模型與模擬”單元課程開展的信息科學課程實踐研究取得了較好的效果，通過創設情境，使學生親身經歷信息科學過程，在真正掌握信息科學知識、信息科學方法的同時，理解信息科學的本質與價值，提升了信息科學素養。同時，通過實踐研究獲得反饋信息，對信息科學課程化方案進行修改和完善，為信息科學課程的推廣和使用奠定了堅實的基礎。

[1]李赫,董玉琦.信息科學課程內容的構建[J].中國電化教育,2012,(9):7-10.

[2]董玉琦,解月光主編.研究資料匯編(七)——俄羅斯信息學教育[M].長春:東北師范大學信息技術教育研究所,2001.12.

[3]文部省.新學習指導要領[DB/OL].http://www.mext.go.jp/a_menu/shotou/new-cs/news/080216/002.pdf,2014-03-06.

[4]日本文部科學省.高等學校學習指導要領解説[M].東京:東山書房,2010.3.

[5]Information Technology Teacher’s guide[DB/OL].http://www.standards.dfes.gov.uk/pdf/primaryschemes/itx_primary_guide.pdf,2014-03-06.

[6]National Curriculum Information & Communication Technology(ICT).All The Schools for schools in South West UK[DB/OL].http:/ /www.alltheschools.com/ curriculum,2014-02-26.

[7]The use of ict in subject teaching expected outcomes for teachers in england，northern ireland & wales[DB/OL].http://www.englishschoolsfoundation.edu.hk/ITinset/TTA/TOUT.HTM,2014-03-06.

[8]蔡筱英,金新政,陳氫.信息方法概論[M].北京:科學出版社,2004.8.

[9]“Z+Z超級畫板”是由“Z+Z項目組”研發的適合中國基礎數學教育的智能平臺，1996年由中科院張景中院士主持開發[DB/OL].http://121.8.98.104/,2014-03-06.

[10]李赫.信息科學課程化研究[D].長春:東北師范大學,2012.

李赫：副教授，博士，研究方向為信息技術教育(lihe@mail.ccut.edu.cn)。

董玉琦：教授，博士生導師，研究方向為信息技術教育(dongyq@nenu.edu.cn)。

2014年5月14日

責任編輯：李馨 趙云建

Practice Research of Information Science Curriculumlization——“Modeling and Simulation” Unit Curriculum as an Example

Li He1, Dong Yuqi2
(1.Institute of Information Spreading Engineering, Changchun University of Technology, Changchun Jilin 130012;2.Department of Educational Technology, Shanghai Normal University, Shanghai 200234)

The rise of Information Science enriches the picture of science development. Information Science is becoming a center science in information society and the key progress for human society. It is necessary and urgent for the study on Information Science Curriculumlization in basic education. First of all, it needs to establish the concept of “scienti fi c” for curriculum study, that is to say,use scienti fi c ideas to design and develop the Information Science curriculum, and seek the consistency with primary and secondary education programs in structure, the problem domain and terminology. This paper, taking “Modeling and Simulation” unit curriculum as an example, reports the practice research of Information Science curriculumlizationin from the aspect of unit curriculum topics,unit curriculum development, and unit curriculum teaching experiment. The following conclusions: By creating situations, it makes students to experience Information Science process, acquire knowledge and method of Information Scienti fi c, comprehend the nature and value of Information Science, and enhance the literacy of Information Science; through practice research, it gets feedback, which helps to modify and improve the program of Information Science curriculum in order to ensure the feasibility of the content and the scienti fi city of the method, and it will lay a solid foundation for the promotion and use of Information Science curriculum.

Information Science Curriculum; Modeling and Simulation; Curriculum Development; Instruction Experiment

G434

A

1006—9860(2014)08—0043—05

* 本文系國家社會科學基金“十一五”規劃(教育學科)課題“信息科學課程化研究”(課題編號：CCA090127)階段性成果。