基于核心大概念培養學生計算思維的教學設計

張楊

● 核心大概念能培養學生計算思維，促進學生深度學習

1.核心大概念指向學科本質，揭示原理、思想和方法

核心大概念是一個學科最重要、最基礎的理論知識，指向學科本質，揭示原理、思想和方法，能夠改變學生的思維方式，而科學層面的東西是最本質的，最終是要教給學生的。信息科技學科的核心大概念，包括數據、算法、信息系統、信息社會、網絡、信息處理、信息安全、人工智能等，蘊涵著計算機執行命令解決問題的一系列思想方法。

2.計算思維的定義

周以真教授提出，計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動，學生通過對核心概念的理解掌握培養計算思維。但在目前的教材中，應用軟件的教學大多是說明書式的教學，對學生的意識、思想沒有觸及，所以，教師應讓學生明白，不能只追求技術的應用，滿足于技術帶來的實用的功能，而要追問技術背后的道理，探究技術背后的原理和規律。

3.計算思維是人的思維，存在于每個人的生活之中

計算思維是人的思維，它不只屬于計算機科學家，也是每個人的基本技能，如出門前需要把當天的東西放進背包，這就是預置和緩存思想;當弄丟手機時，沿走過的路尋找，這就是回推。計算思維是人類解決問題的一條途徑。

4.核心大概念構成學科體系能促進學生的深度學習

劉月霞在《深度學習：基于核心素養的教學改進》一文中指出，“深度學習”深在讓學生對學科核心知識有深度的理解和加工。所謂對學科核心知識的深度理解和加工主要體現在以下三個方面的動態過程：一是從單一知識點到結構性知識;二是從細枝末節的知識到學科核心內容、大概念;三是從淺表性知識到學科獨特思想方法、學科本質。信息科技學科通過核心大概念構建學科知識體系，使課程內容結構化、零散的內容系統化，幫助學生構建知識間有意義的連接，掌握計算機科學的思想和方法，培養計算思維，促進深度學習，從而轉變學生的思維，影響學生的行為，改變學生的生活方式。

5.課堂觀察記錄呈現出思維深度層級逐漸加深的趨勢

美國教育評價專家韋伯提出了“知識深度”理論，這個理論主要指向教學活動和任務設計，強調需要設計的內容是學習的深度、學習過程的復雜程度，這正是在課堂上落實核心素養所需要的。如上頁表1所示，知識深度理論將學生的認識水平分成四個等級，設計者可以根據不同等級的思維要求，設計與教學目標相匹配的活動和任務，也可以用這個工具評估自己所設計的活動是否處在較高的思維層級，是否具有一定的綜合性和挑戰性，是否能推動學生深度學習，促進核心素養落實。

● 基于核心大概念的教學設計

機器學習是人工智能模塊中很重要的一個概念，筆者根據上頁表1的框架，設計了小學《機器學習》一課的課堂教學觀察表（如表2），研究這節課學生思維層級的變化，評估深度學習的程度。通過課堂觀察，把本節課的活動任務記錄下來，分析出目的，以及思維水平、認知水平、深度層級，發現本課思維深度從平常思維到批判性思維，從一級到四級，逐層深入，既符合學生的認知發展規律，又實現了深度學習，落實了核心素養。

1.教學內容設計

核心大概念指向計算機科學本質、思想、原理、方法，根據中小學生的認知能力和特點，需要對核心大概念進行分解，并設計好高初小的銜接，科學地螺旋上升。每節課的課題宜小，內容宜少、精、深，但要指向本質，既要符合學生認知發展規律，又要對核心大概念科學分解，找到各學段的育人價值。

2.教學目標和重難點的設計

教育的目的是改變思想，改變思維方式，核心大概念指向思想方法，因此信息科技學科的教學目標可設計為四維目標，包括思想方法目標、概念原理目標、實踐應用目標和德育目標。在本課中，思想方法目標為理解機器學習是對人類認知學習過程的模擬;原理目標是掌握機器學習的過程、概念、原理以及計算機實現過程;實踐目標是小組合作完成人工智能創意作品;德育目標是基于原理進行德育滲透，使學生辯證地看待人工智能的利弊，自覺保護數據安全，承擔信息社會責任。

核心大概念比較難理解，因此首先要理清知識之間的脈絡關系，知識的邏輯性決定了教學過程的邏輯性，是一節課的關鍵。例如，在小學階段，學生需要了解提取特征和建立模型是基于數據和算法，數據通過算法提取特征、建立模型。具體的算法比較難實現，教學中可以將其作為黑盒子處理，而數據是本課需解決的難點，數據的精準對機器學習的效率影響很大，可以讓學生通過簡單的機器學習積木化程序來實現。同時，數據是導致人工智能不安全的主要因素，可以適時借助其對學生進行安全以及責任教育，實現其育人價值。

3.教學過程要循序漸進突破教學重難點

計算思維在生活中具有廣泛的應用，選取豐富、恰當、貼近生活的事例，可以加深學生的理解。本課選取了嬰兒認識世界、認識新老師、識字、人臉識別、醫學影像識別等實例，符合小學生的認知心理，材料準確、科學、典型，貼近社會和學生現實生活，有說服力，能加深學生的理解。

同時，設計的核心任務要設計出具有綜合性、挑戰性和現實性，這樣才能承載落實核心素養的教學目標。教學中要恰當設計實驗驗證、探究、游戲、玩、猜、試、計算機程序驗證等活動，激發學生持久思考、探究。只有經歷這樣的過程，學生才有可能逐漸形成解決問題的基本思路和方法。

此外，教師還應將突破重難點的探究任務分解成若干個容易處理的小任務，讓學生能夠一步步完成探究，找準學生“最近發展區”，提供必要的經驗或資料，促使其形成問題解決的良好的經驗結構。

4.針對難點適時進行道德教育

教師應思考學科獨特的育人價值，讓學生知道產生不安全因素的原因，以及如何避免，從而培養學生的信息安全意識和信息社會責任感。例如，可通過人工智能違法案例，讓學生知道生活中要注意保護人臉、指紋等生物特征，防止信息泄露，以免危及財產安全，認識到數據的重要性。同時，明確事物具有兩面性，人工智能既能給人們帶來智慧生活，也會產生很多問題，使學生在學習機器學習的過程和原理的基礎上，能夠深入理解產生不安全因素的原因，培養學生自覺保護自己和他人的信息安全意識。

5.評價

反饋性評價即過程性評價。教學中，為了隨時了解學生的思維，教師可通過提問、互動、討論、匯報展示等多種方式獲取學生學習信息，做出及時評價和反饋，監控教學得失，調整教學策略，提高教學有效性。創新作品評價是從知識的遷移應用出發，引導學生自選主題，發揮想象力。結果性評價主要對學習的具體概念進行再認知、分析、解釋、應用，了解學生習得情況。

● 結束語

基于核心大概念構建信息科技學科體系，著眼于學科的基本思想和方法，對學習對象的深度加工，有利于學生的學習內容結構化，幫助學生全面把握知識的內在聯系，探究技術背后的原理和規律，促進知識的實踐轉化和綜合應用，并創造性地解決問題，引導學生理解所學習的內容與過程，體會大概念的內在價值，進而形成積極的社會性情感、態度與責任感，在培養學生計算思維的同時，也培養了學生的信息意識、數字化學習與創新、信息安全與信息社會責任等核心素養，有效促進學生深度學習。目前，存在的最大問題是如何分解細化核心大概念、如何精準確定教到什么程度，這些都還需要繼續深入研究。