重視技術原理 凸顯科學價值

張利波 羅婉慶

摘要：《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》從課程名稱、課程內涵到課程實施等都倡導由“技術”轉向“科技”。作為一種契合信息科技課程“科”“技”并重理念的教學方法，原理教學是信息科技課程內容結構化的體現，是信息科技課程價值轉向的引擎，也是學生體悟科學精神、培育科技倫理的途徑。信息科技原理教學可遵循場景分析、實踐操作、原理探索、應用遷移的路徑，并采用如下策略：依靠數字化體驗，經驗引申、明晰原理;運用數字化方式，仿真演示、理解原理;組織數字化交流，類比模擬、遷移原理。

關鍵詞：科學原理;信息科技;課程標準;數字化;數字素養

2022年4月21日，教育部頒布了《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“信息科技課程標準”），課程名稱從“技術”轉向“科技”。“技”保留了課程一貫的實踐風格，旨在讓學生通過學習解決現實世界的真實問題;“科”體現了信息科技暗含的科學原理與技術本質，凸顯課程核心價值。“科技”賦予信息科技學科新意義，需要重新定義信息科技課程框架和邏輯結構，并重新建構信息科技教學體系和教學方法。原理教學是契合信息科技課程“科”“技”并重理念的教學方法。

一、信息科技原理教學的背景

信息科技是現代科學技術領域的重要組成部分，主要研究以數字形式表達的信息及其應用中的科學原理、思維方法、處理過程和工程實現[1]。互聯網、大數據、人工智能等新技術的快速發展與廣泛應用，創生出一個全新的數字生存環境。它在改變人們行為方式的同時，也改變著人們的思維方式，并賦予信息科技課程新的內涵[2]。信息科技課程標準將“原理”的重要性提到了前所未有的高度，全文有三十多處提及“原理”，覆蓋了課程理念、學段目標、內容模塊、教學提示、學業要求、學業質量、教學建議和作業評價。倡導原理教學是信息科技課程發展的必然結果，主要原因如下：首先，信息科技屬于科學門類，具有獨特的科學原理、思維方法和學科邏輯。其次，信息科技課程內容具有科學性，形成數據、算法、網絡、信息處理、信息安全、人工智能六大邏輯主線[3]。再次，信息科技課程需要科學性，提倡“一英寸寬，一英里深”的科學教育方式，指導學生學會在數字時代學習與創新，培養適應未來社會的數字勝任力。最后，任何學習歸根結底都是探索，原理教學讓學生經歷如科學家一般的探索過程，從感知科學精神到實踐科學精神，體悟課程魅力，感受課程科學價值，逐步內化數字素養。

二、信息科技原理教學現象剖析

隨著課程標準的頒布，信息科技課程發展路徑更為明晰，即從“計算機課程”“信息技術課程”逐步確立為“信息科技課程”。誠如義務教育信息科技課程標準研制組組長熊璋教授所說，“其實，文字錄入、辦公軟件操作，乃至于編程，都不是信息科技素養教育的核心，與科學無關，而是在訓練信息技術熟悉程度”[4]。回顧以往的教學，我們往往忽略操作背后的科學邏輯，忽視原理內容的編排、植入、融合與滲透，具體表現如下。

（一）只關操作，無關原理

我們曾經的教學中充斥著軟件操作員的模式，教師一度以為通過某個菜單、某個按鈕教會學生完成指定內容，就完成了教學任務。這種模式的教學一般發生在“計算機課程”初期，年輕的教師教著同樣年輕的課程，只關心動手操作，不關心思考、觀察、表達，也不關心操作背后的原理，造成學生素質徘徊不前，教師能力徘徊不前，課程發展徘徊不前。

（二）只見操作，不見原理

當課程發展到“信息技術”階段，教師已經意識到教學內涵需要不斷擴充，除了動手操作，還需要動眼觀察、動腦思考、動口表達，需要同伴合作溝通、頭腦風暴，需要師生現場互動、思維碰撞，需要比較、歸納、分析、類比、遷移……有了這些觀念加持，教師發現操作變得綜合了，教學變得豐富了，課程變得厚重了。此時，我們已經明晰信息技術課程的內涵是以操作實踐來引發一系列高品質學習的過程。但限于能力，教師尚未對操作背后的原理、技術思想等引起足夠重視，造成教學火候不足。

（三）只懂操作，不懂原理

信息科技課程內容隨著科技的進步在動態發展、持續擴充。當前流行的大數據、人工智能背后更是蘊含了高深的技術原理。比如，人工智能涉及機器學習、深度學習、神經網絡等關鍵技術。這些專業又高深的原理，一般教師難以理解與消化，對學生而言，更是巨大的挑戰。原理的深度與教師自身認知的局限也會弱化信息科技的原理教學。

以上種種，缺失原理的教學猶如教師只看到“浮在海面上的冰山”，卻忽視了海面之下冰山的巨大體量與能量，造成教學資源、學科價值的嚴重流失;缺失原理的教學也讓師生看不到課程內在的機理與組織，難以抵達素養的彼岸。實際上，任何學科的基本原理都可以用某種形式教給任何學生。教師應與時俱進，順應數字時代的教育變革，迎接原理教學的契機，加深專業領域學習，肩負起育人的時代使命。

三、信息科技原理教學的含義及內涵

（一）信息科技原理教學的含義

原理是具有普遍意義的基本規律。信息科技不同于自然科學與社會科學，因此信息科技原理具有獨特性。結合《馬克思主義百科要覽》的技術原理闡釋，信息科技原理是指在信息科技實踐中，為實現應用目的，根據已有的科學原理和技術經驗，通過創造性思維和技術試驗所獲得的關于途徑、手段、方式和方法的理論規范。從學科教學的角度，信息科技原理一般簡化為信息科技背后的技術思想、設計和實現。信息科技教學中，教師要帶領學生挖掘出操作背后隱藏著的原理（見表1）。

原理教學結合信息科技實踐操作，挖掘操作背后的技術本質、思維方法與底層邏輯，可以加深學生對技術的理解，有助于他們掌握計算機科學領域的思想方法，形成學科特有的關鍵能力和思維方法。原理教學一般由師生從表層開始共同探索，層層解剖、逐級深入，從而透過現象看本質，透過表面看內核，在學生的認知范圍內直抵技術底層。

（二）信息科技原理教學的內涵解析

從課程體系看，原理教學是課程內容結構化的體現。原理是實踐操作的補充、深化或還原，是課程內容結構化不可或缺的組成部分。將原理融入教學，打通了信息科技學習的“最后一公里”，促進學生從表層實踐到技術內核的理解，有助于學生形成學習的邏輯閉環（如圖1）。

從學科發展看，原理教學是信息科技課程價值轉向的引擎。與傳統學科相比，信息科技學科的教學方法、教學模式一直處在摸索階段，尚未形成穩定經典的教學模式。再加上信息科技教學內容呈離散狀態，所以教師的教學顯得個性化和隨意化。而原理教學從本質上追求嚴謹的教學內容，也必將形成信息科技學科規范、科學、經典的教學方法。

從育人價值看，原理教學是學生體悟科學精神、培育科技倫理的途徑。原理學習的基本邏輯大致為：學習基本原理—深化對原理的認識與理解—用科學原理指導實踐應用。學生從信息科技實踐入手，慢慢去猜想和意會其中的原理，教師進一步指導學生認識原理、理解原理、實踐原理。在未來，原理學習會成為信息科技課程的重要標識和風向標，貫穿于信息科技學習周期中。通過原理教學，學生會逐漸建立起猜測聯想、感受體悟、探索求知的意識，形成批判性思維，培育科學精神與科技倫理，形成數字時代正確的價值觀。

四、信息科技原理教學的路徑與策略

原理是信息科技課程由“技術”轉向“科技”的關鍵支點。狹義的原理是技術呈現的底層邏輯;廣義的原理是技術開發過程中的邏輯與實現，包括過程實現的方法總結、實踐感悟等。原理教學的一般路徑為場景分析、實踐操作、原理探索和應用遷移，原理教學的策略可以分為經驗引申、仿真演示、類比模擬等（如圖2）。教師可充分利用信息科技學科得天獨厚的數字化優勢，通過數字化手段、數字化平臺、數字化虛擬空間等，讓學生充分進行展示、分享、交流、討論、評析等，直觀呈現原理，全面分析原理，深入理解原理，從而降低原理學習的難度，提升原理教學的有效性。

（一）依靠數字化體驗，經驗引申、明晰原理

美國教育家、體驗式學習大師大衛·科爾布曾說，“學習是通過轉化經驗來創造知識的過程”。由于信息科技原理比較抽象和高深，教師要使用深入淺出的方式指導學生由活動體驗引發經驗關聯，繼而轉向深入思考來理解原理，同時避免陷入狹隘且高深的專業細節[5]。許多生活經驗成為信息科技的經典內容，但生活經歷與課堂教學往往分布在不同的時空。這就需要教師借助數字化手段，如播放提前錄制的生活微視頻，將生活經歷“搬入”課堂教學之中，激活學生原有的認知經驗，減少他們對原理的疏離感。當然，原理學習的重點在于從樸素的生活原理轉向嚴謹的科學原理。

比如，“隊”是一種典型的數據結構，特點是先進先出。學生在生活中經常會排隊。在教學中，教師就引導學生先列舉日常生活中排隊的實例，如在食堂排隊就餐、在校內排隊核酸檢測等，再進一步擴展到校園之外的隊，他們列舉了餐廳吃飯排隊叫號、醫院取號排隊就醫等。顯然，以中學生的認知，他們可以很輕松地理解這些都是隊伍。接下來，教師設置數字化交流平臺，要求學生從不同角度比較食堂排隊和醫院取號排隊的差異。學生頭腦風暴，紛紛從排隊姿勢、占用時間、排隊時間利用、是否可離開現場、排隊心情等方面開展分析。最后，學生總結：前者是具體的排隊，需要自然人來執行，后者是數字化排隊，不需要依托自然人實現，所以人可以離開排隊現場去做其他事……盡管都是排隊，但數字化排隊的效果與效率完全勝出，他們甚至還設想利用技術實現最小等待時間，從而更科學合理地安排規劃個性化學習生活。

一般情況下，生活經驗比較感性，而科學原理屬于理性總結。經驗不可能等同于原理，但可以成為原理學習的支架。比較生活經驗與科學概念的異同，有利于學生從生活原理中推導科學原理，理解科學概念的專業性和嚴謹性。同時，利用數字化技術將科學概念回歸現實應用，實現思維內容從模糊到清晰、思維序列從外圍到內核、思維品質從感性到理性的躍升。

（二）運用數字化方式，仿真演示、理解原理

不難發現，信息科技原理具有科學性、專業性、嚴謹性的特點。實踐操作是外在的、表面的，技術原理則是內在的、隱性的。看到計算機酷炫的操作效果，學生時常會感到驚訝，好奇為什么會有如此效果。教師不妨利用數字化手段直觀解析、動態演示，利用數字化平臺組織教學活動，指導學生透過現象看本質，引導學生揭開現象神秘的面紗，逐漸消融內心的疑惑。

比如，濾鏡是圖像處理的核心功能。濾鏡可以改觀畫面，產生獨特視覺效果，賦予圖像新的內涵。學情調查中發現，有些學生已使用濾鏡App，如魔漫相機、油畫大師等處理過照片，那么在課堂上，對于濾鏡，教師能讓學生再學些什么呢？顯然，學生只具備這些極簡的技能還遠遠不夠，濾鏡原理的學習就顯得尤為重要。濾鏡的原理是通過改變像素的位置或顏色產生各種特殊效果。學生往往更關注“特殊效果”，對“改變像素位置或顏色”基本無感。如何將濾鏡原理“慢鏡頭呈現”？教師特意搬來早期用VB編寫的濾鏡程序，錄制成微視頻，再用大屏幕演示。學生觀察“曾經的濾鏡”，發現多了濾鏡進程條，過程明顯放慢。許多學生抱怨：濾鏡進程好慢啊，簡直像蝸牛在爬！教師趁機拋出問題：慢鏡頭才能看出奧秘哦，能解釋這個“美中不足”嗎？學生探究了濾鏡的原理后頗有感觸，原來濾鏡在計算！它會根據周圍像素顏色值，運用某種算法，為當前像素計算一個新顏色值，更新后畫面產生新效果。學生明白了這個原理之后，教師再引導學生上網搜索一些簡單的濾鏡算法，借助編程軟件模擬展示，進一步理解濾鏡原理的技術實現。這個環節借力數字化工具與技術還原、展示、模擬濾鏡的原理，區區一個算式變化，濾鏡效果截然不同，讓學生嘆為觀止！此時，教師趁熱打鐵，繼續利用數字化半成品材料，引導學生根據數字化效果進行修改和打磨，自創一種簡單濾鏡算法，既實現濾鏡原理的創新實踐，又印證了原理學習“萬變不離其宗”的本質。

（三）組織數字化交流，類比模擬、遷移原理

一個成熟的原理可能具備普適性，具有遷移性。從知識關聯程度來看，信息科技知識關聯可以分為顯性關聯與隱性關聯。顯性關聯比較容易，在課堂上極易發生，比如Word文字操作到圖像編輯時文本操作，圖畫工具箱到Photoshop工具箱等，這些都屬于淺層關聯。除此之外，師生需要更多地挖掘隱性關聯。隱性關聯一般是原理的遷移應用，重在指導學生以全局的眼光進行原理學習，增強學習的系統性，形成結構化思維。

比如初學Flash動畫時，學生知曉動畫形成的原理是利用了人的視覺暫留特性，靜態圖通過不斷播放而形成動畫。通過這一原理，教師帶領學生對動畫進行要素分解：①動畫內容是幀（靜態圖）;②動畫動作是播放（逐張呈現）;③動畫條件是播放間隔（小于1/24 s）。隨后，學生在極域平臺進行在線交流討論，學生經思維碰撞后觀點不斷涌現，比如“簡單動畫不局限于Flash軟件”“只要具備三個要素，就能形成簡單的逐幀動畫”“PowerPoint軟件也可以制作逐幀動畫”“對，PPT軟件中靜態圖就是一張幻燈片頁面，播放就是幻燈片切換”。學生甚至大膽設想，“只要具備三個條件，我們可以導入系列圖，設計一款簡單的動畫軟件”……

沒想到，一學期后要編寫抽獎程序時，這些討論與分享發揮了作用，學生一下子就聯系上了動畫的原理[6]。他們紛紛表示“抽獎程序不就是一個動畫嗎” “Label控件可以類比幀” “大屏幕滾動起來，Label內容不斷置換，在快速播放時，就成了動畫”“對，滾動的抽獎畫面本質是一個動畫”。運用動畫原理解釋抽獎程序有什么意義呢？隨后，程序要實現抽獎結果，學生根據之前的經驗判斷得出：這個操作本質上就是切斷動畫。

教師繼續引導學生通過數字化交流平臺進行思維碰撞，學生又形成新的認識。比如“可以通過原理三要素來實現動畫的逆向操作——不形成動畫”“從內容看， 幀內容不變，不再形成動畫”“從動作看，不再播放，動畫就停止了” “播放時間間隔設置無限大或者零，理論上講也不能形成動畫”。接著，師生編寫抽獎程序驗證學生觀點。師生通過在線的即時交流，節約了課堂時間，增大了課堂密度，給予學生充分的自主，每個學生獲得更多的交流展示機會，從而迸發出更多有價值的思維火花，促成學生數字素養的內化生成。通過數字化交流平臺，學生遷移動畫原理的正反學習，對抽獎程序產生更清晰、更徹底、更有價值的認識：屏幕滾動本質是動畫形成，抽獎本質是動畫停止。無論形成或停止，學生都可以對照動畫原理的三要素進行分析實現（見表2），體現原理具有現實指導的意義與價值。

信息科技課程標準的頒布是信息科技課程發展過程中的一個里程碑，但課程價值的落地主要在于一線課堂，在于一線教師。因此，信息科技教師面對教育變革需要務實探索與應變，將課程標準規劃的內容轉化成自己的理解、表達與行動，不斷探尋信息科技課程魅力的實踐支點。

參考文獻

[1][3] 中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準：2022年版[S].北京：北京師范大學出版社，2022：1，2.

[2] 任友群，李峰，王吉慶.面向核心素養的信息技術課程設計與開發[J].課程·教材·教法，2016（7）：56-61.

[4] 熊璋.“科”“技”并重：義務教育信息科技課程標準解讀——訪義教信息科技課標組組長熊璋教授[J].中國信息技術教育， 2022（9）：4-7.

[5] 張汶.積極實踐，務實探索[EB/OL].（2022-05-09）[2022-07-08].https：//www.bilibili.com/video/BV1Ru411r773？spm_id_from=333.337.search-card.all.click656939663&unique_k=JbNEWgk.

[6] 張利波，馬建軍.信息技術學科大概念內涵及學習策略[J].中小學信息技術教育，2021（6）：50-52.

（作者張利波系浙江省慈溪實驗中學教師;羅婉慶系浙江省慈溪市觀城中學教師）

責任編輯：牟艷娜