指向“學(xué)科特質(zhì)”的信息科技深度備課

顧碧婷 浙江省寧波市江北區(qū)新城外國(guó)語(yǔ)學(xué)校

“學(xué)科特質(zhì)”的深度備課，聚焦于學(xué)科內(nèi)涵的挖掘，致力于學(xué)生核心素養(yǎng)的培育。筆者根據(jù)近幾年的教學(xué)實(shí)踐及相關(guān)備課、教學(xué)的案例，試圖探索深度備課中可依循的學(xué)科思想方向，并提出了基于學(xué)科特質(zhì)思想的備課視角——計(jì)算觀、系統(tǒng)觀、矛盾觀，進(jìn)而為深度備課提供切實(shí)可行的實(shí)踐方向。

● 從特質(zhì)走向價(jià)值

信息科技課程的學(xué)科特質(zhì)是學(xué)科領(lǐng)域凝練的思想觀和方法論，指向計(jì)算系統(tǒng)的本質(zhì)內(nèi)涵和科學(xué)的發(fā)展觀。筆者將其歸納為兩個(gè)方面：一是以“計(jì)算”為核心的學(xué)科思維活動(dòng)；二是在計(jì)算的基礎(chǔ)上分衍出以“抽象”“分層”“轉(zhuǎn)化”等為特征的學(xué)科特質(zhì)思想（如表1）。

表1 信息科技學(xué)科特質(zhì)思想層次挖掘

學(xué)科特質(zhì)思想的第一層次源于貫穿計(jì)算機(jī)運(yùn)行始終的“計(jì)算”活動(dòng)。從關(guān)系的視角來(lái)看，抽象、分層、轉(zhuǎn)化均是在“計(jì)算”的基礎(chǔ)上衍生的思想。抽象是生成“可計(jì)算”的基本方式之一，分層為計(jì)算行為階段性的“封裝”結(jié)果，而轉(zhuǎn)化則為一系列計(jì)算活動(dòng)帶來(lái)的數(shù)據(jù)結(jié)果。如果說(shuō)抽象是基礎(chǔ)，那么分層就是結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)化就是結(jié)果。

對(duì)學(xué)科特質(zhì)的挖掘體現(xiàn)了學(xué)科教育的獨(dú)特價(jià)值。在教學(xué)實(shí)踐中也是計(jì)算驅(qū)動(dòng)著學(xué)生在數(shù)字時(shí)代的創(chuàng)造精神和社會(huì)責(zé)任，構(gòu)成了以計(jì)算為核心的“價(jià)值坐標(biāo)”（如圖1）。

圖1 計(jì)算驅(qū)動(dòng)下的學(xué)科“價(jià)值坐標(biāo)”

以學(xué)科核心素養(yǎng)為基石，將價(jià)值坐標(biāo)分解為數(shù)字素養(yǎng)、創(chuàng)造精神和信息安全意識(shí)。數(shù)字素養(yǎng)是數(shù)字時(shí)代所具備的基本素養(yǎng)，主要表現(xiàn)為在數(shù)字環(huán)境中對(duì)數(shù)據(jù)、算法的理解力；創(chuàng)造精神是在數(shù)字素養(yǎng)之上體現(xiàn)個(gè)人理解的一種創(chuàng)新追求；信息安全意識(shí)則是在數(shù)字環(huán)境中具備自我保護(hù)的能力。

● 備課深研的三個(gè)視角

依據(jù)對(duì)信息科技學(xué)科特質(zhì)的挖掘，筆者建立了備課深研的三個(gè)視角——計(jì)算觀、系統(tǒng)觀和矛盾觀。這三個(gè)視角并不是孤立的，而是相互融通的。筆者通過(guò)備課實(shí)踐，為深度備課提供了切實(shí)可行的借鑒經(jīng)驗(yàn)（如圖2）。

圖2 備課深研的三個(gè)視角

1.計(jì)算觀

在計(jì)算視角下，關(guān)注信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和算法，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)技術(shù)實(shí)驗(yàn)、猜測(cè)驗(yàn)證等方式深入思考。計(jì)算機(jī)每秒進(jìn)行上億次的運(yùn)算，數(shù)據(jù)的編碼、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)化過(guò)程瞬間就結(jié)束了。怎樣才能“放慢”計(jì)算機(jī)運(yùn)算的腳步，為學(xué)生呈現(xiàn)一個(gè)可探究可觸摸的原理世界？這是備課教研需要思考的問(wèn)題之一。

案例一：開(kāi)發(fā)一個(gè)視頻切片工具。

在浙教版七下第7課《視頻編碼》一課的教學(xué)中，筆者設(shè)計(jì)工具使隱性的計(jì)算過(guò)程更加顯微化、直觀化，即用Python調(diào)用FFmpeg進(jìn)行視頻逐幀提取，PySimpleGui作界面設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試，完成“視頻切片工具1.0.exe”實(shí)驗(yàn)工具的開(kāi)發(fā)（如圖3）。設(shè)計(jì)思路是：①讀取要解析的視頻，獲得文件路徑；②設(shè)置幀提取參數(shù)；③執(zhí)行切片。

圖3 計(jì)算觀之視頻切片工具的開(kāi)發(fā)

教師在屏幕圈出1920*1080，并提出問(wèn)題：①與前一課學(xué)習(xí)的圖像的“分辨率”相比，視頻中的一幀是否就是一幅圖像？②16秒的視頻，共有幾張圖（幀）？請(qǐng)說(shuō)說(shuō)理由。有的學(xué)生猜測(cè)是16幀，也有的學(xué)生覺(jué)得不是，但究竟有幾幀說(shuō)不清楚。隨即教師打開(kāi)“視頻切片工具.exe”，學(xué)生親眼見(jiàn)證視頻變成了一張張圖像。教師繼續(xù)提問(wèn)：生成了幾張？（400張）為什么？接著引導(dǎo)學(xué)生觀察屬性窗口中的幀速率（25幀/秒），結(jié)合視頻時(shí)長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)奧秘（25*16=400）。通過(guò)進(jìn)一步的探討，學(xué)生理解了視頻是由連續(xù)的靜止圖像組成的，其“動(dòng)感”來(lái)自視覺(jué)暫留原理。

案例二：探秘圖像的原理。

在浙教版七下《圖像編碼》一課中，學(xué)生首先用吸管工具進(jìn)行像素的取色，記錄數(shù)值，感受顏色的編碼。接著運(yùn)用工具將目標(biāo)圖像解析為文本文件，進(jìn)一步了解從屏幕顯示至編碼規(guī)則、從編碼規(guī)則至底層存儲(chǔ)的邏輯，實(shí)現(xiàn)底層存儲(chǔ)與外部顯示的關(guān)注分離（如圖4）。

圖4 計(jì)算觀之“圖像轉(zhuǎn)文字”工具

2.系統(tǒng)觀

單個(gè)的概念無(wú)法在學(xué)生頭腦中形成意義建構(gòu)。因此，在思考概念內(nèi)涵的同時(shí)，需以該概念聯(lián)系其他概念，形成多層次、系統(tǒng)的概念理解視角。

例如，研讀浙教版七下的教材內(nèi)容編排，第一單元主要以圖像、聲音、視頻數(shù)據(jù)編碼為主，數(shù)據(jù)是一個(gè)抽象的概念，如何有效切入？需要鋪墊哪些概念？“文件”似乎是教學(xué)時(shí)繞不過(guò)去的，進(jìn)制轉(zhuǎn)換涉及數(shù)據(jù)本質(zhì)的理解，也繞不過(guò)去。學(xué)期初，筆者圍繞七下的教材內(nèi)容編排和課題組成員展開(kāi)了以下的討論。（以下F、S、G為課題組三位教師，G為筆者）

案例三：

G：七下，數(shù)據(jù)編碼有8課，是直接進(jìn)入編碼的學(xué)習(xí)，還是從一個(gè)較中位的概念切入呢？

S：從以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)看，直接談編碼，有點(diǎn)空，學(xué)生很難理解。

G：同意。而且8課涉及5款軟件，概念太多，要找到共通部分。

S：二進(jìn)制？他們的底層都是二進(jìn)制數(shù)據(jù)。通過(guò)編碼在存儲(chǔ)和顯示層面發(fā)生了轉(zhuǎn)換。

F：是，原理層面這是繞不過(guò)去的。操作層面呢？

G：它們都是文件。文件的屬性顯示了各自的特殊性！

S：文件是小學(xué)教材中的概念，初中還有必要再提嗎？

G：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生到初中遺忘得很快。而且小學(xué)似乎并不深入，也不系統(tǒng)。

S：對(duì)的，學(xué)生操作時(shí)經(jīng)常丟失擴(kuò)展名，或重命名改擴(kuò)展名導(dǎo)致文件不可用。

F：文件是學(xué)生在界面上真實(shí)可以“觸碰”到的，文件的屬性是內(nèi)隱數(shù)據(jù)外在顯示的窗口，做一層鋪墊看來(lái)很有必要。

經(jīng)過(guò)討論，備課組最終決定在數(shù)據(jù)編碼教學(xué)之前先鋪一層“文件”的概念（二進(jìn)制在上個(gè)學(xué)期已有教學(xué)），從而關(guān)聯(lián)其他概念，形成構(gòu)成大概念的“基石”。實(shí)踐表明，這樣的概念鋪墊是有價(jià)值的。它成為一種支撐性的“橋梁”，幫助學(xué)生沿著“文件—屬性—數(shù)據(jù)”的路徑去觀察，感受不同數(shù)據(jù)內(nèi)部原理的區(qū)別與聯(lián)系（如圖5）。

圖5 系統(tǒng)觀之“數(shù)據(jù)編碼”的概念路徑

案例四：探秘?cái)?shù)據(jù)文件和程序文件。

導(dǎo)入時(shí)給出不同類型的5個(gè)文件，一個(gè)文件無(wú)法直接觀察擴(kuò)展名，需借助屬性窗口查看擴(kuò)展名（lnk）、指向文件（mspaint.exe）等；而“任務(wù)說(shuō)明.txt”既是文件，又是隱藏的任務(wù)提示（如圖6）。最后通過(guò)“口算生成器.exe”，進(jìn)階感受數(shù)據(jù)文件和程序文件的關(guān)系，理解文件的調(diào)用機(jī)制。

圖6 系統(tǒng)觀之“數(shù)據(jù)文件與程序文件”學(xué)具設(shè)計(jì)

3.矛盾觀

矛盾是一種哲學(xué)視野，在指向教師備課時(shí)能夠讓我們把握系統(tǒng)內(nèi)部不同要素對(duì)立統(tǒng)一、迭代演進(jìn)的內(nèi)在規(guī)律，尋找一條通向深度思考的概念路徑。另外，在將理解轉(zhuǎn)化為教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，以一種外部的情境“逼迫”，引發(fā)一種需求的升級(jí)，從而沿著矛盾的思想改善教學(xué)設(shè)計(jì)、提問(wèn)設(shè)計(jì)，二者相輔相成。

案例五：“內(nèi)-外存儲(chǔ)器”大思辨。

在教學(xué)存儲(chǔ)器概念時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比內(nèi)外存儲(chǔ)器的性能、容量、讀寫速度等特點(diǎn)。從而引發(fā)“材料技術(shù)的落后”與人類對(duì)存儲(chǔ)器的需求（速度快、永久保存）的矛盾的思考。

這樣的現(xiàn)象并不是孤立的，存在不變的思想。例如，為調(diào)和CPU與內(nèi)存之間的矛盾，誕生“緩沖寄存器”，大量數(shù)據(jù)吞吐導(dǎo)致內(nèi)存空間不夠，誕生“虛擬內(nèi)存”的概念……矛盾觀指向以發(fā)展的、迭代的思想，看待系統(tǒng)的更迭，帶來(lái)一種動(dòng)態(tài)的、發(fā)展的視角，體現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)雜而精妙的設(shè)計(jì)思想。

案例六：算法的優(yōu)與劣。

在進(jìn)行算法教學(xué)時(shí)，筆者希望以順序查找和二分查找的快、慢對(duì)比，讓學(xué)生感受算法效率的不同。剛開(kāi)始的備課版本，在學(xué)習(xí)材料中有20條數(shù)據(jù)，學(xué)生很快找到目標(biāo)。算法效率和用戶希望快速查詢的矛盾并不突出。而為了放大這個(gè)矛盾，就需要“大”量的數(shù)據(jù)，即十萬(wàn)、百萬(wàn)甚至千萬(wàn)條數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生一種逼迫性，當(dāng)外部數(shù)據(jù)量太大的時(shí)候，只得從算法本身“要”效率。

筆者用Python程序向記事本中寫入約15萬(wàn)條數(shù)據(jù)，內(nèi)容為愛(ài)心人士捐贈(zèng)樹苗的記錄，字段包括樹苗編號(hào)、名稱、樹苗生長(zhǎng)高度。學(xué)生在15萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)中尋找，目標(biāo)數(shù)據(jù)位于第110989條，順序查找已經(jīng)無(wú)法滿足快速查找的需求。那么，有沒(méi)有更快速的查找方法呢？接著，筆者用PPT放映二分查找的動(dòng)畫，并用不同顏色的矩形框，每次縮小一半的查找范圍。對(duì)二分查找進(jìn)行“降維”，不是O(log2(N))，而是每次除以2，那么多少次會(huì)變成1？（17次）

順序查找的11萬(wàn)次，與二分查找的17次產(chǎn)生強(qiáng)烈對(duì)比（如圖7）。當(dāng)數(shù)據(jù)“量”變得足夠大時(shí)，算法效率的不足與用戶快速查找需求的矛盾被凸顯，這種矛盾會(huì)引發(fā)一種需求升級(jí)，從而尋找更加高效的算法。

圖7 矛盾觀之順序查找與二分查找

● 基于數(shù)據(jù)實(shí)證的備課實(shí)效評(píng)估

筆者對(duì)所在學(xué)校712班及707班全體學(xué)生進(jìn)行了為期15周的實(shí)驗(yàn)班教學(xué)，之后借助課題組自研在線評(píng)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行了測(cè)試，時(shí)間均為40分鐘。對(duì)前測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，兩組學(xué)生成績(jī)沒(méi)有顯著差異（Sig=0.574＞0.05），這說(shuō)明兩組學(xué)生信息科技概念理解水平基本相同，可視為同質(zhì)組進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)干預(yù)。

經(jīng)過(guò)15周的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)后測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩組學(xué)生后測(cè)成績(jī)存在顯著差異（Sig=0.01＜0.05），且從平均分上看，實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)顯著高于對(duì)照組。這說(shuō)明學(xué)生信息科技概念理解水平得到了顯著提高。

總之，備課絕不是一件一蹴而就的事，需要回歸學(xué)生學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，向著概念的深度建構(gòu)，不斷迭代活動(dòng)設(shè)計(jì)、提問(wèn)設(shè)計(jì)，助力深度學(xué)習(xí)。