透視與洞見：隱匿在技術背后的思想與原理
——以《模板的設計與應用》為例

田靖 浙江省寧波市寧海縣教育局教研室

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》將課程名稱由“信息技術”改為“信息科技”，名稱上的微小改變卻體現了不同的課堂理念。從強調技術為本到現在明確提出對內容的選取是“從信息科技實踐應用出發，注重幫助學生理解基本概念和基本原理，體現‘科’與‘技’并重”[1]，體現了新教材的內容不僅注重技能操作，而且強調根據不同學段了解、知道、理解其背后原理性的知識。“技”是技能，是實踐應用，“科”是科學，是基本原理，教師需在平時教學中點透這層含義才能引導學生探究技術的本質、理解學科的思維。下面，筆者以幻燈片母版、圖層、鍵位分布為例，從基本概念入手來闡述“技”背后的“科”。

● 母版——面向對象的體現

浙江教育出版社出版的七年級上冊第十二課《模板的設計與應用》的技能目標是認識與學會使用PowerPoint模板、版式、母版。從大部分課堂教學反饋來看，教師能夠創設恰當的情境，較好地落實這一技能目標。但是對于這三者的關系，學生多數不太清楚，甚至部分教師都不明白，其實這三者的關系是非常典型的計算機解決問題的方法——面向對象。

一般來說，版式改變的是幻燈片頁內的排版布局，模板改變的是幻燈片的背景圖案、文字格式、配色方案等，但是這些都是基于模板本身已經預制好的參數——母版，也就是說母版才是這些設置的源頭。編程有兩個重要思想——面向過程和面向對象，面向對象是將現實要解決的問題根據不同的功能、對象抽象成不同的類，再通過類和類之間的繼承及類的實例來實現。PowerPoint的母版就是類，模板是類的實例。

在母版頁中，最上面的母版就是基類，下面的各種版式根據不同的需求分別由其派生出來，它擁有母版所有的特征，換句話說，母版是下面所有版式共同特征的集合，模板就是母版類的實例，它不光繼承了母版的所有特征，同時還可以根據需要進行個性化的修改（如下頁圖1）。這樣設計的好處有兩個：①內容與形式的分離。同一個講稿內容可以對應不同的模板，同樣，同一個模板也可以對應不同的內容，它們存在多對多的關系。所以，在設計模板（母版）時可以拋開具體內容，專注于設計本身。②高效。因為母版與模板之間有繼承關系，如果要修改某個模板的參數，直接找到對應的母版就可以修改。

圖1

計算思維有四個表現形式——形式化、模型化、自動化、系統化。[2]本課要求學生根據自身任務需求進行整體分析，確定呈現的框架，從中提取出每塊內容表現的相同點和不同點，從而分析出每一頁幻燈片的共同特征和每一版式幻燈片的特征，分別通過母版頁和子母版頁（形式化）控制最后的呈現形式。學生思維方式要經歷從框架到內容、從頂層設計到具體落實的過程，在這個過程中不僅要進行思考分析，而且還要進行抽象建模，提取出共同點（母版頁）和不同點（子母版頁），最后形成版式的自動套用（自動化、模型化）。所以，學生不僅要學會信息科技課的實踐技能，同時也要明白其背后設計的原理和思維方式。

● 圖層——分治思想的實踐

圖層功能廣泛存在于圖像和視頻處理軟件中，如Photoshop、Flash等，教師在介紹圖層時總會將其類比為一張透明的膠片，透明膠片有圖案，多個圖層疊加就好像多張膠片按順序疊放在一起，可以透過上面圖層的透明區域看到下面的圖層，改變圖層的順序和屬性可以改變圖像的效果，每個圖層都可以獨立處理。將概念進行類比是教學中常用的手段，目的就是降低學生理解的難度，達成更好的課堂效果，但對為什么用圖層、圖層的出現是為了解決什么問題等背景知識教師一般不做介紹，但恰恰是這些背景知識才能使學生更加深入地理解圖層。

圖層蘊含了計算機中的分治思想，就是把一個復雜的問題分成兩個或更多的相同或相似的子問題，再把子問題分成更小的子問題……直到最后子問題可以簡單地直接求解，原問題的解即子問題的解的合并。一個復雜的圖像（視頻也是圖像的集合）可以分成幾個部分（圖層組），每個部分再細分（子圖層組），分到最后要解決的問題就是個小問題（圖層），圖層之間相互獨立，非常便于針對某個部分進行后期修改。

● 鍵位——編碼理解的載體

現代計算機鍵盤起源于打字機鍵盤，打字機的鍵盤最早是按照字母順序排列的，但打字機是全機械結構的打字工具，如果打字速度過快，某些鍵的組合很容易出現卡鍵問題。于是在1868年肖爾斯將最常用的幾個字母安置在相反方向，最大限度放慢敲鍵速度以避免卡鍵，從而形成了現代QWERTY鍵盤布局，1932年華盛頓大學教授奧古斯特·多芙拉克設計出了鍵位排列更科學的DVORAK布局。從兩手的負載率來看，DVORAK鍵盤更平衡。基于此，筆者設計了如下編碼學習求證的實驗。

鍵盤中的鍵位分布是教學中理解編碼的一個良好載體，可以理解不同編碼對效率的影響是不同的。筆者以現在使用的鍵盤為基礎，探討鍵盤分布對左右手打字的負載率的影響，即左右手敲擊次數占總次數的百分比，理論上來說兩手負載率要基本持平（含字母和標點符號），以保證兩手負擔均衡等。

本內容可以作為教學綜合課的形式讓學生進行探究，建議放在學生對Python語言有初步掌握之后。敲擊次數以26個英文字母為統計對象（附帶幾個常用標點符號），以經典小說《簡·愛》為例，程序代碼如下頁圖2所示。

圖2

利用上述Python代碼讀取小說的TXT文本內容，并將文本中英文字母統一轉換成小寫字母，程序輸出如下頁表1所示。將表1數據按照三個方案整理后，形成下頁表2。

表1

表2

通過上述輸出結果和統計，教師向學生提出以下幾個問題：

①英文字母出現的頻率哪個最高？哪個最低？從中你知道了什么？

②查找資料，打字機鍵盤分布為什么從最初的方案A發展到方案B？方案B的布局有哪些好處？它解決了哪些歷史痛點？同時方案B又有哪些局限性？

③如果讓你來重新設計鍵盤分布方案，你會從哪幾個方面來考慮？

④利用本案例的思路還可以解決什么問題？

字母使用頻率不一致是鍵盤鍵位分布重點要考慮的內容，同時也要考慮各個手指靈活程度不一，好的編碼方案就是在左右負載平衡的同時，充分協調這兩者的關系。學習的目的在于應用[3]，字母頻率的統計為后續對稱性加密解密（愷撒加密）提供了思路，也為后續編碼類知識的學習做了鋪墊。

在信息科技課程中，實踐操作是日常教學中必不可少的一環，如何透過技能找出其背后隱藏的原理，幫助學生打通實際操作和技術原理之間的壁壘，需要信息科技教師不斷思考。系統提供的具體功能就像一個個已經封裝好的類，它是一個確定的算法，可以實現具體領域的問題求解。但是，教師不能滿足于應用它，應帶領學生探究它背后的原理，實現核心素養的養成。