基于ISD Models模型的算法學習設(shè)計研究

王蕾

教學現(xiàn)場

義務(wù)教育階段有關(guān)算法的內(nèi)容成為教師近期關(guān)注的熱門話題之一，如何提升信息科技教學行為，最大程度地優(yōu)化教學效能，提升算法教學的創(chuàng)新性？

問題分析

信息科技教學有著獨特的學科傾向，其中有關(guān)算法的學習需要借助物化的形式開展。在具體的作品載體中，為學生創(chuàng)設(shè)良好的內(nèi)化學習環(huán)境，提升信息應(yīng)用型學習力，滿足學生認知需要的教學行為，成為課堂教學效能提升的重點。而基于ISD Models模型的算法學習設(shè)計，可以為教師設(shè)計教學過程提供參考。

ISD Models模型及其在信息科技算力教學中應(yīng)用的可行性

ISD全稱為Instructional System Design，即教學系統(tǒng)設(shè)計模型，它是以傳播理論、學習理論、教學理論為基礎(chǔ)，運用系統(tǒng)理論的觀點和知識，分析教學中的問題和需求并從中找出最佳答案的一種理論和方法，已在多個學科中運用。

算法教學目標強調(diào)通過系統(tǒng)的方法，達成既定的教學目標。信息科技學科內(nèi)容寬泛，學習素材來源多樣，需要學習者在有限的時間內(nèi)呈現(xiàn)具有一定數(shù)字化的算法作品，據(jù)此展開的課堂學習設(shè)計應(yīng)包括三個主要流程：要學什么？即算法學習目標的預設(shè)。如何去學？即算法學習資源的選擇。如何判斷學生已到達的學習成效？即算法學習評量的實施。在信息科技重視大概念、大單元、大視域的背景之下，ISO Models成熟的課堂結(jié)構(gòu)和學習設(shè)計方式，能夠給學生提供必要的學習模型參考，幫助教師據(jù)此開展適應(yīng)性教學。因此，義務(wù)教育階段信息科技學科的算法教學，可以采用ISO Models成熟的模式進行具體的學習設(shè)計及實踐。

基于ISD Models進行算法教學的實施環(huán)節(jié)

ISD Models模型的操作步驟及主要內(nèi)容如下：有關(guān)學科內(nèi)容的認知分析，其中包括對教學內(nèi)容、學習內(nèi)容、學習者特征進行分析涉及整體流程的學習設(shè)計，即對學習資源、學習情境、認知工具、自主學習策略、管理與服務(wù)進行設(shè)計；針對具體認知目標的開發(fā)，即根據(jù)設(shè)計內(nèi)容進行課程開發(fā)；教學實施，即根據(jù)課程開發(fā)的成果實施課堂教學；帶有診斷特征的評估，即對開發(fā)的課程進行評估并形成評估報告。

在具體的課程教學中，利用該模型可幫助課程設(shè)計人員與教學管理人員及時確定算法教學的相關(guān)目標，確定本課程目前所面臨的問題。再由教師利用模型設(shè)計課程并實施教學，經(jīng)過多輪實驗后，對該學習設(shè)計進行調(diào)整，不斷修正和改進相關(guān)內(nèi)容。

基于ISD Models模型的案例運用

環(huán)節(jié)一：對標確定學習預設(shè)

基于ISD Models模型的學習設(shè)計的第一階段為學情的有效預設(shè)：教師給出必要的提示，在學生已有生活經(jīng)驗中找尋可參考范例，帶領(lǐng)學生分析需要完成的教學目標是什么、實現(xiàn)這個目標可以通過哪些信息化工具完成、已經(jīng)掌握的工具有哪些優(yōu)缺點、如何尋找更為合適的工具來達到學習目標。這個流程是為即將展開的學習活動提供認知脈絡(luò)，讓學生明晰具體的學習目標。

（1）原設(shè)計

“用計算機繪圖”是義務(wù)教學階段信息科技學科算法中常見的結(jié)構(gòu)化編程語言，也是各地教材中的經(jīng)典教學內(nèi)容。在傳統(tǒng)的學習設(shè)計中，一般直接導入，展示需要達成的程序圖例，由此引入程序教學。在多節(jié)該主題課中，都呈現(xiàn)出相似的情況：學生對預計應(yīng)該完成的作品有畏難情緒，無法喚起需要的學習動機，使得整個教學內(nèi)容的推進顯得牽強。

（2）思考焦點

由于該部分的內(nèi)容有一定的認知難度，學生學習動機不足，而且教師展示的成品或?qū)嵗^于專業(yè)，學生把實例看作自己需要完成的任務(wù)，又由于缺少已有經(jīng)驗的鋪墊和學習流程的分析，由此產(chǎn)生無法企及的主觀感受，因此算法學習目標難以達成。

（3）改進型設(shè)計

基于ISD Models模型的學習設(shè)計的第一階段需要預設(shè)學習目標，教師應(yīng)對該算法的教學目標進行必要的精準化設(shè)計，將大目標細化為每一個具體指標，每一個具體指標與具體應(yīng)用相連接，達到有目標而學、為目標而設(shè)的目的，保證學生能夠在知其然還知其所以然的狀態(tài)下，保持學習動機。教學建議如下。

任務(wù)目標：“小窗花大世界”。

任務(wù)課時：1課時。

主要活動：

教師從傳統(tǒng)的民間工藝“窗花”入手，帶領(lǐng)學生分析。

預設(shè)一：窗花是由什么基本圖形組成的？

（教師展示真實的窗花并帶領(lǐng)學生分析其中包含了哪些基本圖形，讓學生進行目標的預設(shè)）

預設(shè)二：這個基本圖形是怎么組成一個窗花圖案的？

（復習重復命令的有關(guān)知識）

預設(shè)三：基本圖形和窗花之間有什么區(qū)別？

（對比基本圖形與填色后的圖形）

小結(jié)預設(shè)：學生回顧四個預設(shè)任務(wù)的實現(xiàn)過程，梳理出程序思考的過程，繪制出共性的流程圖，并結(jié)合今天的主題進行算法的功能鏈接，從而加深意義學習的過程。

教學評析：通過三個問題的預設(shè)，學生得以梳理已有的技能經(jīng)驗（算法工具）、生活經(jīng)驗（實物形象），形成具體明晰的學習目標，確定了實現(xiàn)目標的主要環(huán)節(jié)（繪制基本圖形、填色、修改程序）。學習目標被細化為已有經(jīng)驗?zāi)繕?、即將達成的目標、以后可能會實現(xiàn)的目標。學生清晰地認識到自己的學習目標，學習動機得以激發(fā)。

環(huán)節(jié)二：厘清素材豐富算法資源庫

基于ISD Models模型的學習設(shè)計的第二階段為內(nèi)容設(shè)計與教學過程開發(fā)，著力對現(xiàn)有的教學資源進行整理，將算法有關(guān)的內(nèi)容進行篩選，進而豐富算法的設(shè)計庫，為教學提供支持。該設(shè)計過程，對應(yīng)的是開發(fā)過程的算法適應(yīng)性，兩者綜合在一起，讓學生對環(huán)節(jié)一的預設(shè)內(nèi)容進行資源庫選擇。不同層次的學生可依據(jù)教材或者學習單來嘗試學習，在此基礎(chǔ)上，教師引導學生進行相應(yīng)的作品開發(fā)，即進一步完成算法的新授任務(wù)。

（1）原設(shè)計

“順序結(jié)構(gòu)語句”是算法學習的常規(guī)課，本課的知識點主要包括認識順序結(jié)構(gòu)控件、設(shè)置執(zhí)行條件、安排動作先后順序等內(nèi)容。該課的內(nèi)容較多，教學過程有一定的難度，是常規(guī)教學中認知難度較大的一課。常規(guī)教學流程一般為：教師講解順序模塊的內(nèi)容→為對象角色設(shè)置循環(huán)命令的要求→安排動作指向→調(diào)試設(shè)置消息→演示接受消息、角色相應(yīng)動作的過程→學生練習→教師指導。

（2）思考焦點

順序結(jié)構(gòu)是算法中的基本編程內(nèi)容，但是對義務(wù)教育階段的學生來說仍有一定的認知難度。在傳統(tǒng)的設(shè)計方式中，教師采用線性的編程方式組織教學，雖然教學流程沒有邏輯錯誤，但在實際授課中，學生的達成率不高，學生只會模仿教師提供的程序，不能進行自我編程。通過教學反思可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的教學過程缺少對學生算法資料的供給，導致學生機械模仿教師提供的程序，缺乏創(chuàng)作過程。

（3）改進型設(shè)計

在基于ISD Models模型的學習設(shè)計中，教師依據(jù)實際需要，根據(jù)不同目標推送相應(yīng)的學習材料，幫助學生突破認知難點。在據(jù)此展開的學習設(shè)計過程中，教師可先讓學生分析實例，觀察變化的由來，歸納順序結(jié)構(gòu)的概念。建議教學過程如下。

任務(wù)目標：勞動節(jié)真人秀。

任務(wù)課時：1課時。

主要活動：

①秀場我做主：第一次推送熱身游戲。

教師渲染算法情境：2023年勞動節(jié)將至，師生彩排“真人秀”節(jié)目。

教師提問：在剛才的候選場地中，同學們選中了哪些場地？（引出舞臺背景的選擇）

師生交流得出：舞臺是活動的資料之一，學生是動作的執(zhí)行者。

②演員我邀請：第二次推送真人秀表演的學件。

學生打開學件，觀察角色區(qū)的控件。

師：誰是發(fā)送角色者？誰是接收消息者？

學生探究控件的秘密。

師：實現(xiàn)此效果的控件在哪里？拖放到哪個角色中？如何新建消息？

學生上臺演示，邊說邊操作。

全體學生嘗試搭建共同表演的腳本。

教師出示任務(wù)：編排表演順序——出場順序、才藝內(nèi)容。

學生操作，搭建腳本。

③規(guī)則我公布：第三次推送循環(huán)學件。

師：和現(xiàn)實的舞臺表演相比，我們的節(jié)目還有什么需要改善的呢？

生：我有才藝家中秀、我有絕技場地秀……

教師演示學生編寫的生活中的畫面，并讓學生思考控件的意義。

學生嘗試編寫切入生活視頻。

④游戲我編寫：第四次推送算法相關(guān)內(nèi)容。

學生自學教材中的相關(guān)章節(jié)，嘗試完成編程任務(wù)。

教師提供多種范例及教材脈絡(luò)圖，鼓勵學生自我創(chuàng)作。

教學評析：此處的學習設(shè)計，幫助學生對已有素材體系進行分析，從生活場景自然過渡到新授認知的內(nèi)容，促使學生對自己的算法過程是因何而設(shè)、如何而設(shè)的形成明確的概念。在此基礎(chǔ)上，學生可以進行算法資源庫的自我架構(gòu)和選擇，按照自己的主觀意愿設(shè)計出自己希望的作品。通過這樣的設(shè)計，學生能夠卓有成效地進行自我作品的開發(fā)，此過程，不著痕跡地突破了教學難點。

環(huán)節(jié)三：設(shè)計項目顯性算法特征

基于ISD Models模型的學習設(shè)計的第三階段為實施或執(zhí)行環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)關(guān)注的是學生在拓展練習中如何實施學習行為、創(chuàng)設(shè)個性化的作品、歸納整體性的思維環(huán)節(jié)，進而對自己的學習活動和呈現(xiàn)作品進行評價，促發(fā)反思過程。此環(huán)節(jié)注重學生的主動學習過程，在自評、他評、師評的輔助下，實現(xiàn)算法內(nèi)容的學習。

（1）原設(shè)計

人工智能課例“聰明燈”屬于信息科技中有關(guān)算法特征的內(nèi)容，要求學生在課上通過聲控、光控等條件完成對燈泡的亮和滅的控制。在常見的課例中，教師會引導學生進行實驗分析，然后按照實驗計劃完成項目。教學過程中的常見問題是，學生在完成一輪實驗后，無法準確進行知識歸納，不明白做完的實驗的目標是什么，不能準確說出實驗流程。

（2）思考焦點

傳統(tǒng)的學習行為關(guān)注硬件技術(shù)操作過程，強調(diào)學生技能達標情況，缺少有關(guān)開始、發(fā)展、結(jié)束的完整階段的過程性引導。在信息科技教學中，常規(guī)的基礎(chǔ)類教學常采用這樣的教學行為組織學習活動，沒有揭示算法的邏輯過程，機械的模仿居多，學生無法進行知識遷移，因此造成學習過程枯燥、課堂氣氛沉悶、學生作品乏善可陳的局面。

（3）改進型設(shè)計

在基于ISD Models模型的學習設(shè)計中，有關(guān)算法顯性特征的內(nèi)容成為關(guān)注的焦點。因此，學習設(shè)計要針對內(nèi)容進行合理設(shè)置，將算法的顯性特征放大，幫助學生提取特征，從而形成有效的知識鏈接。教學建議如下。

任務(wù)目標：理解算法在控制類活動中的作用。

任務(wù)課時：1課時。

主要活動：

算法導學：通過學習材料中有關(guān)算法部分的內(nèi)容，讓學生理解算法是如何在實踐過程中實施的，幫助學生建立從算法到實物之間的關(guān)聯(lián)。

作品導向：結(jié)合“聰明燈”的結(jié)構(gòu)特點，分析聲控燈的動作過程→思考：可以使用哪些元素來控制燈的亮滅？

元素主導：在剛才的過程中，引起變化的元素是“聲音”，產(chǎn)生變化的是“聰明燈”，因此，如果要控制燈的開關(guān)，要將“聲音”作為觸發(fā)對象，將“聰明燈”作為接受對象。（明確實驗的兩個研究對象）

過程引導：根據(jù)導學分析，能夠發(fā)現(xiàn)以下的思路。①參數(shù)測試：測量常態(tài)下的聲音數(shù)值，并記錄在學習單上。②假設(shè)測試：設(shè)置雙分支結(jié)構(gòu)：常態(tài)下（尚未開啟“聰明燈”狀態(tài)）→聲音傳感器檢測聲音值低于常態(tài)值→測試達到閾值→“聰明燈”滅；非常態(tài)下（有人打開“聰明燈”所在的家具時的狀態(tài)）→傳感器檢測到聲音值高于常態(tài)值→測試未達到閾值→“聰明燈”亮。③拓展測試：如果常態(tài)聲音值變化，如何修改以上的程序？④實驗導出：根據(jù)以上測試數(shù)據(jù)，研究路線圖，進行實驗，并記錄下相應(yīng)的數(shù)值。

結(jié)論導出：智能櫥柜燈如何能做到“變聰明”的？它的智能通過哪些載體來實現(xiàn)？

教學評析：在以上學習過程中，學生是“聰明燈”實現(xiàn)算法過程的主體，通過“聰明燈”的設(shè)置將算法的邏輯過程顯性設(shè)置。學生可以清晰地了解算法語句的具體的物化的環(huán)境。教師在教學過程中安排不同的實踐環(huán)節(jié)，逐一驗證假設(shè)算法的過程，每一次實驗，都是一次從認知理論到實踐驗證的過程，完成了深層學習和意義建構(gòu)，因此教學效果甚為理想。

關(guān)注點

ISD Models模型是經(jīng)典的教學設(shè)計、學習設(shè)計模型，該模型在多個學科中進行了適應(yīng)性的驗證。在信息科技學科中，學習需求、設(shè)計和開發(fā)如算法一般的學習項目，需要實施和評估學習的系統(tǒng)化流程。在確保學生獲得所需的整體認知內(nèi)容，可以滿足自身發(fā)展需求的前提下，在運用該模型進行設(shè)計的過程中，要關(guān)注以下幾個問題：

其一是模型的綜合性考量。ISD Models模型最大的特點是系統(tǒng)性和針對性，在學習設(shè)計中需要將以上三個環(huán)節(jié)綜合起來考慮，三個環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，融為一體。尤其是在不同的大單元主題當中，需要進行更為綜合的思考。結(jié)合算法等內(nèi)容的特征，通過更寬泛的視角來設(shè)計合理的學習過程。

其二是算法學習主題的針對性設(shè)置。算法學習是一個較為明顯的大概念，具有自己鮮明的特征。為避免學習主題的片面，需要針對學生的需求來設(shè)計和開發(fā)主題項目。同時，主題的選擇需要能夠涵蓋教學目標的全部內(nèi)容，避免目標的缺失。

其三是設(shè)計過程的實時性迭代?；贗SD Models模型的學習設(shè)計環(huán)節(jié)較多，操作不到位容易導致學習過程的無效，因此需要教師全程跟進學習過程，及時對各個環(huán)節(jié)進行有效的評估，指導學習過程。學習設(shè)計的任務(wù)要與時俱進，實時調(diào)整，滿足不同層次學生的需求。