基于學科大概念的高中信息技術項目式學習探析
——以“石頭剪刀布”游戲為例

甘肅省天水市麥積區新陽中學 楊毅亮

項目式學習以更具整合性的教學樣態，強調學生主動學習、自主探究。師生、小組內外協作交流，學生大部分知識的獲得和技能的掌握都在探究活動實施過程中完成。就高中信息技術教學而言，學生在參與項目式學習過程中，學會如何思考問題、對問題如何一步一步地分解，形成編程思維；學會團體合作、信息和知識的分享、交流以及討論；學會使用思維導圖和“頭腦風暴”去解決主題涉及的相關問題，才能讓學科核心素養落地生根。

基于學科大概念的項目式學習，使課程內容結構化、體系化，能夠幫助學生建立具體知識和學科大概念之間的關聯與對接。高中信息技術學科包括數據、算法、信息系統與信息社會四個學科大概念[1]。厘清其中包含的“信息、知識與智慧”，能夠幫助學生發現知識間的本質聯系，學生在解決真實情境下具有學科價值的項目問題的過程中，可以二次優化和重構知識結構，明晰知識網絡聯系，建立完整的知識結構體系，使復雜的知識得到融會貫通，實現深度學習，促使學生成為合格的“數字公民”。

一、項目主題、情境及規劃

學科大概念視角下的項目式學習，可以將零散的、碎片化的知識結構化、系統化；能夠在項目的真實情境中對學科知識進行遷移運用，提高學生解決問題的能力，實現對學科核心知識和內容深度的理解，促使學生從低階思維提升到高階思維。項目式學習伊始，首先要確定項目的主題、情境，進行必要的規劃。

（一）主題

強調學科大概念，就要以大概念引領進行教材內容加工。粵教版普通高中信息技術必修一《數據與計算》第四章中的程序設計基礎為導向開發與設計本地化的項目實例，同樣可以進行創新加工。“石頭剪刀布”游戲正是基于學科大概念而進行項目式學習的創新內容。這是因為游戲是學生比較感興趣的話題，“石頭剪刀布”具有真實性、遷移性和自主性，能夠讓學生獲得個體意義的建構。這種基于學生原有經驗、印象與理解而進行新挑戰的遷移性，正是大概念學習的基本風貌。基于學科大概念開發一些小游戲，對學生而言既是對自己解決問題能力的一種挑戰，又是對自己已經掌握的Python 基礎的檢驗。教師應該引領學生應用Python 程序設計語言的基本知識解決“石頭剪刀布”游戲中涉及的問題，體驗程序設計的基本流程，用Python 程序設計語言實現該游戲，掌握程序調試與運行的方法。

（二）情境

“石頭剪刀布”是學生非常熟悉的猜拳游戲，又稱“猜丁殼”。這個游戲的主要目的是為了解決爭議，三者相互制約，不論平局幾次，總會有勝負。游戲規則是石頭克剪刀，剪刀克布，布克石頭。利用Python 程序設計語言來實現“石頭剪刀布”游戲，即玩家和電腦（人機）的對戰，以此為情境開展項目式學習，涉及的問題簡單，突破知識本位，學生容易接受和理解，能夠養成學科思維。

（三）規劃

正式的程序設計之前，教師應引領學生根據主題規劃和梳理涉及的相關問題，相互討論交流，梳理問題，針對主題形成系統化的認識，畫出思維導圖（見圖1）。

圖1 “石頭剪刀布”游戲的思維導圖

該項目是實現玩家和電腦之間的猜拳游戲，如果玩家出拳“石頭剪刀布”以文本的形式呈現，計算機無法識別和理解，更重要的是玩起來不方便。因此，將游戲問題的思維方式進行轉化，即用0 表示石頭，1 表示剪刀，2 表示布，游戲功能不變；電腦出拳也以數字的形式展現，分兩步實施，第一步是先固定出拳（0、1、2），第二步是隨機產生一個0-2之間的整數來表示電腦出拳，以此引導學生利用計算機去解決問題，培養學生的計算思維，以及對問題轉化的思維方式。

二、項目要求、目標及作用

（一）要求

通過高質量的課件、微課以及Python3 集成開發學習環境，應用Python 程序設計語言的基本知識解決“石頭剪刀布” 游戲中涉及的問題，體驗程序設計的基本流程，用Python 程序設計語言實現該游戲，掌握程序調試與運行的方法。

（二）目標

1.項目目標

（1）讓學生在掌握Python 程序設計語言基礎知識的基礎上，進行問題的分析；

（2）理解并掌握三種程序控制結構的基礎結構，設計算法并學會使用Python 程序設計語言實現編程；

（3）體驗程序設計的基本流程，掌握程序調試與運行的方法；

（4）將知識建構、技能培養與計算思維融入到Python 解決問題的過程當中，促進該項目對應課標的學科核心素養達成，完成項目學習目標。

2.學習目標

（1）能夠掌握input（ ）函數、print（ ）函數和int（ ）函數的基本用法；

（2）能夠掌握Python 程序設計語言的雙分支if 語句和多分支選擇結構if…elif…else 語句的一般格式及使用方法；

（3）能夠掌握Python 程序設計語言的循環結構的for 循環、循環嵌套、循環控制（break）等的一般格式及使用方法；

（4）理解并掌握import 導入隨機數模塊random。

（三）作用

以學科大概念為“錨點”，創設項目情境，通過分析問題，設計解決問題的算法，編寫代碼實現算法，并在Python 開發環境中調試運行，較好地滲透了運用程序設計的思想，能夠發展學生的計算思維。在此過程中，學生能夠較完整地體驗計算機解決問題的過程，理解和概述算法的概念與特征，學會運用恰當的描述方法和控制結構表示簡單的算法，懂得描述程序設計語言產生與發展的過程，了解不同類型程序設計語言的特點，掌握Python 的基本操作和三大控制結構以及輸入輸出函數的使用方法。

三、項目設計、操作及優化

（一）問題探究，設計算法

教師應引領學生通過查閱課本，掌握計算機解決問題的過程，包括分析問題、設計算法、編寫程序和調試運行四個階段。這一過程重在引領學生回顧以往的知識，掌握計算機解決問題的流程，以及熟悉程序化的設計路徑。作為教師則重在開展合作、探究、互動教學的觀察和指導，引導學生分析該項目，梳理關鍵性的問題，理清問題線路[2]。

如第一步出拳，包括玩家出拳（手動輸入）與電腦出拳（先固定后隨機）兩個部分。教師可組織學生制作表格，幫助學生梳理如何判斷玩家獲勝、平局與電腦獲勝三種結果。

（二）編寫程序，實踐操作

理清問題線路之后，教師依據學科大概念，由“符合的知識”過渡到“方法的知識”，引導學生在Python 開發環境中進行實踐操作，對核心程序進行編寫并調試運行，讓學生深入理解如何解決項目涉及的問題，加深對主題的認識，并編寫流程（見表1）。

表1 核心程序編寫流程

上述活動既包括程序設計，又包括實踐操作——依托編程產生數據，根據數據進行判斷，由此，數據、算法與信息之間產生了橫向聯系。這樣的結構化狀態基于學科大概念，通過項目式學習得以落實，能夠提升學生持久且可遷移的理解能力。

（三）優化游戲，學以致用

學科大概念強調算法與程序之間的內在聯系，重在矯正“編程是實現算法唯一方式”的錯誤認識。基于此，一定的操作之后，教師可以提出項目游戲優化思路，讓學生思考：從哪些角度去設計更具人性化和可操作性？如何改進才是最好的？可以通過小組討論、思考交流，展示優化方案及措施。

1.分組編寫程序

教師鼓勵學生按照規則繼續出拳，直到滿足規則為止。讓學生分組編寫程序，提出進一步優化的措施，從“玩家出拳”到“你出的拳不合法”，既融入了學生已有的經驗，又依據實情進行有意義的異同辨別，轉化成聚焦大概念的活動。

2.更改游戲規則

通過坡度與梯度設計進一步實現由淺到深的編程：每局玩十次，利用for 循環來解決該問題。這一過程同樣分解為子任務，讓學生以更具整合性的樣態完成任務，實現項目式學習。學生若出現問題，教師不是急于告知答案，而是在分組討論、自主探究的基礎上進行項目的整合。通過匯總各小組的討論結果，最終達成共識，其編寫程序如下（見表2）。

表2 for 循環解決問題示例

這個過程中，部分學生理解變量與常量，但對運算符不太熟練，此時，教師應綜合運用編寫程序讓學生反復談論，并且進行逆向思考，完成人機對話。學生還可能在理解賦值、輸入輸出和控制等功能方面出現一些錯誤，教師可以從程序邏輯方面引導學生構建思維認知地圖，通過必要的小組合作，通過子任務與總任務的有效勾連，進行必要的改進，進而將顯性知識與隱性知識整合起來，完成項目式學習。

3.進行顯示優化

對玩家和電腦出的拳進行顯示優化，既幫助學生進行思維進階，又能幫助學生真正地利用列表解決該問題。教師定義數據類型列表a=["石頭"，"剪刀"，"布"]，然后在每次游戲中顯示玩家和電腦各出的拳，一目了然，最后判定輸贏。玩滿一局十次后，讓玩家自主選擇退出游戲，還是繼續游戲進行優化。如選擇后者，可以進一步編寫程序，并在實際操作后對本局游戲和最終游戲結果進行統計。學生可能不會統計，此時，教師可以定義四個變量，分小組讓學生分別對“玩家獲贏”“平局”“電腦獲贏”以及玩的“局數”進行統計，玩家贏一次i+=1、平局一次j+=1、電腦贏一次k+=1，完成滿一局l+=1。具體記錄符號如下：i=0 #記錄玩家贏的次數，j=0 #記錄平局的次數，k=0 #記錄電腦贏的次數，l=0 #記錄玩的局數，e=0 #記錄玩家贏的總次數，f=0#記錄平局的總次數，g=0 #記錄電腦贏的總次數。

統計過程中，教師注意培養學生的數據意識，注重數據與信息的橫向演變，完成科學統計分析，做到去偽存真，為學科大概念的理解提供可靠數據。在此基礎上，教師呈現項目式學習的結果，展示特別精彩或有創意的地方。其編寫程序如下（見表3）。

表3 最終結果統計程序示例

通過以上活動讓項目小組進行思考、討論后，從“初識”到“深入”，從不同的角度設計出優化的措施和方案，用Python 實現其功能，并能根據優化方案后的功能進行調試運行。仍然以小組自主測試為前提，最終指向項目完成。這樣的一個螺旋上升的過程，正是強化學科大概念的過程，也是落實項目式學習的過程，相當一部分學生能夠用程序設計的思想解決學習和生活中的相關問題，拓展解決其它學習和生活中的相關問題，達到學以致用的效果。

總之，基于學科大概念，基于學科意識運用“做中學、學中創、創中樂”的項目式學習策略[3]，能達到解決真實問題的目的。基于學科大概念，高中信息技術學科的學習并非簡單的“拿來主義”，而需要綜合性的加工與創新。這樣的綜合性、創造性學習方式通過項目式學習有效落地，體現了指向素養提升的育人價值，實現了學生低階思維向高階思維的進化，實現了由講授到建構的轉化，促進了學生的深度學習，發展了學科核心素養。