信息技術(shù)學(xué)科大概念的內(nèi)涵特征與學(xué)習(xí)路徑

湯蓉 江蘇省泰州市第二中學(xué)

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》以培養(yǎng)核心素養(yǎng)為目標(biāo)，首次精煉出四個學(xué)科大概念：數(shù)據(jù)、算法、信息系統(tǒng)和信息社會。學(xué)科大概念作為培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的階梯和抓手，是貫穿具體知識點(diǎn)的主線。同時，課程內(nèi)容基于學(xué)科大概念層層遞進(jìn)的關(guān)聯(lián)，呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)化的框架。

●學(xué)科大概念對于信息技術(shù)學(xué)科的意義是什么？

在新課程實(shí)施后，筆者對江蘇各地多所高中的信息技術(shù)教師開展問卷調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，高中信息技術(shù)課程教學(xué)普遍存在三個問題：

①90%的信息技術(shù)教師關(guān)注的仍是學(xué)生知識點(diǎn)的掌握。對每個章節(jié)的具體知識點(diǎn)和概念較為重視，但對知識點(diǎn)蘊(yùn)含的內(nèi)在關(guān)聯(lián)、邏輯依據(jù)思考較少，沒有從學(xué)科大概念的角度連貫成一個結(jié)構(gòu)化整體，缺乏對深層次價值意義和學(xué)科思維方法的思考。

②工具類學(xué)科的定位根深蒂固。只要求在確認(rèn)要解決的問題后，選用一個適合的工具，掌握對應(yīng)的技能方法即可，學(xué)生學(xué)到的是龐雜而零散的知識與技能，對技術(shù)與真實(shí)世界的關(guān)聯(lián)、技術(shù)底層的基本原理和概念并不了解，缺乏從形象思維到抽象思維的過渡理解。

③缺少對學(xué)生思維進(jìn)程的引導(dǎo)和判斷。教師一般采用模擬習(xí)題訓(xùn)練（系統(tǒng)打分），只對知識點(diǎn)掌握情況和操作技能的熟練程度進(jìn)行判斷考核。

這三個問題共同導(dǎo)致了一個結(jié)果：學(xué)生學(xué)到大量的惰性知識，無法構(gòu)建自身結(jié)構(gòu)化的知識網(wǎng)絡(luò)，因而很難形成自己的核心觀點(diǎn)。這也正是要強(qiáng)調(diào)大概念統(tǒng)領(lǐng)的實(shí)踐動因，唯有立足教學(xué)中學(xué)生的實(shí)際問題，才能幫助學(xué)生把握大概念的實(shí)質(zhì)內(nèi)涵。

●學(xué)科大概念究竟是什么樣的概念？

大概念的初衷是從學(xué)科邏輯的角度，提煉出本學(xué)科最核心、最本質(zhì)的思想，是對學(xué)科內(nèi)容最精煉的內(nèi)涵提取，能將學(xué)科內(nèi)容聯(lián)系成一個連貫的整體。

大概念的本質(zhì)是一種觀念，它不是高度抽象的、孤立的概念個體，而是由事實(shí)、經(jīng)驗(yàn)逐步向上提煉的概念體系，具有“案例事實(shí)、已有經(jīng)驗(yàn)—具體概念—核心概念—學(xué)科大概念”的層次結(jié)構(gòu)。大概念處于這個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系頂端，是學(xué)科中的統(tǒng)領(lǐng)概念，因此大概念最能反映學(xué)科本質(zhì)和學(xué)科內(nèi)涵。在一個概念體系中，概念所處層級越高，其抽象性與遷移性越強(qiáng)，生活性與具體性越弱，越難被理解，如圖1所示。

圖1

●如何對學(xué)科大概念進(jìn)行分解？

要組織大概念統(tǒng)領(lǐng)下的項目式學(xué)習(xí)，首先要對學(xué)科大概念進(jìn)行分解，厘清大概念與下一層子概念的邏輯關(guān)系，梳理出由淺入深、從簡單到復(fù)雜的帶有層級的概念層級體系，并挖掘出這些概念所指向的真實(shí)問題，才有可能讓學(xué)生在真實(shí)問題的探究中，實(shí)現(xiàn)對概念的理解。

以“信息系統(tǒng)”大概念為例，從信息系統(tǒng)的關(guān)鍵要素、工作過程、發(fā)展趨勢出發(fā)進(jìn)行分析，應(yīng)先厘清下一層核心概念，再對分析出的核心概念進(jìn)行分解，結(jié)合單元內(nèi)容，梳理出下一層具體概念，最后探尋概念所指向的真實(shí)問題，從而創(chuàng)設(shè)適合的項目式情境。下面，筆者以“信息系統(tǒng)”（大概念）—“信息系統(tǒng)的組成”（核心概念）—“人、硬件和軟件、數(shù)據(jù)和通信方式”（四個具體概念）—“真實(shí)問題”這個概念邏輯為例進(jìn)行分析。

Solution of nonlinear operator equation by inexact iterative under the ordered compressed conditions

1.人——信息系統(tǒng)的主導(dǎo)因素

信息系統(tǒng)都是根據(jù)使用者和開發(fā)者的需求來確定系統(tǒng)功能，系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)和后期維護(hù)也都是人來完成，因此人是主導(dǎo)因素。

以教科版教材中的“圖書管理系統(tǒng)”為例，首先引導(dǎo)學(xué)生從管理員的困惑出發(fā)，根據(jù)需求明確功能；其次讓學(xué)生作為設(shè)計者，體驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)的完整流程；最后在測試和拓展環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生思考登錄框架可應(yīng)用于其他哪些場景，在使用測試后需要補(bǔ)充哪些功能，讓學(xué)生在實(shí)踐中理解信息系統(tǒng)始終都圍繞著人的需求。

2.數(shù)據(jù)——信息系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)

在系統(tǒng)功能確定后，需要收集與其相關(guān)的信息并將其轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是信息系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。例如，在“校運(yùn)會管理系統(tǒng)”的幾大功能模塊確定后，讓學(xué)生探討：建立數(shù)據(jù)庫需要搜集哪些信息？從比賽項目、運(yùn)動員、裁判員、比賽成績等幾個角度如何建立數(shù)據(jù)表？同時，以運(yùn)動員表為參考，讓學(xué)生嘗試建立其他數(shù)據(jù)表，分析設(shè)計E-R圖，確定需要的字段等。在這個過程中，讓學(xué)生探究數(shù)據(jù)庫的建立步驟，理解深度數(shù)據(jù)的概念，體會數(shù)據(jù)對信息系統(tǒng)的重要支撐作用。

3.硬件與軟件——信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

硬件搭建部分的內(nèi)容可以通過跨學(xué)科主題組織項目式學(xué)習(xí)，讓學(xué)生動手設(shè)計和模擬組裝。對學(xué)生來說，通過動手實(shí)踐既能體驗(yàn)到信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，也能真正從實(shí)踐層面理解自主可控的意義。

例如，“自動澆花系統(tǒng)”在項目的容量、難度、硬件的選擇上，都符合高中生的認(rèn)知水平，可以讓學(xué)生完整體驗(yàn)一個小型信息系統(tǒng)的開發(fā)流程。在實(shí)踐中學(xué)生的探究興趣濃厚，小組的項目完成度較高，在使用Arduino、傳感器、繼電器等硬件裝置時，融合了物理概念和原理，具有一定的挑戰(zhàn)性。對學(xué)生來說，通過親自動手搭建讓“信息系統(tǒng)的工作流程”的概念變得具體形象，在遇到問題、不斷解決問題的過程中，更有效地建構(gòu)了自己的知識網(wǎng)絡(luò)，加深了對概念的理解。

在“信息系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計”部分，因?yàn)殚_發(fā)流程的步驟比較復(fù)雜，學(xué)習(xí)難點(diǎn)較多，教師可以通過設(shè)計腳手架的方式，保證整個項目流程的體驗(yàn)完整度。

例如，采用半成品的流程圖和代碼，讓學(xué)生填寫關(guān)鍵部分，既達(dá)到理解算法的目的，也符合學(xué)測方向。以“網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)開發(fā)”為例，在體驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)版與單機(jī)版的差別后，讓學(xué)生從幾個角度思考區(qū)別，完成表格填寫，再引出c/s和b/s等概念，從形象到抽象過渡的腳手架設(shè)計，有效促進(jìn)學(xué)生對概念的理解。

4.通信技術(shù)——信息系統(tǒng)與外部的連接

例如，出門在外，手機(jī)端可以實(shí)現(xiàn)對澆花系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制、實(shí)現(xiàn)對智能家電的遠(yuǎn)程遙控等，讓學(xué)生更直觀地理解網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在其中的支撐作用。

●信息技術(shù)學(xué)科大概念的內(nèi)涵特征是什么？

1.數(shù)據(jù)

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020修訂）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）中定義：“數(shù)據(jù)是描述事物的符號記錄，是信息的載體，是計算工具識別、存儲、加工的對象?！币肜斫庑畔⒓夹g(shù)學(xué)科中的“數(shù)據(jù)”內(nèi)涵，先要讓學(xué)生理解與數(shù)學(xué)學(xué)科相比，“數(shù)據(jù)”概念區(qū)別是什么？數(shù)學(xué)中的數(shù)據(jù)（data）是指對客觀事物的符號表示，它能準(zhǔn)確描述事物的狀態(tài)、屬性等，是在客觀物理世界里觀察、測量等得到的，對于其運(yùn)算處理，通常稱為數(shù)值計算。而計算機(jī)處理的數(shù)據(jù)除了數(shù)值，還有可能是圖片、聲音、視頻等形式的信息，它們都要輸入計算機(jī)，并被計算機(jī)處理運(yùn)算，這些都是數(shù)據(jù)。所以，信息技術(shù)學(xué)科中的“數(shù)據(jù)”概念本身有更重要的含義，就是數(shù)字化。

以教科版教材為例，“數(shù)據(jù)”大概念的呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。第一單元“初識數(shù)據(jù)與計算”，從學(xué)生熟悉的數(shù)值型數(shù)據(jù)開始，對應(yīng)生活中的簡單計算問題，如體脂率計算、攝氏與華氏溫度的轉(zhuǎn)換、雞兔同籠等數(shù)值計算類問題，形成概念的初步認(rèn)識；第二單元“編程計算”與之對應(yīng)，對數(shù)值計算類問題進(jìn)行基本算法的設(shè)計和編程實(shí)現(xiàn)，以數(shù)值算法為主；第三單元“認(rèn)識數(shù)據(jù)”引入非數(shù)值型數(shù)據(jù)，從聲音、文本等信息的采集與編碼，到數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)，再到分析數(shù)據(jù)與系統(tǒng)的關(guān)系等，逐步展開“數(shù)據(jù)”大概念的下一層核心概念；第四單元“計算與問題解決”則對應(yīng)生活中較復(fù)雜的綜合問題，對于綜合問題的解決，既需要數(shù)值算法，更需要非數(shù)值算法。進(jìn)階式設(shè)計讓教材結(jié)構(gòu)形成連貫的整體，符合學(xué)生的認(rèn)識規(guī)律。

圖2

光是將大概念分解為核心概念，然后是具體概念，接下來的重要步驟是概念指向生活中的真實(shí)問題。

以“數(shù)據(jù)編碼”為例，教師列出創(chuàng)設(shè)的真實(shí)情境，如小區(qū)住戶的門牌號碼、校運(yùn)會運(yùn)動員編號（包含不同年級、班級、運(yùn)動項目等）、餐廳排隊叫號的編號（包含不同桌型和順序等），核心概念對應(yīng)核心問題（任務(wù)序列）的設(shè)計，讓學(xué)生理解編碼的意義，以及為什么要有編碼。（編碼的本質(zhì)作用是為了秩序）

2.算法

算法是對特定問題求解步驟的一種描述，是一系列解決問題的清晰指令，算法設(shè)計的目的就是要提高效率。

算法概念與數(shù)據(jù)一樣，不局限于某一單元或者某一模塊的學(xué)習(xí)，更不局限于編程學(xué)習(xí)，高中階段的算法學(xué)習(xí)重點(diǎn)偏向于綜合問題的解決。在智能化時代，信息的來源、信息分類以及信息的獲取方式等都發(fā)生了很大變化，同一個問題采用不同的算法，時間復(fù)雜度和空間度不同，解決問題的效率差異性很大，因此，算法對各種信息系統(tǒng)的優(yōu)化完善作用非常重要?！八惴ā贝蟾拍钭鳛檫壿嬛骶€，貫穿整個知識體系，它的價值在于把復(fù)雜的問題簡單化，分析問題涉及多方面信息，能做出更高效準(zhǔn)確的綜合判斷。

3.信息系統(tǒng)

在新課標(biāo)中，信息系統(tǒng)的定義是：“從組織結(jié)構(gòu)的視角來看，信息系統(tǒng)是由用戶、數(shù)據(jù)、硬件/軟件設(shè)施構(gòu)成的人機(jī)交互系統(tǒng)。”合理設(shè)計和應(yīng)用信息系統(tǒng)，可以更好地感知、傳遞、處理和應(yīng)用信息。在高中階段的信息系統(tǒng)概念體系中，核心概念主要是從信息系統(tǒng)的關(guān)鍵要素、工作過程、發(fā)展趨勢出發(fā)進(jìn)行分析，其中包含信息系統(tǒng)的組成、信息系統(tǒng)的功能等。

相對于前兩個大概念，“信息系統(tǒng)”這個概念的抽象度和復(fù)雜度較高，可以借助義教階段六條邏輯主線之一的“過程與控制”，來實(shí)現(xiàn)概念理解的進(jìn)階。在學(xué)習(xí)了數(shù)據(jù)與編碼、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、身邊的算法之后，作為重要連接點(diǎn)，用“過程與控制”引入后面的概念，即信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的處理流程，讓學(xué)生用系統(tǒng)觀的方法來認(rèn)識信息系統(tǒng)，分析生活場景中隨處可見的“輸入—處理—輸出—反饋”的流程模式。以兩種感應(yīng)水龍頭的控制系統(tǒng)為例，其環(huán)節(jié)分析如下表所示。

生活實(shí)例數(shù)據(jù)的處理流程環(huán)節(jié)分析感應(yīng)水龍頭控制系統(tǒng)1：將手靠近感應(yīng)水龍頭，有固定水流量的輸出，出水一分鐘后停止將手靠近感應(yīng)水龍頭，傳感器感應(yīng)到手部，并將信號輸入到控制系統(tǒng)，經(jīng)過計算，打開水閥，實(shí)現(xiàn)固定水流量的輸出，達(dá)到預(yù)設(shè)的固定值后，則停止水流具有“輸入—處理—輸出”三個典型環(huán)節(jié)的小型信息系統(tǒng)感應(yīng)水龍頭控制系統(tǒng)2：將手靠近感應(yīng)水龍頭時出水，手離開感應(yīng)區(qū)，水流會立刻停止在感應(yīng)出水后，如果手離開感應(yīng)區(qū)，傳感器感知到，將信號輸入控制系統(tǒng)，經(jīng)過計算，關(guān)閉水閥，水流立刻停止加入了反饋環(huán)節(jié)，具有“輸入—處理—輸出—反饋”四個典型環(huán)節(jié)的小型信息系統(tǒng)

“信息系統(tǒng)”概念的學(xué)習(xí)，可以采用跨學(xué)科主題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)來開展，跟其他學(xué)科不同，信息技術(shù)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)一般是針對數(shù)據(jù)和信息。新課標(biāo)解讀中指出：“實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，使用一定的設(shè)備和材料，通過控制條件的操作過程引起實(shí)驗(yàn)對象的某些變化，從觀察這些現(xiàn)象的變化中獲取新知識或驗(yàn)證新知識的教學(xué)法?！?/p>

例如，讓學(xué)生動手設(shè)計和模擬組建小型紅綠燈系統(tǒng)（從功能設(shè)計到硬件組裝），借助開源軟硬件平臺，設(shè)計解決方案，最后通過實(shí)踐操作模擬搭建系統(tǒng)，讓學(xué)生在假設(shè)、實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證等過程中，提升動手實(shí)踐能力和靈活應(yīng)用知識的高階思維能力，同時深入理解“信息系統(tǒng)”概念所包含的核心內(nèi)涵。

4.信息社會

在新課標(biāo)中，信息社會的定義是：“信息社會是通過創(chuàng)造、分配、使用、整合和處理信息進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、政治和文化的社會形態(tài)。其中的社會成員通過創(chuàng)新、高效使用信息技術(shù)等手段，以獲得較高的個人或組織生成與發(fā)展優(yōu)勢?！?/p>

高中階段的“信息社會”概念體系，以核心素養(yǎng)之一的“信息社會責(zé)任”培養(yǎng)為目標(biāo)，從倫理道德、法律法規(guī)、技術(shù)等角度來分析信息社會的形態(tài)和基本特征，側(cè)重探討信息技術(shù)對人類社會的影響，以及信息社會的未來發(fā)展。目前，隨著人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，“信息社會”的概念體系中也包含了人工智能與智慧社會的重要內(nèi)涵。

高中階段人工智能項目的設(shè)計要讓學(xué)生理解人工智能解決問題的主要方法和流程，教師可以借助適合的AI平臺或軟件，如百度AI、騰訊AI等，搭建簡單的智能應(yīng)用，不僅讓學(xué)生探究簡單的人工智能項目或開展人工智能實(shí)驗(yàn)活動，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，解決身邊問題，體驗(yàn)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的收集、人工智能模型的參數(shù)調(diào)整等，還讓學(xué)生理解人工智能的局限性，如深度學(xué)習(xí)對數(shù)據(jù)集的依賴，訓(xùn)練數(shù)據(jù)的抽象偏差、數(shù)據(jù)不平衡及數(shù)據(jù)質(zhì)量低等，都會造成AI運(yùn)行結(jié)果的錯誤。同時，引導(dǎo)學(xué)生思考人工智能給社會發(fā)展帶來的負(fù)面影響，如智能推送算法造成信息繭房、個人隱私數(shù)據(jù)的泄露、AI算法的惡意使用等，進(jìn)一步培育學(xué)生的信息社會責(zé)任素養(yǎng)。

信息技術(shù)教師只有真正把握學(xué)科大概念的本質(zhì)內(nèi)涵，以大概念為主線，理順知識背后所蘊(yùn)含的內(nèi)在關(guān)聯(lián)和邏輯依據(jù)，形成以大概念為統(tǒng)領(lǐng)的結(jié)構(gòu)化知識，才能對學(xué)生的思維進(jìn)程進(jìn)行引導(dǎo)，讓學(xué)生在內(nèi)容連貫的整體中構(gòu)建知識，優(yōu)化自己的知識結(jié)構(gòu)，真正促成淺表學(xué)習(xí)到深度學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變，把所學(xué)的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為解決問題的思路與方法，從而實(shí)現(xiàn)從知識到素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化。