信息科技課程中“科學原理”的核心教學方法：歸于算法，始于算理

摘要：信息科技課程中“科學原理”的本質是算法，課程核心目標（計算思維）指向學生解決問題（改造世界）的能力。基于此，文章提出了信息科技課程中“科學原理”的核心教學方法——“歸于算法，始于算理”，并結合教學設計實例進行了詳細闡述。其中，“歸于算法”面向教學目標，是將科學原理還原為算法，解決科學原理“教什么”的問題，并提煉出算法中蘊含的“大方法”作為教學過程的聚焦點；“始于算理”面向教學過程，是還原算法的生成情境，解決科學原理“如何教”的問題，可細化為“問題分析—算法創造（探究）—應用遷移”三個階段。“歸于算法，始于算理”核心教學方法的提出，可使信息科技課程中“科學原理”的教學彰顯出不同于科學類課程的學科本質特征：在教學目標角度，從“認識原理（認識世界的能力）”轉變為“創造算法（改造世界的能力）”；而在教學過程角度，從始于現象觀察的“認識性探究”轉變為始于問題分析的“創造性探究”。

關鍵詞：信息科技課程；科學原理；核心教學方法；算法；算理

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2023）07—0035—09 【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2023.07.004

作為本學科義教階段首個國家層面的課程標準，《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》進一步凸顯了《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》就已攜帶的“科學”味道，典型的做法是將課程名稱由“信息技術”改為“信息科技”，并引入大量“科學原理”^[1]類知識，如簡單控制系統、互聯網、物聯網等的基本原理。可見，信息科技課程已逐步褪去工具色彩，與物理、化學、生物等科學類課程似乎不再有清晰邊界。如此，問題便來了：對于科學原理類知識的學習，信息科技課程可否借用科學類課程^[2]“現象感知—原理理解（探究）—應用遷移”的教學流程？如果答案為“是”，那么如何有效發揮此類知識對信息科技課程的核心目標——計算思維^[3]的支持作用？如果答案為“否”，那么對于科學原理的教學，信息科技課程應采用何種教學流程？對此關涉學科核心目標能否有效達成的關鍵問題，目前尚未引起信息科技課程研究者的足夠重視。對此，本研究嘗試首先深入分析信息科技課程中“科學原理”的本質；隨后以此為基礎，結合科學思維與計算思維的不同教育指向，提煉出信息科技課程中科學原理的核心教學方法；最后通過具體教學設計案例，詳解如何在教學過程中踐行此核心教學方法，以支持課程核心目標（計算思維）的有效達成。

一 信息科技課程中“科學原理”的本質

直觀來看，信息科技課程中的互聯網基本原理與生物課程中的光合作用原理均為科學原理。然而，表象相同或相似的事物，本質未必相同。所謂“本質”，是指事物的根本屬性，而追根溯源是洞悉事物本質的有效方法^[1]。因此，以洞悉本質為目的，有必要分別追溯科學類課程、信息科技課程中“科學原理”的源頭。

知識是人類實踐的結果，實踐包括認識世界的實踐和改造世界的實踐。這里的“世界”包括自然世界和人類社會，其中自然世界又可進一步劃分為天然自然世界和人工自然世界兩個部分^[2]。科學類學科的使命是認識天然自然世界，其結果是形成從不同角度解釋天然自然世界的科學知識，科學原理便內含其中。也就是說，科學類學科中的科學原理源于天然自然世界，更具體地說是源于天然自然世界中存在的自發性規律^[3]。

信息科技學科屬于技術類學科，技術類學科的使命是改造自然世界，而認識世界是改造世界的前提和基礎。如前文所述，科學類學科主要負責認識、解釋天然自然世界，那么認識、解釋人工自然世界的責任便由技術類學科來承擔。具體到信息科技學科，其負責解釋的是人工自然世界中由既往信息技術實踐所形成的人工自然對象，如計算機、互聯網、物聯網等。以上對象亦有各自的運動規律，但與天然自然對象不同的是，這些對象中存在的規律是信息技術實踐者賦予的，更具體地說是信息技術實踐者為解決特定信息加工、傳輸等問題所設計的問題解決方案的物化。作為對此種“人工”規律的能動反映，信息科技學科中的科學原理從源頭或本質上來說就是問題解決方案或方法。以互聯網基本原理為例，其主要體現為一組互聯網協議，這組協議實際上是為解決互聯網各數字設備間高效、可靠的數據傳輸問題而設計的問題解決方案。

算法是信息科技課程中的一個重要概念，是指解決問題或完成任務的一系列步驟^[4]，主要包括生活算法、數學算法、計算機算法等。構造算法的過程就是問題解決過程^[5]，從這個意義上說，算法就是問題解決方法^[4]。據此，可以對信息科技課程中“科學原理”的本質做如下表述：信息科技課程中“科學原理”的本質是算法。

二 科學思維與計算思維的不同教育指向

核心教學方法是指內含于各種具體教學方法中穩定、統一的教學原則或邏輯^[6]。事實上，對于科學原理類知識，信息科技課程之所以不能直接采用“現象感知—原理理解（探究）—應用遷移”這一科學類課程的教學流程，不僅緣于兩類科學原理的本質差異，更緣于科學類課程核心目標（科學思維）與信息科技課程核心目標（計算思維）的不同教育指向。

如前文所述，實踐包括認識世界的實踐和改造世界的實踐兩種類型，與之相對應，便有兩種基本的能力——認識世界的能力和改造世界的能力。其中，認識世界的能力是指主體能動地反映、解釋客觀事物的能力；而改造世界的能力是指主體以需求或目標為導向的塑造現實、改造現存事物的能力——這兩種能力是基礎教育的重要培養目標。以此為參照，科學思維與計算思維的不同教育指向主要表現為：①科學思維是基礎教育階段科學類課程的核心目標。《義務教育物理課程標準（2022年版）》《義務教育化學課程標準（2022年版）》對科學思維的描述分別如下：“科學思維是從物理學視角，對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式……”^[7]“科學思維是從化學視角研究物質及其變化規律的思路和方法，是從宏觀、微觀、符號相結合的視角探究物質及其變化規律的認識方式……”^[8]顯然，科學思維指向學生認識世界的能力，科學類課程的任務則是從不同角度支持學生認識世界之能力的發展。②計算思維是信息科技課程的核心目標。既有關于計算思維的解讀頗多，其中“問題解決說”的認同度最高^[9]——《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》均采用此種解讀方式，認為計算思維是“在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動”^[10]、“在問題解決過程中涉及的思維活動”^[11]。同時，《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》對課程總目標有如下描述：“初步具備解決問題的能力，發展計算思維”^[12]，這更加明確了計算思維與問題解決能力的一致性。在基礎教育語境下，問題需作廣義理解，即指事物現存狀態和主體需求或理想狀態之間的差異^[13]；問題解決則指以主體的需求為目標，將事物的現存狀態改造為理想狀態。因此，可進一步對計算思維的教育指向表述如下：計算思維指向學生改造世界的能力。基于此，信息科技課程應為學生改造世界（問題解決）之能力的發展提供系統支持。

既有的教育研究與實踐已經證明，系統掌握人類在認識世界、改造世界的實踐中所形成的知識，并經歷知識的生成過程，是學生認識世界、改造世界（問題解決）之能力發展的重要途徑^[14]。作為科學類課程內容的科學知識是人類認識世界的成果，科學原理是其重要組成部分，因此經過“現象感知—原理理解（探究）—應用遷移”這一教學流程，學生一方面可以在抽象的科學原理與具體的科學現象之間建立關聯，實現對科學原理的深度內化；另一方面可以通過自主探究，經歷科學原理的發現過程。這兩個方面共同作用，使得科學類課程中“科學原理”的教學為學生認識世界之能力的發展提供了直接、有效的支持。

與科學思維不同，計算思維指向學生改造世界（問題解決）的能力，其以學生系統掌握人類改造世界（問題解決）的成果——算法、并經歷算法的創造過程為主要發展途徑。對于信息科技課程中“科學原理”的教學，若采用科學類課程的教學邏輯，則將呈現以下教學過程（以互聯網基本原理為例）：首先，從感知生活中的互聯網應用場景入手，引導學生思考其內部原理；之后，通過動畫、類比或模擬實驗等方式，使學生理解互聯網內部原理；最后，運用掌握的原理解釋相關現象或解決相關問題。以上教學思路受到了諸多資深信息科技教研員的推崇，但問題在于按以上思路展開教學，學生經歷的是對既有“互聯網基本原理”的認識而非創造過程，學習結果亦是作為表象的科學原理而非本質的算法。可見，如果信息科技課程中“科學原理”的教學采用科學類課程的教學流程，那么其對于計算思維發展的支持作用將很難有效發揮。

三 信息科技課程中“科學原理”的核心教學方法

承接前文，若要為學生計算思維的發展提供直接、有效的支持，就不能把信息科技課程中的科學原理與科學類課程中的科學原理簡單等同。換言之，需要透過其作為科學原理的表象，看到其作為算法的本質，將科學原理還原為算法（簡稱“歸于算法”）；在此基礎上，還原彼時激發計算機科學家創造算法（科學原理）的問題情境，并讓學生經歷與計算機科學家相似的算法創造過程（簡稱“始于算理”）。如此，才能充分發揮“科學原理”教學對于計算思維發展的支持作用。下文將結合實例，來詳解“歸于算法，始于算理”這一核心教學方法。

1 歸于算法：將科學原理還原為算法

以互聯網基本原理為例，所謂“歸于算法”，是指將互聯網工作原理看作人們為解決互聯網各數字設備之間高效、可靠的數據傳輸問題而設計的問題解決方案。這樣一來，“科學原理”的教學便轉化為算法的教學，學生的學習過程也不再是對已有科學原理的認識過程，而是算法的創造過程，此學習過程和結果直接指向計算思維的發展。以充分挖掘科學原理對于計算思維發展的價值為目標，將科學原理還原為算法僅是第一步，還需在此基礎上提煉出算法的核心部分——“大方法”（即內含于各種具體算法中的一般性原則），并將其作為教學過程的聚焦點。

在基礎教育階段，科學知識的核心部分——“大觀念”早已成為科學類課程的聚焦點，如物理課程中的“運動和相互作用觀念、能量觀念”^[15]，化學課程中的“物質結構決定性質、通過化學反應可以實現物質轉化”^[16]，生物課程中的“進化與適應觀、生態觀”^[17]等。然而，與“大觀念”相比，“大方法”在基礎教育階段并未得到應有重視，甚至可以說存在系統性缺失——此系統性缺失已經造成學生在面對復雜問題時普遍缺少統籌規劃的意識和能力，表現為復雜問題解決能力不足。鑒于此，在將信息科技課程中的科學原理還原為算法之后，進一步提煉蘊含其中的“大方法”更為重要。事實上，能夠支持學生系統學習“大方法”的，正是信息科技課程對于學生終身發展和社會發展而言獨特的、不能被其他課程所替代的價值^[18]。

在前期研究中，本研究團隊已經完成對信息科技課程中所蘊含“大方法”的系統提取工作，共提取出13個“大方法”，分別為：分治、減治、變治、封裝、重用、可視化、迭代、統籌、折衷、貪心、蠻干、回溯、動態規劃^[19]，其內涵如表1所示。作為信息科技課程的一部分，科學原理類知識中蘊含的“大方法”便在此范圍內。例如，“互聯網基本原理”中至少可提煉出分治、封裝、統籌三個“大方法”，具體表現為：將互聯網各數字設備之間高效、可靠的數據傳輸這一復雜問題逐層分解，每一層只完成相對簡單的任務（分治）；各層相互透明，隱藏任務完成細節（封裝）；合理規劃各層任務，并在層與層之間設置接口，實現各層之間的有效聯動（統籌）。

2 始于算理：還原^[5]算法的生成情境

如果將信息科技課程中“科學原理”的教學看作一個從目標確定開始的完整過程，那么“歸于算法”主要是為“教什么”提供方法指導。在將科學原理還原為算法，并將算法特別是將蘊含其中的“大方法”作為教學內容和目標后，如何有效實現教學目標便成為了需要進一步思考的問題——這顯然是一個關于教學過程組織的問題。針對這一問題，本研究提出一種核心教學方法——“始于算理”。所謂算理，是指算法的道理，重在解決“為什么這樣算”的問題（算法重點解決的是“怎樣算”的問題）^[20]。始于算理，是指在教學過程中應采用先算理后算法的教學順序，而不能與此相反，更不能只講算法、不講算理。

有研究者用“活力”這一概念表示學生所學知識的可遷移程度^[21]，“始于算理”這一核心教學方法正是以有效提升學生頭腦中算法（特別是“大方法”）的活力，使其在相關問題情境中能夠被有效調用或激活為旨歸。如果在教學過程中只講算法不講算理，那么結果便是學生只知其然而不知其所以然，自然無法將算法有效遷移到其他問題情境中；如果采用先算法后算理的教學順序，則意味著算法是教師直接“強加”給學生的，學生并未經歷算法的創造過程，習得的算法在很大程度上依然是脫離問題情境的抽象、惰性、缺少活力的算法。只有教學過程“始于算理”，即還原彼時激發計算機科學家創造算法（科學原理）的問題情境，并讓學生經歷與計算機科學家相似的算法創造過程，如此算法由算理而來，學生獲得的算法才是植根于問題情境、富有活力且能夠被不斷再創造的算法。例如，若將“始于算理”這一核心教學方法應用于“互聯網基本原理”的教學過程中，即讓學生直面“互聯網各數字設備之間高效、可靠的數據傳輸問題”，并經歷面向此問題的算法（互聯網基本原理）探究、創造過程，那么學生將不僅能夠深刻理解彼時計算機科學家為何采用此種算法（既有的互聯網基本原理），而且未來當互聯網數據傳輸需求發生變化時，亦能在既有算法的基礎上創造新的算法（新的互聯網基本原理）——這正是計算思維所指向的改造世界（問題解決）的能力。

事實上，對于“科學原理”的教學，信息科技課程中的“始于算理”與科學類課程中的“現象感知—原理理解（探究）—應用遷移”具有相似的內核：一是都面向教學或學習過程，二是均強調還原科學原理的生成情境。基于此，可以參考科學類課程，將“始于算理”進一步細化為前后相繼的三個階段。不過，因信息科技課程中“科學原理”的本質是算法，故“始于算理”的第一階段不是對既有現象的感知，而是對問題（如互聯網各數字設備之間高效、可靠的數據傳輸問題）的分析，即“問題分析”。第二階段雖為探究，但不是科學類課程中對既有科學原理（規律）的認識性探究（發現），而是對算法的創造性探究（發明），這一階段可稱為“算法創造（探究）”，這也是技術類課程與科學類課程中“探究”的根本差異。第三階段亦為“應用遷移”，但不是用科學原理（特別是其中蘊含的“大觀念”）解釋相關現象，而是用算法（特別是其中蘊含的“大方法”）解決相關問題。綜上，以有效指導實踐為目的，與科學類課程中科學原理的教學流程——“現象感知—原理理解（探究）—應用遷移”相對應，可將“始于算理”細化，得到信息科技課程中科學原理的教學流程——“問題分析—算法創造（探究）—應用遷移”。

至此，本研究完整給出了信息科技課程中“科學原理”的核心教學方法——“歸于算法，始于算理”，其核心在于“還原”：“歸于算法”通過還原解決了科學原理“教什么”的問題，“始于算理”則通過還原解決了科學原理“如何教”的問題。經過兩次還原，信息科技課程中科學原理類知識蘊含的人類改造世界的智慧被充分挖掘，科學原理教學亦彰顯出不同于科學類課程的學科本質特征，從而為學生計算思維（問題解決能力）的發展提供直接、有效的支持。

四 基于“歸于算法，始于算理”的科學原理教學設計

為了使“歸于算法，始于算理”這一核心教學方法在信息科技課程“科學原理”教學中有效落地，本研究選取《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中“互聯網應用與創新”模塊的部分內容，進行基于該核心教學方法的單元教學設計，以期為教學實踐提供直接參考。

1 設計思路

①具體教學內容選擇方面，以《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中“互聯網應用與創新”模塊的第四條內容要求（即“初步了解互聯網協議，知道網絡中數據的編碼、傳輸和呈現的原理”^[22]）以及對此內容的學業要求為主要依據，聚焦學科“大方法”，綜合考慮《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》和各版本教材的相關內容要求，結合初中生的認知水平，最終確定以下教學內容選擇方案：隱藏互聯網數據傳輸控制具體細節，從宏觀層面完整覆蓋TCP/IP協議各層數據傳輸控制過程及其蘊含的分治、封裝、統籌等學科“大方法”。高中階段則在此基礎上，逐步解封被隱藏的數據傳輸控制細節，從而呈現出以學科“大方法”為主線的、螺旋上升式的課程內容結構。

②核心教學方法踐行方面，“歸于算法”主要體現為：從教學目標和內容的角度，將“初步了解互聯網協議，知道網絡中數據的編碼、傳輸和呈現的原理”轉換或還原為“以高效、可靠的數據傳輸為目的，設計互聯網各層數據傳輸控制算法（互聯網協議），初步內化分治、封裝、統籌等學科大方法”，即將“認識互聯網基本原理”還原為“創造互聯網協議”，并提煉出具體協議（算法）中內含的學科“大方法”。“始于算理”主要體現為：通過單元內任務鏈、任務內問題鏈的系統設計，還原互聯網協議的生成情境，讓學生經歷互聯網協議的創造過程。當然，正如前文所言，此處還原為近似還原，學生并非經歷與彼時計算機科學家同樣的互聯網協議創造過程。換言之，在教學過程中，教師需要通過降低問題難度、提供問題解決支架（如啟發、類比）等方式，為學生的互聯網協議創造過程給予必要的支持。

2 七年級“互聯網基本原理”單元教學設計

本研究以分治、封裝、統籌三個學科“大方法”為主線，進行了基于“歸于算法，始于算理”這一核心教學方法的“互聯網基本原理”單元教學設計，具體如圖1所示。此教學設計主要包括單元目標體系設計、單元任務體系設計兩大部分。單元內三個分目標層層遞進，與之對應的三個分任務亦層層遞進，依次為：①互聯網中高效的數據傳輸過程是怎樣的？（分組交換）；②通過怎樣的控制算法才能實現高效、可靠的數據傳輸？如何有效設計該數據傳輸控制算法？（分層）；③如何使各層有效“合作”？（接口）。同時，各分任務內的問題也層層遞進，此階梯式的任務設計及問題設計方式便是學生“創造互聯網協議”的支架。

此外，在各分任務中，教師也需要根據學生的具體情況給予有針對性的支持。例如，對于分任務一，教師可以在學生完成任務后，通過動畫的形式直觀展示三種數據交換方式，從而加深理解；對于分任務二，教師可以通過引導學生與快遞運輸過程類比等方式，為學生提供問題解決支架；對于分任務三，則需要模擬實驗平臺的支持——此平臺并非支持學生探究如何基于既有的互聯網協議組建網絡，而是支持學生探究（創造）能夠實現高效、可靠數據傳輸過程的互聯網協議本身，是一種與“應用取向”相對的、可稱為“創造取向”的模擬實驗平臺。

需要說明的是：①圖1給出的僅是初步設計方案，實際教學過程中需根據具體情況動態調整。另外，受限于篇幅，本案例中僅給出核心目標和核心任務。②對于“問題分析—算法創造（探究）—應用遷移”三個階段，本案例僅包含前兩個階段，并未涉及應用遷移階段。原因在于，當以學科“大方法”為聚焦點，將教學設計的視野從單課、單元上升至單元群、課程乃至課程群，那么“（大方法的）應用遷移”與前面兩個階段便不必、有時甚至不應集中在同一單元。③如前文所述，以“歸于算法，始于算理”這一核心教學方法為指導，“科學原理”教學中依然可以使用當下備受推崇的類比、圖示、動畫等教學策略，但這些策略應作為學生“創造算法”的支架，而非“認識原理”的輔助。

五 結語

多年來，因“工具屬性”的學科定位，信息技術課程對于學生終身發展和社會發展的價值廣受質疑。《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》將課程名稱從“信息技術”調整為“信息科技”，并增加了大量的“科學原理”類課程內容，在一定程度上有通過向科學類課程靠攏以摘掉“工具屬性”的帽子之意。但如此調整，無法證明課程本身的不可替代性，故信息科技課程依然無法真正立足。

本研究給出的“歸于算法，始于算理”這一核心教學方法及其獲得過程不僅解決了信息科技課程中“科學原理”教學如何開展的問題，更說明了此課程對學生未來發展的獨特價值——以學科“大方法”為抓手系統培養學生改造世界的能力（計算思維），而“歸于算法，始于算理”的有效踐行正是此價值充分發揮的必要前提。鑒于此，“歸于算法，始于算理”的核心教學方法雖為解決科學原理的教學問題而生，但卻是信息科技課程所有內容（包括概念類知識、結構類知識、原理類知識、策略與技能類知識等）均應堅持的基本教學原則。

然而，“歸于算法，始于算理”要想真正落地，還需要研究者提供更多支持。例如，學科“大方法”是“歸于算法”的核心指向，但其大多隱匿于具體的信息科技課程內容中；再如，“創造取向”的模擬實驗平臺對于落實“歸于算法，始于算理”的核心教學方法至關重要，但當下真正可用的實驗平臺卻普遍為“應用取向”……以上均是“歸于算法，始于算理”這一核心教學方法走向實踐過程中有待研究者清除的障礙。路雖漫漫，但我們堅信：信息科技課程一定會在不遠的將來華麗轉身、大放異彩！

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參考文獻

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The Core Teaching Method of “Scientific Principle” in Information Technology

Curriculum： Reverting to Algorithm， Beginning with Arithmetic Theory

FENG You-mei""" WANG Xin-yi""" WEN Jia""" MA Xiao-lan""" YAN Shi-gang

（Faculty of Education， Tianjin Normal University， Tianjin， China 300387）

Abstract： The essence of “scientific principle” in the information technology curriculum is algorithm， and the core goal of the curriculum （computational thinking） points to students’ ability to solve problems （transforming the world）. Based on this， this paper put forward the core teaching method of “scientific principle” in the information technology curriculum， namely， “reverting to algorithm， beginning with arithmetic theory”， and expounded it in detail with teaching design examples. Among them， “reverting to algorithmic” oriented to the teaching goal referred to reverting scientific principle to algorithm， solving the problem of “what to teach” of the scientific principle， and extracting the “big method” contained in the algorithm as the focus of teaching process. “Beginning with arithmetic theory” oriented to the teaching process referred to restoring the generation situation of algorithm， solving the problem of “how to teach” of scientific principle， which could be concretely refined into three stages of “problem analysis-algorithmic creation （inquiry）-application migration”. The proposal of the core teaching method of “reverting to algorithm， beginning with arithmetic theory” can make the teaching of “scientific principle” in information technology curriculum show the essential characteristics of the subject that was different from science courses. Under the perspective of teaching objectives， it was changed from “understanding principles （the ability to understand the world）” to “creating algorithms （the ability to transform the world）”. Whereas under the perspective of teaching objectives， it was transformed from “cognitive inquiry” starting from phenomenon observation to “creative inquiry” starting from problem analysis.

Keywords： information technology curriculum; scientific principle; core teaching method; algorithm; arithmetic theory

[1] 《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》在“課程性質”部分，明確將“科學原理”這一概念用于對學科研究內容的描述：“信息科技……主要研究以數字形式表達的信息及其應用中的科學原理、思維方法、處理過程和工程實現”。

[2] 與我國基礎教育階段對“科學類課程/學科”的界定一致，本研究中的科學類課程指自然科學類課程。

[3] 自《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》頒布后，經大量分析論證，“計算思維是信息科技課程的核心目標”已經成為學界共識。

[4] 在信息科技課程中，“算法”作廣義理解，與“問題解決方法”同義。本研究對算法亦作廣義理解。

[5] 本研究中對于算法（科學原理）生成情境的“還原”為近似還原，即依據教學目標和學生的認知特點，對彼時計算機科學家面對的問題情境進行相應的改造。