基于知識建構的學科核心素養培養教學實踐研究

齊幼娣 奚駿

【摘 要】針對課堂教學中如何處理知識學習和問題解決之間的關系，筆者提出基于知識建構的學科核心素養培養課堂教學模式，此模式的要點是將知識構建與問題解決融為一體。本文用教學案例“數據整理”詳細介紹了此教學模式在課堂的實際應用，并通過兩個不同的“數據整理”教學案例對比，分析了此課堂教學模式在促進深度學習、核心素養培育和創新能力培養等方面的優勢。

【關鍵詞】知識構建；問題解決；學科核心素養；教學案例；數據整理

【中圖分類號】G434? ?【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2024）01-061-03

在目前的“雙新”實踐課堂中，教師往往處理不好知識學習與問題解決之間的關系。如有的教師非常重視知識的傳授，課堂以講授知識和應試訓練為主，認為題目做出來了，考試通過了，學生素養也就培養好了；有的教師新形式舊思想，課堂雖然采用了項目式教學，但是也僅僅是用項目情境引入課題，接著教師開始講授知識，然后進行練習評價，或者用剛學的知識解決這個項目問題，其實質上還是比較傳統的教育方式，不利于學生信息素養的形成；有的教師過分重視項目問題解決，課堂采用項目式學習，事先設計好解決項目問題的操作步驟，課堂上卻忽視了學生的思考和知識建構的重要性，出現知識掌握不夠牢固、素養提升不夠、學生碰到類似的問題還是不會解決等現象。

2017版高中信息技術課標的基本理念之一，就是培育以學習為中心的教與學關系，在問題解決過程中提升信息素養[1]，而正確處理好知識學習與問題解決之間的關系，是課堂落實信息技術學科核心素養培養的關鍵所在。本文認為基于知識建構的學科核心素養培養是解決上述現象的行之有效的辦法。

基于知識建構的教學模式

所謂基于知識建構的學科核心素養培養，是在解決項目問題時，學生需要自己建構知識，然后再應用知識解決問題。其要點是將知識建構與問題解決融為一體，真正使學生在知識建構和用知識解決問題的過程中提升學科核心素養。基于知識建構的課堂教學采用項目式學習，它的項目情境是根據需要學習的知識來創設，其中項目情境中的問題需要用新學習的知識解決。在課堂上學生為了解決這個情境問題，以小組合作探究的形式，在教師設計的問題鏈的引導下，界定和分解問題，抽象和建模，尋找解決問題的方案。尋找解決問題方案的過程，就是學生建構新知的過程，即建構知識的目標是為了解決問題，利用剛建構的新知去解決項目問題。所以教學設計的目標不是把知識“填入”學生大腦，而是需要學生自己動手、動腦、動心，需要學生自己設法在解決問題中建構知識，是要在建構知識和問題解決中提升學生的信息技術學科核心素養。

基于知識建構的教學案例

基于知識建構的課堂教學，課前教師要根據知識設計項目情境和項目問題，再根據項目問題準備數據文件供學生探究，設計學習任務單供學生記錄和評價，設計具體的問題鏈引導學生開展知識建構；課中主要是學生開展知識建構和解決項目問題。下面以華東師范大學出版社普通高中《信息技術必修1數據與計算》中“數據整理”一課為例進行具體的講解。

1.課例在單元的位置

本單元的項目內容是：現在大街小巷有很多共享單車，有些地方的共享單車長時間無人使用，有些地方卻缺少共享單車，請幫助共享單車公司分析各站點使用情況，并為他們提供單車合理的投放計劃。本單元共3課時，分別是數據整理、數據分析、數據可視化。本課位于單元的第一課時。

2.教材學習內容處理

本課例學習內容位于高中《信息技術必修1數據與計算》，第三章“數據處理與應用”，第一節“數據采集、整理與安全”中的第二小節“數據整理”。本小節又分為：檢測與處理重復值、檢測與處理缺失值、檢測與處理異常值、數據讀取與存儲四個部分。由于“數據讀取與存取”已經提前到第二章學習，本課重點學習“檢測與處理重復值”和“檢測與處理缺失值”，涉及兩個知識點，即pandas庫中的drop_duplicates（）方法和dropna（）方法。“檢測與處理異常值”只是提一下異常值的處理辦法，有關“檢測異常值”的操作將放在“數據可視化”中學習。

3.學情分析

學生通過第一章“數據與大數據”的學習，已經對數據的價值有一定的理解，通過學習第二章“算法與程序實現”，學生已經掌握了函數的作用和應用，也能夠把csv數據文件讀入到Python中，把DataFrame中的數據存儲到csv文件中。

同時，通過第一章、第二章的學習，學生已經在心中埋下了想自己動手處理數據、發現數據價值的意愿，所以學生的學習積極性較高。

針對共享單車數據，學生知道數據的采集方式，知道數據的價值，但是針對數據整理中數據去重復問題的基本特征提取、抽象處理和形式化表達等方面需要提升，還不具備選擇恰當的數字化工具處理數據的能力。

4.學習目標

通過共享單車數據去重方案的設計，學生能找到需要解決的關鍵問題，能理解用函數的方法來表述，能用drop_duplicates（）方法編程解決問題，并能將解決方案遷移到其他類似問題（去缺失數據）的解決過程中（計算思維）。通過選擇Excel軟件嘗試解決數據去重問題，學生能理解pandas庫中的drop_duplicates（）方法中參數的意義，并能遷移到dropna（）方法的學習（數字化學習與創新）。通過共享單車數據整理，學生知道在整理過程中要保護有效的數據，能認識到數據處理對提高信息價值的重要性（信息意識、信息社會責任）。

5．教學思路

教學思路如圖1所示。

6.教學過程

活動一：啟動項目

教師通過照片引入情境，向學生介紹項目，要求幫助共享單車公司分析各站點使用情況，并為他們提供共享單車合理的投放計劃。學生明白項目任務后，打開教師事先準備的數據文件，觀察數據，發現數據有缺失和重復，引出本課的學習主題，對數據進行去重去缺的整理。本活動是由問題引發知識建構。

活動二：設計方案

學生為解決去重復數據設計解決方案。在小組討論解決去重方案的過程中，學生自然想到用舊知Excel軟件對數據文件去重。教師鼓勵他們嘗試一遍，并通過問題鏈引導學生思考：人是如何判定數據的重復、如何操作去重、如何保存去重后的數據、如何用Python語言實現去重操作等，培養學生的計算思維和信息意識。教師要求學生把討論結果填入學習單，并進行自我評價。本活動主要是通過問題鏈引導學生進行自我的知識建構。

活動三：交流方案

全班學生交流去重方案。選1-2個小組交流去重方案，教師引導學生聚焦去重的關鍵特征。在討論如何編程實現去重操作問題時，教師重點引導學生用函數來實現去重，把關鍵特征與函數的參數對應起來，最后給出已經編好的函數pandas庫中的drop_duplicates（），驗證學生的方案，一起討論參數的含義，進一步培養學生的計算思維和數字化學習與創新能力。本活動是教師引導下的集體的知識建構。

活動四：實踐操作

學生利用drop_duplicates（）方法，實踐操作，解決共享單車數據去重復數據問題，填寫學習單，完成評價。學生在解決實際問題過程中，進一步認識函數的價值，再次提升計算思維和數字化學習與創新能力。本活動是用建構的知識解決去重問題，在應用中驗證知識。

活動五：新的問題

針對共享單車部分數據缺失問題，教師鼓勵學生利用去重復數據的學習方式學習pandas庫中的dropna（）方法，實際操作解決共享單車數據去缺問題，填寫學習單，完成評價。學生在操作的基礎上交流展示解決共享單車去缺失數據的過程和方法，深化對dropna（）方法的理解，進一步梳理解決去缺失數據問題的思路和方法，提升計算思維。本活動是知識建構和問題解決能力的遷移。

活動六：反思和總結

學生反思整理數據的方法和意義，填寫學習單，完成反思。教師引導學生歸納整理數據的一般方法，并請學生課后思考：數據整理完畢后，針對本項目，后續應該怎么做。

課例對比分析

其實本教學內容是筆者第二次進行課堂教學了。在第一輪教授“數據整理”這個章節的時候，筆者覺得這個章節比較簡單，涉及的知識點基本上就是drop_duplicates（）方法和dropna（）方法。于是筆者設計了一個共享單車數據整理的微項目，先跟學生一起討論數據整理的必要性，然后重點講解drop_duplicates（）方法中每個參數的意義，接著讓學生用drop_duplicates（）方法去重復數據的實踐。學習完drop_duplicates（）方法之后，進行方法的遷移，讓學生學習dropna（）方法和用dropna（）方法進行“去缺”實踐，最后是課堂小結。

比較這兩節課，本課例的實際教學效果比第一輪教學效果提高很多，主要是因為基于知識建構的本課例有以下幾方面的優勢。

一是在促進深度學習方面。因教學方法的不同，第一輪教學設計是教師直接講解drop_duplicates（）方法的用法，然后學生進行實踐操作；而在本課例中，由學生自己從Excel軟件對數據去重操作中，抽象和歸納解決問題的方法，再用函數知識點建構drop_duplicates（）方法。本課例通過問題解決的需要，把知識的學習轉化為學生為解決問題的自覺主動活動，教師引導學生像計算機科學家一樣思考如何解決問題，幫助學生將學科知識結構轉化為自己的認知結構[2]，這樣使學習真正發生，教學效果自然比第一輪明顯提高。

二是在學科核心素養培育方面。這兩節課都是通過項目和解決問題培養學生的學科核心素養，但是在本課例中強化了建構知識的過程。知識建構不是僅僅為了學習知識，更是為了解決問題，可以說知識建構就是在解決問題，就是在培育學生的學科核心素養，所以本課例在培育學生學科核心素養方面更勝一籌。

三是在創新能力培養方面。信息技術學科是一門很特殊的學科，信息技術學科的知識都是我們人類創造的，而且都是為了解決某一類問題而創造出來的，無論是硬件還是軟件，每一個知識點背后都蘊含著創新的力量。本課例，學生自己在用Excel軟件對數據去重操作的過程中，抽象和歸納去重的方法，再從函數這個知識點建構drop_duplicates（）方法，就是在體驗和領悟信息技術專家創造drop_duplicates（）方法的思路，實質上是在培養學生的創新能力和創新精神。這種創新能力的培養在面臨ChatGPT等人工智能的當今，顯得尤為重要。

雖然這種基于知識建構的學科核心素養培養課堂教學模式有諸多的優點，但是在實際的教學實施中也存在一定的困難，因為所有的信息技術教科書基本上都只是呈現知識和應用知識，少有講解知識的來歷、知識的形成過程等。這給教師的授課帶來了巨大的挑戰，建議教師根據學科思想方法引領學生進行知識建構[3]。

參考文獻

中華人民共和國教育部. 普通高中信息技術課程標準[S]. 北京：人民教育出版社，2018.

安富海. 促進深度學習的課堂教學策略研究[J]. 課程·教材·教法，2014，34（11）： 57-62.

唐恒鈞，張維忠，陳碧芬. 基于深度理解的問題鏈教學[J]. 教育發展研究，2020，40（4）： 53-57.