大概念視域下信息科技學(xué)科學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃與實(shí)施

摘要：基礎(chǔ)教育兩個(gè)學(xué)段的課程方案明確了大概念、重要觀念在促進(jìn)課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化方面的重要地位，大概念在教育教學(xué)中真實(shí)性、結(jié)構(gòu)性和持久性的價(jià)值導(dǎo)向，為信息科技學(xué)科學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃與實(shí)施提供了新的研究視角。作者通過(guò)具體案例，闡述在明確意義、整合結(jié)構(gòu)、遷移應(yīng)用、探索創(chuàng)新中樹(shù)立信念的學(xué)習(xí)路徑，以期達(dá)成課程全面育人的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：大概念；學(xué)習(xí)路徑；信息技術(shù)

《普通高中課程方案（2017版2020年修訂）》及《義務(wù)教育課程方案（2022年版）》在優(yōu)化課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)的描述中指出：“重視以學(xué)科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為引領(lǐng)，使課程內(nèi)容情境化，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)。”“基于核心素養(yǎng)發(fā)展要求，遴選重要觀念、主要內(nèi)容和基礎(chǔ)知識(shí)，設(shè)計(jì)課程內(nèi)容，增加內(nèi)容與育人目標(biāo)的聯(lián)系，優(yōu)化內(nèi)容的組織形式。”兩個(gè)方案均體現(xiàn)出“結(jié)構(gòu)化學(xué)科內(nèi)容”和“促進(jìn)核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)”的重要作用。筆者通過(guò)查閱文獻(xiàn)，并基于國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)“大概念”的內(nèi)涵解讀，梳理基礎(chǔ)教育階段“大概念”的教育教學(xué)價(jià)值——體現(xiàn)在三個(gè)方面，即與真實(shí)問(wèn)題解決的聯(lián)系、學(xué)科知識(shí)的結(jié)構(gòu)化整合、學(xué)生能力的持久遷移。另外，“大概念”的根本意義在于培養(yǎng)并提升學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新思維。大概念的內(nèi)涵與國(guó)家課程方案及學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)的培養(yǎng)目標(biāo)一致。因此筆者認(rèn)為，大概念下信息科技（技術(shù)）學(xué)科的學(xué)習(xí)路徑應(yīng)遵循以上價(jià)值方向展開(kāi)。下面，筆者圍繞課例《人工智能 計(jì)算視覺(jué)》，闡述其兩次教學(xué)中學(xué)習(xí)路徑的規(guī)劃與實(shí)施過(guò)程。

建立知識(shí)聯(lián)系，明確意義

布魯納倡導(dǎo)的學(xué)科結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)以連接知識(shí)之間的相互關(guān)聯(lián)并了解其意義來(lái)理解學(xué)科并掌握學(xué)科結(jié)構(gòu)。信息科技學(xué)科呈現(xiàn)的知識(shí)相對(duì)概念化和事實(shí)化，在學(xué)習(xí)起始階段，教師可通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)問(wèn)題情境建立新舊知識(shí)的聯(lián)系，使學(xué)生理解所學(xué)知識(shí)的意義，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

在《人工智能 計(jì)算視覺(jué)》課例中，針對(duì)計(jì)算機(jī)如何識(shí)別圖像進(jìn)行概念原理、技術(shù)分析、應(yīng)用體驗(yàn)、問(wèn)題解決等學(xué)習(xí)內(nèi)容分解，將學(xué)習(xí)目標(biāo)指向?qū)W科四維核心素養(yǎng)。而如何將內(nèi)容與真實(shí)生活建立聯(lián)系，是學(xué)習(xí)規(guī)劃的重要環(huán)節(jié)。

在初稿設(shè)計(jì)時(shí)正值新冠疫情線上教學(xué)期間，教師結(jié)合居家健身的熱門(mén)話題，通過(guò)演示“天天跳繩”APP玩偶運(yùn)動(dòng)不能計(jì)數(shù)、學(xué)生上下跳動(dòng)可以計(jì)數(shù)，來(lái)說(shuō)明“天天跳繩”APP中對(duì)運(yùn)動(dòng)的事物進(jìn)行了識(shí)別，引出AI助力運(yùn)動(dòng)的話題，將日常生活應(yīng)用與計(jì)算視覺(jué)的學(xué)習(xí)內(nèi)容直接連接，建立具體的學(xué)習(xí)方向。

第二次教學(xué)實(shí)施時(shí)的學(xué)習(xí)對(duì)象為借班學(xué)生。首先，教師通過(guò)微視頻回顧學(xué)生在中考體育測(cè)試中AI評(píng)分的過(guò)程，使學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的價(jià)值有了初步認(rèn)識(shí)；其次，師生合作體驗(yàn)“天天跳繩”APP的計(jì)數(shù)過(guò)程，學(xué)生建立原認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)與新知識(shí)的聯(lián)系；最后，教師通過(guò)小視頻從專(zhuān)家視角說(shuō)明AI助力運(yùn)動(dòng)就是利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)解決健身指導(dǎo)和身體檢測(cè)等問(wèn)題。學(xué)生通過(guò)聚焦學(xué)習(xí)內(nèi)容，明確了學(xué)習(xí)的意義。

在第一次教學(xué)中，盡管學(xué)生通過(guò)親身體驗(yàn)了解了APP中包含了計(jì)算視覺(jué)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，但對(duì)學(xué)習(xí)的價(jià)值理解相對(duì)表面化。對(duì)比兩次教學(xué)的學(xué)習(xí)效果可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)活動(dòng)的聯(lián)系越緊密，學(xué)習(xí)過(guò)程越有效。

構(gòu)建知識(shí)橋梁，整合結(jié)構(gòu)

計(jì)算視覺(jué)的概念原理和技術(shù)體驗(yàn)是課例的核心學(xué)習(xí)內(nèi)容。大部分學(xué)生對(duì)計(jì)算視覺(jué)只有感性的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，而其結(jié)構(gòu)化認(rèn)知的形成需要教師給予科學(xué)的指導(dǎo)和教授，即對(duì)分解體驗(yàn)和零散知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行合理集成。

在第一次學(xué)習(xí)規(guī)劃中，教師以靜態(tài)人臉識(shí)別的體驗(yàn)活動(dòng)，幫助學(xué)生在半成品Python程序的完善過(guò)程中，了解基于OpenCV的人臉識(shí)別基本過(guò)程，即調(diào)用OpenCV庫(kù)中的人臉檢測(cè)模型，比對(duì)被檢測(cè)的簡(jiǎn)單圖片中的人臉與模型庫(kù)中的數(shù)據(jù)，將圖像中被識(shí)別出來(lái)的人臉標(biāo)注出來(lái)。接著，教師提供相對(duì)復(fù)雜的圖片素材，通過(guò)識(shí)別過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤或無(wú)法識(shí)別的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考程序?qū)崿F(xiàn)識(shí)別的原理與圖像中人臉的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)數(shù)有關(guān)。在后續(xù)的動(dòng)態(tài)人臉識(shí)別活動(dòng)中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)其與靜態(tài)識(shí)別一樣存在識(shí)別出錯(cuò)或識(shí)別率不高的問(wèn)題，進(jìn)而產(chǎn)生新的探究需求。在這個(gè)學(xué)習(xí)路徑下，學(xué)生形成了基于OpenCV的計(jì)算視覺(jué)基本識(shí)別過(guò)程和基本識(shí)別原理的知識(shí)鏈。

在第二次教學(xué)中，教師調(diào)整學(xué)習(xí)規(guī)劃，從在圖像中獲取其基本特征是計(jì)算機(jī)識(shí)別的重要基礎(chǔ)切入，講解計(jì)算機(jī)圖像呈現(xiàn)的基本原理及進(jìn)行特征提取的關(guān)鍵概念——圖像邊緣。圖像中的邊緣信息可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像的識(shí)別，因此教師設(shè)計(jì)Canny算法中的雙閾值、Sobel算法中的梯度兩個(gè)邊緣檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生了解邊緣圖像的形成過(guò)程。實(shí)驗(yàn)提供半成品程序、實(shí)驗(yàn)探究單及學(xué)習(xí)幫助材料，學(xué)生在合作完成實(shí)驗(yàn)探究后，初步了解兩種圖像邊緣算法的基本原理和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，建立起對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的整體認(rèn)識(shí)和深層理解。

在兩次規(guī)劃中，教師均提供了支持材料，為有效學(xué)習(xí)搭建橋梁。改進(jìn)后的學(xué)習(xí)規(guī)劃看似提高了學(xué)習(xí)難度，但在實(shí)施時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)算法的理解還不夠深入，因此，教師設(shè)計(jì)了多種學(xué)習(xí)方式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自我知識(shí)建構(gòu)。從學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)單的情況和課堂反饋來(lái)看，學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)如何識(shí)別圖像的知識(shí)整合更具結(jié)構(gòu)性并趨向于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)。

創(chuàng)設(shè)知識(shí)環(huán)境，遷移應(yīng)用

在信息科技教學(xué)中對(duì)學(xué)生知識(shí)遷移能力的培養(yǎng)能更好地鞏固所學(xué)，幫助學(xué)生形成程序性和策略性知識(shí)。而應(yīng)用環(huán)境的提供，可以引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際情境中形成問(wèn)題解決意識(shí)，有利于學(xué)生知識(shí)的內(nèi)化。

課例第一次教學(xué)側(cè)重在應(yīng)用體驗(yàn)中了解計(jì)算視覺(jué)實(shí)現(xiàn)過(guò)程和原理。教師以“尋找最美抗疫者”為任務(wù)，讓學(xué)生應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。任務(wù)要求學(xué)生從多個(gè)戴口罩的醫(yī)務(wù)工作者的合照中，找出僅提供眼睛部分的圖片中的那位“最美抗疫者”。在半成品的體驗(yàn)程序中，減少了對(duì)代碼的注釋說(shuō)明，學(xué)生需要基于之前體驗(yàn)活動(dòng)中對(duì)代碼的理解，回顧計(jì)算視覺(jué)識(shí)別的基本過(guò)程，并運(yùn)用已掌握的技能去實(shí)現(xiàn)計(jì)算視覺(jué)中的模擬匹配。同時(shí)，在完成任務(wù)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)提高計(jì)算視覺(jué)識(shí)別率的問(wèn)題進(jìn)行深入思考，梳理出算法、算力和數(shù)據(jù)是人工智能技術(shù)的關(guān)鍵要素，并對(duì)人工智能與人類(lèi)智能協(xié)同解決問(wèn)題的思維有了新的認(rèn)識(shí)。

第二次教學(xué)，側(cè)重于對(duì)計(jì)算視覺(jué)進(jìn)行識(shí)別的基本問(wèn)題。通過(guò)在兩個(gè)邊緣檢測(cè)算法的實(shí)驗(yàn)中直觀的圖示變化，讓學(xué)生對(duì)雙閾值控制和橫、縱梯度調(diào)整對(duì)識(shí)別圖像的價(jià)值有了一定的了解。因此，教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)支持材料，將兩種算法進(jìn)行組合，驗(yàn)證是否能增加邊緣圖像的信息，以增強(qiáng)識(shí)別效果。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)促進(jìn)了學(xué)生將所掌握的技能應(yīng)用到實(shí)踐中，同時(shí)也發(fā)展了學(xué)生綜合解決問(wèn)題的能力。實(shí)驗(yàn)所用代碼在閾值和梯度改變后可清晰呈現(xiàn)圖像邊緣的變化，學(xué)生能直接感受到知識(shí)的有用性。

開(kāi)展知識(shí)探究，關(guān)注創(chuàng)新

大概念下的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有顯著價(jià)值。在知識(shí)意義的生成、知識(shí)結(jié)構(gòu)化整合及知識(shí)的遷移應(yīng)用中，每位學(xué)生都以各自獨(dú)特的方式將學(xué)習(xí)的收獲融入到他們的知識(shí)系統(tǒng)中，并在不同情境下以不同的方式輸出，創(chuàng)造性地完善自己面對(duì)未來(lái)發(fā)展的能力。

課例兩輪教學(xué)從不同角度規(guī)劃學(xué)習(xí)路徑，目標(biāo)均指向人工智能如何進(jìn)行識(shí)別的問(wèn)題。在第一次教學(xué)中，在完成靜態(tài)、動(dòng)態(tài)識(shí)別體驗(yàn)和模糊識(shí)別任務(wù)后，教師向?qū)W生提出“如何提高計(jì)算視覺(jué)”的開(kāi)放性探究話題，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

在第二次教學(xué)實(shí)踐中，在結(jié)束了三個(gè)邊緣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)后，教師用微視頻呈現(xiàn)專(zhuān)業(yè)短跑運(yùn)動(dòng)員蘇炳添在AI助力下，突破自身的運(yùn)動(dòng)極限，成為奧運(yùn)會(huì)男子百米賽跑中跑進(jìn)10秒的亞洲運(yùn)動(dòng)員，巧妙地將研究主題轉(zhuǎn)回AI與運(yùn)動(dòng)的話題。學(xué)生通過(guò)對(duì)智能體育系統(tǒng)的探究學(xué)習(xí)，對(duì)計(jì)算視覺(jué)的識(shí)別對(duì)象特征和應(yīng)用方向有了新的思考。探究活動(dòng)在拓展橫向認(rèn)知的同時(shí)，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新，并基于個(gè)性化的方向選擇，進(jìn)行新的學(xué)習(xí)和發(fā)現(xiàn)。

滲透德育思想，樹(shù)立信念

基礎(chǔ)教育課程承載著為國(guó)家培養(yǎng)社會(huì)主義建設(shè)者和接班人的重要任務(wù)，在教學(xué)中，教師基于大概念導(dǎo)向的教學(xué)價(jià)值，從意義、知識(shí)、應(yīng)用、創(chuàng)新四個(gè)方面來(lái)規(guī)劃學(xué)習(xí)路徑。而德育滲透對(duì)落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)、體現(xiàn)學(xué)科育人功能是十分關(guān)鍵且不可或缺的重要內(nèi)容。

在這兩次教學(xué)中，教師適時(shí)融入思政元素，使其與課程內(nèi)容有機(jī)融合。不論是以尋找新冠疫情中的醫(yī)務(wù)工作者為任務(wù)，還是以中國(guó)運(yùn)動(dòng)員挑戰(zhàn)自身運(yùn)動(dòng)極限為拓展，均能從情感角度調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)；在對(duì)3D結(jié)構(gòu)光、智能體育系統(tǒng)探究的過(guò)程中，了解國(guó)家在科技創(chuàng)新領(lǐng)域的現(xiàn)狀與未來(lái)前景，可以增強(qiáng)使命感；通過(guò)人臉盜用、AI詐騙等案例，思考技術(shù)應(yīng)用的兩面性問(wèn)題，形成責(zé)任感；在三個(gè)識(shí)別體驗(yàn)與三個(gè)邊緣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)歷科學(xué)探究的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)科素養(yǎng)……因而，將適切的德育內(nèi)容融入學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生做人、做事的觀念和行為，有助于學(xué)生樹(shù)立正確的理想信念，達(dá)成課程全面育人的目標(biāo)。

大概念下的學(xué)習(xí)路徑（如圖）可以幫助學(xué)生逐步深入理解核心概念或基本原理，形成系統(tǒng)化的知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力，促使學(xué)習(xí)跨越課堂，連接真實(shí)世界。

結(jié)束語(yǔ)

基礎(chǔ)教育課程改革強(qiáng)調(diào)大概念的重要性，在現(xiàn)有的研究中不乏對(duì)學(xué)習(xí)的影響和意義的研究，但因選擇的側(cè)重點(diǎn)不同會(huì)產(chǎn)生不同的研究方向。大概念的教學(xué)價(jià)值為信息科技學(xué)科學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃與實(shí)施提供了有意義的研究視角，在學(xué)科教學(xué)實(shí)施中也體現(xiàn)了該方向的可行性和有效性。

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本文系福建省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2022年度課題“大概念視域下中小學(xué)信息技術(shù)（科技）項(xiàng)目學(xué)習(xí)資源開(kāi)發(fā)與" " 應(yīng)用研究”（FJJKZX22-328）研究成果。