指向學科大概念的高中信息技術項目式學習

摘要：指向學科大概念的項目式學習，能夠讓學生明晰知識之間聯系，從而建立完整的學科知識結構體系，將復雜的知識融會貫通。本文以《數值計算》一課為例，介紹以學科大概念為核心的信息技術教學項目式學習設計及實施過程，幫助學生建立知識和大概念之間的聯系，在項目實踐中滲透學科核心素養。

關鍵詞：學科大概念；高中信息技術；項目式；數值計算

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）19-0060-04

《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》（（以下簡稱“新課標”）明確指出：“課程內容緊扣數據、算法、信息系統和信息社會等學科大概念，以大概念為核心，使課程內容結構化，以主題為引領，使課程內容情境化，促進學科核心素養的落實。”[1]學科大概念和項目式學習能有效整合相關的教學內容，促進學生核心素養發展。

大概念內涵及意義

1.內涵

國外關于大概念的研究起步較早，威金斯和麥克泰格認為，大概念是指更上位的概念，抽象涵蓋了學科內和學科間的知識。[2]溫·哈倫等認為，“大概念”是能夠用于解釋和預測較大范圍自然現象的概念，處于交叉學科的水平。[3]國內學者對大概念也有不同的理解，浙江大學的劉徽教授認為，“大概念”可以被界定為反映專家思維方式的概念、觀念或論題，它具有生活價值。[4]四川師范大學的李松林教授認為，“大概念”是指處于更高層次、居于中心地位和藏于更深層次，兼具認識論、方法論和價值論三重意義因而更能廣泛遷移的活性觀念，其根本特性乃是意義性。[5]寧夏大學的王喜斌認為，學科“大概念”是指指向學科核心內容和教學核心任務、反映學科本質、能將學科關鍵思想和相關內容聯系起來的關鍵的、特殊的概念。[6]

2.意義

從教學內容來講，學科“大概念”指向學科核心知識內容，學科核心知識又是學科核心素養最主要的體現，學科大概念不僅豐富了信息技術學科的知識體系，對學生的學習與發展具有整合作用，而且還為培養學生核心素養提供了重要抓手。

指向大概念的項目式教學實踐

項目式學習是一種建構性的教學方式，教師基于真實情境導入教學，將學習任務項目化，引導學生開展項目分析、項目實踐、項目評價和項目總結，最終解決問題并展示分享項目成果。學生在項目任務完成的過程中建構和應用大概念，加深對大概念的理解，并通過持續性的反思加工在頭腦中形成大概念框架。下面以《數值計算》一課為例，介紹具體的教學設計及實施過程。

1.教學內容分析

本課選自教育科學出版社出版的高中信息技術必修1《數據與計算》第四單元“計算與問題解決”第二節內容，核心概念包含WPS計算、numpy模塊和matplotlib模塊的使用，主要對應“數據”和“算法”兩個學科大概念中的數據采集、數據的圖形化表示、數據存儲、算法的分支結構等，體現抽象建模的思想。

2.教學過程

（1）情境導入

師：（播放視頻《碳達人的一天》）碳達峰和碳中和是目前全球關注的社會熱點，對于我們普通人來說，“雙碳”與我們有關嗎？（學生觀看視頻，思考并回答）

教師以爭做“碳中和小達人”為明線，以學習數值計算活動為暗線，在課堂中嵌入與信息技術相關的社會現實問題和情境，為教學埋下伏筆，使后續活動環環相扣。本環節指向了數據和信息社會等學科大概念，以“雙碳”作為時代社會熱點，結合學生已有的學習和社會生活經驗，幫助學生了解數據的收集、分析及可視化表達數據等核心概念。

（2）項目分析

活動：分組交流個人碳排放量情況和碳中和的舉措。問題1：在日常生活中，個人有哪些二氧化碳排放？問題2：要成為“碳中和”小達人，我們需要做些什么？

教師引導學生帶著問題進行討論分析，融合了算法大概念：碳排放計算—碳中和—節能減排和植樹造林。由此，學生自主歸納出學習需求—通過數值計算了解個人的碳排放量，為碳中和明確目標。本環節主要指向了數據、算法和信息社會等大概念，通過視頻將生活問題與學習內容聯系起來，讓學生領悟到數據既是信息的載體，也是提取信息、做出決策的重要依據，同時，激發學生的信息社會責任感。

（3）項目實踐

探究活動一：計算碳排放量并圖形化展示。

活動1：自主探究，計算個人碳排放量并圖形化展示。

學生活動：對“個人碳排放量計算”WPS表格進行數據處理，計算個人一年產生的碳排放量，并繪制圖表展示。（涉及碳排放公式計算和求和函數的使用，繪圖時需要注意選擇合理的數據區域以及圖表類型）

關鍵點探究—WPS表格處理與Python大數據處理有什么不同？

師：如何快速計算大批量學生的碳排放量？

教師引導小結WPS計算和繪圖的基本情況和注意事項，突出Python在數據快速計算和大數據處理時的優勢，為接下來的Python計算和圖形化表示做好鋪墊。本環節主要指向數據大概念，通過計算個人碳排放量，讓學生對數據的概念、數據類型和數據加工等有更深的認識和理解。

探究活動二：計算螞蟻森林種樹。

活動2：計算個人螞蟻森林種樹量。

師：螞蟻森林是一項低碳減排的公益項目，每個人的低碳行為在螞蟻森林里可計為“綠色能量”。“綠色能量”積累到一定程度，就可以用手機申請在生態急需修復的地區種下一棵真樹。（PPT介紹教師自己在螞蟻森林的種樹情況）那么，個人的年碳排放量，需要在螞蟻森林種多少棵樹，才能實現碳中和？

（學生分組討論、分析個人成員年碳排放需要種樹量的計算方案）

結合“螞蟻森林”種樹公益活動引導學生樹立綠色低碳環保的理念。本環節主要指向數據大概念，通過種樹量計算，加深了學生對數據概念的理解，如數據的特征、價值、處理方法等。

活動3：連連看，設計算法，明確碳排放計算的步驟。

師：請同學們根據碳排放計算的過程，選擇相應的步驟。（學生思考并回答）

師生共同歸納碳排放計算的算法為：采集數據—處理數據—計算數據—輸出數據。

知識學習：選擇合適的Python模塊。

知識技能：Python程序numpy、matplotlib和xlrd模塊使用方法。

抽象建模：array函數創建數組。

教師展示“個人碳排放量計算”表格數據，通過抽象建模，讓學生了解表格數據對應數組的元素，以及通過數組切片輸出表格相關數據。學生觀摩、思考表格數據與數組元素的對應關系。

教師引導學生通過分析信息、抽象建模、描述數據與信息的特征，了解數據編碼的基本方式。本環節主要指向數據、算法和信息社會等學科大概念，學生通過連連看活動，分析問題，梳理碳排放的計算步驟，設計解決問題的算法，進一步加深對算法概念和算法特征的認識。

活動4：編寫程序—通過Python計算個人碳排放量。

學生通過Jupyter打開個人碳排放量程序，根據注釋語句理解代碼含義，補全代碼并調試運行。教師請學生展示，并對碳排放系數和碳排放具體數據程序做簡單的解讀。

本活動引導學生經歷編寫程序、調試運行的流程，完成代碼半成品，培養學生的邏輯思維和計算思維。本環節主要指向算法大概念，學生使用Python語言實現簡單算法，通過數據采集、數據存儲，體驗使用計算機編程解決問題的過程，初步感受算法的效率，掌握程序調試與運行的方法，真切地認識信息社會思考與解決問題的方式。

活動5：自由創意—自主探究matplotlib繪制個人碳排放量圖形。

教師讓學生根據個人碳排放量情況，通過matplotlib繪制圖表。學生分組繪制反映個人碳排放量的圖形，并交流探討哪一種圖形更適合展示個人碳排放量情況。

學生體驗利用matplotlib自由創意作品，提升數字化學習能力，激發利用計算機編程解決實際問題的興趣。本活動主要指向數據和算法等學科大概念，通過matplotlib可以一鍵生成多個可視化圖形、可批量處理數據等，結合WPS中的數據采集、數據存儲等概念，學生在半成品代碼基礎上對程序做適當修改，直觀體驗數據的圖形化表示。

活動6：計算個人碳中和需要的種樹量。

師：填空完成個人碳中和需要的種樹量，解決實際生活問題。（學生自主探究，可以在提供代碼的基礎上完成填空，適當修改代碼）

學生通過Python完成個人碳中和需要的種樹量。本活動主要指向數據和算法等學科大概念，鼓勵學生嘗試在提供代碼的基礎上做適當修改，利用算法的分支結構再次感受算法的效率，掌握程序調試與運行的方法。

探究活動三：WPS與Python比較。

活動7：自主總結—比較WPS與Python的計算和繪圖。

師：請大家結合本課所學，比較WPS與Python的計算和繪圖。（學生思考、回答，其他學生旁聽、思考）

通過對比WPS與Python，引導學生自主建構知識框架。本環節主要指向數據、算法和信息社會等學科大概念，引導學生選用合適的數字化工具開展學習，根據需要設計和表示簡單算法，解決實際問題。

（4）項目評價

師：同學們通過項目評價表，多角度評價學生自主學習和合作任務探究情況。（學生根據個人實際情況，填寫個人活動評價表，對自己和同學進行合理評價）

本環節組織個人開展多元評價，引導學生發現自己、他人的不足和優點，重合作探究和形成性評價，鼓勵創新，為后續學習打好基礎，幫助學生逐步形成利用程序設計解決問題的能力。

（5）項目總結

教師進行知識梳理，總結數值計算的使用。學生進行討論交流。

師生小結：數值計算可以分別通過WPS和Python完成，兩者各有優點，WPS適合簡單數據處理，Python適合大數據處理和復雜計算，在具體使用時，需要根據實際情況進行合理選擇。

本環節引導學生總結WPS和Python在數值計算中的運用，通過解決實際問題，體驗程序設計的基本流程，感受算法的效率。

指向大概念的項目式學習思考

1.創設真實學習情境，體現生活價值

新課標強調“課程精煉學科大概念，吸納學科領域的前沿成果，構建具有時代特征的學習內容”。信息技術學科大概念反映了信息技術學科獨特的教學特征，指向大概念的項目式學習，需要基于真實問題，聚焦學科核心內容。教材中的數值計算類問題偏重于純數學問題，與學生的實際生活有一定的差距，相對枯燥。為激發學生學習的興趣，案例設計結合碳中和熱點問題，以學生的真實生活經驗為基礎，設定“碳中和小達人”生活化情境任務，讓學生經歷問題發現、分析和解決的過程，體驗數據、算法、社會責任等學科大概念在日常生活中的運用，感悟大概念與真實生活相關聯的內涵。

2.設計多元項目活動，建構學科知識結構

案例中的項目活動設計為“算法連連看”“個人碳排放量計算”“個人螞蟻森林種樹計算”“個人碳排放量圖形化展示”等不同層次的學習任務，使得原本枯燥、抽象的數值計算知識變得直觀生動，引導學生經歷建立數據模型、抽象數據、選擇數據結構、算法實現、上機調試和問題解決的過程，幫助學生辨析邏輯關系，主動建構以大概念為核心的學科知識結構。

3.形成整合性教學，提升學科核心素養

新課標指出，“信息技術教學是培養學生信息技術學科核心素養的基本途徑”。教師在教學中要緊緊圍繞學科核心素養，凸顯“學主教從、以學定教、先學后教”的專業路徑，把項目整合到課堂教學中，重構教學組織方式，在項目實踐中滲透學科核心素養。本案例基于項目重構了教學方式，針對數值計算中的數組、圖表可視化等知識提供詳細的注釋和幫助，采用半成品學習支架，引導學生自主或通過小組合作等方式界定問題、分析問題、選擇算法，將知識建構、技能培養與思維發展融入到發現問題、分析問題和解決問題的過程中，為學生整合信息技術學科核心素養，運用大概念、思維、方法和觀念解決問題提供了重要支撐。在問題解決的過程中，學科大概念成為知識建構與核心素養發展之間的重要橋梁，激發了學生對學科知識的深入思考和探究，培養了學生高階計算思維，促進了學生深度學習，提升了學生學科核心素養。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]格蘭特·威金斯，杰伊·麥克泰格.追求理解的教學設計（第二版）[M].閆寒冰，宋雪蓮，賴平，譯.上海：華東師范大學出版社，2017.

[3]溫·哈倫.以大概念理念進行科學教育[M].韋鈺，譯.北京：科學普及出版社，2016：21-22.

[4]劉徽.“大概念”視角下的單元整體教學構型——兼論素養導向的課堂變革[J].教育研究，2020，41（06）：64-77.

[5]李松林.以大概念為核心的整合性教學[J].課程·教材·教法，2020，40（10）：56-61.

[6]王喜斌.學科“大概念”的內涵、意義及獲取途徑[J].教學與管理，2018（24）：86-88.