大概念統(tǒng)領下的項目式教學實踐與思考

【摘要】圍繞大概念開展項目式學習，并不是按照傳統(tǒng)的知識點在知識體系中的順序展開，也不是掌握了相關知識點和技能后，再去解決問題，而是以綜合問題的解決過程為線索，驅動重要知識的生成，將靜態(tài)的概念內(nèi)涵轉化為動態(tài)的學習環(huán)節(jié)，讓學生經(jīng)歷項目的學習過程、體悟過程、實踐過程和價值判斷的過程，促進概念理解的進階，形成知識結構。對于教學設計來說，概念的邏輯內(nèi)涵是暗線，活動環(huán)節(jié)的設計銜接是明線?！娟P鍵詞】學科大概念；學習進階；項目式學習2017年高中新課程標準明確了信息技術學科的四個大概念：數(shù)據(jù)、算法、信息系統(tǒng)和信息社會。四個學科大概念之間的內(nèi)在關聯(lián)為：數(shù)據(jù)是描述事物的符號記錄，它也是計算工具識別、儲存、加工的對象；算法是用來處理數(shù)據(jù)的一系列步驟；信息系統(tǒng)是一個人機交互系統(tǒng)，交互的正是基于算法的數(shù)據(jù)；信息社會是以信息活動為基礎的新型社會形態(tài)，由各種信息系統(tǒng)交叉作用形成[1]?；谶@樣的關聯(lián)，課程內(nèi)容呈現(xiàn)出結構化的框架。相對于前兩個大概念，“信息系統(tǒng)”大概念的抽象和復雜程度較高。高中階段對信息系統(tǒng)大概念的理解，更強調信息系統(tǒng)的層次性和結構性，核心概念是從系統(tǒng)的開發(fā)要素、運行流程和發(fā)展趨勢等出發(fā)，包含了信息系統(tǒng)的組成與功能、信息系統(tǒng)的集成、信息系統(tǒng)的設計與開發(fā)、信息系統(tǒng)的安全等。大量數(shù)據(jù)的處理是信息系統(tǒng)的關鍵流程之一，涉及多個環(huán)節(jié)和技術，要確保數(shù)據(jù)處理的安全性和穩(wěn)定性，需要采用自主可控的技術和工具，建立自主可控的思想。同時，通過抽象建模的方法，可以對數(shù)據(jù)處理流程進行簡化和優(yōu)化，提高數(shù)據(jù)處理效率和準確性。信息系統(tǒng)大概念的分解與落實要組織大概念統(tǒng)領下的項目式教學，我們首先要以大概念為主線，深入解讀、分析和重組教材等教學資源。大概念的本質是一種觀念，是由事實、經(jīng)驗逐步向上提煉出的概念體系[2]。當我們自上而下分解大概念時，可以從概念的產(chǎn)生與來源（如數(shù)據(jù)的來源、信息的產(chǎn)生）、概念的本質與規(guī)律（如編碼的本質為了秩序，算法的本質為了效率）、概念的方法與思想（如字符編碼和聲音編碼的方法異同）、概念的關系與結構（如數(shù)據(jù)的邏輯結構與存儲結構之間的關系）和概念的作用與價值（如算法怎樣提高信息系統(tǒng)的運行效率和安全系數(shù)）五個方面，去深度解讀大概念。以“信息系統(tǒng)”大概念為例，我們要從信息系統(tǒng)的關鍵要素組成、工作過程、發(fā)展趨勢等方面出發(fā)，先厘清下一層核心概念，再對核心概念內(nèi)涵進行分解，結合單元模塊內(nèi)容，梳理出下一層具體概念，最后探尋具體概念所指向的真實問題，從而創(chuàng)設適合的項目式情境。比如“信息系統(tǒng)”（大概念）的教學，要先理解“信息系統(tǒng)的組成”（核心概念），再到理解“人、硬件和軟件、數(shù)據(jù)和通信方式”（四個具體概念），最后鏈接到“真實問題”。1.人作為主導要素在各個信息系統(tǒng)的功能設計、組織開發(fā)和后期維護中，人都是主導因素，要根據(jù)使用者和開發(fā)者的需求來完成。比如“掃碼點餐系統(tǒng)”的功能設計，學生分角色體驗應用場景，從顧客、收銀員、服務員、經(jīng)營商家等多個角度規(guī)劃系統(tǒng)功能，再考慮餐桌、菜單、人員架構等因素，對系統(tǒng)功能進行具體設計，最后分析其局限性，從老人使用掃碼功能是否方便、掃碼中個人信息的安全性等角度思考，思考需要補充完善哪些功能。通過這個實踐過程，學生體驗信息系統(tǒng)功能設計的迭代優(yōu)化，更深刻理解信息系統(tǒng)的設計始終圍繞人的需求，充分體現(xiàn)以人為主導的理念。2.數(shù)據(jù)是信息系統(tǒng)的核心內(nèi)容信息系統(tǒng)以處理信息為目的，主要功能在于收集、處理、存儲、分析和傳遞數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對信息的高效管理和利用。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能技術的廣泛應用，數(shù)據(jù)處理和存儲的能力顯著提升，數(shù)據(jù)的來源日益多樣化，信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的特征、量級和類型等概念內(nèi)涵都在發(fā)生變化。比如“公交車智能調度系統(tǒng)”，有精準顯示公交車到站時間和顯示公交車到站距離兩種功能。學生探討這兩種功能需要搜集和處理的數(shù)據(jù)有什么不同，嘗試建立數(shù)據(jù)表，分析設計E-R圖，確定所需要的字段，在探究數(shù)據(jù)庫的建立步驟中，加深對信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)概念的理解深度。3.硬件與軟件是信息系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎信息系統(tǒng)的運行需要物理平臺，包括計算機、網(wǎng)絡設備、通訊設備等，硬件是信息系統(tǒng)的物理基礎，硬件和軟件是信息系統(tǒng)的組成要素。這在概念邏輯上容易理解，難點在于選擇適合高中生的硬件項目，在動手實踐中理解概念內(nèi)涵。在教學實際中，目前由于各校的硬件條件、課時限制，加上大部分學生對開源硬件并不熟悉，這部分教學組織難度較大，教師需要做大量前期準備，對需要引導的問題進行預判。在相應學情下，小型信息系統(tǒng)的硬件搭建有兩種學習方式可以采用：一是可以構建硬軟件一體（開源硬件+算法編程）的實驗系統(tǒng)，讓學生動手設計、模擬組裝，真實體驗小型信息系統(tǒng)的自動化控制；二是對于硬件配置有困難的學校，可采用Linkboy、Wokwi等圖形化編程仿真平臺，支持程序仿真運行、實時查看運行效果；還有CiscoPacketTracer、BosonNetSim等網(wǎng)絡模擬器，提供交互式的實驗環(huán)境，支持故障排除和調試等，幫助學生深入理解抽象復雜的網(wǎng)絡概念和技術。與其他學科不同，信息技術學科的實驗一般是針對數(shù)據(jù)和信息，結合跨學科主題項目式的探究，如“樓道感應燈系統(tǒng)”“自動澆花系統(tǒng)”“小型紅綠燈系統(tǒng)”等。在功能設計環(huán)節(jié)，“自動澆花系統(tǒng)”要根據(jù)植物的生長需求和土壤濕度來設計澆水頻率和澆水量，需要了解植物生長知識和土壤濕度的測量方法；“樓道感應燈”通過感應人體的移動來自動開關燈，需要理解光學原理和人體感應技術；“小型紅綠燈系統(tǒng)”則需要模擬真實的交通環(huán)境，實現(xiàn)紅綠燈的定時切換。在硬件搭建環(huán)節(jié)，Arduino主板、傳感器、繼電器等裝置的使用，需要結合物理知識來理解其工作機制。例如，傳感器的工作原理涉及到電路的基本知識和信號的轉換，繼電器的使用則需要理解電磁學的基本原理。在實驗過程中，通過假設、實驗、驗證等方法，不斷改進設計方案，提高算法效率，從而優(yōu)化系統(tǒng)的性能。學生完整體驗一個小型信息系統(tǒng)的開發(fā)流程，在遇到問題、解決問題的個性化探究中，對“信息系統(tǒng)的工作流程”“自主可控”“抽象建?！钡雀拍罾斫飧由钊?，有效地建構自己的知識網(wǎng)絡。4.通信技術是信息系統(tǒng)運行的保障網(wǎng)絡通信技術是信息系統(tǒng)與外部世界連接的重要橋梁，是實現(xiàn)資源共享和信息交換的重要基礎。對于這個概念的理解要求，對應新課標內(nèi)容是“通過分析物聯(lián)網(wǎng)應用實例，知道信息系統(tǒng)與外部世界的連接方式，了解常見的傳感與控制機制”。近幾年人工智能物聯(lián)網(wǎng)AIoT（人工智能AI+物聯(lián)網(wǎng)IoT）正在應用到生活方方面面。實現(xiàn)真正意義上的萬物互聯(lián)，不僅僅是設備和場景間的互聯(lián)互通，而是物—物、人—物、人—物—服務之間的連接和數(shù)據(jù)的互通，連接的物理設備多樣化，對應的通信連接方式也更加多樣。教師可以引導學生對生活中常見的應用場景進行分析，數(shù)據(jù)是如何傳輸?shù)?，采用了哪種無線通信技術等（表1和表2）。通過分析數(shù)據(jù)在其中的處理流程，學生直觀理解網(wǎng)絡通信技術在其中的支撐作用。大概念統(tǒng)領下的項目式教學設計策略對于大概念統(tǒng)領下的項目式教學設計來說，概念的邏輯內(nèi)涵是暗線，活動環(huán)節(jié)的設計銜接是明線，如圖1所示。圖1

大概念統(tǒng)領下的項目式教學設計路徑1.明晰大概念，設計項目情境教師進行教學設計，運用的是與學生探究過程相反的逆向思維，是在學生明晰了大概念內(nèi)涵、厘清了概念體系的基礎上，再找出概念體系與真實世界的內(nèi)在關聯(lián)，將抽象性高的概念融入到學生感興趣的生活問題中，提煉出典型的項目情境，引導學生深入探究。教師可以通過生活中觸手可及的智能系統(tǒng)，多角度創(chuàng)設問題情境（表3）。從生活中提煉典型的項目情境，教師需要注意以下三點：一是情境問題要精準指向大概念的內(nèi)涵本質，涵蓋大概念下的核心概念，核心概念為項目探究提供相關性的焦點。二是包含真實問題的項目情境，具備開放度和挑戰(zhàn)性，而不僅僅是對某個知識點、某個概念的簡單呈現(xiàn)和回答。學生必須運用高階思維，展開綜合性的學習與探究。三是問題情境沒有標準統(tǒng)一的答案，允許差異化，但評價必須有參考標準，參考標準的設計對應核心素養(yǎng)目標。2.解構大概念，設計驅動問題鏈卡爾·波普爾（KarlPopper）認為：“知識的增長永遠始于問題，終于問題——越來越深化的問題，越來越能啟發(fā)大量新問題的問題?！盵3]驅動問題鏈的設計，是將概念理解融入探究活動的落腳點，能夠幫助學生逐步接近、理解大概念。可以說，解決驅動問題鏈的過程就是建構大概念的過程。來自真實生活的項目情境，具有一定的現(xiàn)實繁復性，容易使大概念的學習變得模糊。在實際教學中，設計的系列活動往往沒有產(chǎn)生連續(xù)的、生成性的學習效果，究其原因，是缺乏結構化的驅動問題鏈作為錨點，沒有關注和引導學生的思維進程。那么，驅動問題鏈如何設計？其基本思路如下：第一，分析核心概念與項目情境的內(nèi)涵關聯(lián)，選取關鍵點；第二，根據(jù)學科課程標準的要求，梳理大概念理解的進階層級；第三，明晰學生所處的層級與學習目標，調整大概念的解構程度和驅動性問題的大小及形態(tài)。同時注意問題設計的非良構程度，真正起作用的驅動問題會引發(fā)學生思維困惑，引出有趣的、可選擇的其他觀點。我們要聚焦于尋求問題答案的探究、推理過程，而不是簡單的“是與非”或“對與錯”的結果呈現(xiàn)；避免過度精細化的問題設計，而把學生的思維發(fā)展限制在同一維度，束縛個性化探究。3.外顯大概念，組織項目活動圍繞知識關鍵點的驅動問題，教師設計和組織相應的項目活動，讓學生主動探究，從而建構自己的知識結構[4]。探究過程的關鍵點，往往實踐難度較大、步驟較多，教師可以根據(jù)學生不同的認知基礎和課時情況，搭建學習支架，為學生提供必要的經(jīng)驗、工具、知識等來輔助達到探究目標，有效保證項目實踐的完整度。比如信息系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)節(jié)，一般流程與步驟比較復雜，教師可采用的支架方法有：可提供算法框架或者半成品的代碼段，算法設計的幾個關鍵點留給學生思考；借助各類學習平臺，提供微視頻、學案等學習資源，讓學生根據(jù)需要自主選擇；建立小組，呈現(xiàn)各小組活動進度、任務完成情況統(tǒng)計等，并及時反饋。這些方法對于學生的探究活動，都會起到腳手架的支撐作用。4.表征大概念，實施多元化評價根據(jù)澳大利亞昆士蘭科技大學克里斯提那·查莫斯團隊的研究成果，基于大概念的STEM綜合課程單元設計中，評估系統(tǒng)包含收集、展示、呈現(xiàn)、論證四種評估工具[5]。我們在實踐中概括出大概念統(tǒng)領下的項目式教學評價的大致流程：收集學生在項目探究過程中的作品；給學生提供展示交流的機會；利用課堂行為觀察量表、小組完成進度統(tǒng)計表等工具對學習活動過程的理解程度進行外顯；用訪談、測評等方法確證學生對大概念的理解程度。在教學中，教師可以根據(jù)大概念的解構程度和實際學情，對評價流程進行調整。最后對于概念理解程度的測評，教師可以按照“知道什么”“理解什么”“能做什么”與“想做什么”四個維度，設計概念理解程度的評價框架及細則，比如對函數(shù)概念的評價框架（表4）。表4

函數(shù)概念的評價量規(guī)表框架評價維度評價內(nèi)容自評他評知道什么能否用自己的話對函數(shù)的作用進行解釋、表達理解什么能否根據(jù)所學知識進行推論、并解釋函數(shù)適用的情況能做什么能否舉一反三，自行設計新的函數(shù)