大概念统领下的项目式教学实践与思考
汤蓉
【摘 要】围绕大概念开展项目式学习,并不是按照传统的知识点在知识体系中的顺序展开,也不是掌握了相关知识点和技能后,再去解决问题,而是以综合问题的解决过程为线索,驱动重要知识的生成,将静态的概念内涵转化为动态的学习环节,让学生经历项目的学习过程、体悟过程、实践过程和价值判断的过程,促进概念理解的进阶,形成知识结构。对于教学设计来说,概念的逻辑内涵是暗线,活动环节的设计衔接是明线。
【关键词】学科大概念;
学习进阶;
项目式学习
【中图分类号】G434 【文献标志码】A
【论文编号】1671-7384(2024)06-055-04
2017年高中新课程标准明确了信息技术学科的四个大概念:数据、算法、信息系统和信息社会。四个学科大概念之间的内在关联为:数据是描述事物的符号记录,它也是计算工具识别、储存、加工的对象;
算法是用来处理数据的一系列步骤;
信息系统是一个人机交互系统,交互的正是基于算法的数据;
信息社会是以信息活动为基础的新型社会形态,由各种信息系统交叉作用形成[1]。基于这样的关联,课程内容呈现出结构化的框架。
相对于前两个大概念,“信息系统”大概念的抽象和复杂程度较高。高中阶段对信息系统大概念的理解,更强调信息系统的层次性和结构性,核心概念是从系统的开发要素、运行流程和发展趋势等出发,包含了信息系统的组成与功能、信息系统的集成、信息系统的设计与开发、信息系统的安全等。大量数据的处理是信息系统的关键流程之一,涉及多个环节和技术,要确保数据处理的安全性和稳定性,需要采用自主可控的技术和工具,建立自主可控的思想。同时,通过抽象建模的方法,可以对数据处理流程进行简化和优化,提高数据处理效率和准确性。
信息系统大概念的分解与落实
要组织大概念统领下的项目式教学,我们首先要以大概念为主线,深入解读、分析和重组教材等教学资源。大概念的本质是一种观念,是由事实、经验逐步向上提炼出的概念体系[2]。当我们自上而下分解大概念时,可以从概念的产生与来源(如数据的来源、信息的产生)、概念的本质与规律(如编码的本质为了秩序,算法的本质为了效率)、概念的方法与思想(如字符编码和声音编码的方法异同)、概念的关系与结构(如数据的逻辑结构与存储结构之间的关系)和概念的作用与价值(如算法怎样提高信息系统的运行效率和安全系数)五个方面,去深度解读大概念。
以“信息系统”大概念为例,我们要从信息系统的关键要素组成、工作过程、发展趋势等方面出发,先厘清下一层核心概念,再对核心概念内涵进行分解,结合单元模块内容,梳理出下一层具体概念,最后探寻具体概念所指向的真实问题,从而创设适合的项目式情境。比如“信息系统”(大概念)的教学,要先理解“信息系统的组成”(核心概念),再到理解“人、硬件和软件、数据和通信方式”(四个具体概念),最后链接到“真实问题”。
1.人作为主导要素
在各个信息系统的功能设计、组织开发和后期维护中,人都是主导因素,要根据使用者和开发者的需求来完成。比如“扫码点餐系统”的功能设计,学生分角色体验应用场景,从顾客、收银员、服务员、经营商家等多个角度规划系统功能,再考虑餐桌、菜单、人员架构等因素,对系统功能进行具体设计,最后分析其局限性,从老人使用扫码功能是否方便、扫码中个人信息的安全性等角度思考,思考需要补充完善哪些功能。通过这个实践过程,学生体验信息系统功能设计的迭代优化,更深刻理解信息系统的设计始终围绕人的需求,充分体现以人为主导的理念。
2.数据是信息系统的核心内容
信息系统以处理信息为目的,主要功能在于收集、处理、存储、分析和传递数据,从而实现对信息的高效管理和利用。随着物联网、云计算、人工智能技术的广泛应用,数据处理和存储的能力显著提升,数据的来源日益多样化,信息系统中数据的特征、量级和类型等概念内涵都在发生变化。比如“公交车智能调度系统”,有精准显示公交车到站时间和显示公交车到站距离两种功能。学生探讨这两种功能需要搜集和处理的数据有什么不同,尝试建立数据表,分析设计E-R图,确定所需要的字段,在探究数据库的建立步骤中,加深对信息系统中数据概念的理解深度。
3.硬件与软件是信息系统实现的基础
信息系统的运行需要物理平台,包括计算机、网络设备、通讯设备等,硬件是信息系统的物理基础,硬件和软件是信息系统的组成要素。这在概念逻辑上容易理解,难点在于选择适合高中生的硬件项目,在动手实践中理解概念内涵。
在教学实际中,目前由于各校的硬件条件、课时限制,加上大部分学生对开源硬件并不熟悉,这部分教学组织难度较大,教师需要做大量前期准备,对需要引导的问题进行预判。在相应学情下,小型信息系统的硬件搭建有两种学习方式可以采用:一是可以构建硬软件一体(开源硬件+算法编程)的实验系统,让学生动手设计、模拟组装,真实体验小型信息系统的自动化控制;
二是对于硬件配置有困难的学校,可采用Linkboy、Wokwi等图形化编程仿真平台,支持程序仿真运行、实时查看运行效果;
还有Cisco Packet Tracer、Boson NetSim 等网络模拟器,提供交互式的实验环境,支持故障排除和调试等,帮助学生深入理解抽象复杂的网络概念和技术。
与其他学科不同,信息技术学科的实验一般是针对数据和信息,结合跨学科主题项目式的探究,如“楼道感应灯系统”“自动浇花系统”“小型红绿灯系统”等。在功能设计环节,“自动浇花系统”要根据植物的生长需求和土壤湿度来设计浇水频率和浇水量,需要了解植物生长知识和土壤湿度的测量方法;
“楼道感应灯”通过感应人体的移动来自动开关灯,需要理解光学原理和人体感应技术;
“小型红绿灯系统”则需要模拟真实的交通环境,实现红绿灯的定时切换。在硬件搭建环节,Arduino主板、传感器、继电器等装置的使用,需要结合物理知识来理解其工作机制。例如,传感器的工作原理涉及到电路的基本知识和信号的转换,继电器的使用则需要理解电磁学的基本原理。在实验过程中,通过假设、实验、验证等方法,不断改进设计方案,提高算法效率,从而优化系统的性能。学生完整体验一个小型信息系统的开发流程,在遇到问题、解决问题的个性化探究中,对“信息系统的工作流程”“自主可控”“抽象建模”等概念理解更加深入,有效地建构自己的知识网络。
4.通信技术是信息系统运行的保障
网络通信技术是信息系统与外部世界连接的重要桥梁,是实现资源共享和信息交换的重要基础。对于这个概念的理解要求,对应新课标内容是“通过分析物联网应用实例,知道信息系统与外部世界的连接方式,了解常见的传感与控制机制”。
近几年人工智能物联网AIoT(人工智能AI+物联网IoT)正在应用到生活方方面面。实现真正意义上的万物互联,不仅仅是设备和场景间的互联互通,而是物—物、人—物、人—物—服务之间的连接和数据的互通,连接的物理设备多样化,对应的通信连接方式也更加多样。教师可以引导学生对生活中常见的应用场景进行分析,数据是如何传输的,采用了哪种无线通信技术等(表1和表2)。
通过分析数据在其中的处理流程,学生直观理解网络通信技术在其中的支撑作用。
大概念统领下的项目式教学设计策略
对于大概念统领下的项目式教学设计来说,概念的逻辑内涵是暗线,活动环节的设计衔接是明线,如图1所示。
图1 大概念统领下的项目式教学设计路径
1.明晰大概念,设计项目情境
教师进行教学设计,运用的是与学生探究过程相反的逆向思维,是在学生明晰了大概念内涵、厘清了概念体系的基础上,再找出概念体系与真实世界的内在关联,将抽象性高的概念融入到学生感兴趣的生活问题中,提炼出典型的项目情境,引导学生深入探究。教师可以通过生活中触手可及的智能系统,多角度创设问题情境(表3)。
从生活中提炼典型的项目情境,教师需要注意以下三点:一是情境问题要精准指向大概念的内涵本质,涵盖大概念下的核心概念,核心概念为项目探究提供相关性的焦点。二是包含真实问题的项目情境,具备开放度和挑战性,而不仅仅是对某个知识点、某个概念的简单呈现和回答。学生必须运用高阶思维,展开综合性的学习与探究。三是问题情境没有标准统一的答案,允许差异化,但评价必须有参考标准,参考标准的设计对应核心素养目标。
2.解构大概念,设计驱动问题链
卡尔·波普尔(Karl Popper)认为:“知识的增长永远始于问题,终于问题——越来越深化的问题,越来越能启发大量新问题的问题。”[3]驱动问题链的设计,是将概念理解融入探究活动的落脚点,能够帮助学生逐步接近、理解大概念。可以说,解决驱动问题链的过程就是建构大概念的过程。
来自真实生活的项目情境,具有一定的现实繁复性,容易使大概念的学习变得模糊。在实际教学中,设计的系列活动往往没有产生连续的、生成性的学习效果,究其原因,是缺乏结构化的驱动问题链作为锚点,没有关注和引导学生的思维进程。那么,驱动问题链如何设计?
其基本思路如下:第一,分析核心概念与项目情境的内涵关联,选取关键点;
第二,根据学科课程标准的要求,梳理大概念理解的进阶层级;
第三,明晰学生所处的层级与学习目标,调整大概念的解构程度和驱动性问题的大小及形态。
同时注意问题设计的非良构程度,真正起作用的驱动问题会引发学生思维困惑,引出有趣的、可选择的其他观点。我们要聚焦于寻求问题答案的探究、推理过程,而不是简单的“是与非”或“对与错”的结果呈现;
避免过度精细化的问题设计,而把学生的思维发展限制在同一维度,束缚个性化探究。
3.外显大概念,组织项目活动
围绕知识关键点的驱动问题,教师设计和组织相应的项目活动,让学生主动探究,从而建构自己的知识结构[4]。探究过程的关键点,往往实践难度较大、步骤较多,教师可以根据学生不同的认知基础和课时情况,搭建学习支架,为学生提供必要的经验、工具、知识等来辅助达到探究目标,有效保证项目实践的完整度。
比如信息系统的开发环节,一般流程与步骤比较复杂,教师可采用的支架方法有:可提供算法框架或者半成品的代码段,算法设计的几个关键点留给学生思考;
借助各类学习平台,提供微视频、学案等学习资源,让学生根据需要自主选择;
建立小组,呈现各小组活动进度、任务完成情况统计等,并及时反馈。这些方法对于学生的探究活动,都会起到脚手架的支撑作用。
4.表征大概念,实施多元化评价
根据澳大利亚昆士兰科技大学克里斯提那·查莫斯团队的研究成果,基于大概念的STEM综合课程单元设计中,评估系统包含收集、展示、呈现、论证四种评估工具[5]。我们在实践中概括出大概念统领下的项目式教学评价的大致流程:收集学生在项目探究过程中的作品;
给学生提供展示交流的机会;
利用课堂行为观察量表、小组完成进度统计表等工具对学习活动过程的理解程度进行外显;
用访谈、测评等方法确证学生对大概念的理解程度。在教学中,教师可以根据大概念的解构程度和实际学情,对评价流程进行调整。
最后对于概念理解程度的测评,教师可以按照“知道什么”“理解什么”“能做什么”与“想做什么”四个维度,设计概念理解程度的评价框架及细则,比如对函数概念的评价框架(表4)。
表4 函数概念的评价量规表框架
评价维度 评价内容 自评 他评
知道什么 能否用自己的话对函数的作用进行解释、表达
理解什么 能否根据所学知识进行推论、并解释函数适用的情况
能做什么 能否举一反三,自行设计新的函数
能否综合几方面的相关知识,用函数优化本项目中的复杂问题
想做什么 能否发现实际生活中的函数适用情况,并解决问题
结 语
对大概念的理解是一个循序渐进、不断拓展和提升的进阶过程。围绕大概念开展项目式学习,并不是按照传统的知识点在知识体系中的顺序展开,也不是掌握了相关知识点和技能后,再去解决问题,而是以综合问题的解决过程为线索,驱动重要知识的生成,将静态的概念内涵转化为动态的学习环节,让学生经历项目的学习过程、体悟过程、实践过程和价值判断的过程,促进概念理解的进阶,形成知识结构。
参考文献
任友群,黄荣怀. 普通高中信息技术课程标准(2017年版2020年修订)解读[M]. 北京:高等教育出版社,2020:35.
格兰特·威金斯,杰伊·麦克泰格. 追求理解的教学设计[M]. 闫寒冰,宋雪莲,赖平,译. 2版. 上海:华东师范大学出版社,2017:
77.
波普尔. 猜想与反驳:科学知识的增长[M]. 傅季重,译. 上海:上海译文出版社,2001:318.
李刚,吕立杰. 大概念课程设计:指向学科核心素养落实的课程架构[J]. 教育发展研究,2018,38(15):
35-42.
Chalmers C,Nason R.Systems Thinking Approach to Robotics Curriculum in Schools[M].In Khine M S.Robotics in STEM Education:Redesigning the Learning Experience.Cham,Switzerland:Springer,2017:33-57.
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