【摘 要】信息科技實(shí)驗(yàn)是素養(yǎng)課程的典型樣態(tài)。本文提煉基于大概念的信息科技實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)路徑，由學(xué)科內(nèi)的知識(shí)縱深提煉學(xué)科大概念，以大概念強(qiáng)化知識(shí)間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，用“弗雷爾模型”聚焦組織大概念，以促進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化。壘筑六段式信息科技實(shí)驗(yàn)流程，將組織起來的知識(shí)領(lǐng)域和相應(yīng)的探究方法結(jié)合，達(dá)成學(xué)術(shù)邏輯與教學(xué)心理邏輯的內(nèi)在統(tǒng)一，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知過程的結(jié)構(gòu)化。

【關(guān)鍵詞】大概念；信息科技實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)探究；知識(shí)結(jié)構(gòu)化；六段式信息科技實(shí)驗(yàn)流程

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2023）011-052-03

信息科技實(shí)驗(yàn)是用科學(xué)研究的方法、實(shí)驗(yàn)的形式，對(duì)信息科學(xué)、技術(shù)工程領(lǐng)域的典型模型、核心概念或重要過程進(jìn)行探究和學(xué)習(xí)的學(xué)科實(shí)踐；是學(xué)生理解信息科學(xué)原理、掌握學(xué)科思維方法的有效抓手。開發(fā)信息科技實(shí)驗(yàn)要解決兩個(gè)問題：什么實(shí)驗(yàn)內(nèi)容最有價(jià)值？怎樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)才有價(jià)值？這兩個(gè)問題指向?qū)嶒?yàn)做什么、怎么做。

信息科技實(shí)驗(yàn)是素養(yǎng)課程的典型樣態(tài)。素養(yǎng)課程主張要學(xué)習(xí)的是可遷移的專家思維，而不是會(huì)遺忘的專家結(jié)論。大概念是反映專家思維方式的概念、觀念或論題[1]，其處于課程教學(xué)中心位置，亦能成為個(gè)體認(rèn)知結(jié)構(gòu)中重要的關(guān)聯(lián)點(diǎn)，使離散的事實(shí)或技能達(dá)成有意義的聯(lián)系[2]。故大概念是將素養(yǎng)落實(shí)到具體教學(xué)中的錨點(diǎn)，是形成結(jié)構(gòu)化的學(xué)科知識(shí)與方法體系的關(guān)鍵。促進(jìn)大概念理解的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容最有價(jià)值。本文討論基于大概念的信息科技實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法及六段式信息科技實(shí)驗(yàn)流程，通過知行合一的學(xué)科實(shí)踐，鋪呈素養(yǎng)內(nèi)化路徑。

基于大概念的信息科技實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)路徑

基于大概念的信息科技實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)經(jīng)歷發(fā)掘?qū)嶒?yàn)內(nèi)容、開發(fā)實(shí)驗(yàn)操作和設(shè)計(jì)觀察分析單三個(gè)階段（圖1）。

1.發(fā)掘?qū)嶒?yàn)內(nèi)容：圍繞大概念以真實(shí)性問題匹配學(xué)習(xí)性問題

教師以課程專家視角，根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，由教學(xué)內(nèi)容提煉出單元核心大概念；再關(guān)聯(lián)某課的核心知識(shí)，遴選出“值得”實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，形成學(xué)習(xí)性問題?？茖W(xué)探究始于問題，問題貫穿于科學(xué)探究的始終。學(xué)習(xí)性問題匹配單元項(xiàng)目情境，生成學(xué)生視角的真實(shí)性問題，即信息科技實(shí)驗(yàn)問題。

如“人工智能基礎(chǔ)”單元，圖像識(shí)別、語音識(shí)別技術(shù)本質(zhì)均是模式識(shí)別，由此提煉出單元核心大概念“模式識(shí)別”。關(guān)聯(lián)“圖像識(shí)別技術(shù)”確定核心知識(shí)為圖像識(shí)別過程、特征提取、特征匹配，形成學(xué)習(xí)性問題“人工智能圖像識(shí)別的過程是怎樣的、圖像的特征是什么、圖像模型庫由什么構(gòu)成”。再結(jié)合本單元項(xiàng)目“制作校園圖書館圖書自推送系統(tǒng)”，生成學(xué)生視角的真實(shí)性問題“如何編程實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別；人臉識(shí)別是依據(jù)什么識(shí)別雙胞胎的（特征點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)區(qū)分雙胞胎有什么幫助）；為什么示例人臉能夠被識(shí)別，而我不能夠被識(shí)別（如何實(shí)現(xiàn)人臉注冊(cè)）”。

2.開發(fā)實(shí)驗(yàn)操作：讓核心知識(shí)被袒露、可觀察

信息科技實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括：選擇設(shè)備、編寫程序、操作程序。其核心是程序設(shè)計(jì)，開發(fā)宗旨是盡量選擇可編程設(shè)備，切實(shí)打破技術(shù)黑箱，讓核心知識(shí)“被袒露、可觀察”。

如探究圖像識(shí)別過程，選用Python調(diào)用百度SDK程序?qū)崿F(xiàn)人臉識(shí)別，代碼只能表征用戶鑒權(quán)、參數(shù)設(shè)置、識(shí)別模塊調(diào)用、結(jié)果輸出。核心知識(shí)“圖像識(shí)別過程”對(duì)學(xué)生而言仍是應(yīng)用黑箱，無法感知。而選用Mind+圖形化編程平臺(tái)實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別，積木代碼和圖像識(shí)別過程環(huán)節(jié)一一對(duì)應(yīng)，識(shí)別過程袒露可見。

3.設(shè)計(jì)觀察分析單：使用弗雷爾模型聚焦組織大概念

弗雷爾模型由美國學(xué)者多蘿西·弗雷爾和她的同事們?cè)O(shè)計(jì)，要求學(xué)生通過四種方式，即定義、特征、正例和反例，學(xué)習(xí)某個(gè)概念[3]。使用弗雷爾模型開發(fā)信息科技實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行Т龠M(jìn)概念理解。如語音識(shí)別中（圖2），通過正例普通話的高識(shí)別率，對(duì)比反例方言的低識(shí)別率，指向聲學(xué)模型概念理解；通過反例脫離語境的單個(gè)的字、詞很難識(shí)別準(zhǔn)確，指向語言模型理解；通過聽寫游戲激活“人聽寫的經(jīng)驗(yàn)”，提取“聽到、聽清、提取語音特征、在拼音庫中識(shí)別拼音、在語言庫中識(shí)別語言、寫出”的心智模型，為人工智能語音識(shí)別過程遷移做好準(zhǔn)備；學(xué)生再閱讀識(shí)別環(huán)節(jié)解析支持材料探究特征，建構(gòu)語音識(shí)別概念。

六段式信息科技實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)化流程

信息科技實(shí)驗(yàn)以學(xué)科實(shí)踐作為知行合一的素養(yǎng)內(nèi)化路徑。通過借鑒科學(xué)學(xué)科成熟的科學(xué)研究方法體系，本研究在教學(xué)實(shí)踐的反復(fù)對(duì)話中，壘筑了六段式信息科技實(shí)驗(yàn)流程，尋找能幫助學(xué)生理解信息科技學(xué)科核心概念的可定量研究?jī)?nèi)容，以提升核心概念的理解水平、落實(shí)一些信息科技實(shí)驗(yàn)的基本過程和方法。

1.問題“啟思”：在真實(shí)情境中識(shí)別“迷思概念”提出問題

問題情境是“大概念”生成或外顯的基本場(chǎng)域，從概念的生成、發(fā)展到形成大概念，都依賴于教學(xué)問題所產(chǎn)生的情境。信息科技實(shí)驗(yàn)需要在真實(shí)的問題情境中，圍繞核心概念和重難點(diǎn)，挖掘那些難以解釋或識(shí)別的“迷思概念”，提出問題啟發(fā)學(xué)生思考。

如圖像識(shí)別過程核心環(huán)節(jié)“特征提取”中的“特征”是一個(gè)“迷思概念”，人類識(shí)別的圖像特征和機(jī)器識(shí)別的“數(shù)字化特征”有概念的交集，更有內(nèi)涵的迥異。將問題包裹進(jìn)“圖書自推送系統(tǒng)”的項(xiàng)目情境，提出實(shí)驗(yàn)問題：圖書館里來了一對(duì)雙胞胎，人臉識(shí)別技術(shù)是根據(jù)什么識(shí)別雙胞胎的？

2.經(jīng)驗(yàn)“猜想”：提取經(jīng)驗(yàn)結(jié)合學(xué)科支持材料生成假設(shè)

學(xué)生進(jìn)入課堂是懷揣著對(duì)事物認(rèn)知的樸素概念的，所以要引導(dǎo)學(xué)生關(guān)聯(lián)研究問題提取生活經(jīng)驗(yàn)，袒露前概念作為學(xué)習(xí)的基點(diǎn)。

（1）前概念袒露支架：轉(zhuǎn)化正確的樸素概念。概念轉(zhuǎn)變有兩條路徑，第一條是仔細(xì)挑選學(xué)生已有概念中最有用的觀點(diǎn)，重組這些觀點(diǎn)，從而建立一個(gè)規(guī)范性的概念[4]。提供“前概念袒露”支架，能幫助學(xué)生剖析對(duì)事物的已有認(rèn)知，提出假設(shè)猜想。如研究圖像“特征”，教師引導(dǎo)學(xué)生用人眼分辨相似圖像，并識(shí)別規(guī)則。學(xué)生得出人是根據(jù)形狀、距離等特征區(qū)分圖像的，從而類比形成猜想、做好知識(shí)遷移的準(zhǔn)備。

（2）學(xué)科學(xué)習(xí)材料：更新知識(shí)矯正“迷思概念”。概念轉(zhuǎn)變的第二條路徑是：說服學(xué)生放棄先前錯(cuò)誤觀點(diǎn)。推翻錯(cuò)誤的前概念或給出正確的科學(xué)概念，需要提供學(xué)科知識(shí)的支持材料引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行數(shù)字化學(xué)習(xí)，以更新知識(shí)矯正“迷思概念”。如探究物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，圍繞問題“數(shù)據(jù)是怎么從傳感器端傳輸?shù)绞謾C(jī)端的？”學(xué)生根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，能夠較快得出兩者是通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)聯(lián)通的，梳理出“感知層—網(wǎng)絡(luò)層—應(yīng)用層”三層結(jié)構(gòu)。教師提供“物聯(lián)網(wǎng)四層體系架構(gòu)”的學(xué)科知識(shí)材料，提問：平臺(tái)層在數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)中有什么作用？學(xué)生閱讀支持材料形成數(shù)據(jù)經(jīng)平臺(tái)層中轉(zhuǎn)的假設(shè)。

3.方案“設(shè)計(jì)”：整體把控實(shí)驗(yàn)原理、器材、步驟

方案設(shè)計(jì)階段，學(xué)生要了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、器材、步驟，明確實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想，整體把控實(shí)驗(yàn)，規(guī)避不明目的操作。如探究物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，學(xué)生首先要明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證“傳感器采集的數(shù)據(jù)需經(jīng)平臺(tái)層中轉(zhuǎn)，再傳遞給應(yīng)用層手機(jī)”；再討論生成驗(yàn)證方案：分為兩個(gè)階段，第1階段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常傳輸，第2階段斷開或關(guān)閉物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，再查看數(shù)據(jù)能否傳輸成功，即判定物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是否具有數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)作用。

4.實(shí)驗(yàn)“踐行”：支持材料保有思維容量，半成品平衡時(shí)間效益

實(shí)驗(yàn)過程中需參照實(shí)驗(yàn)單“實(shí)驗(yàn)過程”描述，根據(jù)操作支持材料中的微課和圖文教程，搭建硬件設(shè)備、編寫軟件程序、測(cè)試系統(tǒng)軟硬件協(xié)同，進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作。微課、圖文教程力求說明技術(shù)細(xì)節(jié)，保有思維容量。微課可采用WSC框架，即觀看（Watch）、提問（Question）和比較（Compare），其中問題可以是學(xué)習(xí)過程中遇到的困惑或關(guān)于操作、概念的理解。當(dāng)功能代碼實(shí)現(xiàn)較為煩瑣時(shí)，教師可給出半成品程序以平衡時(shí)間和效益，讓學(xué)生補(bǔ)充核心代碼，既保有和機(jī)器交互、培養(yǎng)計(jì)算思維的場(chǎng)域，又精簡(jiǎn)操作節(jié)約課堂時(shí)間。

5.觀察“剖析”：定性定量記錄數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)穩(wěn)定與變化

伴隨實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生要觀察軟硬件運(yùn)行結(jié)果，記錄數(shù)據(jù)定性定量的變化，分析系統(tǒng)穩(wěn)定與變化，驗(yàn)證假設(shè)形成解釋?！皩?shí)驗(yàn)記錄”是連接實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)原理之間的橋梁，能夠引導(dǎo)觀察、留下證據(jù)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律。教師在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)記錄表時(shí)，要圍繞核心知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的角度維度。如針對(duì)語音識(shí)別過程，圍繞難點(diǎn)聲學(xué)模型、語言模型設(shè)計(jì)觀察量表。

數(shù)據(jù)是信息科技實(shí)驗(yàn)的核心概念。數(shù)據(jù)分成定性和定量?jī)煞N，一般情況下能夠定量的數(shù)據(jù)就不要定性，即使定性的數(shù)據(jù)也需要盡量地定量化[5]。如針對(duì)“特征提取”開發(fā)觀察實(shí)驗(yàn)，通過Python程序調(diào)用百度API，可在圖像上標(biāo)注人臉72個(gè)特征點(diǎn)，觀察圖像可定性地感知特征；通過編程能進(jìn)一步輸出具體特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)值，計(jì)算兩點(diǎn)間距，如內(nèi)眼角間距可精確到小數(shù)點(diǎn)后15位。學(xué)生通過數(shù)據(jù)的定量觀察，直觀地得出機(jī)器是通過精確的數(shù)值計(jì)算，比對(duì)區(qū)分雙胞胎人臉的。數(shù)據(jù)概念有利于我們確定哪些內(nèi)容易轉(zhuǎn)換成信息科技實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)按照定量的程度可以分為：分類量，作為分類的標(biāo)簽，如人臉識(shí)別結(jié)果顯示張三、李四；開關(guān)量，只有是和否兩種可能性，如通和斷；連續(xù)量，如傳感器采集的光線亮度值等。

6.提煉“增智”：橫向勾連縱向深挖，多維角度透析概念

通過信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)科實(shí)踐，學(xué)生初步達(dá)成對(duì)概念原理的理解。最后要以實(shí)驗(yàn)為透鏡，橫向遷移和鋪陳相關(guān)的認(rèn)知，將這些被理解的小概念和大概念縱向打通，形成更為本質(zhì)和有益的認(rèn)識(shí)。如圖像識(shí)別技術(shù)“人臉識(shí)別雙胞胎的依據(jù)”的活動(dòng)反饋中，師生共同提煉：人臉識(shí)別技術(shù)能提取特征點(diǎn)坐標(biāo)，可計(jì)算精確距離、角度、弧度，形成數(shù)字模型，從而精準(zhǔn)識(shí)別雙胞胎。教師引導(dǎo)學(xué)生觀察特征點(diǎn)數(shù)不同的數(shù)字模型，進(jìn)一步深挖：特征點(diǎn)個(gè)數(shù)不同，會(huì)形成不同算法，點(diǎn)數(shù)越多對(duì)算力的要求也越高。從而呼應(yīng)新課標(biāo)“了解人工智能依賴的三大技術(shù)基礎(chǔ)”的要求。整個(gè)實(shí)驗(yàn)遵循從體驗(yàn)觀察、到探索原理、再到抽象形成概念，這樣螺旋上升的深度學(xué)習(xí)路徑。

結(jié) 語

信息科技實(shí)驗(yàn)圍繞大概念開發(fā)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，用“弗雷爾模型”聚焦組織大概念，有效促進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化；將學(xué)習(xí)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)方式整合形成結(jié)構(gòu)化實(shí)施路徑，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)操作的意識(shí)、能力和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的態(tài)度，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

注：本文系2021年浙江省教科規(guī)劃課題“STEAM理念下初中信息科技項(xiàng)目結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)與實(shí)施研究——以App Inventor手機(jī)應(yīng)用開發(fā)為例”（課題編號(hào)：2021SC107）成果

參考文獻(xiàn)

[1]劉徽. 大概念教學(xué)： 素養(yǎng)導(dǎo)向的單元整體設(shè)計(jì)[M]. 北京： 教育科學(xué)出版社，2022： 33.

[2]Grant W，Jay M.追求理解的教學(xué)設(shè)計(jì)（第二版）[M]. 閆寒冰，宋雪蓮，賴平，等譯. 上海： 華東師范大學(xué)出版社，2017： 77.

[3]李艷，孫丹，杜娟，等. 大概念視角下初中“人工智能基礎(chǔ)”單元設(shè)計(jì)及應(yīng)用策略探索[J]. 現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育，2021（4）： 35-47.

[4]R.Keith Sawyer（主編）. 劍橋?qū)W習(xí)科學(xué)手冊(cè)（第2版）[M].徐曉東，楊剛，阮高峰，等譯. 北京： 教育科學(xué)出版社，2021： 93-94.

[5]吳俊杰. 信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)的定義和兩個(gè)核心概念[J]. 中國信息技術(shù)教育，2013（3）： 90-91.

作者單位：浙江溫州市樂清市樂成第一中學(xué)

編 輯：馮艷艷