姚文連

隨著《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）》的實施，數(shù)據(jù)編碼如何走向?qū)嵺`教學、如何在學習中讓“科”與“技”有機融合，已經(jīng)成為重要的教研課題之一。本期解碼，從一線的視角，展示基于數(shù)據(jù)與編碼來觀察核心素養(yǎng)的問題驅(qū)動和項目式學習兩種不同的教學策略。

摘要：本文嘗試將“四問驅(qū)動”教學范式融入數(shù)據(jù)編碼的探究過程，從大模型何以產(chǎn)生類人智能到數(shù)據(jù)是人工智能的重要基石，從遠古人類的結(jié)繩計數(shù)到十進制數(shù)的創(chuàng)造使用，從天平砝碼的方案設(shè)計到二進制編碼的基本原理，從真話假話判斷問題的邏輯推理到程序枚舉解決，追溯數(shù)據(jù)編碼知識的生成與發(fā)展過程，促進學科知識通達核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：四問驅(qū)動；數(shù)據(jù)；編碼；二進制

中圖分類號：G434 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2024）11-0026-04

素養(yǎng)導(dǎo)向的課堂教學追求人的全面與可持續(xù)發(fā)展。唯有靜態(tài)的、封閉的學科知識成為真實問題解決的工具、手段，并伴隨著問題解決的過程而不斷被解構(gòu)重構(gòu)，知識通達素養(yǎng)才具有可能性。[1]從語言的創(chuàng)造到文字的發(fā)明，從印刷技術(shù)到電報電話等現(xiàn)代通信技術(shù)，從互聯(lián)網(wǎng)到人工智能，人類社會的每一次信息技術(shù)革命，無不與數(shù)據(jù)編碼問題的發(fā)現(xiàn)與解決過程密切相關(guān)。數(shù)據(jù)無處不在，編碼無時不在。然而，對絕大部分高中生而言，想要透徹地理解以二進制為主的計算機編碼思想與方法并不容易。王克亮老師構(gòu)建的“四問驅(qū)動”教學范式，倡導(dǎo)通過“啟問、探問、追問、回問”四個環(huán)節(jié)[2]，構(gòu)建一個或多個完整的問題解決循環(huán)，將課堂學習引向深入，有效提升學生的問題解決能力與學習經(jīng)驗遷移水平。對于很少有常態(tài)化課前預(yù)習時間的高中信息技術(shù)學科而言，在課前增加一個簡短的學習情緒醞釀環(huán)節(jié)，能更好地將“四問驅(qū)動”教學范式有機融入到課堂教學當中。下面，筆者以《初探數(shù)據(jù)與編碼》一課為例，探討如何踐行“四問驅(qū)動”教學范式，追溯數(shù)據(jù)編碼知識的生成與發(fā)展過程，促進數(shù)據(jù)編碼的核心知識通達計算思維的核心素養(yǎng)。

引言：醞釀學習情緒

1.學習導(dǎo)言

（1）天道生萬物。老子的《道德經(jīng)》第四十二章有“道生一，一生二，二生三，三生萬物”的哲理名言。在老子看來，萬物都是由“道”演變而來?！痘茨献印ぬ煳挠枴方o出了對這句話的哲學解釋：道始于一，一而不生，故分而為陰陽（可以類比成二進制編碼0、1），陰陽合和而萬物生。

（2）萬物皆比特。在浩瀚的宇宙當中，除了暗物質(zhì)與暗能量之外，只有幾十種基本粒子。通過有限種類的基本粒子，竟然生成如此紛繁復(fù)雜的世界，孕育出如此生機勃勃的宇宙。這些基本粒子的不同組合方式（信息）起著決定性的作用，因此，物理學家約翰 ·惠勒發(fā)出感嘆：萬物皆比特（編碼）！

2.學習活動

在課前導(dǎo)學環(huán)節(jié)，教師引導(dǎo)學生認真閱讀投影屏幕上的學習導(dǎo)言與計算機上的“生成式人工智能”相關(guān)文檔資料，讓學生了解如訊飛星火、Kimi等國產(chǎn)大模型的基本功能，討論大模型的生成機制與學習原理，激發(fā)學生的問題意識，為后續(xù)的問題探究做好認知與情緒的鋪墊。

3.實踐評析

信息技術(shù)課程與其他課程相比，尤其需要借助一個引人入勝的學習情緒醞釀環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學生構(gòu)建學習內(nèi)容與日常生活的多維度聯(lián)系，把學習的思考與疑問作為有效投入下一階段學習活動的重要線索與生動素材，彰顯學習與生活的關(guān)聯(lián)價值。

啟問：探究真實問題

啟問是“問題解決”的發(fā)生階段，指發(fā)現(xiàn)問題與提出問題的過程，啟問通常緊跟問題情境之后或置于一個教學活動之前。

1.學習活動

教師引導(dǎo)學生分組討論“大模型為什么會有類人的智能”“現(xiàn)代電子計算機為什么會采用二進制編碼”等問題，并使用訊飛星火、Kimi等國產(chǎn)大模型來生成結(jié)果，體驗生成式人工智能強大的知識生成能力。以ChatGPT應(yīng)用為例，了解數(shù)據(jù)、算法、算力是人工智能的三大基石，比較人類學習與機器學習的異曲同工之處，感悟數(shù)據(jù)編碼與問題解決方式的時代變遷。

2.實踐評析

高中生因為學習時間緊、任務(wù)重，普遍對人工智能的最新研究成果知之甚少、用之甚少。從“人類知道”到“百度知道”，從“大數(shù)據(jù)知道”到“大模型知道”，啟問要上承“人類如何學習”的真實問題，下啟“機器何以具備類人的智能”的課堂探究問題，讓學生的思維活動在抽象與具體、學習與生活、當下與未來之間從容轉(zhuǎn)換，才能讓充滿實踐性與生命力的知識有更多遷移情境、通達素養(yǎng)的可能性。

探問：助推經(jīng)驗建構(gòu)

探問是“問題解決”的發(fā)展階段，指分析問題與解決問題的過程，這一階段通常需要教師的引導(dǎo)與師生的相互啟發(fā)。

1.學習活動

在遠古時代，人類在從事狩獵、農(nóng)作、放牧等生產(chǎn)生活的過程中都需要計數(shù)，最初采用一一對應(yīng)的實物計數(shù)方法，如小石頭、樹枝、貝殼等。然而，用來計數(shù)的實物既容易散亂、丟失，又很難表示較大的數(shù)量。于是就出現(xiàn)了結(jié)繩計數(shù)、刻痕計數(shù)等人類最早使用的數(shù)據(jù)編碼形式。那些最早用結(jié)繩、刻痕計數(shù)并幫助人們解決物品分發(fā)問題的先祖，那些在殷商時代就能在甲骨上鐫刻上一、二、三、四、五、六、七、八、九、十和百、千、萬等十進制數(shù)的先賢，都是值得后人敬仰學習的經(jīng)驗總結(jié)者與知識創(chuàng)造者。

2.實踐評析

通過結(jié)繩計數(shù)的分組體驗活動，學生真切感悟知識產(chǎn)生與發(fā)展的艱辛歷程。由于學生先前的學習生活經(jīng)驗各不相同，在探問環(huán)節(jié)要根據(jù)不同學生的實際學習情況做出及時有效的反饋，鼓勵師生、生生之間的對話交流，助推學生的學習經(jīng)驗重構(gòu)。

追問：激發(fā)認知沖突

追問是“問題解決”過程中的一個或多個小高潮，指質(zhì)疑問難與思維交流的過程。

1.學習活動

在古代的物品分配、交換體系中，數(shù)量和重量的計算都是需要解決的關(guān)鍵問題。古埃及與中國在幾千年前就開始使用天平來對物品稱重。盡管隨著時間的推移，天平早已超越了它本身的使用意義，變成了公平正義的圖騰，但其砝碼設(shè)計問題中蘊含的數(shù)據(jù)編碼原理，仍然值得我們思考研究。

（1）問題描述。有一架天平和n只砝碼，假設(shè)砝碼重量的最小單位是1克，所有砝碼的克數(shù)都是正整數(shù)，稱物時物品放在天平的左邊，砝碼放在右邊。如何設(shè)計這n只砝碼的重量，才能使這架天平從1克開始的連續(xù)稱重范圍最大？

（2）問題解決。開放包容的課堂討論活動，可以激發(fā)學生的思維碰撞，學生借助反思修正之前的知識理解，改進后續(xù)的問題解決，這既是反思性思維與素養(yǎng)的另一種表達，也是重建知識實踐性的基本內(nèi)涵。[3]為了增強討論效果，可以讓學生根據(jù)學號的奇偶，選擇4個或5個砝碼進行重量實驗的方案設(shè)計，并通過討論交流得出初步的結(jié)論。

①原理分析。引導(dǎo)學生運行砝碼設(shè)計的Python程序，根據(jù)程序運行結(jié)果，比較人機解決問題的異曲同工之處。如果把每個不同重量的砝碼“放”或者“不放”的兩種狀態(tài)類比成二進制數(shù)的1和0，那么砝碼的個數(shù)就等于二進制數(shù)的位數(shù)。例如，4個砝碼對應(yīng)4位二進制數(shù)1111，轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)就是15，可知4個砝碼（1、2、4、8）可以連續(xù)稱重的范圍是1～15。

②算法實驗。具體代碼省略。

③實驗觀察。具體代碼省略。

2.實踐評析

在學生經(jīng)過深入交流討論，基本達成砝碼重量設(shè)計方案的共識之后，教師可以根據(jù)課堂實際情況，適時拋出“如果砝碼既可以放在左邊，也可以放在右邊，每個砝碼的重量又該如何設(shè)計”的追問，再次引發(fā)學生的認知沖突，拓展學生學習的廣度與深度。追問是探問的躍遷與升華，只有把學生的好奇之心與思辨熱情充分調(diào)動起來，體現(xiàn)課堂靈動性、鼓勵生成的追問活動才有可能不斷發(fā)生。

回問：追溯知識生成

回問是“問題解決”的結(jié)束階段，指回顧與反思問題解決的全過程，意圖從中提煉思想方法，提出新的問題，提高認知水平。

1.學習活動

真話假話判斷問題：

在4個人中，有1個人悄悄做了一件好事，但他不愿意主動承認。假設(shè)他們4個人中有3個人說了真話，有1個人說了假話，請根據(jù)下面的對話，判斷是誰做的好事？

A：不是我。

B：是C。

C：是D。

D：C胡說。

（1）邏輯推理法。根據(jù)題意，4個人中有3個人講了真話，而C、D兩人的講話是互相矛盾的，他們兩個人中肯定有1個人說了假話。因此，A、B說的都是真話，而B說是C。經(jīng)過簡單邏輯推理，就可以得出做好事的人是C。

（2）程序枚舉法。直接使用邏輯推理的方法，雖然可以解決簡單的真話假話判斷問題，但隨著對象數(shù)量的增加以及判斷條件的復(fù)雜化，可能就需要將判斷條件轉(zhuǎn)換成可計算的邏輯表達式，通過編程計算來解決問題。

①原理分析。假設(shè)用二進制的0、1分別表示講假話的人、講真話的人，則“A：不是我”這句話就可以轉(zhuǎn)換為邏輯表達式“A==0”。與此同時，“A==0”本身也是可計算的，如果A講的是真話，那么A就不是做好事的人，“A==0”的計算結(jié)果就是True，而在Python語言里True可以等價于1，F(xiàn)alse可以等價于0。根據(jù)問題描述，四句話對應(yīng)的四個邏輯表達式相加的結(jié)果等于3，就是枚舉算法的判斷輸出條件，完善運行Python程序，也可以“計算”出做好事的人是C。

②算法實驗。具體代碼省略。

③實驗觀察。做好事的人是C。

2.實踐評析

在學生經(jīng)歷了一個個相對完整而又真實具體的問題解決循環(huán)之后，多回問學生“你為什么這么說，你怎么會那樣做”的問題，可以促進他們把注意力從問題本身轉(zhuǎn)移到自己在解決問題過程中的所做所為與所思所想，從而強化對個人學習過程的監(jiān)控，提升元認知水平。真正追求理解的學習，一定離不開問題的發(fā)現(xiàn)與解決、知識的解構(gòu)與重構(gòu)、過程的復(fù)盤與反思?；貑柺谴龠M學生元認知發(fā)展的關(guān)鍵路徑。學生的復(fù)盤反思習慣養(yǎng)成和新問題的不斷涌現(xiàn)，是知識通達素養(yǎng)的寶貴證據(jù)。

結(jié)語：編碼建構(gòu)未來

在德國漢諾威的萊布尼茨文獻館，至今仍然保存著數(shù)學家萊布尼茨的一份珍貴手稿，其標題為：“1與0，一切數(shù)字的神奇淵源，這是造物的、秘密美妙的典范。”關(guān)于二進制的起源，萊布尼茨的手稿里雖然只有幾頁異常精煉的描述，但根據(jù)有關(guān)史料研究，其與中國古代“道生萬物”的哲學思想有一定的歷史淵源。1847年，數(shù)學家布爾將邏輯符號與二進制運算相結(jié)合，創(chuàng)立了布爾代數(shù)，也叫邏輯代數(shù)或二進制代數(shù)。1936年，圖靈提出了一種抽象的計算機模型，奠定了現(xiàn)代計算機科學的理論基礎(chǔ)。1945年，馮·諾依曼確定了以存儲程序和二進制編碼為基礎(chǔ)的現(xiàn)代計算機體系結(jié)構(gòu)。對知識意義的深度學習必須在“知其然”和“知其所以然”后，逐步升華知識的科學價值、人文價值和社會價值。[4]二進制編碼的思想源遠流長，歷史上也出現(xiàn)過采用十進制、三進制編碼的“計算機”。人類選擇二進制作為現(xiàn)代信息系統(tǒng)最基本的數(shù)據(jù)編碼方式，也只有短短幾十年的歷史。二進制編碼思想看似特別簡單，所有編碼都僅由0和1兩個數(shù)字構(gòu)成，但卻能方便快捷地建構(gòu)出波瀾壯闊的數(shù)字世界。歷史選擇了二進制編碼，二進制編碼也在創(chuàng)造著歷史。自從現(xiàn)代電子計算機誕生以來，信息技術(shù)沿著以計算機為核心到以互聯(lián)網(wǎng)為核心再到以數(shù)據(jù)為核心的脈絡(luò)發(fā)展。數(shù)千年的工業(yè)農(nóng)業(yè)時代產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量與短短幾十年的信息時代早已無法相提并論，數(shù)據(jù)及其編碼的相關(guān)知識，早已與人類的生產(chǎn)生活乃至整個社會的運轉(zhuǎn)方式密切相關(guān)。只有對編碼知識進行深度挖掘，觸及核心知識得以創(chuàng)生的方法、思想與思維及其價值旨趣，所學的顯性知識才能在現(xiàn)實的問題情境中得以靈活、創(chuàng)造性地運用。[5]面向未來的學習，不但要用心融入生活，關(guān)注真實問題解決的學科意義，更要努力超越生活，彰顯知識通達素養(yǎng)對個人乃至群體的成長價值。

參考文獻：

[1][3]張良.核心素養(yǎng)的生成：以知識觀重建為路徑[J].教育研究，2019，40（09）：65-70.

[2]王克亮.新授課“四問驅(qū)動”教學范式的構(gòu)建與實踐——課堂教學實施“問題解決”的操作策略的探索[J].數(shù)學通報，2021，60（07）：51-55.

[4]王富英，王新民.讓知識在對話交流中生成——DJP教學中知識生成的過程與理解分析[J].中國數(shù)學教育，2013（11）：3-6.

[5]李潤洲.核心素養(yǎng)視域下的知識教學[J].教育發(fā)展研究，2017，37（08）：69-76.