大概念视域下信息科技学科学习路径规划与实施

摘要：基础教育两个学段的课程方案明确了大概念、重要观念在促进课程内容结构化方面的重要地位，大概念在教育教学中真实性、结构性和持久性的价值导向，为信息科技学科学习路径规划与实施提供了新的研究视角。作者通过具体案例，阐述在明确意义、整合结构、迁移应用、探索创新中树立信念的学习路径，以期达成课程全面育人的目标。

关键词：大概念；学习路径；信息技术

《普通高中课程方案（2017版2020年修订）》及《义务教育课程方案（2022年版）》在优化课程内容结构的描述中指出：“重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实。”“基于核心素养发展要求，遴选重要观念、主要内容和基础知识，设计课程内容，增加内容与育人目标的联系，优化内容的组织形式。”两个方案均体现出“结构化学科内容”和“促进核心素养培养目标”的重要作用。笔者通过查阅文献，并基于国内外专家对“大概念”的内涵解读，梳理基础教育阶段“大概念”的教育教学价值——体现在三个方面，即与真实问题解决的联系、学科知识的结构化整合、学生能力的持久迁移。另外，“大概念”的根本意义在于培养并提升学生的综合能力和创新思维。大概念的内涵与国家课程方案及学科课程标准的培养目标一致。因此笔者认为，大概念下信息科技（技术）学科的学习路径应遵循以上价值方向展开。下面，笔者围绕课例《人工智能 计算视觉》，阐述其两次教学中学习路径的规划与实施过程。

建立知识联系，明确意义

布鲁纳倡导的学科结构运动以连接知识之间的相互关联并了解其意义来理解学科并掌握学科结构。信息科技学科呈现的知识相对概念化和事实化，在学习起始阶段，教师可通过创设真实问题情境建立新旧知识的联系，使学生理解所学知识的意义，以激发学生的学习动机。

在《人工智能 计算视觉》课例中，针对计算机如何识别图像进行概念原理、技术分析、应用体验、问题解决等学习内容分解，将学习目标指向学科四维核心素养。而如何将内容与真实生活建立联系，是学习规划的重要环节。

在初稿设计时正值新冠疫情线上教学期间，教师结合居家健身的热门话题，通过演示“天天跳绳”APP玩偶运动不能计数、学生上下跳动可以计数，来说明“天天跳绳”APP中对运动的事物进行了识别，引出AI助力运动的话题，将日常生活应用与计算视觉的学习内容直接连接，建立具体的学习方向。

第二次教学实施时的学习对象为借班学生。首先，教师通过微视频回顾学生在中考体育测试中AI评分的过程，使学生对学习内容的价值有了初步认识；其次，师生合作体验“天天跳绳”APP的计数过程，学生建立原认知经验与新知识的联系；最后，教师通过小视频从专家视角说明AI助力运动就是利用计算机视觉技术解决健身指导和身体检测等问题。学生通过聚焦学习内容，明确了学习的意义。

在第一次教学中，尽管学生通过亲身体验了解了APP中包含了计算视觉的学习内容，但对学习的价值理解相对表面化。对比两次教学的学习效果可以发现，学习内容与学习活动的联系越紧密，学习过程越有效。

构建知识桥梁，整合结构

计算视觉的概念原理和技术体验是课例的核心学习内容。大部分学生对计算视觉只有感性的应用经验，而其结构化认知的形成需要教师给予科学的指导和教授，即对分解体验和零散知识点进行合理集成。

在第一次学习规划中，教师以静态人脸识别的体验活动，帮助学生在半成品Python程序的完善过程中，了解基于OpenCV的人脸识别基本过程，即调用OpenCV库中的人脸检测模型，比对被检测的简单图片中的人脸与模型库中的数据，将图像中被识别出来的人脸标注出来。接着，教师提供相对复杂的图片素材，通过识别过程中出现错误或无法识别的问题，引导学生思考程序实现识别的原理与图像中人脸的关键节点数有关。在后续的动态人脸识别活动中，学生发现其与静态识别一样存在识别出错或识别率不高的问题，进而产生新的探究需求。在这个学习路径下，学生形成了基于OpenCV的计算视觉基本识别过程和基本识别原理的知识链。

在第二次教学中，教师调整学习规划，从在图像中获取其基本特征是计算机识别的重要基础切入，讲解计算机图像呈现的基本原理及进行特征提取的关键概念——图像边缘。图像中的边缘信息可实现计算机对图像的识别，因此教师设计Canny算法中的双阈值、Sobel算法中的梯度两个边缘检测的实验，引导学生了解边缘图像的形成过程。实验提供半成品程序、实验探究单及学习帮助材料，学生在合作完成实验探究后，初步了解两种图像边缘算法的基本原理和实现过程，建立起对学习内容的整体认识和深层理解。

在两次规划中，教师均提供了支持材料，为有效学习搭建桥梁。改进后的学习规划看似提高了学习难度，但在实施时发现学生对算法的理解还不够深入，因此，教师设计了多种学习方式引导学生进行自我知识建构。从学生完成实验单的情况和课堂反馈来看，学生对计算机如何识别图像的知识整合更具结构性并趋向于专家经验。

创设知识环境，迁移应用

在信息科技教学中对学生知识迁移能力的培养能更好地巩固所学，帮助学生形成程序性和策略性知识。而应用环境的提供，可以引导学生将所学知识运用到实际情境中形成问题解决意识，有利于学生知识的内化。

课例第一次教学侧重在应用体验中了解计算视觉实现过程和原理。教师以“寻找最美抗疫者”为任务，让学生应用知识解决实际问题。任务要求学生从多个戴口罩的医务工作者的合照中，找出仅提供眼睛部分的图片中的那位“最美抗疫者”。在半成品的体验程序中，减少了对代码的注释说明，学生需要基于之前体验活动中对代码的理解，回顾计算视觉识别的基本过程，并运用已掌握的技能去实现计算视觉中的模拟匹配。同时，在完成任务过程中，学生对提高计算视觉识别率的问题进行深入思考，梳理出算法、算力和数据是人工智能技术的关键要素，并对人工智能与人类智能协同解决问题的思维有了新的认识。

第二次教学，侧重于对计算视觉进行识别的基本问题。通过在两个边缘检测算法的实验中直观的图示变化，让学生对双阈值控制和横、纵梯度调整对识别图像的价值有了一定的了解。因此，教师引导学生通过支持材料，将两种算法进行组合，验证是否能增加边缘图像的信息，以增强识别效果。第二个实验促进了学生将所掌握的技能应用到实践中，同时也发展了学生综合解决问题的能力。实验所用代码在阈值和梯度改变后可清晰呈现图像边缘的变化，学生能直接感受到知识的有用性。

开展知识探究，关注创新

大概念下的学习对学生创新能力的培养具有显著价值。在知识意义的生成、知识结构化整合及知识的迁移应用中，每位学生都以各自独特的方式将学习的收获融入到他们的知识系统中，并在不同情境下以不同的方式输出，创造性地完善自己面对未来发展的能力。

课例两轮教学从不同角度规划学习路径，目标均指向人工智能如何进行识别的问题。在第一次教学中，在完成静态、动态识别体验和模糊识别任务后，教师向学生提出“如何提高计算视觉”的开放性探究话题，以激发学生的创新思维。

在第二次教学实践中，在结束了三个边缘检测实验后，教师用微视频呈现专业短跑运动员苏炳添在AI助力下，突破自身的运动极限，成为奥运会男子百米赛跑中跑进10秒的亚洲运动员，巧妙地将研究主题转回AI与运动的话题。学生通过对智能体育系统的探究学习，对计算视觉的识别对象特征和应用方向有了新的思考。探究活动在拓展横向认知的同时，促进学生进行创新，并基于个性化的方向选择，进行新的学习和发现。

渗透德育思想，树立信念

基础教育课程承载着为国家培养社会主义建设者和接班人的重要任务，在教学中，教师基于大概念导向的教学价值，从意义、知识、应用、创新四个方面来规划学习路径。而德育渗透对落实立德树人根本任务、体现学科育人功能是十分关键且不可或缺的重要内容。

在这两次教学中，教师适时融入思政元素，使其与课程内容有机融合。不论是以寻找新冠疫情中的医务工作者为任务，还是以中国运动员挑战自身运动极限为拓展，均能从情感角度调动学习；在对3D结构光、智能体育系统探究的过程中，了解国家在科技创新领域的现状与未来前景，可以增强使命感；通过人脸盗用、AI诈骗等案例，思考技术应用的两面性问题，形成责任感；在三个识别体验与三个边缘检测实验中，经历科学探究的过程，培养学科素养……因而，将适切的德育内容融入学习，引导学生做人、做事的观念和行为，有助于学生树立正确的理想信念，达成课程全面育人的目标。

大概念下的学习路径（如图）可以帮助学生逐步深入理解核心概念或基本原理，形成系统化的知识结构，提高解决问题的能力和创新能力，促使学习跨越课堂，连接真实世界。

结束语

基础教育课程改革强调大概念的重要性，在现有的研究中不乏对学习的影响和意义的研究，但因选择的侧重点不同会产生不同的研究方向。大概念的教学价值为信息科技学科学习路径规划与实施提供了有意义的研究视角，在学科教学实施中也体现了该方向的可行性和有效性。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]中华人民共和国教育部.义务教育课程方案（2022年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022.

[3]刘徽.大概念教学：素养导向的单元整体设计[M].北京：教育科学出版社，2022.

本文系福建省教育科学“十四五”规划2022年度课题“大概念视域下中小学信息技术（科技）项目学习资源开发与    应用研究”（FJJKZX22-328）研究成果。