指向学科大概念的高中信息技术项目式学习

摘要：指向学科大概念的项目式学习，能够让学生明晰知识之间联系，从而建立完整的学科知识结构体系，将复杂的知识融会贯通。本文以《数值计算》一课为例，介绍以学科大概念为核心的信息技术教学项目式学习设计及实施过程，帮助学生建立知识和大概念之间的联系，在项目实践中渗透学科核心素养。

关键词：学科大概念；高中信息技术；项目式；数值计算

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）19-0060-04

《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》（（以下简称“新课标”）明确指出：“课程内容紧扣数据、算法、信息系统和信息社会等学科大概念，以大概念为核心，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。”[1]学科大概念和项目式学习能有效整合相关的教学内容，促进学生核心素养发展。

大概念内涵及意义

1.内涵

国外关于大概念的研究起步较早，威金斯和麦克泰格认为，大概念是指更上位的概念，抽象涵盖了学科内和学科间的知识。[2]温·哈伦等认为，“大概念”是能够用于解释和预测较大范围自然现象的概念，处于交叉学科的水平。[3]国内学者对大概念也有不同的理解，浙江大学的刘徽教授认为，“大概念”可以被界定为反映专家思维方式的概念、观念或论题，它具有生活价值。[4]四川师范大学的李松林教授认为，“大概念”是指处于更高层次、居于中心地位和藏于更深层次，兼具认识论、方法论和价值论三重意义因而更能广泛迁移的活性观念，其根本特性乃是意义性。[5]宁夏大学的王喜斌认为，学科“大概念”是指指向学科核心内容和教学核心任务、反映学科本质、能将学科关键思想和相关内容联系起来的关键的、特殊的概念。[6]

2.意义

从教学内容来讲，学科“大概念”指向学科核心知识内容，学科核心知识又是学科核心素养最主要的体现，学科大概念不仅丰富了信息技术学科的知识体系，对学生的学习与发展具有整合作用，而且还为培养学生核心素养提供了重要抓手。

指向大概念的项目式教学实践

项目式学习是一种建构性的教学方式，教师基于真实情境导入教学，将学习任务项目化，引导学生开展项目分析、项目实践、项目评价和项目总结，最终解决问题并展示分享项目成果。学生在项目任务完成的过程中建构和应用大概念，加深对大概念的理解，并通过持续性的反思加工在头脑中形成大概念框架。下面以《数值计算》一课为例，介绍具体的教学设计及实施过程。

1.教学内容分析

本课选自教育科学出版社出版的高中信息技术必修1《数据与计算》第四单元“计算与问题解决”第二节内容，核心概念包含WPS计算、numpy模块和matplotlib模块的使用，主要对应“数据”和“算法”两个学科大概念中的数据采集、数据的图形化表示、数据存储、算法的分支结构等，体现抽象建模的思想。

2.教学过程

（1）情境导入

师：（播放视频《碳达人的一天》）碳达峰和碳中和是目前全球关注的社会热点，对于我们普通人来说，“双碳”与我们有关吗？（学生观看视频，思考并回答）

教师以争做“碳中和小达人”为明线，以学习数值计算活动为暗线，在课堂中嵌入与信息技术相关的社会现实问题和情境，为教学埋下伏笔，使后续活动环环相扣。本环节指向了数据和信息社会等学科大概念，以“双碳”作为时代社会热点，结合学生已有的学习和社会生活经验，帮助学生了解数据的收集、分析及可视化表达数据等核心概念。

（2）项目分析

活动：分组交流个人碳排放量情况和碳中和的举措。问题1：在日常生活中，个人有哪些二氧化碳排放？问题2：要成为“碳中和”小达人，我们需要做些什么？

教师引导学生带着问题进行讨论分析，融合了算法大概念：碳排放计算—碳中和—节能减排和植树造林。由此，学生自主归纳出学习需求—通过数值计算了解个人的碳排放量，为碳中和明确目标。本环节主要指向了数据、算法和信息社会等大概念，通过视频将生活问题与学习内容联系起来，让学生领悟到数据既是信息的载体，也是提取信息、做出决策的重要依据，同时，激发学生的信息社会责任感。

（3）项目实践

探究活动一：计算碳排放量并图形化展示。

活动1：自主探究，计算个人碳排放量并图形化展示。

学生活动：对“个人碳排放量计算”WPS表格进行数据处理，计算个人一年产生的碳排放量，并绘制图表展示。（涉及碳排放公式计算和求和函数的使用，绘图时需要注意选择合理的数据区域以及图表类型）

关键点探究—WPS表格处理与Python大数据处理有什么不同？

师：如何快速计算大批量学生的碳排放量？

教师引导小结WPS计算和绘图的基本情况和注意事项，突出Python在数据快速计算和大数据处理时的优势，为接下来的Python计算和图形化表示做好铺垫。本环节主要指向数据大概念，通过计算个人碳排放量，让学生对数据的概念、数据类型和数据加工等有更深的认识和理解。

探究活动二：计算蚂蚁森林种树。

活动2：计算个人蚂蚁森林种树量。

师：蚂蚁森林是一项低碳减排的公益项目，每个人的低碳行为在蚂蚁森林里可计为“绿色能量”。“绿色能量”积累到一定程度，就可以用手机申请在生态急需修复的地区种下一棵真树。（PPT介绍教师自己在蚂蚁森林的种树情况）那么，个人的年碳排放量，需要在蚂蚁森林种多少棵树，才能实现碳中和？

（学生分组讨论、分析个人成员年碳排放需要种树量的计算方案）

结合“蚂蚁森林”种树公益活动引导学生树立绿色低碳环保的理念。本环节主要指向数据大概念，通过种树量计算，加深了学生对数据概念的理解，如数据的特征、价值、处理方法等。

活动3：连连看，设计算法，明确碳排放计算的步骤。

师：请同学们根据碳排放计算的过程，选择相应的步骤。（学生思考并回答）

师生共同归纳碳排放计算的算法为：采集数据—处理数据—计算数据—输出数据。

知识学习：选择合适的Python模块。

知识技能：Python程序numpy、matplotlib和xlrd模块使用方法。

抽象建模：array函数创建数组。

教师展示“个人碳排放量计算”表格数据，通过抽象建模，让学生了解表格数据对应数组的元素，以及通过数组切片输出表格相关数据。学生观摩、思考表格数据与数组元素的对应关系。

教师引导学生通过分析信息、抽象建模、描述数据与信息的特征，了解数据编码的基本方式。本环节主要指向数据、算法和信息社会等学科大概念，学生通过连连看活动，分析问题，梳理碳排放的计算步骤，设计解决问题的算法，进一步加深对算法概念和算法特征的认识。

活动4：编写程序—通过Python计算个人碳排放量。

学生通过Jupyter打开个人碳排放量程序，根据注释语句理解代码含义，补全代码并调试运行。教师请学生展示，并对碳排放系数和碳排放具体数据程序做简单的解读。

本活动引导学生经历编写程序、调试运行的流程，完成代码半成品，培养学生的逻辑思维和计算思维。本环节主要指向算法大概念，学生使用Python语言实现简单算法，通过数据采集、数据存储，体验使用计算机编程解决问题的过程，初步感受算法的效率，掌握程序调试与运行的方法，真切地认识信息社会思考与解决问题的方式。

活动5：自由创意—自主探究matplotlib绘制个人碳排放量图形。

教师让学生根据个人碳排放量情况，通过matplotlib绘制图表。学生分组绘制反映个人碳排放量的图形，并交流探讨哪一种图形更适合展示个人碳排放量情况。

学生体验利用matplotlib自由创意作品，提升数字化学习能力，激发利用计算机编程解决实际问题的兴趣。本活动主要指向数据和算法等学科大概念，通过matplotlib可以一键生成多个可视化图形、可批量处理数据等，结合WPS中的数据采集、数据存储等概念，学生在半成品代码基础上对程序做适当修改，直观体验数据的图形化表示。

活动6：计算个人碳中和需要的种树量。

师：填空完成个人碳中和需要的种树量，解决实际生活问题。（学生自主探究，可以在提供代码的基础上完成填空，适当修改代码）

学生通过Python完成个人碳中和需要的种树量。本活动主要指向数据和算法等学科大概念，鼓励学生尝试在提供代码的基础上做适当修改，利用算法的分支结构再次感受算法的效率，掌握程序调试与运行的方法。

探究活动三：WPS与Python比较。

活动7：自主总结—比较WPS与Python的计算和绘图。

师：请大家结合本课所学，比较WPS与Python的计算和绘图。（学生思考、回答，其他学生旁听、思考）

通过对比WPS与Python，引导学生自主建构知识框架。本环节主要指向数据、算法和信息社会等学科大概念，引导学生选用合适的数字化工具开展学习，根据需要设计和表示简单算法，解决实际问题。

（4）项目评价

师：同学们通过项目评价表，多角度评价学生自主学习和合作任务探究情况。（学生根据个人实际情况，填写个人活动评价表，对自己和同学进行合理评价）

本环节组织个人开展多元评价，引导学生发现自己、他人的不足和优点，重合作探究和形成性评价，鼓励创新，为后续学习打好基础，帮助学生逐步形成利用程序设计解决问题的能力。

（5）项目总结

教师进行知识梳理，总结数值计算的使用。学生进行讨论交流。

师生小结：数值计算可以分别通过WPS和Python完成，两者各有优点，WPS适合简单数据处理，Python适合大数据处理和复杂计算，在具体使用时，需要根据实际情况进行合理选择。

本环节引导学生总结WPS和Python在数值计算中的运用，通过解决实际问题，体验程序设计的基本流程，感受算法的效率。

指向大概念的项目式学习思考

1.创设真实学习情境，体现生活价值

新课标强调“课程精炼学科大概念，吸纳学科领域的前沿成果，构建具有时代特征的学习内容”。信息技术学科大概念反映了信息技术学科独特的教学特征，指向大概念的项目式学习，需要基于真实问题，聚焦学科核心内容。教材中的数值计算类问题偏重于纯数学问题，与学生的实际生活有一定的差距，相对枯燥。为激发学生学习的兴趣，案例设计结合碳中和热点问题，以学生的真实生活经验为基础，设定“碳中和小达人”生活化情境任务，让学生经历问题发现、分析和解决的过程，体验数据、算法、社会责任等学科大概念在日常生活中的运用，感悟大概念与真实生活相关联的内涵。

2.设计多元项目活动，建构学科知识结构

案例中的项目活动设计为“算法连连看”“个人碳排放量计算”“个人蚂蚁森林种树计算”“个人碳排放量图形化展示”等不同层次的学习任务，使得原本枯燥、抽象的数值计算知识变得直观生动，引导学生经历建立数据模型、抽象数据、选择数据结构、算法实现、上机调试和问题解决的过程，帮助学生辨析逻辑关系，主动建构以大概念为核心的学科知识结构。

3.形成整合性教学，提升学科核心素养

新课标指出，“信息技术教学是培养学生信息技术学科核心素养的基本途径”。教师在教学中要紧紧围绕学科核心素养，凸显“学主教从、以学定教、先学后教”的专业路径，把项目整合到课堂教学中，重构教学组织方式，在项目实践中渗透学科核心素养。本案例基于项目重构了教学方式，针对数值计算中的数组、图表可视化等知识提供详细的注释和帮助，采用半成品学习支架，引导学生自主或通过小组合作等方式界定问题、分析问题、选择算法，将知识建构、技能培养与思维发展融入到发现问题、分析问题和解决问题的过程中，为学生整合信息技术学科核心素养，运用大概念、思维、方法和观念解决问题提供了重要支撑。在问题解决的过程中，学科大概念成为知识建构与核心素养发展之间的重要桥梁，激发了学生对学科知识的深入思考和探究，培养了学生高阶计算思维，促进了学生深度学习，提升了学生学科核心素养。

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]格兰特·威金斯，杰伊·麦克泰格.追求理解的教学设计（第二版）[M].闫寒冰，宋雪莲，赖平，译.上海：华东师范大学出版社，2017.

[3]温·哈伦.以大概念理念进行科学教育[M].韦钰，译.北京：科学普及出版社，2016：21-22.

[4]刘徽.“大概念”视角下的单元整体教学构型——兼论素养导向的课堂变革[J].教育研究，2020，41（06）：64-77.

[5]李松林.以大概念为核心的整合性教学[J].课程·教材·教法，2020，40（10）：56-61.

[6]王喜斌.学科“大概念”的内涵、意义及获取途径[J].教学与管理，2018（24）：86-88.