高中信息技術(shù)學(xué)科大概念的探究及應(yīng)用

摘要：針對很多教師對學(xué)科大概念“沒感覺”“抓不住感覺”等現(xiàn)狀，本文探究了學(xué)科大概念的教育理念及意義，并結(jié)合課堂教學(xué)、項(xiàng)目學(xué)習(xí)等實(shí)例，提出了運(yùn)用學(xué)科大概念思想方法、思維方式開展信息技術(shù)教育的途徑及方法，力求從學(xué)科大概念思想入手，進(jìn)一步理解課標(biāo)精神、領(lǐng)會教材意圖、完善育人方式，落實(shí)立德樹人的根本任務(wù)。

關(guān)鍵詞：高中信息技術(shù)；學(xué)科大概念；高中

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）21-0000-03

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱“課標(biāo)”）確定了“數(shù)據(jù)”“算法”“信息系統(tǒng)”“信息社會”學(xué)科大概念，體現(xiàn)了學(xué)科特有的核心概念邏輯結(jié)構(gòu)和表達(dá)方式，反映了學(xué)科課程的本體價(jià)值。學(xué)科大概念強(qiáng)調(diào)從眾多零散知識出發(fā)，在知識之間建立盡可能多的聯(lián)系，從中歸納、抽象出少而重要的學(xué)科觀念（學(xué)科大概念）。在聯(lián)系、歸納、抽象的過程中，學(xué)生能真正理解知識產(chǎn)生的過程及原理，并且在運(yùn)用學(xué)科大概念解決問題的過程中進(jìn)一步迭代完善既有的學(xué)科大概念，逐步養(yǎng)成專家思維，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。學(xué)科大概念的理念及作用，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①在對眾多知識點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)系及結(jié)構(gòu)化的過程中，促進(jìn)對知識的理解；②在遷移應(yīng)用學(xué)科大概念的過程中，提升解決實(shí)際問題的能力；③在認(rèn)識、理解信息世界的過程中，形成既有知識基礎(chǔ)上完善、創(chuàng)新的專家思維。因此在教學(xué)實(shí)踐中，筆者從以下幾個(gè)方面開展了學(xué)科大概念思想的應(yīng)用探索。

探究知識之間的內(nèi)部邏輯，實(shí)現(xiàn)對知識的深度理解

在常用計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)時(shí)，往往涉及數(shù)據(jù)類型的分析及應(yīng)用，但學(xué)生對數(shù)據(jù)類型應(yīng)用分析的必要性以及可行性總是似懂非懂，有時(shí)即使使用正確了也是知其然不知其所以然。而如果將各數(shù)據(jù)類型所占字長、計(jì)算機(jī)以字節(jié)為單位存儲數(shù)據(jù)、從存儲器中提取數(shù)據(jù)時(shí)會根據(jù)首地址結(jié)合該數(shù)據(jù)類型字長來實(shí)現(xiàn)等知識聯(lián)系起來融會貫通，則不但能讓學(xué)生很好地理解數(shù)據(jù)類型在運(yùn)用算法進(jìn)行計(jì)算時(shí)的必要性、高效性，而且也能使其產(chǎn)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)原理的興趣。

例如，在教學(xué)必修2模塊《信息系統(tǒng)與社會》時(shí)，教師如果單純地講解什么是數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)、常用簡單加密算法的程序?qū)崿F(xiàn)，只能使學(xué)生粗淺地了解數(shù)據(jù)加密的知識，對為什么要數(shù)據(jù)加密、何時(shí)需要數(shù)據(jù)加密、根據(jù)實(shí)際情況如何設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)加密算法等則不會深究。而如果結(jié)合信息系統(tǒng)組成的五大要素（硬件、軟件、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、人），從五大要素出發(fā)分析數(shù)據(jù)潛在的安全隱患，聯(lián)系各種典型情境下針對性的加密方法等，則不僅能讓學(xué)生順理成章地理解數(shù)據(jù)加密的必要性、適切性、發(fā)展性，更能為其今后設(shè)計(jì)、搭建信息系統(tǒng)時(shí)創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)加密方案積累必要的信息意識和計(jì)算思維。

關(guān)注聯(lián)想與結(jié)構(gòu)化，形成信息技術(shù)學(xué)科的思維方式

高中信息技術(shù)學(xué)科有著其需要研究的現(xiàn)象、需要解決的問題，運(yùn)用學(xué)科大概念廣泛聯(lián)系、結(jié)構(gòu)化抽象的思想方法，教師要有意識地從這些研究對象、問題求解過程中歸納、抽象出學(xué)科所特有的分析方法、思維方式，進(jìn)而加深學(xué)生的學(xué)科認(rèn)知，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科思維。

在算法與程序設(shè)計(jì)領(lǐng)域，運(yùn)用大概念思想可以形成“循環(huán)與迭代”“遍歷”“累加器模型”等設(shè)計(jì)思想和分析方法，遷移運(yùn)用這些思想和方法，學(xué)生可以解決一批具有相關(guān)特征的算法設(shè)計(jì)問題。

例如，在面對最小代價(jià)子母樹模型問題時(shí)，可以設(shè)計(jì)出查找算法、排序算法解決問題，進(jìn)一步運(yùn)用“循環(huán)與迭代”思想，基于“取最小值、維護(hù)最小值特征位置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征”，可以漸進(jìn)地設(shè)計(jì)用二叉樹來存儲、維護(hù)數(shù)據(jù)，并更進(jìn)一步地基于“數(shù)據(jù)處理后不改變原有順序，從而b9d01c4a6a01d8ea1bfbe88d194f55efb25451c3091629738e1e8485546692b1提升數(shù)據(jù)維護(hù)效率”的思考，迭代地設(shè)計(jì)出用雙隊(duì)列存儲、維護(hù)數(shù)據(jù)的線性維護(hù)算法。

又如，在選拔性考試的總復(fù)習(xí)及試題講解時(shí)，教師同樣可以運(yùn)用學(xué)科大概念思想形成“初始化策略”“計(jì)算邏輯”“模擬策略”“歸納策略”“分類討論”等思想方法幫助解題，將學(xué)生從乏味的題海戰(zhàn)術(shù)中解放出來，既提升學(xué)生的學(xué)業(yè)水平又發(fā)展了學(xué)生的思維能力。

運(yùn)用學(xué)科大概念優(yōu)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)、指導(dǎo)項(xiàng)目實(shí)施，促進(jìn)學(xué)科思維向高階發(fā)展

運(yùn)用學(xué)科大概念思想方法形成的大概念（大觀念）、學(xué)科邏輯去設(shè)計(jì)、優(yōu)化學(xué)習(xí)項(xiàng)目，可以增進(jìn)學(xué)習(xí)項(xiàng)目的科學(xué)性、系統(tǒng)性。在學(xué)生開展項(xiàng)目實(shí)踐時(shí)，教師可借助既有的學(xué)科大概念，通過逐級細(xì)化，延伸出具體的設(shè)計(jì)和操作，最終完成項(xiàng)目。

例如，在設(shè)計(jì)一個(gè)室內(nèi)煙霧報(bào)警系統(tǒng)時(shí)，很多學(xué)生會不知從何入手，但如果能借助數(shù)據(jù)采集、處理、呈現(xiàn)等大概念逐步分析各個(gè)環(huán)節(jié)所需的設(shè)備，就能完整地設(shè)計(jì)出從傳感器到計(jì)算機(jī)再到執(zhí)行器的系統(tǒng)主框架。而如果進(jìn)一步借助界定問題、抽象與建模、設(shè)計(jì)算法、描述算法等學(xué)科大概念，還能在采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上完成編程解決問題所需的算法設(shè)計(jì)。在這樣一個(gè)抽象形成大概念、應(yīng)用大概念并迭代反思完善的不斷循環(huán)的過程中，學(xué)科大概念將得到不斷完善，學(xué)生的專家思維將不斷得到提升，學(xué)生的學(xué)科思維也會逐步向更高水平發(fā)展。

用學(xué)科大概念的眼光分析課標(biāo)及教材，源于教材超越教材地應(yīng)用教材

教師用學(xué)科大概念的眼光研讀課標(biāo)與教材，開展教學(xué)設(shè)計(jì)，能讓學(xué)生從教材和課堂中感悟?qū)W科大概念統(tǒng)領(lǐng)下的具體學(xué)習(xí)內(nèi)容，并在知識習(xí)得的同時(shí)，逐步建立科學(xué)的學(xué)科思想和方法。

例如，高中信息技術(shù)學(xué)科的大概念有“數(shù)據(jù)”“算法”“信息系統(tǒng)”和“信息社會”等無論是課標(biāo)還是教材，在必修1《數(shù)據(jù)與計(jì)算》中，都從“數(shù)據(jù)”、“算法”兩個(gè)學(xué)科大概念出發(fā)，在對大概念不斷分化過程中，呈現(xiàn)“什么是數(shù)據(jù)、為什么要數(shù)據(jù)計(jì)算（為了得到新的有意義的數(shù)據(jù)，即信息）、如何進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算（用數(shù)字化工具處理或編程計(jì)算）”的概念結(jié)構(gòu)和學(xué)科內(nèi)容（如下圖）。同樣，在必修2《信息系統(tǒng)與社會》中，從“信息系統(tǒng)”和“信息社會”兩個(gè)學(xué)科大概念出發(fā)，呈現(xiàn)了“數(shù)據(jù)在哪里計(jì)算（信息系統(tǒng)）、什么是信息系統(tǒng)、如何設(shè)計(jì)和搭建信息系統(tǒng)完成計(jì)算、如何科學(xué)應(yīng)對信息系統(tǒng)對社會的影響”的概念結(jié)構(gòu)和學(xué)科內(nèi)容。

具體到教材內(nèi)容，在必修1《數(shù)據(jù)與計(jì)算》中，教材內(nèi)容將“算法”與“方法”進(jìn)行比較，通過聯(lián)系加深學(xué)生對算法的理解，并提煉出“抽象與建模、設(shè)計(jì)算法、描述算法”的過程與方法，為學(xué)生用算法解決問題提供思維支架。在必修2《信息系統(tǒng)與社會》中，教材抽象出了“控制與反饋”來幫助學(xué)生理解各種自動(dòng)化、智能化信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集、處理、控制（輸出）的學(xué)科邏輯。在選擇性必修1《數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中，教材首先基于學(xué)生熟悉的、蘊(yùn)含迭代思想的現(xiàn)實(shí)情境，提出“迭代”的概念，再過渡到“迭代算法”，最后發(fā)展性地提出迭代思想的各種應(yīng)用，通過迭代與現(xiàn)實(shí)的聯(lián)系、迭代與算法的聯(lián)系來引導(dǎo)學(xué)生掌握迭代算法、理解迭代思想、形成迭代思維。

結(jié)語

學(xué)科大概念不但為信息技術(shù)課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)的確立提供了依據(jù)，其所蘊(yùn)含的思想方法、價(jià)值理念，更為理解學(xué)科知識與技能、掌握過程與方法、養(yǎng)成科學(xué)正確的情感態(tài)度與價(jià)值觀提供了開展教學(xué)實(shí)踐的目標(biāo)、途徑與方法。

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