指向“学科特质”的信息科技深度备课
时间：2023-02-11 14:45:08 来源：千叶帆 本文已影响人
顾碧婷 浙江省宁波市江北区新城外国语学校
“学科特质”的深度备课，聚焦于学科内涵的挖掘，致力于学生核心素养的培育。笔者根据近几年的教学实践及相关备课、教学的案例，试图探索深度备课中可依循的学科思想方向，并提出了基于学科特质思想的备课视角——计算观、系统观、矛盾观，进而为深度备课提供切实可行的实践方向。
信息科技课程的学科特质是学科领域凝练的思想观和方法论，指向计算系统的本质内涵和科学的发展观。笔者将其归纳为两个方面：一是以“计算”为核心的学科思维活动；
二是在计算的基础上分衍出以“抽象”“分层”“转化”等为特征的学科特质思想（如表1）。
表1 信息科技学科特质思想层次挖掘
学科特质思想的第一层次源于贯穿计算机运行始终的“计算”活动。从关系的视角来看，抽象、分层、转化均是在“计算”的基础上衍生的思想。抽象是生成“可计算”的基本方式之一，分层为计算行为阶段性的“封装”结果，而转化则为一系列计算活动带来的数据结果。如果说抽象是基础，那么分层就是结构，转化就是结果。
对学科特质的挖掘体现了学科教育的独特价值。在教学实践中也是计算驱动着学生在数字时代的创造精神和社会责任，构成了以计算为核心的“价值坐标”（如图1）。
图1 计算驱动下的学科“价值坐标”
以学科核心素养为基石，将价值坐标分解为数字素养、创造精神和信息安全意识。数字素养是数字时代所具备的基本素养，主要表现为在数字环境中对数据、算法的理解力；
创造精神是在数字素养之上体现个人理解的一种创新追求；
信息安全意识则是在数字环境中具备自我保护的能力。
依据对信息科技学科特质的挖掘，笔者建立了备课深研的三个视角——计算观、系统观和矛盾观。这三个视角并不是孤立的，而是相互融通的。笔者通过备课实践，为深度备课提供了切实可行的借鉴经验（如图2）。
图2 备课深研的三个视角
1.计算观
在计算视角下，关注信息系统中的数据和算法，引导学生通过技术实验、猜测验证等方式深入思考。计算机每秒进行上亿次的运算，数据的编码、存储、转化过程瞬间就结束了。怎样才能“放慢”计算机运算的脚步，为学生呈现一个可探究可触摸的原理世界？这是备课教研需要思考的问题之一。
案例一：开发一个视频切片工具。
在浙教版七下第7课《视频编码》一课的教学中，笔者设计工具使隐性的计算过程更加显微化、直观化，即用Python调用FFmpeg进行视频逐帧提取，PySimpleGui作界面设计，经过设计、编程、调试，完成“视频切片工具1.0.exe”实验工具的开发（如图3）。设计思路是：①读取要解析的视频，获得文件路径；
②设置帧提取参数；
③执行切片。
图3 计算观之视频切片工具的开发
教师在屏幕圈出1920*1080，并提出问题：①与前一课学习的图像的“分辨率”相比，视频中的一帧是否就是一幅图像？②16秒的视频，共有几张图（帧）？请说说理由。有的学生猜测是16帧，也有的学生觉得不是，但究竟有几帧说不清楚。随即教师打开“视频切片工具.exe”，学生亲眼见证视频变成了一张张图像。教师继续提问：生成了几张？（400张）为什么？接着引导学生观察属性窗口中的帧速率（25帧/秒），结合视频时长，发现奥秘（25*16=400）。通过进一步的探讨，学生理解了视频是由连续的静止图像组成的，其“动感”来自视觉暂留原理。
案例二：探秘图像的原理。
在浙教版七下《图像编码》一课中，学生首先用吸管工具进行像素的取色，记录数值，感受颜色的编码。接着运用工具将目标图像解析为文本文件，进一步了解从屏幕显示至编码规则、从编码规则至底层存储的逻辑，实现底层存储与外部显示的关注分离（如图4）。
图4 计算观之“图像转文字”工具
2.系统观
单个的概念无法在学生头脑中形成意义建构。因此，在思考概念内涵的同时，需以该概念联系其他概念，形成多层次、系统的概念理解视角。
例如，研读浙教版七下的教材内容编排，第一单元主要以图像、声音、视频数据编码为主，数据是一个抽象的概念，如何有效切入？需要铺垫哪些概念？“文件”似乎是教学时绕不过去的，进制转换涉及数据本质的理解，也绕不过去。学期初，笔者围绕七下的教材内容编排和课题组成员展开了以下的讨论。（以下F、S、G为课题组三位教师，G为笔者）
案例三：
G：七下，数据编码有8课，是直接进入编码的学习，还是从一个较中位的概念切入呢？
S：从以往的教学经验看，直接谈编码，有点空，学生很难理解。
G：同意。而且8课涉及5款软件，概念太多，要找到共通部分。
S：二进制？他们的底层都是二进制数据。通过编码在存储和显示层面发生了转换。
F：是，原理层面这是绕不过去的。操作层面呢？
G：它们都是文件。文件的属性显示了各自的特殊性！
S：文件是小学教材中的概念，初中还有必要再提吗？
G：根据经验，学生到初中遗忘得很快。而且小学似乎并不深入，也不系统。
S：对的，学生操作时经常丢失扩展名，或重命名改扩展名导致文件不可用。
F：文件是学生在界面上真实可以“触碰”到的，文件的属性是内隐数据外在显示的窗口，做一层铺垫看来很有必要。
经过讨论，备课组最终决定在数据编码教学之前先铺一层“文件”的概念（二进制在上个学期已有教学），从而关联其他概念，形成构成大概念的“基石”。实践表明，这样的概念铺垫是有价值的。它成为一种支撑性的“桥梁”，帮助学生沿着“文件—属性—数据”的路径去观察，感受不同数据内部原理的区别与联系（如图5）。
图5 系统观之“数据编码”的概念路径
案例四：探秘数据文件和程序文件。
导入时给出不同类型的5个文件，一个文件无法直接观察扩展名，需借助属性窗口查看扩展名（lnk）、指向文件（mspaint.exe）等；
而“任务说明.txt”既是文件，又是隐藏的任务提示（如图6）。最后通过“口算生成器.exe”，进阶感受数据文件和程序文件的关系，理解文件的调用机制。
图6 系统观之“数据文件与程序文件”学具设计
3.矛盾观
矛盾是一种哲学视野，在指向教师备课时能够让我们把握系统内部不同要素对立统一、迭代演进的内在规律，寻找一条通向深度思考的概念路径。另外，在将理解转化为教学设计时，以一种外部的情境“逼迫”，引发一种需求的升级，从而沿着矛盾的思想改善教学设计、提问设计，二者相辅相成。
案例五：“内-外存储器”大思辨。
在教学存储器概念时，教师引导学生对比内外存储器的性能、容量、读写速度等特点。从而引发“材料技术的落后”与人类对存储器的需求（速度快、永久保存）的矛盾的思考。
这样的现象并不是孤立的，存在不变的思想。例如，为调和CPU与内存之间的矛盾，诞生“缓冲寄存器”，大量数据吞吐导致内存空间不够，诞生“虚拟内存”的概念……矛盾观指向以发展的、迭代的思想，看待系统的更迭，带来一种动态的、发展的视角，体现系统复杂而精妙的设计思想。
案例六：算法的优与劣。
在进行算法教学时，笔者希望以顺序查找和二分查找的快、慢对比，让学生感受算法效率的不同。刚开始的备课版本，在学习材料中有20条数据，学生很快找到目标。算法效率和用户希望快速查询的矛盾并不突出。而为了放大这个矛盾，就需要“大”量的数据，即十万、百万甚至千万条数据，从而产生一种逼迫性，当外部数据量太大的时候，只得从算法本身“要”效率。
笔者用Python程序向记事本中写入约15万条数据，内容为爱心人士捐赠树苗的记录，字段包括树苗编号、名称、树苗生长高度。学生在15万个数据中寻找，目标数据位于第110989条，顺序查找已经无法满足快速查找的需求。那么，有没有更快速的查找方法呢？接着，笔者用PPT放映二分查找的动画，并用不同颜色的矩形框，每次缩小一半的查找范围。对二分查找进行“降维”，不是O(log2(N))，而是每次除以2，那么多少次会变成1？（17次）
顺序查找的11万次，与二分查找的17次产生强烈对比（如图7）。当数据“量”变得足够大时，算法效率的不足与用户快速查找需求的矛盾被凸显，这种矛盾会引发一种需求升级，从而寻找更加高效的算法。
图7 矛盾观之顺序查找与二分查找
笔者对所在学校712班及707班全体学生进行了为期15周的实验班教学，之后借助课题组自研在线评测平台进行了测试，时间均为40分钟。对前测数据进行独立样本T检验，两组学生成绩没有显著差异（Sig=0.574＞0.05），这说明两组学生信息科技概念理解水平基本相同，可视为同质组进行相应的教学干预。
经过15周的教学实践，对后测数据进行独立样本T检验，发现两组学生后测成绩存在显著差异（Sig=0.01＜0.05），且从平均分上看，实验组数据显著高于对照组。这说明学生信息科技概念理解水平得到了显著提高。
总之，备课绝不是一件一蹴而就的事，需要回归学生学习的特点，向着概念的深度建构，不断迭代活动设计、提问设计，助力深度学习。
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