信息科學(xué)課程化的實踐研究 *
——以“模型與模擬”單元課程為例

李 赫，董玉琦

(1.長春工業(yè)大學(xué) 信息傳播工程學(xué)院，吉林 長春 130012；2.上海師范大學(xué) 教育技術(shù)系，上海 200234)

信息科學(xué)課程化的實踐研究*
——以“模型與模擬”單元課程為例

李 赫1，董玉琦2

(1.長春工業(yè)大學(xué) 信息傳播工程學(xué)院，吉林 長春 130012；2.上海師范大學(xué) 教育技術(shù)系，上海 200234)

信息科學(xué)的興起，豐富了科學(xué)發(fā)展的圖景，并且正在成為信息社會中的一門中心科學(xué)，成為人類社會進步的關(guān)鍵，加緊基礎(chǔ)教育階段信息科學(xué)課程化的研究必要且緊迫。信息科學(xué)課程化，首先就要建立課程研究“科學(xué)化”的概念，即要用科學(xué)的思路來設(shè)計和開發(fā)信息科學(xué)課程，在結(jié)構(gòu)上、問題域上、術(shù)語學(xué)上尋求信息科學(xué)知識與中小學(xué)信息教育課程的銜接與一致。該文以“模型與模擬”單元課程為例，從單元課程選題、單元課程開發(fā)、單元課程教學(xué)實驗等方面對信息科學(xué)課程化的實踐研究進行匯報，得出以下結(jié)論：通過創(chuàng)設(shè)情境，使學(xué)生親身經(jīng)歷信息科學(xué)過程，在真正掌握信息科學(xué)知識、信息科學(xué)方法的同時，理解信息科學(xué)的本質(zhì)與價值，提升了信息科學(xué)素養(yǎng)；通過實踐研究獲得反饋信息，對信息科學(xué)課程方案進行修改和完善，以確保內(nèi)容上的可行性、方法上的科學(xué)性，為信息科學(xué)課程的推廣和使用奠定堅實的基礎(chǔ)。

信息科學(xué)課程；模型與模擬；課程開發(fā)；教學(xué)實驗

信息科學(xué)的興起，豐富了科學(xué)發(fā)展的圖景，并且正在成為信息社會中的一門中心科學(xué)，成為人類社會進步的關(guān)鍵。我國當(dāng)前中小學(xué)教育課程難以適應(yīng)新的需求，尤其體現(xiàn)為信息科學(xué)的教育內(nèi)容未能有效地融入到基礎(chǔ)教育課程中去。著眼于信息時代發(fā)展潮流，設(shè)計開發(fā)有關(guān)信息科學(xué)的教育內(nèi)容及其資源顯得十分必要。從信息科學(xué)到信息科學(xué)學(xué)科課程，即信息科學(xué)課程化，實際上包含兩個知識轉(zhuǎn)化過程：一是科學(xué)知識向?qū)W科課程知識的轉(zhuǎn)化，二是學(xué)科課程知識向?qū)W生知識的轉(zhuǎn)化。而信息科學(xué)課程化，首先就要建立課程研究“科學(xué)化”的概念，即要用科學(xué)的思路來設(shè)計和開發(fā)信息科學(xué)課程，在結(jié)構(gòu)上、問題域上、術(shù)語學(xué)上尋求信息科學(xué)知識與中小學(xué)信息教育課程的銜接與一致。

信息科學(xué)課程化研究，包含理論研究和實踐研究，實踐研究是信息科學(xué)課程化研究的關(guān)鍵階段。通過實踐研究，要讓信息科學(xué)課程價值、課程目標(biāo)、課程內(nèi)容等理論研究成果接受實際檢驗，以確保信息科學(xué)課程化在內(nèi)容上的可行性、方法上的科學(xué)性。本文以“模型與模擬”單元課程為例，對信息科學(xué)課程化的實踐研究進行闡述。

一、“模型與模擬”單元課程選題

首先，從學(xué)科角度出發(fā)，課程內(nèi)容應(yīng)反映信息科學(xué)學(xué)科的基本特征和發(fā)展趨勢，要能體現(xiàn)最基本的信息科學(xué)概念和原理。在信息科學(xué)的學(xué)科邏輯體系中，模型化和模擬是信息認(rèn)知原理的重要組成部分[1]。

其次，模型與模擬作為信息科學(xué)課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容，在一些國家的中小學(xué)信息科學(xué)教育課程中占有重要位置。如俄羅斯教育部于2000年制訂的“信息學(xué)的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容”[2]中，“信息模擬的基礎(chǔ)”作為理論信息學(xué)的重要內(nèi)容被明確列出，具體包含信息模型、模型設(shè)計、計算機模擬、模型化方法等內(nèi)容。日本文部省于2008年12月頒布了新的學(xué)習(xí)指導(dǎo)要領(lǐng)[3]，根據(jù)該指導(dǎo)要領(lǐng)制定的“日本高中信息科學(xué)科目內(nèi)容構(gòu)成”[4]中，包含“模型化和模擬：理解模型化和模擬的思想和方法，并能夠根據(jù)此解決實際問題”的內(nèi)容。英國早在1995頒布的國家信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)[5]中，就規(guī)定了模型和模擬的相關(guān)內(nèi)容。如在小學(xué)階段，要求學(xué)生使用建模工具控制計算機屏幕上小龜圖像的移動。在高中階段，要求學(xué)生利用計算機模擬探索某些事物之間關(guān)系，形成一些簡單的假說并進行測試。2000年英國頒布實施國家信息與通信技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)[6]，其基本理念是培養(yǎng)學(xué)生的信息技術(shù)能力。該信息技術(shù)能力被界定為“有效地分析、處理與呈現(xiàn)信息和模擬、檢測與控制事件的能力”[7]。

此外，就信息科學(xué)教育而言，模型和模擬有其自身的價值。模型和模擬不僅包含重要的信息科學(xué)概念、原理，還能夠充分體現(xiàn)信息科學(xué)的思想和方法。信息方法作為信息科學(xué)方法論體系的核心，已經(jīng)成為一種具有普遍方法論意義的科學(xué)方法。信息方法是指通過分析事物所包含的信息過程來揭示它的工作機制，通過建立適當(dāng)?shù)男畔⒛Ｐ秃秃侠淼募夹g(shù)手段來模擬或?qū)崿F(xiàn)高級事物的復(fù)雜行為[8]。模型與模擬要求從信息的觀點出發(fā)考察事物，通過對原型的抽象，也就是對問題的建模，來模擬系統(tǒng)的工作機制和復(fù)雜行為，達到認(rèn)識并加以控制。可以說，模型與模擬正是信息方法的具體運用。

筆者分別開發(fā)出適合初中階段學(xué)習(xí)和高中階段學(xué)習(xí)的兩個單元“模型與模擬”課程版本。初中階段主要是通過可視化編程語言Scratch的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步形成建模的思想。高中階段主要是通過信息建模的方法對事物的信息過程進行分析，通過計算機軟件如Excel、“Z+Z超級畫板”[9]對動態(tài)模型和概率模型進行模擬，達到對事物行為的控制和事物發(fā)展的預(yù)測。本文詳細(xì)介紹高中階段“模型與模擬”單元課程開發(fā)和教學(xué)實驗的詳細(xì)情況。

二、“模型與模擬”單元課程開發(fā)

如何對模型與模擬進行單元課程開發(fā)？筆者提出信息科學(xué)課程開發(fā)模式[10]，在信息科學(xué)課程的實踐研究中，作為課程開發(fā)過程中遵循的基本程序和方法，如圖1所示。

圖1 信息科學(xué)課程開發(fā)模式

該信息科學(xué)課程開發(fā)模式特指適用于單元層次的信息科學(xué)課程開發(fā)，包含前端分析、目標(biāo)設(shè)定、活動和資源開發(fā)、課程教學(xué)、課程評價等環(huán)節(jié)。筆者運用該模式成功開發(fā)出“模型與模擬”單元課程資源，如教材、教學(xué)設(shè)計、學(xué)生實驗、教師講義等。篇幅所限，重點舉例如下：

(一)“模型與模擬”單元教學(xué)設(shè)計

表1 “模型與模擬”單元教學(xué)設(shè)計

(二)“模型與模擬”單元學(xué)生實驗

為使學(xué)生理解和掌握“模型與模擬”單元課程所蘊含的信息科學(xué)原理和信息科學(xué)方法，特此開發(fā)出“模型與模擬”單元的學(xué)生實驗。

其中，“實驗一、對動態(tài)模型求解的計算機模擬實驗”主要是采用設(shè)計性實驗，學(xué)生對昆蟲繁殖的問題建立模型，通過計算機進行模擬求解。在實驗一中，從建立模型到計算機模擬求解，學(xué)生要經(jīng)歷問題分析、模型假設(shè)、模型構(gòu)成、模型求解、模型檢驗、模型應(yīng)用六個關(guān)鍵步驟。

“實驗二、對概率模型求解的計算機模擬實驗”，實驗內(nèi)容是對圓周率π值的求解。實驗二分別采用設(shè)計性實驗和驗證性實驗兩種實驗途徑。設(shè)計性實驗主要是通過產(chǎn)生隨機數(shù)對圓周率π值進行模擬，其實驗步驟與實驗一相同。驗證性實驗環(huán)節(jié)，借助“Z+Z超級畫板”工具及其資源“投豆實驗”。投豆實驗與歷史上著名的蒲豐投針實驗相似，將π值的求解問題同一定的概率模型相聯(lián)系，通過統(tǒng)計獲得π值的近似解。向?qū)W生介紹蒲豐投針實驗的史實，使學(xué)生通過投豆實驗?zāi)７驴茖W(xué)家的科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程，體驗科學(xué)探索的樂趣。驗證性實驗中，學(xué)生要經(jīng)歷構(gòu)造概率模型、從已知概率分布抽樣、建立π值估計量三個關(guān)鍵步驟。

三、“模型與模擬”單元教學(xué)實驗

信息科學(xué)課程教學(xué)的實施，是信息科學(xué)理論課程走向?qū)嵺`課程的關(guān)鍵。通過教學(xué)實驗，使信息科學(xué)學(xué)科知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生知識，并對課程方案的可行性進行檢驗。

(一)教學(xué)實驗過程

“模型與模擬”單元教學(xué)實驗對象為長春一汽三中高一46名學(xué)生。由筆者擔(dān)任授課教師，由長春工業(yè)大學(xué)信息傳播工程學(xué)院的5名學(xué)生協(xié)助教學(xué)準(zhǔn)備及視頻、圖片數(shù)據(jù)的采集。此外，還有該校信息技術(shù)教研組3位教師教學(xué)觀摩。

“模型與模擬”單元教學(xué)實驗總計6課時，分三次課進行。“模型與模擬”單元教學(xué)實驗之前，除上述課程資源之外，還進行了充分的教學(xué)準(zhǔn)備，包括科學(xué)模擬實驗視頻、學(xué)生機“Z+Z超級畫板”安裝、投豆實驗課件、擲骰子實驗課件、儲水式水箱工作原理課件、教學(xué)實驗前測問卷、教學(xué)實驗后測問卷等。

(二)前測問卷、后測問卷設(shè)計

對“模型與模擬”單元教學(xué)實驗結(jié)果，主要是通過前測問卷和后測問卷的分析以及課堂觀察記錄等獲得。為得到教學(xué)實驗效果的準(zhǔn)確信息，對“模型與模擬”前測問卷、后測問卷中的相關(guān)題目進行了統(tǒng)一設(shè)計，如表2所示。

表2 “模型與模擬”單元前后測問卷設(shè)計

(三)教學(xué)實驗結(jié)果與分析

1.學(xué)生對“模型與模擬”單元概念、原理的掌握程度

通過前測問卷和后測問卷的統(tǒng)計分析，獲得教學(xué)前后學(xué)生對“模型與模擬”單元重要概念、原理的掌握程度，如下頁表3所示。

表3 教學(xué)前后”模型與模擬”單元概念、原理的掌握程度

統(tǒng)計結(jié)果顯示，學(xué)生對模型與模擬概念、原理的了解程度從教學(xué)前均值1.26上升至教學(xué)后均值2.64，有顯著提升。說明“模型與模擬”單元課程的學(xué)習(xí)能夠幫助學(xué)生掌握模型與模擬重要概念和原理。

2.學(xué)生運用模型與模擬的相關(guān)技能

通過前測問卷和后測問卷的統(tǒng)計分析，獲得教學(xué)前后學(xué)生運用模型與模擬相關(guān)技能的情況，如表4所示。

表4 教學(xué)前后學(xué)生運用模型與模擬的相關(guān)技能水平

統(tǒng)計結(jié)果顯示，學(xué)生運用模型與模擬相關(guān)技能水平從教學(xué)前均值2.05上升到教學(xué)后均值3.43，有顯著提升。說明“模型與模擬”單元課程的學(xué)習(xí)能夠促進學(xué)生運用模型與模擬相關(guān)技能水平的提高。

3.學(xué)生對模型與模擬核心概念、原理的一般應(yīng)用技能

前測問卷和后測問卷均考查了反饋原理、模型分類、蒙特卡羅法三項內(nèi)容，以獲得學(xué)生對模型與模擬核心概念、原理的一般應(yīng)用情況，統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。

圖2 學(xué)生對模型與模擬核心概念、原理的一般應(yīng)用情況

統(tǒng)計結(jié)果顯示，教學(xué)后反饋原理的正答率為84.8%，模型分類的正答率為82.6%，蒙特卡羅法的正答率為91.3%。而教學(xué)前三項內(nèi)容的正答率都不足20%。說明“模型與模擬”單元課程的學(xué)習(xí)能夠幫助學(xué)生提高對模型與模擬核心概念、原理的一般應(yīng)用。

4.學(xué)生運用模型與模擬進行問題解決：基數(shù)比例動態(tài)模型

后測問卷中設(shè)置了基數(shù)比例動態(tài)模型的問題解決，要求學(xué)生對中國網(wǎng)民數(shù)量增長情況進行建模型并模擬求解，學(xué)生表現(xiàn)如圖3所示。

圖3 學(xué)生對基數(shù)比例動態(tài)模型的問題解決情況

統(tǒng)計結(jié)果顯示，有33名學(xué)生完成對該問題的分析、建模和求解，占樣本總數(shù)的71.7%，說明學(xué)生運用模型與模擬進行基數(shù)比例動態(tài)模型的問題解決普遍獲得成功。

5.學(xué)生運用模型與模擬進行問題解決：系統(tǒng)反饋動態(tài)模型

后測問卷中設(shè)置了系統(tǒng)反饋動態(tài)模型的問題解決，要求學(xué)生對空調(diào)溫度調(diào)節(jié)的系統(tǒng)反饋機制進行建模并模擬求解，學(xué)生表現(xiàn)如圖4所示。

圖4 學(xué)生對系統(tǒng)反饋動態(tài)模型的問題解決情況

統(tǒng)計結(jié)果顯示，有36名學(xué)生完成對該問題的分析、建模和求解，占樣本總數(shù)的78.3%，說明學(xué)生運用模型與模擬進行系統(tǒng)反饋動態(tài)模型的問題解決普遍獲得成功。

6.學(xué)生對學(xué)習(xí)活動的自我評價

后測問卷中設(shè)置了學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的自我評價項目，以獲得學(xué)生對“模型與模擬”單元課程內(nèi)容的認(rèn)知情緒，統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示。

圖5 學(xué)生對“模型與模擬”單元學(xué)習(xí)的自我評價

統(tǒng)計結(jié)果顯示，有40名學(xué)生認(rèn)為“對我很有啟發(fā)，學(xué)到很多東西”，占樣本總數(shù)的87.0%，說明“模型與模擬”單元課程能夠引發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲望，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需要。

7.學(xué)生對課程內(nèi)容的評價

后測問卷中設(shè)置了學(xué)生對課程內(nèi)容的評價項目，以獲得學(xué)生對“模型與模擬”單元課程內(nèi)容的認(rèn)知反應(yīng)，統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示。

圖6 學(xué)生對“模型與模擬”單元課程內(nèi)容的評價

統(tǒng)計結(jié)果顯示，有32名學(xué)生認(rèn)為“內(nèi)容不算難，但需要反復(fù)思考才能消化理解”，占樣本總數(shù)的69.6%；認(rèn)為內(nèi)容簡單和偏難的學(xué)生各有9名和5名，符合正態(tài)分布。說明“模型與模擬”單元課程內(nèi)容選取適當(dāng)，能夠促進學(xué)生思維和認(rèn)知的發(fā)展。

8.學(xué)生對教師教學(xué)水平的評價

后測問卷中設(shè)置了學(xué)生對教師教學(xué)水平的評價項目，統(tǒng)計結(jié)果如圖7所示。

圖7 學(xué)生對教師教學(xué)水平的評價

統(tǒng)計結(jié)果顯示，有41名學(xué)生評價“講解清晰，我聽得很明白”，占樣本總數(shù)的89.1%。筆者本人擔(dān)任授課教師，出于對信息科學(xué)課程研究的投入，在授課內(nèi)容的把握上具有一定的優(yōu)勢。課后與本次教學(xué)觀摩的3位高中信息技術(shù)教師座談，他們表示對“模型與模擬”單元課程的教學(xué)缺少勝任的信心，需要前期培訓(xùn)和深入學(xué)習(xí)才有可能。

四、結(jié)束語

以“模型與模擬”單元課程開展的信息科學(xué)課程實踐研究取得了較好的效果，通過創(chuàng)設(shè)情境，使學(xué)生親身經(jīng)歷信息科學(xué)過程，在真正掌握信息科學(xué)知識、信息科學(xué)方法的同時，理解信息科學(xué)的本質(zhì)與價值，提升了信息科學(xué)素養(yǎng)。同時，通過實踐研究獲得反饋信息，對信息科學(xué)課程化方案進行修改和完善，為信息科學(xué)課程的推廣和使用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

[1]李赫,董玉琦.信息科學(xué)課程內(nèi)容的構(gòu)建[J].中國電化教育,2012,(9):7-10.

[2]董玉琦,解月光主編.研究資料匯編(七)——俄羅斯信息學(xué)教育[M].長春:東北師范大學(xué)信息技術(shù)教育研究所,2001.12.

[3]文部省.新學(xué)習(xí)指導(dǎo)要領(lǐng)[DB/OL].http://www.mext.go.jp/a_menu/shotou/new-cs/news/080216/002.pdf,2014-03-06.

[4]日本文部科學(xué)省.高等學(xué)校學(xué)習(xí)指導(dǎo)要領(lǐng)解説[M].東京:東山書房,2010.3.

[5]Information Technology Teacher’s guide[DB/OL].http://www.standards.dfes.gov.uk/pdf/primaryschemes/itx_primary_guide.pdf,2014-03-06.

[6]National Curriculum Information & Communication Technology(ICT).All The Schools for schools in South West UK[DB/OL].http:/ /www.alltheschools.com/ curriculum,2014-02-26.

[7]The use of ict in subject teaching expected outcomes for teachers in england，northern ireland & wales[DB/OL].http://www.englishschoolsfoundation.edu.hk/ITinset/TTA/TOUT.HTM,2014-03-06.

[8]蔡筱英,金新政,陳氫.信息方法概論[M].北京:科學(xué)出版社,2004.8.

[9]“Z+Z超級畫板”是由“Z+Z項目組”研發(fā)的適合中國基礎(chǔ)數(shù)學(xué)教育的智能平臺，1996年由中科院張景中院士主持開發(fā)[DB/OL].http://121.8.98.104/,2014-03-06.

[10]李赫.信息科學(xué)課程化研究[D].長春:東北師范大學(xué),2012.

李赫：副教授，博士，研究方向為信息技術(shù)教育(lihe@mail.ccut.edu.cn)。

董玉琦：教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為信息技術(shù)教育(dongyq@nenu.edu.cn)。

2014年5月14日

責(zé)任編輯：李馨 趙云建

Practice Research of Information Science Curriculumlization——“Modeling and Simulation” Unit Curriculum as an Example

Li He1, Dong Yuqi2
(1.Institute of Information Spreading Engineering, Changchun University of Technology, Changchun Jilin 130012;2.Department of Educational Technology, Shanghai Normal University, Shanghai 200234)

The rise of Information Science enriches the picture of science development. Information Science is becoming a center science in information society and the key progress for human society. It is necessary and urgent for the study on Information Science Curriculumlization in basic education. First of all, it needs to establish the concept of “scienti fi c” for curriculum study, that is to say,use scienti fi c ideas to design and develop the Information Science curriculum, and seek the consistency with primary and secondary education programs in structure, the problem domain and terminology. This paper, taking “Modeling and Simulation” unit curriculum as an example, reports the practice research of Information Science curriculumlizationin from the aspect of unit curriculum topics,unit curriculum development, and unit curriculum teaching experiment. The following conclusions: By creating situations, it makes students to experience Information Science process, acquire knowledge and method of Information Scienti fi c, comprehend the nature and value of Information Science, and enhance the literacy of Information Science; through practice research, it gets feedback, which helps to modify and improve the program of Information Science curriculum in order to ensure the feasibility of the content and the scienti fi city of the method, and it will lay a solid foundation for the promotion and use of Information Science curriculum.

Information Science Curriculum; Modeling and Simulation; Curriculum Development; Instruction Experiment

G434

A

1006—9860(2014)08—0043—05

* 本文系國家社會科學(xué)基金“十一五”規(guī)劃(教育學(xué)科)課題“信息科學(xué)課程化研究”(課題編號：CCA090127)階段性成果。