面向核心素養的信息技術課程：“數據與計算”模塊

李鋒　熊璋

摘要：新修訂的高中信息技術標準包括必修、選修1和選修2共三個部分。“數據與計算”模塊是高中信息技術必修課程中的第一個模塊，也是其它模塊的學習基礎。該模塊依據學科核心素養，結合學科特征設計了“數據與信息”“數據處理與應用”“算法與程序實現”三部分內容；建立“數據、信息、算法、程序”模塊核心概念體系；融入解決問題的學科方法與技術工具；將學科核心素養“信息意識”“計算思維”“數字化學習與創新”“信息社會責任”滲透其中。通過對該模塊中核心概念、學科方法、技術工具的學習將有助于學生核心素養的發展。

關鍵詞：模塊結構；核心概念；學科方法與技術工具

信息技術的快速發展不僅改變了社會經濟結構和生產方式，也加快了全球范圍內的知識更新和技能創造，對中小學信息技術教育提出了新挑戰。“數據與計算”模塊是針對數據及大數據對社會發展的影響，依據學科核心素養，綜合學科特征，面向全體高中學生所設計的基礎性必修學習模塊。

一、課程模塊結構設計

在綜合分析學生認知能力、社會發展需要和學科特征的基礎上，“數據與計算”模塊按照“明晰核心概念-突出學科方法-關注工具應用-促進素養形成”的思路，從“數據與信息”“數據處理與應用”與“算法與程序實現”三方面設計模塊的內容結構，其內容結構如圖1所示。

（一）數據與信息

近十年來，移動通信、大數據、云計算的快速發展加快了“技術更新”向“數據變革”的轉向。數據不僅是信息的載體，也是人們提取信息、做出決策的重要依據，并逐步成為社會發展的一項資源。人們合理選用技術工具處理數據，可以提高數據應用效能，發現其中隱含的信息，精準解決生活與學習中的問題。“數據與信息”這部分內容遵循數據存儲基本原理，依據學生學習經驗，將“數據與信息的概念及特征”“數字、文本、聲音、圖像等數據編碼技術”“數字化學習工具應用方法以及學習策略”等內容融入內容標準之中。通過這部分內容的學習，學生要能了解在數字化工具中數據存儲的一般原理與方法，理解數據、信息與知識的相互關系，合理選用數字化工具支持個人學習，實現知識建構，適應數字化學習環境。

（二）數據處理與應用

電子計算機發明之前，數據處理主是要通過人工進行的，由于人工處理數據能力的不足，分散在大量數據集合中各種實質關系就很難發現。例如，圖書館圖書流通記錄里隱含了大量讀者的閱讀習性，以人工方式就很難及時發現其中的信息，也就很難利用相關數據提供針對性的服務。上世紀80年代以來，電子計算機及其管理系統的發展使得獲取、分析用戶數據更加方便，通過數據庫系統可以快速、準確地合并比較不同的數據集合，得到隱含于其中的信息。因此，隨著社會數據量和個人數據量的增大，利用技術工具有效處理數據、發現信息，逐步成為人們解決問題的一種重要方式。“數據處理與應用”這部分內容按照數據結構的基本原理，提煉數據處理的基本方法，聚焦技術工具在數據處理中的基本功能，注重學生數據安全意識的培養。學生學習后要能夠了解數據收集、分析及可視化表達數據的基本方法；根據任務需求，選用恰當的數據處理軟件處理數據，完成數據分析報告，認識到對數據進行保護的意義。針對具體問題，利用信息技術有效處理數據，獲得有價值的信息，以此提高個人生活與學習質量。

（三）算法與程序實現

當今，信息技術已經滲透到人們生活與學習的方方面面，其廣泛應用不僅改變著人們的生活與學習方式，也轉變著人們的認知結構與思維品質。為更好地理解、適應和創新人們賴以生存的數字化環境，信息技術教育就不應簡單地停留于技術操練或結構良好的問題解決上，同樣需要幫助學生理解信息的技術本質特征，處理數字化環境下的復雜性問題。“算法與程序實現”這部分內容在強調了簡單算法的學習，將計算思維的形式化（例如抽象出算法解決問題的一般過程）、模型化（例如用結構化程序表示算法）、自動化（例如通過計算機自動化實現算法）特征滲透至內容標準中。通過這部分內容學習，學生要能概述算法的概念與特征，運用恰當的描述方法和控制結構表示簡單算法；掌握一種程序設計語言的基本知識，使用程序設計語言實現簡單算法。體驗程序設計的基本流程，掌握程序調試與運行的方法。當然，高中學生學習“算法與程序實現”，并不是要求他們系統地掌握專業知識，更不是要把他們培養成編程專家，最主要的是希望學生在體驗計算機解決問題的過程中，能真切認識到從“工業社會思考與解決問題方式”到“信息社會思考與解決問題方式”變革的內在原因，理解當今數字化世界的運轉方式，發展為合格的數字化公民。

二、課程模塊核心概念界定

美國認知心理學家布魯納（Jerome Sevmour Bmner）在研究中發現“課堂學習主要是促進學生掌握教材的基本知識結構，學生若能理解其基本結構，就不難思考出很多細節，所謂的這種基本結構是由概念組成的”。可見，核心概念體系的建立一定程度上決定著課程的關鍵內容。“數據與計算”課程模塊按照學科基本原理，以信息技術工具處理對象——“數據”為核心，從人們利用信息技術處理數據所獲得的“信息”、計算機解決問題的“算法”以及實現算法的“程序”等內容構建本模塊的核心概念體系，將相關概念滲透到內容標準之中，形成本模塊的概念結構。本模塊的概念框架如圖2所示。

（一）數據

數據是對客觀事物的符號表示。在計算機科學中是指所有能輸入到計算機中并被計算機程序處理的符號的總稱。它是計算機程序加工的“原料”。信息技術的發展使得人們收集和處理數據的手段得以不斷加強，數據的內涵也逐步得以豐富。在計算機發明前及初期，“數據”更多的是指“數字”和“數值”，即數值型數據。二十世紀八十年代計算機的發展，人們利用計算機處理“數據”的類型得以豐富，“數據”不再限于“數字”或“數值”，同時還包括了文本、聲音、圖形、圖片、視頻等非數值型數據。本世紀初，移動通信、大數據和云計算等技術的革新，數據總量和處理速度得以迅猛發展。“數據”不只是計算工具所處理的對象或信息的載體，也成為人們獲得信息、推動信息社會發展的一項動力來源。

在信息科技中，由于電子計算機主要能識別和處理的是由“0”和“1”符號串組成的代碼，因此從存儲原理來看，使用計算機進行數據處理時首先就需要實現數據的二進制轉換，通過數據編碼轉換成計算機可以識別和處理的“二進制”代碼。其次，計算機運行相關的軟件對編碼后的“數據”進行處理，幫助人們更好地理解信息。近年來，隨著信息技術的發展，各類數據處理軟件功能越來越成熟，種類也日趨多樣。例如，有針對“表格”進行數據處理的電子表格軟件、有對文本進行分析的在線分析工具、也有基于語音分析的智能語音評測系統等等。

（二）信息

“信息”作為信息時代的一個日常用詞，人們對其廣泛、模糊地應用，導致了內涵的不確定性和定義的多樣性。梳理國內外學者對“信息”的認識，主要有三種觀點：其一，本體論觀點認為信息是事物運動狀態及其變化方式的自我表述，強調的是信息的客觀存在；其二，語義學觀點，認為信息反映出人們對事實的深入認識，是能產生知識的東西，強調的是人對事物的認知以及信息與知識的聯系；其三，信息系統的觀點認為當有組織、有規律地把數據收集在一起就形成了信息。數據在其中起到了關鍵的作用，一方面它承載著信息，另一方面它也產生著信息。為了便捷地獲取和應用信息，人們越來越多地通過計算機等數字化工具和二進制編碼方法來表示和組織數據，以此傳播或獲取有價值的信息。

綜上，本體論觀點用哲學的視角來理解“信息”，依據此觀點其實很多學科（例如物理、化學）所探索的內容都應是“信息”，只是領域內容不同而已，該觀點沒有聚焦信息技術學科特征；認知論強調的“信息”是人對事物的認知結果，關注的是認知心理學研究的內容，也不是信息技術教育的主要范疇；信息系統理論強調“數據”是信息的載體，同時也認為對大數據的處理同樣可以產生信息，它在綜合本體論和認知論的觀點上，突出信息技術學科方法和技術工具對發現有價值信息的作用。如今生活于信息社會，人們利用技術工具有效處理數據、獲取信息，對促進個人和社會發展已越來越重要，因此這里的“信息”主要是指信息系統中的數據處理后產生的信息。

（三）算法

美國著名計算機專家克努特（D·E·Knuth）認為算法就是一個有窮規則的集合，其中規定了一個解決某一特定類型問題的運算序列。分析算法定義，我們可以把算法理解為若干基本操作及其規則作為元素的集合，即一個算法就是由若干基本操作按一定順序規則進行操作的序列。為了保證計算機有序執行指令，一個算法應反映出五個基本特征：（1）指定輸入，明確輸入數據的類型、數據的值以及數據將采用的形式；（2）指定輸出，是希望得到的結果；（3）確定性。算法必須要指定每一個步驟，為把輸入轉換為輸出，指定操作的順序；（4）有效性。可以有序地執行過程；（5）有限性。執行算法后，最終能產生結果。從結構來看，通過順序執行、條件分支和循環三種結構方式可基本完成算法的流程，實現復雜問題條理化和簡單化。

事實上，除了將算法應用于計算機的程序設計之中，為了提高工作效率和生活質量，人們在日常工作與生活中也不自覺地使用著算法思想來解決問題，例如，關于烹調算法（稱為食譜），操作某類機器的算法（操作流程）等等。可見，無論是計算機領域的算法，還是日常生活中人們應用的算法，目前還都是由“人”根據需要開發出來、按照一定流程、有序完成任務的步驟。只不過它們所運行的部件和應用語言不同而已，前者更主要是在“電腦”中用機器語言來實現的，后者則是在“人腦”中用人的自然語言進行表述。通過算法學習，學生不僅可以更好地理解計算機解決問題的過程，準確地判斷和解決計算機過程中的常見問題，也可以將算法思想應用于生活中，提高生活和學習的質量。

（四）程序

從計算機運行來看，程序是一組操作的指令或語句的序列，是計算機執行算法的操作步驟。當計算機執行完一組正確操作指令后，就能完成預期的任務。一個程序就是一個算法的具體表現方式，它被定制成在特定情況下用特定語言，完成特定任務，使得計算機有序地執行命令。在“數據與計算”模塊，學習“程序”更主要的還是學生嘗試用程序設計語言來表示簡單的算法，在掌握程序設計方法的過程中，理解“算法與程序”在計算機運行中的作用。由此可見，學生學習信息技術“如果只學習技術工具的操作技巧，而不學習這種工具內在驅動力（算法與程序），就如同他們學習科學而不做實驗一樣是沒有真正意義的”。

“算法與程序”作為驅動計算機運行的內在動力，已有越來越多的國家將程序設計作為中小學信息技術教育的一項重要內容。2014年，英國教育部頒發的“計算課程標準”要求英國學生在小學階段就需要學習算法與程序設計的內容。2016年，美國信息技術研究領域面向全體中小學生開展了“編程1小時”項目，旨在通過這個項目提高學生數字化創新能力。事實上，當“數字土著”真真切切地生活在數字化工具無處不在的環境中，他們不僅需要知道和操作技術工具的應用步驟，同樣需要理性認識數字化工具運行的內在驅力，創造性地應用信息技術。程序作為信息技術的一項重要學習內容，一方面可以讓學生體驗計算機等數字化工具的運行原理，了解信息技術改變我們生活方式的內在原因；另一方面也可通過程序設計將算法滲透到學習之中，作為解決問題的一種路徑，發展學生的計算思維，提高他們數字化生存與創新力。

分析“數據與計算”模塊的四個核心概念，“數據”作為信息的一種載體和重要來源，其本身并沒有什么特別含義，只有當人們通過不同的組織方式或規則對數據進行處理后，數據才能起到傳輸或生成了信息的作用，反映出事物存在現實和內在聯系。在數據處理過程中，人們可依據信息技術學科方法，選用適當的信息技術工具，快捷獲取和處理數據，形成解決問題的決策信息。

三、學科方法與技術工具的體現

信息技術課程兼重理論性和實踐性，一方面它強調學生要了解信息技術的基本概念與原理，另一方面也注重培養學生利用本學科特有的方法與工具去解決現實問題的能力。“數據與計算”課程模塊在明確核心概念后，也將學科方法和技術工具滲透至其中。例如，“數據處理與應用”的內容設計，將數據處理的方法和技術工具滲透到內容標準之中，表現在數據收集、數據分析和數據可視化表達等方面，如圖3所示。

（一）數據收集

數據收集是指人們根據需要獲取數據的過程。技術工具的發展使得數據收集方式日趨多樣，人們可以通過觀察、調研的方式獲取數據，也可以利用技術工具（例如傳感器）直接采集數據，還可以通過包括網絡在內的各種資源庫查找數據。確定數據收集方法后，明確所需要收集數據的類型、選用收集工具就直接影響著數據收集的效果。數據類型是數據的表現形式，即數據在加工計算中的特征。從計算方式來看，數據可分為數值型數據和非數值型數據。數值型數據是指有大小和正負之分的數據。例如，職工的年齡和工資都可進行加、減等算術運算。非數值型數據是指沒有數值大小之分，代表某種信息含義的數據，例如文字、聲音、圖像等。從數據收集工具來看，其中有便于遠程調研的網絡調研工具，也有能將各種物理量的變化轉換成電流或電壓變化形式的傳感器，還可利用搜索引擎工具在網絡上快速獲取所需要的數據。數據收集完成后，為了提高數據質量，還需要根據數據收集目的對數據進行預處理，提高數據收集的一致性、完整性和準確性。

（二）數據分析

數據分析是指用適當的分析方法與工具，對收集的數據進行分類整理，提取與發現其中有價值的信息，形成結論的過程。通過數據分析可以描述事物現狀、發現其內在要素的相互關聯、對事物發展趨勢做出科學預測。從組織方式來看，可通過“結構圖”的方式（例如E-R圖）抽象事物的屬性特征，表達屬性之間的內在聯系，建立數據模型，降低數據間的冗余度，表述數據所承載的信息。例如，通過建立“學生”實體數據模型，表達實體基本屬性、明確數據項操作方式，采用數據約束保證數據有效性。從分析方法來看，常用的數據分析方法有對比分析、分組分析、交叉分析等，針對不同的分析目的和數據類型，可采用合適的分析方法分析數據，轉換數據所承載的信息。例如，通過對比分析法可將兩個（類）或兩個（類）以上的數據進行比較，分析它們的差異，揭示這些數據所代表的事物發展變化和規律性，對其發展進行預測等。從分析工具來看，在信息技術層面有專業性較強的數據分析工具（例如數據庫管理軟件、專用數據管理系統等），也有便于用戶直接應用的軟件工具（例如電子表格軟件、網絡文本分析軟件等）。

（三）數據可視化

數據可視化是指借助圖表、圖像形象地呈現數據，支持用戶直觀了解數據，分析蘊含在數據背后的內容，其目的在于“通過圖形化的手段清晰有效地傳達信息，幫助人們分析數據、探索原由、發現趨勢。為實現信息的有效表達，數據可視化需要綜合考慮數據類型、信息表達意義、可視化工具等多方面的特征。從數據組織形式來看，數據可視化包括（但不限于）“分類數據可視化”“時序數據可視化”“空間數據可視化”等。從呈現方式來看，不同學者（或研究組織）對可視化呈現提出了各自的見解。美國加州硅谷數據科學研究學者朱莉婭（Julie Steele）等人認為數據可視化效果要體現在4個要素上，即形式新穎、內容充實、直觀高效和符合審美；英國發展研究所突出強調了數據可視化的6個方面，即：表達簡約、內容易讀、關系一致、色彩清晰、避免信息過載（例如避免使用3D形式）、文字表述有效等。分析數據可視化要點，其呈現方式主要表現為：（1）一致性。可視化所表達的信息與數據要保持一致，準確反映數據之間的關系；（2）完整性，可視化圖形要素要完整，相關說明應齊全、規范；（3）直觀性，可視化圖形簡潔、清晰、易讀，直觀表達出相關信息；（4）美觀性，圖形選擇符合數據呈現方式和色彩搭配層次分明。從工具選擇來看，常用的可視化工具有綜合性的數據軟件工具（例如ExCEL，SPSS等），也有專項在線可視化工具（例如，Gephi，visualize Free等）。依據數據分析需要，合理選用數據可視化方法與工具可將類型多樣、關系復雜的數據清晰直觀地呈現，快速尋求數據之間的信息，有效實現人人、人機之間的圖像信息交流。

此外，“數據與計算”模塊中的“數據與信息”“算法與程序實現”的內容也都有針對性的設計了相應的學科方法和技術工具，以此支持學生利用信息技術解決問題和創新能力的培養。

四、學科核心素養的滲透與教學建議

信息技術學科核心素養是在學生發展核心素養總體要求下，綜合考察人與信息技術關系后確定的，它包括信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任四個核心要素。“數據與計算”模塊依據學科核心素養，結合本模塊的學科特征描述內容標準，將核心素養滲透至其中。

（一）信息意識

信息意識是指個體對信息的敏感度和對信息價值的判斷力，它會隨著學生對信息社會的融入緊密程度和認識的深刻性而不斷發展。從認知發展來看，高中學生能夠比較客觀的看待自我，能明確地表現自我，形成理智的自我意識。高中是學生信息意識發展的一個關鍵期。針對學生在信息社會的發展需要，“數據與計算”模塊設計了“在運用數字化工具的學習活動中，理解數據、信息與知識的相互關系，認識到大數據對人們日常生活的影響”的內容標準，引導學生正確認識數據與信息的關系，合理利用數據，通過數據收集與處理，準確發現、甄別和應用信息，以此指導個人的學習和生活。在教學中，教師可從學生日常生活和學習經驗出發，讓學生感受生活與學習中“數據與信息”的事實，認識到數據與信息對社會發展和個人成長的影響，體驗利用數字化工具對數據處理和信息發現過程，引導學生對大數據時代數據改變人們生活進行深入地思考，發展學生的信息意識。

（二）計算思維

當“程序驅動”的數字化工具滲透到人們生活、學習和工作的方方面面，甚至成為人們身體的一部分時，人們不僅要需要具備操作這些技術工具的技能，同樣需要從深層次理解這些技術工具，知道它們的工作方法和應用流程，處理好人與技術工具的關系，即發展{博思維。計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動。從認知發展來看，高中學生邏輯思維能力逐步趨于成熟，能夠對自己的思想觀點進行論證，能有條理地對各項經驗加以理論說明，這也為學生計算思維的進一步發展創造了條件。針對學生認知能力，按照計算思維的發展要求，本模塊謝十了“從生活實例出發，概述算法的概念與特征，運用恰當的描述方法和控制結構表示簡單算法”“掌握一種程序設計語言的基本知識，使用程序設計語言實現簡單算法”等內容標準，通過相應目標的達成，促進學生計算思維發展。

（三）數字化學習與創新

信息社會中，現實空間與虛擬空間相互交織形成了一個全新的社會環境，它在改變人們生活、工作與學習的同時，也塑造出一種全新的生存與發展方式，數字化學習逐步成為終身學習的一種重要形式。為幫助學生拓展學生學習方式，便捷地獲取、分析數據，獲得有效信息，將其轉化為個人知識，促進個人終身發展，該模塊通過設計“針對具體學習任務，體驗數字化學習過程，感受利用數字化工具和資源的優勢”等內容標準，將“數字化學習與創新”學科核心素養滲透到課程模塊之中。教學過程中，教師可借助數字化學習環境，引導學生體驗數字化學習與創新活動，掌握數字化學習策略，通過整合跨學科的學習任務，幫助學生學會運用數字化工具表達思想、建構知識，養成數字化學習與創新的習慣。

（四）信息社會責任

信息社會是通過創造、分配、使用、整合和處理信息進行社會經濟、政治和文化活動的社會形態。其中的社會成員通過創新、高效使用信息技術為手段，以此獲得較高的個人或組織生存與發展優勢。他們在享有信息技術帶來的充分便利時，也被賦予新的社會責任。高中信息技術課程既要加強基本信息技術知識與技能的學習，提高學生應用學科方法與技術工具解決問題的能力，同樣也要培養學生的信息社會責任。因此，“數據與計算”模塊還設計了“根據任務需求，選用恰當的數據處理軟件處理數據，完成數據分析報告，理解對數據進行保護的意義”等數據安全方面的要求。教學過程中，教師可根據實際情況組織學生參觀學校（或社會場所）的信息中心，觀察信息中心的組織和運行模式，聽取專業人員介紹數據應用與保護的方法，認識到數據安全的重要性，發展學生信息社會責任。

五、結語

信息技術與社會各領域的交互融合引發了數據量的迅猛增長，數據對社會生產和人們生活的影響日益凸顯。“數據與計算”模塊依據學科核心素養，依據本學科的特征，構建“數據、信息、算法、程序”等核心概念體系，融入了利用信息技術解決問題的學科方法與技術工具，發展學生利用信息技術解決問題的能力，將學科核心素養素滲透其中，培養合格的數字化公民。