重視技術原理 凸顯科學價值

張利波 羅婉慶

摘要：《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》從課程名稱、課程內(nèi)涵到課程實施等都倡導由“技術”轉(zhuǎn)向“科技”。作為一種契合信息科技課程“科”“技”并重理念的教學方法，原理教學是信息科技課程內(nèi)容結構化的體現(xiàn)，是信息科技課程價值轉(zhuǎn)向的引擎，也是學生體悟科學精神、培育科技倫理的途徑。信息科技原理教學可遵循場景分析、實踐操作、原理探索、應用遷移的路徑，并采用如下策略：依靠數(shù)字化體驗，經(jīng)驗引申、明晰原理;運用數(shù)字化方式，仿真演示、理解原理;組織數(shù)字化交流，類比模擬、遷移原理。

關鍵詞：科學原理;信息科技;課程標準;數(shù)字化;數(shù)字素養(yǎng)

2022年4月21日，教育部頒布了《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“信息科技課程標準”），課程名稱從“技術”轉(zhuǎn)向“科技”。“技”保留了課程一貫的實踐風格，旨在讓學生通過學習解決現(xiàn)實世界的真實問題;“科”體現(xiàn)了信息科技暗含的科學原理與技術本質(zhì)，凸顯課程核心價值。“科技”賦予信息科技學科新意義，需要重新定義信息科技課程框架和邏輯結構，并重新建構信息科技教學體系和教學方法。原理教學是契合信息科技課程“科”“技”并重理念的教學方法。

一、信息科技原理教學的背景

信息科技是現(xiàn)代科學技術領域的重要組成部分，主要研究以數(shù)字形式表達的信息及其應用中的科學原理、思維方法、處理過程和工程實現(xiàn)[1]。互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術的快速發(fā)展與廣泛應用，創(chuàng)生出一個全新的數(shù)字生存環(huán)境。它在改變?nèi)藗冃袨榉绞降耐瑫r，也改變著人們的思維方式，并賦予信息科技課程新的內(nèi)涵[2]。信息科技課程標準將“原理”的重要性提到了前所未有的高度，全文有三十多處提及“原理”，覆蓋了課程理念、學段目標、內(nèi)容模塊、教學提示、學業(yè)要求、學業(yè)質(zhì)量、教學建議和作業(yè)評價。倡導原理教學是信息科技課程發(fā)展的必然結果，主要原因如下：首先，信息科技屬于科學門類，具有獨特的科學原理、思維方法和學科邏輯。其次，信息科技課程內(nèi)容具有科學性，形成數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡、信息處理、信息安全、人工智能六大邏輯主線[3]。再次，信息科技課程需要科學性，提倡“一英寸寬，一英里深”的科學教育方式，指導學生學會在數(shù)字時代學習與創(chuàng)新，培養(yǎng)適應未來社會的數(shù)字勝任力。最后，任何學習歸根結底都是探索，原理教學讓學生經(jīng)歷如科學家一般的探索過程，從感知科學精神到實踐科學精神，體悟課程魅力，感受課程科學價值，逐步內(nèi)化數(shù)字素養(yǎng)。

二、信息科技原理教學現(xiàn)象剖析

隨著課程標準的頒布，信息科技課程發(fā)展路徑更為明晰，即從“計算機課程”“信息技術課程”逐步確立為“信息科技課程”。誠如義務教育信息科技課程標準研制組組長熊璋教授所說，“其實，文字錄入、辦公軟件操作，乃至于編程，都不是信息科技素養(yǎng)教育的核心，與科學無關，而是在訓練信息技術熟悉程度”[4]。回顧以往的教學，我們往往忽略操作背后的科學邏輯，忽視原理內(nèi)容的編排、植入、融合與滲透，具體表現(xiàn)如下。

（一）只關操作，無關原理

我們曾經(jīng)的教學中充斥著軟件操作員的模式，教師一度以為通過某個菜單、某個按鈕教會學生完成指定內(nèi)容，就完成了教學任務。這種模式的教學一般發(fā)生在“計算機課程”初期，年輕的教師教著同樣年輕的課程，只關心動手操作，不關心思考、觀察、表達，也不關心操作背后的原理，造成學生素質(zhì)徘徊不前，教師能力徘徊不前，課程發(fā)展徘徊不前。

（二）只見操作，不見原理

當課程發(fā)展到“信息技術”階段，教師已經(jīng)意識到教學內(nèi)涵需要不斷擴充，除了動手操作，還需要動眼觀察、動腦思考、動口表達，需要同伴合作溝通、頭腦風暴，需要師生現(xiàn)場互動、思維碰撞，需要比較、歸納、分析、類比、遷移……有了這些觀念加持，教師發(fā)現(xiàn)操作變得綜合了，教學變得豐富了，課程變得厚重了。此時，我們已經(jīng)明晰信息技術課程的內(nèi)涵是以操作實踐來引發(fā)一系列高品質(zhì)學習的過程。但限于能力，教師尚未對操作背后的原理、技術思想等引起足夠重視，造成教學火候不足。

（三）只懂操作，不懂原理

信息科技課程內(nèi)容隨著科技的進步在動態(tài)發(fā)展、持續(xù)擴充。當前流行的大數(shù)據(jù)、人工智能背后更是蘊含了高深的技術原理。比如，人工智能涉及機器學習、深度學習、神經(jīng)網(wǎng)絡等關鍵技術。這些專業(yè)又高深的原理，一般教師難以理解與消化，對學生而言，更是巨大的挑戰(zhàn)。原理的深度與教師自身認知的局限也會弱化信息科技的原理教學。

以上種種，缺失原理的教學猶如教師只看到“浮在海面上的冰山”，卻忽視了海面之下冰山的巨大體量與能量，造成教學資源、學科價值的嚴重流失;缺失原理的教學也讓師生看不到課程內(nèi)在的機理與組織，難以抵達素養(yǎng)的彼岸。實際上，任何學科的基本原理都可以用某種形式教給任何學生。教師應與時俱進，順應數(shù)字時代的教育變革，迎接原理教學的契機，加深專業(yè)領域?qū)W習，肩負起育人的時代使命。

三、信息科技原理教學的含義及內(nèi)涵

（一）信息科技原理教學的含義

原理是具有普遍意義的基本規(guī)律。信息科技不同于自然科學與社會科學，因此信息科技原理具有獨特性。結合《馬克思主義百科要覽》的技術原理闡釋，信息科技原理是指在信息科技實踐中，為實現(xiàn)應用目的，根據(jù)已有的科學原理和技術經(jīng)驗，通過創(chuàng)造性思維和技術試驗所獲得的關于途徑、手段、方式和方法的理論規(guī)范。從學科教學的角度，信息科技原理一般簡化為信息科技背后的技術思想、設計和實現(xiàn)。信息科技教學中，教師要帶領學生挖掘出操作背后隱藏著的原理（見表1）。

原理教學結合信息科技實踐操作，挖掘操作背后的技術本質(zhì)、思維方法與底層邏輯，可以加深學生對技術的理解，有助于他們掌握計算機科學領域的思想方法，形成學科特有的關鍵能力和思維方法。原理教學一般由師生從表層開始共同探索，層層解剖、逐級深入，從而透過現(xiàn)象看本質(zhì)，透過表面看內(nèi)核，在學生的認知范圍內(nèi)直抵技術底層。

（二）信息科技原理教學的內(nèi)涵解析

從課程體系看，原理教學是課程內(nèi)容結構化的體現(xiàn)。原理是實踐操作的補充、深化或還原，是課程內(nèi)容結構化不可或缺的組成部分。將原理融入教學，打通了信息科技學習的“最后一公里”，促進學生從表層實踐到技術內(nèi)核的理解，有助于學生形成學習的邏輯閉環(huán)（如圖1）。

從學科發(fā)展看，原理教學是信息科技課程價值轉(zhuǎn)向的引擎。與傳統(tǒng)學科相比，信息科技學科的教學方法、教學模式一直處在摸索階段，尚未形成穩(wěn)定經(jīng)典的教學模式。再加上信息科技教學內(nèi)容呈離散狀態(tài)，所以教師的教學顯得個性化和隨意化。而原理教學從本質(zhì)上追求嚴謹?shù)慕虒W內(nèi)容，也必將形成信息科技學科規(guī)范、科學、經(jīng)典的教學方法。

從育人價值看，原理教學是學生體悟科學精神、培育科技倫理的途徑。原理學習的基本邏輯大致為：學習基本原理—深化對原理的認識與理解—用科學原理指導實踐應用。學生從信息科技實踐入手，慢慢去猜想和意會其中的原理，教師進一步指導學生認識原理、理解原理、實踐原理。在未來，原理學習會成為信息科技課程的重要標識和風向標，貫穿于信息科技學習周期中。通過原理教學，學生會逐漸建立起猜測聯(lián)想、感受體悟、探索求知的意識，形成批判性思維，培育科學精神與科技倫理，形成數(shù)字時代正確的價值觀。

四、信息科技原理教學的路徑與策略

原理是信息科技課程由“技術”轉(zhuǎn)向“科技”的關鍵支點。狹義的原理是技術呈現(xiàn)的底層邏輯;廣義的原理是技術開發(fā)過程中的邏輯與實現(xiàn)，包括過程實現(xiàn)的方法總結、實踐感悟等。原理教學的一般路徑為場景分析、實踐操作、原理探索和應用遷移，原理教學的策略可以分為經(jīng)驗引申、仿真演示、類比模擬等（如圖2）。教師可充分利用信息科技學科得天獨厚的數(shù)字化優(yōu)勢，通過數(shù)字化手段、數(shù)字化平臺、數(shù)字化虛擬空間等，讓學生充分進行展示、分享、交流、討論、評析等，直觀呈現(xiàn)原理，全面分析原理，深入理解原理，從而降低原理學習的難度，提升原理教學的有效性。

（一）依靠數(shù)字化體驗，經(jīng)驗引申、明晰原理

美國教育家、體驗式學習大師大衛(wèi)·科爾布曾說，“學習是通過轉(zhuǎn)化經(jīng)驗來創(chuàng)造知識的過程”。由于信息科技原理比較抽象和高深，教師要使用深入淺出的方式指導學生由活動體驗引發(fā)經(jīng)驗關聯(lián)，繼而轉(zhuǎn)向深入思考來理解原理，同時避免陷入狹隘且高深的專業(yè)細節(jié)[5]。許多生活經(jīng)驗成為信息科技的經(jīng)典內(nèi)容，但生活經(jīng)歷與課堂教學往往分布在不同的時空。這就需要教師借助數(shù)字化手段，如播放提前錄制的生活微視頻，將生活經(jīng)歷“搬入”課堂教學之中，激活學生原有的認知經(jīng)驗，減少他們對原理的疏離感。當然，原理學習的重點在于從樸素的生活原理轉(zhuǎn)向嚴謹?shù)目茖W原理。

比如，“隊”是一種典型的數(shù)據(jù)結構，特點是先進先出。學生在生活中經(jīng)常會排隊。在教學中，教師就引導學生先列舉日常生活中排隊的實例，如在食堂排隊就餐、在校內(nèi)排隊核酸檢測等，再進一步擴展到校園之外的隊，他們列舉了餐廳吃飯排隊叫號、醫(yī)院取號排隊就醫(yī)等。顯然，以中學生的認知，他們可以很輕松地理解這些都是隊伍。接下來，教師設置數(shù)字化交流平臺，要求學生從不同角度比較食堂排隊和醫(yī)院取號排隊的差異。學生頭腦風暴，紛紛從排隊姿勢、占用時間、排隊時間利用、是否可離開現(xiàn)場、排隊心情等方面開展分析。最后，學生總結：前者是具體的排隊，需要自然人來執(zhí)行，后者是數(shù)字化排隊，不需要依托自然人實現(xiàn)，所以人可以離開排隊現(xiàn)場去做其他事……盡管都是排隊，但數(shù)字化排隊的效果與效率完全勝出，他們甚至還設想利用技術實現(xiàn)最小等待時間，從而更科學合理地安排規(guī)劃個性化學習生活。

一般情況下，生活經(jīng)驗比較感性，而科學原理屬于理性總結。經(jīng)驗不可能等同于原理，但可以成為原理學習的支架。比較生活經(jīng)驗與科學概念的異同，有利于學生從生活原理中推導科學原理，理解科學概念的專業(yè)性和嚴謹性。同時，利用數(shù)字化技術將科學概念回歸現(xiàn)實應用，實現(xiàn)思維內(nèi)容從模糊到清晰、思維序列從外圍到內(nèi)核、思維品質(zhì)從感性到理性的躍升。

（二）運用數(shù)字化方式，仿真演示、理解原理

不難發(fā)現(xiàn)，信息科技原理具有科學性、專業(yè)性、嚴謹性的特點。實踐操作是外在的、表面的，技術原理則是內(nèi)在的、隱性的?？吹接嬎銠C酷炫的操作效果，學生時常會感到驚訝，好奇為什么會有如此效果。教師不妨利用數(shù)字化手段直觀解析、動態(tài)演示，利用數(shù)字化平臺組織教學活動，指導學生透過現(xiàn)象看本質(zhì)，引導學生揭開現(xiàn)象神秘的面紗，逐漸消融內(nèi)心的疑惑。

比如，濾鏡是圖像處理的核心功能。濾鏡可以改觀畫面，產(chǎn)生獨特視覺效果，賦予圖像新的內(nèi)涵。學情調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，有些學生已使用濾鏡App，如魔漫相機、油畫大師等處理過照片，那么在課堂上，對于濾鏡，教師能讓學生再學些什么呢？顯然，學生只具備這些極簡的技能還遠遠不夠，濾鏡原理的學習就顯得尤為重要。濾鏡的原理是通過改變像素的位置或顏色產(chǎn)生各種特殊效果。學生往往更關注“特殊效果”，對“改變像素位置或顏色”基本無感。如何將濾鏡原理“慢鏡頭呈現(xiàn)”？教師特意搬來早期用VB編寫的濾鏡程序，錄制成微視頻，再用大屏幕演示。學生觀察“曾經(jīng)的濾鏡”，發(fā)現(xiàn)多了濾鏡進程條，過程明顯放慢。許多學生抱怨：濾鏡進程好慢啊，簡直像蝸牛在爬！教師趁機拋出問題：慢鏡頭才能看出奧秘哦，能解釋這個“美中不足”嗎？學生探究了濾鏡的原理后頗有感觸，原來濾鏡在計算！它會根據(jù)周圍像素顏色值，運用某種算法，為當前像素計算一個新顏色值，更新后畫面產(chǎn)生新效果。學生明白了這個原理之后，教師再引導學生上網(wǎng)搜索一些簡單的濾鏡算法，借助編程軟件模擬展示，進一步理解濾鏡原理的技術實現(xiàn)。這個環(huán)節(jié)借力數(shù)字化工具與技術還原、展示、模擬濾鏡的原理，區(qū)區(qū)一個算式變化，濾鏡效果截然不同，讓學生嘆為觀止！此時，教師趁熱打鐵，繼續(xù)利用數(shù)字化半成品材料，引導學生根據(jù)數(shù)字化效果進行修改和打磨，自創(chuàng)一種簡單濾鏡算法，既實現(xiàn)濾鏡原理的創(chuàng)新實踐，又印證了原理學習“萬變不離其宗”的本質(zhì)。

（三）組織數(shù)字化交流，類比模擬、遷移原理

一個成熟的原理可能具備普適性，具有遷移性。從知識關聯(lián)程度來看，信息科技知識關聯(lián)可以分為顯性關聯(lián)與隱性關聯(lián)。顯性關聯(lián)比較容易，在課堂上極易發(fā)生，比如Word文字操作到圖像編輯時文本操作，圖畫工具箱到Photoshop工具箱等，這些都屬于淺層關聯(lián)。除此之外，師生需要更多地挖掘隱性關聯(lián)。隱性關聯(lián)一般是原理的遷移應用，重在指導學生以全局的眼光進行原理學習，增強學習的系統(tǒng)性，形成結構化思維。

比如初學Flash動畫時，學生知曉動畫形成的原理是利用了人的視覺暫留特性，靜態(tài)圖通過不斷播放而形成動畫。通過這一原理，教師帶領學生對動畫進行要素分解：①動畫內(nèi)容是幀（靜態(tài)圖）;②動畫動作是播放（逐張呈現(xiàn)）;③動畫條件是播放間隔（小于1/24 s）。隨后，學生在極域平臺進行在線交流討論，學生經(jīng)思維碰撞后觀點不斷涌現(xiàn)，比如“簡單動畫不局限于Flash軟件”“只要具備三個要素，就能形成簡單的逐幀動畫”“PowerPoint軟件也可以制作逐幀動畫”“對，PPT軟件中靜態(tài)圖就是一張幻燈片頁面，播放就是幻燈片切換”。學生甚至大膽設想，“只要具備三個條件，我們可以導入系列圖，設計一款簡單的動畫軟件”……

沒想到，一學期后要編寫抽獎程序時，這些討論與分享發(fā)揮了作用，學生一下子就聯(lián)系上了動畫的原理[6]。他們紛紛表示“抽獎程序不就是一個動畫嗎” “Label控件可以類比幀” “大屏幕滾動起來，Label內(nèi)容不斷置換，在快速播放時，就成了動畫”“對，滾動的抽獎畫面本質(zhì)是一個動畫”。運用動畫原理解釋抽獎程序有什么意義呢？隨后，程序要實現(xiàn)抽獎結果，學生根據(jù)之前的經(jīng)驗判斷得出：這個操作本質(zhì)上就是切斷動畫。

教師繼續(xù)引導學生通過數(shù)字化交流平臺進行思維碰撞，學生又形成新的認識。比如“可以通過原理三要素來實現(xiàn)動畫的逆向操作——不形成動畫”“從內(nèi)容看， 幀內(nèi)容不變，不再形成動畫”“從動作看，不再播放，動畫就停止了” “播放時間間隔設置無限大或者零，理論上講也不能形成動畫”。接著，師生編寫抽獎程序驗證學生觀點。師生通過在線的即時交流，節(jié)約了課堂時間，增大了課堂密度，給予學生充分的自主，每個學生獲得更多的交流展示機會，從而迸發(fā)出更多有價值的思維火花，促成學生數(shù)字素養(yǎng)的內(nèi)化生成。通過數(shù)字化交流平臺，學生遷移動畫原理的正反學習，對抽獎程序產(chǎn)生更清晰、更徹底、更有價值的認識：屏幕滾動本質(zhì)是動畫形成，抽獎本質(zhì)是動畫停止。無論形成或停止，學生都可以對照動畫原理的三要素進行分析實現(xiàn)（見表2），體現(xiàn)原理具有現(xiàn)實指導的意義與價值。

信息科技課程標準的頒布是信息科技課程發(fā)展過程中的一個里程碑，但課程價值的落地主要在于一線課堂，在于一線教師。因此，信息科技教師面對教育變革需要務實探索與應變，將課程標準規(guī)劃的內(nèi)容轉(zhuǎn)化成自己的理解、表達與行動，不斷探尋信息科技課程魅力的實踐支點。

參考文獻

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[2] 任友群，李峰，王吉慶.面向核心素養(yǎng)的信息技術課程設計與開發(fā)[J].課程·教材·教法，2016（7）：56-61.

[4] 熊璋.“科”“技”并重：義務教育信息科技課程標準解讀——訪義教信息科技課標組組長熊璋教授[J].中國信息技術教育， 2022（9）：4-7.

[5] 張汶.積極實踐，務實探索[EB/OL].（2022-05-09）[2022-07-08].https：//www.bilibili.com/video/BV1Ru411r773？spm_id_from=333.337.search-card.all.click656939663&unique_k=JbNEWgk.

[6] 張利波，馬建軍.信息技術學科大概念內(nèi)涵及學習策略[J].中小學信息技術教育，2021（6）：50-52.

（作者張利波系浙江省慈溪實驗中學教師;羅婉慶系浙江省慈溪市觀城中學教師）

責任編輯：牟艷娜