基于ISD Models模型的算法學習設計研究

王蕾

教學現場

義務教育階段有關算法的內容成為教師近期關注的熱門話題之一，如何提升信息科技教學行為，最大程度地優化教學效能，提升算法教學的創新性？

問題分析

信息科技教學有著獨特的學科傾向，其中有關算法的學習需要借助物化的形式開展。在具體的作品載體中，為學生創設良好的內化學習環境，提升信息應用型學習力，滿足學生認知需要的教學行為，成為課堂教學效能提升的重點。而基于ISD Models模型的算法學習設計，可以為教師設計教學過程提供參考。

ISD Models模型及其在信息科技算力教學中應用的可行性

ISD全稱為Instructional System Design，即教學系統設計模型，它是以傳播理論、學習理論、教學理論為基礎，運用系統理論的觀點和知識，分析教學中的問題和需求并從中找出最佳答案的一種理論和方法，已在多個學科中運用。

算法教學目標強調通過系統的方法，達成既定的教學目標。信息科技學科內容寬泛，學習素材來源多樣，需要學習者在有限的時間內呈現具有一定數字化的算法作品，據此展開的課堂學習設計應包括三個主要流程：要學什么？即算法學習目標的預設。如何去學？即算法學習資源的選擇。如何判斷學生已到達的學習成效？即算法學習評量的實施。在信息科技重視大概念、大單元、大視域的背景之下，ISO Models成熟的課堂結構和學習設計方式，能夠給學生提供必要的學習模型參考，幫助教師據此開展適應性教學。因此，義務教育階段信息科技學科的算法教學，可以采用ISO Models成熟的模式進行具體的學習設計及實踐。

基于ISD Models進行算法教學的實施環節

ISD Models模型的操作步驟及主要內容如下：有關學科內容的認知分析，其中包括對教學內容、學習內容、學習者特征進行分析涉及整體流程的學習設計，即對學習資源、學習情境、認知工具、自主學習策略、管理與服務進行設計；針對具體認知目標的開發，即根據設計內容進行課程開發；教學實施，即根據課程開發的成果實施課堂教學；帶有診斷特征的評估，即對開發的課程進行評估并形成評估報告。

在具體的課程教學中，利用該模型可幫助課程設計人員與教學管理人員及時確定算法教學的相關目標，確定本課程目前所面臨的問題。再由教師利用模型設計課程并實施教學，經過多輪實驗后，對該學習設計進行調整，不斷修正和改進相關內容。

基于ISD Models模型的案例運用

環節一：對標確定學習預設

基于ISD Models模型的學習設計的第一階段為學情的有效預設：教師給出必要的提示，在學生已有生活經驗中找尋可參考范例，帶領學生分析需要完成的教學目標是什么、實現這個目標可以通過哪些信息化工具完成、已經掌握的工具有哪些優缺點、如何尋找更為合適的工具來達到學習目標。這個流程是為即將展開的學習活動提供認知脈絡，讓學生明晰具體的學習目標。

（1）原設計

“用計算機繪圖”是義務教學階段信息科技學科算法中常見的結構化編程語言，也是各地教材中的經典教學內容。在傳統的學習設計中，一般直接導入，展示需要達成的程序圖例，由此引入程序教學。在多節該主題課中，都呈現出相似的情況：學生對預計應該完成的作品有畏難情緒，無法喚起需要的學習動機，使得整個教學內容的推進顯得牽強。

（2）思考焦點

由于該部分的內容有一定的認知難度，學生學習動機不足，而且教師展示的成品或實例過于專業，學生把實例看作自己需要完成的任務，又由于缺少已有經驗的鋪墊和學習流程的分析，由此產生無法企及的主觀感受，因此算法學習目標難以達成。

（3）改進型設計

基于ISD Models模型的學習設計的第一階段需要預設學習目標，教師應對該算法的教學目標進行必要的精準化設計，將大目標細化為每一個具體指標，每一個具體指標與具體應用相連接，達到有目標而學、為目標而設的目的，保證學生能夠在知其然還知其所以然的狀態下，保持學習動機。教學建議如下。

任務目標：“小窗花大世界”。

任務課時：1課時。

主要活動：

教師從傳統的民間工藝“窗花”入手，帶領學生分析。

預設一：窗花是由什么基本圖形組成的？

（教師展示真實的窗花并帶領學生分析其中包含了哪些基本圖形，讓學生進行目標的預設）

預設二：這個基本圖形是怎么組成一個窗花圖案的？

（復習重復命令的有關知識）

預設三：基本圖形和窗花之間有什么區別？

（對比基本圖形與填色后的圖形）

小結預設：學生回顧四個預設任務的實現過程，梳理出程序思考的過程，繪制出共性的流程圖，并結合今天的主題進行算法的功能鏈接，從而加深意義學習的過程。

教學評析：通過三個問題的預設，學生得以梳理已有的技能經驗（算法工具）、生活經驗（實物形象），形成具體明晰的學習目標，確定了實現目標的主要環節（繪制基本圖形、填色、修改程序）。學習目標被細化為已有經驗目標、即將達成的目標、以后可能會實現的目標。學生清晰地認識到自己的學習目標，學習動機得以激發。

環節二：厘清素材豐富算法資源庫

基于ISD Models模型的學習設計的第二階段為內容設計與教學過程開發，著力對現有的教學資源進行整理，將算法有關的內容進行篩選，進而豐富算法的設計庫，為教學提供支持。該設計過程，對應的是開發過程的算法適應性，兩者綜合在一起，讓學生對環節一的預設內容進行資源庫選擇。不同層次的學生可依據教材或者學習單來嘗試學習，在此基礎上，教師引導學生進行相應的作品開發，即進一步完成算法的新授任務。

（1）原設計

“順序結構語句”是算法學習的常規課，本課的知識點主要包括認識順序結構控件、設置執行條件、安排動作先后順序等內容。該課的內容較多，教學過程有一定的難度，是常規教學中認知難度較大的一課。常規教學流程一般為：教師講解順序模塊的內容→為對象角色設置循環命令的要求→安排動作指向→調試設置消息→演示接受消息、角色相應動作的過程→學生練習→教師指導。

（2）思考焦點

順序結構是算法中的基本編程內容，但是對義務教育階段的學生來說仍有一定的認知難度。在傳統的設計方式中，教師采用線性的編程方式組織教學，雖然教學流程沒有邏輯錯誤，但在實際授課中，學生的達成率不高，學生只會模仿教師提供的程序，不能進行自我編程。通過教學反思可以發現，傳統的教學過程缺少對學生算法資料的供給，導致學生機械模仿教師提供的程序，缺乏創作過程。

（3）改進型設計

在基于ISD Models模型的學習設計中，教師依據實際需要，根據不同目標推送相應的學習材料，幫助學生突破認知難點。在據此展開的學習設計過程中，教師可先讓學生分析實例，觀察變化的由來，歸納順序結構的概念。建議教學過程如下。

任務目標：勞動節真人秀。

任務課時：1課時。

主要活動：

①秀場我做主：第一次推送熱身游戲。

教師渲染算法情境：2023年勞動節將至，師生彩排“真人秀”節目。

教師提問：在剛才的候選場地中，同學們選中了哪些場地？（引出舞臺背景的選擇）

師生交流得出：舞臺是活動的資料之一，學生是動作的執行者。

②演員我邀請：第二次推送真人秀表演的學件。

學生打開學件，觀察角色區的控件。

師：誰是發送角色者？誰是接收消息者？

學生探究控件的秘密。

師：實現此效果的控件在哪里？拖放到哪個角色中？如何新建消息？

學生上臺演示，邊說邊操作。

全體學生嘗試搭建共同表演的腳本。

教師出示任務：編排表演順序——出場順序、才藝內容。

學生操作，搭建腳本。

③規則我公布：第三次推送循環學件。

師：和現實的舞臺表演相比，我們的節目還有什么需要改善的呢？

生：我有才藝家中秀、我有絕技場地秀……

教師演示學生編寫的生活中的畫面，并讓學生思考控件的意義。

學生嘗試編寫切入生活視頻。

④游戲我編寫：第四次推送算法相關內容。

學生自學教材中的相關章節，嘗試完成編程任務。

教師提供多種范例及教材脈絡圖，鼓勵學生自我創作。

教學評析：此處的學習設計，幫助學生對已有素材體系進行分析，從生活場景自然過渡到新授認知的內容，促使學生對自己的算法過程是因何而設、如何而設的形成明確的概念。在此基礎上，學生可以進行算法資源庫的自我架構和選擇，按照自己的主觀意愿設計出自己希望的作品。通過這樣的設計，學生能夠卓有成效地進行自我作品的開發，此過程，不著痕跡地突破了教學難點。

環節三：設計項目顯性算法特征

基于ISD Models模型的學習設計的第三階段為實施或執行環節。該環節關注的是學生在拓展練習中如何實施學習行為、創設個性化的作品、歸納整體性的思維環節，進而對自己的學習活動和呈現作品進行評價，促發反思過程。此環節注重學生的主動學習過程，在自評、他評、師評的輔助下，實現算法內容的學習。

（1）原設計

人工智能課例“聰明燈”屬于信息科技中有關算法特征的內容，要求學生在課上通過聲控、光控等條件完成對燈泡的亮和滅的控制。在常見的課例中，教師會引導學生進行實驗分析，然后按照實驗計劃完成項目。教學過程中的常見問題是，學生在完成一輪實驗后，無法準確進行知識歸納，不明白做完的實驗的目標是什么，不能準確說出實驗流程。

（2）思考焦點

傳統的學習行為關注硬件技術操作過程，強調學生技能達標情況，缺少有關開始、發展、結束的完整階段的過程性引導。在信息科技教學中，常規的基礎類教學常采用這樣的教學行為組織學習活動，沒有揭示算法的邏輯過程，機械的模仿居多，學生無法進行知識遷移，因此造成學習過程枯燥、課堂氣氛沉悶、學生作品乏善可陳的局面。

（3）改進型設計

在基于ISD Models模型的學習設計中，有關算法顯性特征的內容成為關注的焦點。因此，學習設計要針對內容進行合理設置，將算法的顯性特征放大，幫助學生提取特征，從而形成有效的知識鏈接。教學建議如下。

任務目標：理解算法在控制類活動中的作用。

任務課時：1課時。

主要活動：

算法導學：通過學習材料中有關算法部分的內容，讓學生理解算法是如何在實踐過程中實施的，幫助學生建立從算法到實物之間的關聯。

作品導向：結合“聰明燈”的結構特點，分析聲控燈的動作過程→思考：可以使用哪些元素來控制燈的亮滅？

元素主導：在剛才的過程中，引起變化的元素是“聲音”，產生變化的是“聰明燈”，因此，如果要控制燈的開關，要將“聲音”作為觸發對象，將“聰明燈”作為接受對象。（明確實驗的兩個研究對象）

過程引導：根據導學分析，能夠發現以下的思路。①參數測試：測量常態下的聲音數值，并記錄在學習單上。②假設測試：設置雙分支結構：常態下（尚未開啟“聰明燈”狀態）→聲音傳感器檢測聲音值低于常態值→測試達到閾值→“聰明燈”滅；非常態下（有人打開“聰明燈”所在的家具時的狀態）→傳感器檢測到聲音值高于常態值→測試未達到閾值→“聰明燈”亮。③拓展測試：如果常態聲音值變化，如何修改以上的程序？④實驗導出：根據以上測試數據，研究路線圖，進行實驗，并記錄下相應的數值。

結論導出：智能櫥柜燈如何能做到“變聰明”的？它的智能通過哪些載體來實現？

教學評析：在以上學習過程中，學生是“聰明燈”實現算法過程的主體，通過“聰明燈”的設置將算法的邏輯過程顯性設置。學生可以清晰地了解算法語句的具體的物化的環境。教師在教學過程中安排不同的實踐環節，逐一驗證假設算法的過程，每一次實驗，都是一次從認知理論到實踐驗證的過程，完成了深層學習和意義建構，因此教學效果甚為理想。

關注點

ISD Models模型是經典的教學設計、學習設計模型，該模型在多個學科中進行了適應性的驗證。在信息科技學科中，學習需求、設計和開發如算法一般的學習項目，需要實施和評估學習的系統化流程。在確保學生獲得所需的整體認知內容，可以滿足自身發展需求的前提下，在運用該模型進行設計的過程中，要關注以下幾個問題：

其一是模型的綜合性考量。ISD Models模型最大的特點是系統性和針對性，在學習設計中需要將以上三個環節綜合起來考慮，三個環節環環相扣，融為一體。尤其是在不同的大單元主題當中，需要進行更為綜合的思考。結合算法等內容的特征，通過更寬泛的視角來設計合理的學習過程。

其二是算法學習主題的針對性設置。算法學習是一個較為明顯的大概念，具有自己鮮明的特征。為避免學習主題的片面，需要針對學生的需求來設計和開發主題項目。同時，主題的選擇需要能夠涵蓋教學目標的全部內容，避免目標的缺失。

其三是設計過程的實時性迭代。基于ISD Models模型的學習設計環節較多，操作不到位容易導致學習過程的無效，因此需要教師全程跟進學習過程，及時對各個環節進行有效的評估，指導學習過程。學習設計的任務要與時俱進，實時調整，滿足不同層次學生的需求。