基于知識(shí)建構(gòu)的學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)教學(xué)實(shí)踐研究

齊幼娣 奚駿

【摘 要】針對(duì)課堂教學(xué)中如何處理知識(shí)學(xué)習(xí)和問題解決之間的關(guān)系，筆者提出基于知識(shí)建構(gòu)的學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)課堂教學(xué)模式，此模式的要點(diǎn)是將知識(shí)構(gòu)建與問題解決融為一體。本文用教學(xué)案例“數(shù)據(jù)整理”詳細(xì)介紹了此教學(xué)模式在課堂的實(shí)際應(yīng)用，并通過兩個(gè)不同的“數(shù)據(jù)整理”教學(xué)案例對(duì)比，分析了此課堂教學(xué)模式在促進(jìn)深度學(xué)習(xí)、核心素養(yǎng)培育和創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面的優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】知識(shí)構(gòu)建；問題解決；學(xué)科核心素養(yǎng)；教學(xué)案例；數(shù)據(jù)整理

【中圖分類號(hào)】G434? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2024）01-061-03

在目前的“雙新”實(shí)踐課堂中，教師往往處理不好知識(shí)學(xué)習(xí)與問題解決之間的關(guān)系。如有的教師非常重視知識(shí)的傳授，課堂以講授知識(shí)和應(yīng)試訓(xùn)練為主，認(rèn)為題目做出來了，考試通過了，學(xué)生素養(yǎng)也就培養(yǎng)好了；有的教師新形式舊思想，課堂雖然采用了項(xiàng)目式教學(xué)，但是也僅僅是用項(xiàng)目情境引入課題，接著教師開始講授知識(shí)，然后進(jìn)行練習(xí)評(píng)價(jià)，或者用剛學(xué)的知識(shí)解決這個(gè)項(xiàng)目問題，其實(shí)質(zhì)上還是比較傳統(tǒng)的教育方式，不利于學(xué)生信息素養(yǎng)的形成；有的教師過分重視項(xiàng)目問題解決，課堂采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，事先設(shè)計(jì)好解決項(xiàng)目問題的操作步驟，課堂上卻忽視了學(xué)生的思考和知識(shí)建構(gòu)的重要性，出現(xiàn)知識(shí)掌握不夠牢固、素養(yǎng)提升不夠、學(xué)生碰到類似的問題還是不會(huì)解決等現(xiàn)象。

2017版高中信息技術(shù)課標(biāo)的基本理念之一，就是培育以學(xué)習(xí)為中心的教與學(xué)關(guān)系，在問題解決過程中提升信息素養(yǎng)[1]，而正確處理好知識(shí)學(xué)習(xí)與問題解決之間的關(guān)系，是課堂落實(shí)信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的關(guān)鍵所在。本文認(rèn)為基于知識(shí)建構(gòu)的學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)是解決上述現(xiàn)象的行之有效的辦法。

基于知識(shí)建構(gòu)的教學(xué)模式

所謂基于知識(shí)建構(gòu)的學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)，是在解決項(xiàng)目問題時(shí)，學(xué)生需要自己建構(gòu)知識(shí)，然后再應(yīng)用知識(shí)解決問題。其要點(diǎn)是將知識(shí)建構(gòu)與問題解決融為一體，真正使學(xué)生在知識(shí)建構(gòu)和用知識(shí)解決問題的過程中提升學(xué)科核心素養(yǎng)。基于知識(shí)建構(gòu)的課堂教學(xué)采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，它的項(xiàng)目情境是根據(jù)需要學(xué)習(xí)的知識(shí)來創(chuàng)設(shè)，其中項(xiàng)目情境中的問題需要用新學(xué)習(xí)的知識(shí)解決。在課堂上學(xué)生為了解決這個(gè)情境問題，以小組合作探究的形式，在教師設(shè)計(jì)的問題鏈的引導(dǎo)下，界定和分解問題，抽象和建模，尋找解決問題的方案。尋找解決問題方案的過程，就是學(xué)生建構(gòu)新知的過程，即建構(gòu)知識(shí)的目標(biāo)是為了解決問題，利用剛建構(gòu)的新知去解決項(xiàng)目問題。所以教學(xué)設(shè)計(jì)的目標(biāo)不是把知識(shí)“填入”學(xué)生大腦，而是需要學(xué)生自己動(dòng)手、動(dòng)腦、動(dòng)心，需要學(xué)生自己設(shè)法在解決問題中建構(gòu)知識(shí)，是要在建構(gòu)知識(shí)和問題解決中提升學(xué)生的信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)。

基于知識(shí)建構(gòu)的教學(xué)案例

基于知識(shí)建構(gòu)的課堂教學(xué)，課前教師要根據(jù)知識(shí)設(shè)計(jì)項(xiàng)目情境和項(xiàng)目問題，再根據(jù)項(xiàng)目問題準(zhǔn)備數(shù)據(jù)文件供學(xué)生探究，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)單供學(xué)生記錄和評(píng)價(jià)，設(shè)計(jì)具體的問題鏈引導(dǎo)學(xué)生開展知識(shí)建構(gòu)；課中主要是學(xué)生開展知識(shí)建構(gòu)和解決項(xiàng)目問題。下面以華東師范大學(xué)出版社普通高中《信息技術(shù)必修1數(shù)據(jù)與計(jì)算》中“數(shù)據(jù)整理”一課為例進(jìn)行具體的講解。

1.課例在單元的位置

本單元的項(xiàng)目?jī)?nèi)容是：現(xiàn)在大街小巷有很多共享單車，有些地方的共享單車長時(shí)間無人使用，有些地方卻缺少共享單車，請(qǐng)幫助共享單車公司分析各站點(diǎn)使用情況，并為他們提供單車合理的投放計(jì)劃。本單元共3課時(shí)，分別是數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化。本課位于單元的第一課時(shí)。

2.教材學(xué)習(xí)內(nèi)容處理

本課例學(xué)習(xí)內(nèi)容位于高中《信息技術(shù)必修1數(shù)據(jù)與計(jì)算》，第三章“數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用”，第一節(jié)“數(shù)據(jù)采集、整理與安全”中的第二小節(jié)“數(shù)據(jù)整理”。本小節(jié)又分為：檢測(cè)與處理重復(fù)值、檢測(cè)與處理缺失值、檢測(cè)與處理異常值、數(shù)據(jù)讀取與存儲(chǔ)四個(gè)部分。由于“數(shù)據(jù)讀取與存取”已經(jīng)提前到第二章學(xué)習(xí)，本課重點(diǎn)學(xué)習(xí)“檢測(cè)與處理重復(fù)值”和“檢測(cè)與處理缺失值”，涉及兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)，即pandas庫中的drop_duplicates（）方法和dropna（）方法。“檢測(cè)與處理異常值”只是提一下異常值的處理辦法，有關(guān)“檢測(cè)異常值”的操作將放在“數(shù)據(jù)可視化”中學(xué)習(xí)。

3.學(xué)情分析

學(xué)生通過第一章“數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)”的學(xué)習(xí)，已經(jīng)對(duì)數(shù)據(jù)的價(jià)值有一定的理解，通過學(xué)習(xí)第二章“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”，學(xué)生已經(jīng)掌握了函數(shù)的作用和應(yīng)用，也能夠把csv數(shù)據(jù)文件讀入到Python中，把DataFrame中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到csv文件中。

同時(shí)，通過第一章、第二章的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)在心中埋下了想自己動(dòng)手處理數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值的意愿，所以學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性較高。

針對(duì)共享單車數(shù)據(jù)，學(xué)生知道數(shù)據(jù)的采集方式，知道數(shù)據(jù)的價(jià)值，但是針對(duì)數(shù)據(jù)整理中數(shù)據(jù)去重復(fù)問題的基本特征提取、抽象處理和形式化表達(dá)等方面需要提升，還不具備選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)字化工具處理數(shù)據(jù)的能力。

4.學(xué)習(xí)目標(biāo)

通過共享單車數(shù)據(jù)去重方案的設(shè)計(jì)，學(xué)生能找到需要解決的關(guān)鍵問題，能理解用函數(shù)的方法來表述，能用drop_duplicates（）方法編程解決問題，并能將解決方案遷移到其他類似問題（去缺失數(shù)據(jù)）的解決過程中（計(jì)算思維）。通過選擇Excel軟件嘗試解決數(shù)據(jù)去重問題，學(xué)生能理解pandas庫中的drop_duplicates（）方法中參數(shù)的意義，并能遷移到dropna（）方法的學(xué)習(xí)（數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）。通過共享單車數(shù)據(jù)整理，學(xué)生知道在整理過程中要保護(hù)有效的數(shù)據(jù)，能認(rèn)識(shí)到數(shù)據(jù)處理對(duì)提高信息價(jià)值的重要性（信息意識(shí)、信息社會(huì)責(zé)任）。

5．教學(xué)思路

教學(xué)思路如圖1所示。

6.教學(xué)過程

活動(dòng)一：?jiǎn)?dòng)項(xiàng)目

教師通過照片引入情境，向?qū)W生介紹項(xiàng)目，要求幫助共享單車公司分析各站點(diǎn)使用情況，并為他們提供共享單車合理的投放計(jì)劃。學(xué)生明白項(xiàng)目任務(wù)后，打開教師事先準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)文件，觀察數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有缺失和重復(fù)，引出本課的學(xué)習(xí)主題，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去重去缺的整理。本活動(dòng)是由問題引發(fā)知識(shí)建構(gòu)。

活動(dòng)二：設(shè)計(jì)方案

學(xué)生為解決去重復(fù)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)解決方案。在小組討論解決去重方案的過程中，學(xué)生自然想到用舊知Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)文件去重。教師鼓勵(lì)他們嘗試一遍，并通過問題鏈引導(dǎo)學(xué)生思考：人是如何判定數(shù)據(jù)的重復(fù)、如何操作去重、如何保存去重后的數(shù)據(jù)、如何用Python語言實(shí)現(xiàn)去重操作等，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和信息意識(shí)。教師要求學(xué)生把討論結(jié)果填入學(xué)習(xí)單，并進(jìn)行自我評(píng)價(jià)。本活動(dòng)主要是通過問題鏈引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自我的知識(shí)建構(gòu)。

活動(dòng)三：交流方案

全班學(xué)生交流去重方案。選1-2個(gè)小組交流去重方案，教師引導(dǎo)學(xué)生聚焦去重的關(guān)鍵特征。在討論如何編程實(shí)現(xiàn)去重操作問題時(shí)，教師重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生用函數(shù)來實(shí)現(xiàn)去重，把關(guān)鍵特征與函數(shù)的參數(shù)對(duì)應(yīng)起來，最后給出已經(jīng)編好的函數(shù)pandas庫中的drop_duplicates（），驗(yàn)證學(xué)生的方案，一起討論參數(shù)的含義，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。本活動(dòng)是教師引導(dǎo)下的集體的知識(shí)建構(gòu)。

活動(dòng)四：實(shí)踐操作

學(xué)生利用drop_duplicates（）方法，實(shí)踐操作，解決共享單車數(shù)據(jù)去重復(fù)數(shù)據(jù)問題，填寫學(xué)習(xí)單，完成評(píng)價(jià)。學(xué)生在解決實(shí)際問題過程中，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)函數(shù)的價(jià)值，再次提升計(jì)算思維和數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。本活動(dòng)是用建構(gòu)的知識(shí)解決去重問題，在應(yīng)用中驗(yàn)證知識(shí)。

活動(dòng)五：新的問題

針對(duì)共享單車部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失問題，教師鼓勵(lì)學(xué)生利用去重復(fù)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)方式學(xué)習(xí)pandas庫中的dropna（）方法，實(shí)際操作解決共享單車數(shù)據(jù)去缺問題，填寫學(xué)習(xí)單，完成評(píng)價(jià)。學(xué)生在操作的基礎(chǔ)上交流展示解決共享單車去缺失數(shù)據(jù)的過程和方法，深化對(duì)dropna（）方法的理解，進(jìn)一步梳理解決去缺失數(shù)據(jù)問題的思路和方法，提升計(jì)算思維。本活動(dòng)是知識(shí)建構(gòu)和問題解決能力的遷移。

活動(dòng)六：反思和總結(jié)

學(xué)生反思整理數(shù)據(jù)的方法和意義，填寫學(xué)習(xí)單，完成反思。教師引導(dǎo)學(xué)生歸納整理數(shù)據(jù)的一般方法，并請(qǐng)學(xué)生課后思考：數(shù)據(jù)整理完畢后，針對(duì)本項(xiàng)目，后續(xù)應(yīng)該怎么做。

課例對(duì)比分析

其實(shí)本教學(xué)內(nèi)容是筆者第二次進(jìn)行課堂教學(xué)了。在第一輪教授“數(shù)據(jù)整理”這個(gè)章節(jié)的時(shí)候，筆者覺得這個(gè)章節(jié)比較簡(jiǎn)單，涉及的知識(shí)點(diǎn)基本上就是drop_duplicates（）方法和dropna（）方法。于是筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)共享單車數(shù)據(jù)整理的微項(xiàng)目，先跟學(xué)生一起討論數(shù)據(jù)整理的必要性，然后重點(diǎn)講解drop_duplicates（）方法中每個(gè)參數(shù)的意義，接著讓學(xué)生用drop_duplicates（）方法去重復(fù)數(shù)據(jù)的實(shí)踐。學(xué)習(xí)完drop_duplicates（）方法之后，進(jìn)行方法的遷移，讓學(xué)生學(xué)習(xí)dropna（）方法和用dropna（）方法進(jìn)行“去缺”實(shí)踐，最后是課堂小結(jié)。

比較這兩節(jié)課，本課例的實(shí)際教學(xué)效果比第一輪教學(xué)效果提高很多，主要是因?yàn)榛谥R(shí)建構(gòu)的本課例有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)。

一是在促進(jìn)深度學(xué)習(xí)方面。因教學(xué)方法的不同，第一輪教學(xué)設(shè)計(jì)是教師直接講解drop_duplicates（）方法的用法，然后學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐操作；而在本課例中，由學(xué)生自己從Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)去重操作中，抽象和歸納解決問題的方法，再用函數(shù)知識(shí)點(diǎn)建構(gòu)drop_duplicates（）方法。本課例通過問題解決的需要，把知識(shí)的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為學(xué)生為解決問題的自覺主動(dòng)活動(dòng)，教師引導(dǎo)學(xué)生像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣思考如何解決問題，幫助學(xué)生將學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)[2]，這樣使學(xué)習(xí)真正發(fā)生，教學(xué)效果自然比第一輪明顯提高。

二是在學(xué)科核心素養(yǎng)培育方面。這兩節(jié)課都是通過項(xiàng)目和解決問題培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，但是在本課例中強(qiáng)化了建構(gòu)知識(shí)的過程。知識(shí)建構(gòu)不是僅僅為了學(xué)習(xí)知識(shí)，更是為了解決問題，可以說知識(shí)建構(gòu)就是在解決問題，就是在培育學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，所以本課例在培育學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)方面更勝一籌。

三是在創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面。信息技術(shù)學(xué)科是一門很特殊的學(xué)科，信息技術(shù)學(xué)科的知識(shí)都是我們?nèi)祟悇?chuàng)造的，而且都是為了解決某一類問題而創(chuàng)造出來的，無論是硬件還是軟件，每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)背后都蘊(yùn)含著創(chuàng)新的力量。本課例，學(xué)生自己在用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)去重操作的過程中，抽象和歸納去重的方法，再從函數(shù)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)建構(gòu)drop_duplicates（）方法，就是在體驗(yàn)和領(lǐng)悟信息技術(shù)專家創(chuàng)造drop_duplicates（）方法的思路，實(shí)質(zhì)上是在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神。這種創(chuàng)新能力的培養(yǎng)在面臨ChatGPT等人工智能的當(dāng)今，顯得尤為重要。

雖然這種基于知識(shí)建構(gòu)的學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)課堂教學(xué)模式有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際的教學(xué)實(shí)施中也存在一定的困難，因?yàn)樗械男畔⒓夹g(shù)教科書基本上都只是呈現(xiàn)知識(shí)和應(yīng)用知識(shí)，少有講解知識(shí)的來歷、知識(shí)的形成過程等。這給教師的授課帶來了巨大的挑戰(zhàn)，建議教師根據(jù)學(xué)科思想方法引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)[3]。

參考文獻(xiàn)

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