大概念視域下信息科技學科學習路徑規劃與實施

摘要：基礎教育兩個學段的課程方案明確了大概念、重要觀念在促進課程內容結構化方面的重要地位，大概念在教育教學中真實性、結構性和持久性的價值導向，為信息科技學科學習路徑規劃與實施提供了新的研究視角。作者通過具體案例，闡述在明確意義、整合結構、遷移應用、探索創新中樹立信念的學習路徑，以期達成課程全面育人的目標。

關鍵詞：大概念；學習路徑；信息技術

《普通高中課程方案（2017版2020年修訂）》及《義務教育課程方案（2022年版）》在優化課程內容結構的描述中指出：“重視以學科大概念為核心，使課程內容結構化，以主題為引領，使課程內容情境化，促進學科核心素養的落實。”“基于核心素養發展要求，遴選重要觀念、主要內容和基礎知識，設計課程內容，增加內容與育人目標的聯系，優化內容的組織形式。”兩個方案均體現出“結構化學科內容”和“促進核心素養培養目標”的重要作用。筆者通過查閱文獻，并基于國內外專家對“大概念”的內涵解讀，梳理基礎教育階段“大概念”的教育教學價值——體現在三個方面，即與真實問題解決的聯系、學科知識的結構化整合、學生能力的持久遷移。另外，“大概念”的根本意義在于培養并提升學生的綜合能力和創新思維。大概念的內涵與國家課程方案及學科課程標準的培養目標一致。因此筆者認為，大概念下信息科技（技術）學科的學習路徑應遵循以上價值方向展開。下面，筆者圍繞課例《人工智能 計算視覺》，闡述其兩次教學中學習路徑的規劃與實施過程。

建立知識聯系，明確意義

布魯納倡導的學科結構運動以連接知識之間的相互關聯并了解其意義來理解學科并掌握學科結構。信息科技學科呈現的知識相對概念化和事實化，在學習起始階段，教師可通過創設真實問題情境建立新舊知識的聯系，使學生理解所學知識的意義，以激發學生的學習動機。

在《人工智能 計算視覺》課例中，針對計算機如何識別圖像進行概念原理、技術分析、應用體驗、問題解決等學習內容分解，將學習目標指向學科四維核心素養。而如何將內容與真實生活建立聯系，是學習規劃的重要環節。

在初稿設計時正值新冠疫情線上教學期間，教師結合居家健身的熱門話題，通過演示“天天跳繩”APP玩偶運動不能計數、學生上下跳動可以計數，來說明“天天跳繩”APP中對運動的事物進行了識別，引出AI助力運動的話題，將日常生活應用與計算視覺的學習內容直接連接，建立具體的學習方向。

第二次教學實施時的學習對象為借班學生。首先，教師通過微視頻回顧學生在中考體育測試中AI評分的過程，使學生對學習內容的價值有了初步認識；其次，師生合作體驗“天天跳繩”APP的計數過程，學生建立原認知經驗與新知識的聯系；最后，教師通過小視頻從專家視角說明AI助力運動就是利用計算機視覺技術解決健身指導和身體檢測等問題。學生通過聚焦學習內容，明確了學習的意義。

在第一次教學中，盡管學生通過親身體驗了解了APP中包含了計算視覺的學習內容，但對學習的價值理解相對表面化。對比兩次教學的學習效果可以發現，學習內容與學習活動的聯系越緊密，學習過程越有效。

構建知識橋梁，整合結構

計算視覺的概念原理和技術體驗是課例的核心學習內容。大部分學生對計算視覺只有感性的應用經驗，而其結構化認知的形成需要教師給予科學的指導和教授，即對分解體驗和零散知識點進行合理集成。

在第一次學習規劃中，教師以靜態人臉識別的體驗活動，幫助學生在半成品Python程序的完善過程中，了解基于OpenCV的人臉識別基本過程，即調用OpenCV庫中的人臉檢測模型，比對被檢測的簡單圖片中的人臉與模型庫中的數據，將圖像中被識別出來的人臉標注出來。接著，教師提供相對復雜的圖片素材，通過識別過程中出現錯誤或無法識別的問題，引導學生思考程序實現識別的原理與圖像中人臉的關鍵節點數有關。在后續的動態人臉識別活動中，學生發現其與靜態識別一樣存在識別出錯或識別率不高的問題，進而產生新的探究需求。在這個學習路徑下，學生形成了基于OpenCV的計算視覺基本識別過程和基本識別原理的知識鏈。

在第二次教學中，教師調整學習規劃，從在圖像中獲取其基本特征是計算機識別的重要基礎切入，講解計算機圖像呈現的基本原理及進行特征提取的關鍵概念——圖像邊緣。圖像中的邊緣信息可實現計算機對圖像的識別，因此教師設計Canny算法中的雙閾值、Sobel算法中的梯度兩個邊緣檢測的實驗，引導學生了解邊緣圖像的形成過程。實驗提供半成品程序、實驗探究單及學習幫助材料，學生在合作完成實驗探究后，初步了解兩種圖像邊緣算法的基本原理和實現過程，建立起對學習內容的整體認識和深層理解。

在兩次規劃中，教師均提供了支持材料，為有效學習搭建橋梁。改進后的學習規劃看似提高了學習難度，但在實施時發現學生對算法的理解還不夠深入，因此，教師設計了多種學習方式引導學生進行自我知識建構。從學生完成實驗單的情況和課堂反饋來看，學生對計算機如何識別圖像的知識整合更具結構性并趨向于專家經驗。

創設知識環境，遷移應用

在信息科技教學中對學生知識遷移能力的培養能更好地鞏固所學，幫助學生形成程序性和策略性知識。而應用環境的提供，可以引導學生將所學知識運用到實際情境中形成問題解決意識，有利于學生知識的內化。

課例第一次教學側重在應用體驗中了解計算視覺實現過程和原理。教師以“尋找最美抗疫者”為任務，讓學生應用知識解決實際問題。任務要求學生從多個戴口罩的醫務工作者的合照中，找出僅提供眼睛部分的圖片中的那位“最美抗疫者”。在半成品的體驗程序中，減少了對代碼的注釋說明，學生需要基于之前體驗活動中對代碼的理解，回顧計算視覺識別的基本過程，并運用已掌握的技能去實現計算視覺中的模擬匹配。同時，在完成任務過程中，學生對提高計算視覺識別率的問題進行深入思考，梳理出算法、算力和數據是人工智能技術的關鍵要素，并對人工智能與人類智能協同解決問題的思維有了新的認識。

第二次教學，側重于對計算視覺進行識別的基本問題。通過在兩個邊緣檢測算法的實驗中直觀的圖示變化，讓學生對雙閾值控制和橫、縱梯度調整對識別圖像的價值有了一定的了解。因此，教師引導學生通過支持材料，將兩種算法進行組合，驗證是否能增加邊緣圖像的信息，以增強識別效果。第二個實驗促進了學生將所掌握的技能應用到實踐中，同時也發展了學生綜合解決問題的能力。實驗所用代碼在閾值和梯度改變后可清晰呈現圖像邊緣的變化，學生能直接感受到知識的有用性。

開展知識探究，關注創新

大概念下的學習對學生創新能力的培養具有顯著價值。在知識意義的生成、知識結構化整合及知識的遷移應用中，每位學生都以各自獨特的方式將學習的收獲融入到他們的知識系統中，并在不同情境下以不同的方式輸出，創造性地完善自己面對未來發展的能力。

課例兩輪教學從不同角度規劃學習路徑，目標均指向人工智能如何進行識別的問題。在第一次教學中，在完成靜態、動態識別體驗和模糊識別任務后，教師向學生提出“如何提高計算視覺”的開放性探究話題，以激發學生的創新思維。

在第二次教學實踐中，在結束了三個邊緣檢測實驗后，教師用微視頻呈現專業短跑運動員蘇炳添在AI助力下，突破自身的運動極限，成為奧運會男子百米賽跑中跑進10秒的亞洲運動員，巧妙地將研究主題轉回AI與運動的話題。學生通過對智能體育系統的探究學習，對計算視覺的識別對象特征和應用方向有了新的思考。探究活動在拓展橫向認知的同時，促進學生進行創新，并基于個性化的方向選擇，進行新的學習和發現。

滲透德育思想，樹立信念

基礎教育課程承載著為國家培養社會主義建設者和接班人的重要任務，在教學中，教師基于大概念導向的教學價值，從意義、知識、應用、創新四個方面來規劃學習路徑。而德育滲透對落實立德樹人根本任務、體現學科育人功能是十分關鍵且不可或缺的重要內容。

在這兩次教學中，教師適時融入思政元素，使其與課程內容有機融合。不論是以尋找新冠疫情中的醫務工作者為任務，還是以中國運動員挑戰自身運動極限為拓展，均能從情感角度調動學習；在對3D結構光、智能體育系統探究的過程中，了解國家在科技創新領域的現狀與未來前景，可以增強使命感；通過人臉盜用、AI詐騙等案例，思考技術應用的兩面性問題，形成責任感；在三個識別體驗與三個邊緣檢測實驗中，經歷科學探究的過程，培養學科素養……因而，將適切的德育內容融入學習，引導學生做人、做事的觀念和行為，有助于學生樹立正確的理想信念，達成課程全面育人的目標。

大概念下的學習路徑（如圖）可以幫助學生逐步深入理解核心概念或基本原理，形成系統化的知識結構，提高解決問題的能力和創新能力，促使學習跨越課堂，連接真實世界。

結束語

基礎教育課程改革強調大概念的重要性，在現有的研究中不乏對學習的影響和意義的研究，但因選擇的側重點不同會產生不同的研究方向。大概念的教學價值為信息科技學科學習路徑規劃與實施提供了有意義的研究視角，在學科教學實施中也體現了該方向的可行性和有效性。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]中華人民共和國教育部.義務教育課程方案（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[3]劉徽.大概念教學：素養導向的單元整體設計[M].北京：教育科學出版社，2022.

本文系福建省教育科學“十四五”規劃2022年度課題“大概念視域下中小學信息技術（科技）項目學習資源開發與" " 應用研究”（FJJKZX22-328）研究成果。