大概念統領下的項目式教學實踐與思考

湯蓉

【摘 要】圍繞大概念開展項目式學習，并不是按照傳統的知識點在知識體系中的順序展開，也不是掌握了相關知識點和技能后，再去解決問題，而是以綜合問題的解決過程為線索，驅動重要知識的生成，將靜態的概念內涵轉化為動態的學習環節，讓學生經歷項目的學習過程、體悟過程、實踐過程和價值判斷的過程，促進概念理解的進階，形成知識結構。對于教學設計來說，概念的邏輯內涵是暗線，活動環節的設計銜接是明線。

【關鍵詞】學科大概念；學習進階；項目式學習

【中圖分類號】G434? ?【文獻標志碼】A

【論文編號】1671-7384（2024）06-055-04

2017年高中新課程標準明確了信息技術學科的四個大概念：數據、算法、信息系統和信息社會。四個學科大概念之間的內在關聯為：數據是描述事物的符號記錄，它也是計算工具識別、儲存、加工的對象；算法是用來處理數據的一系列步驟；信息系統是一個人機交互系統，交互的正是基于算法的數據；信息社會是以信息活動為基礎的新型社會形態，由各種信息系統交叉作用形成[1]。基于這樣的關聯，課程內容呈現出結構化的框架。

相對于前兩個大概念，“信息系統”大概念的抽象和復雜程度較高。高中階段對信息系統大概念的理解，更強調信息系統的層次性和結構性，核心概念是從系統的開發要素、運行流程和發展趨勢等出發，包含了信息系統的組成與功能、信息系統的集成、信息系統的設計與開發、信息系統的安全等。大量數據的處理是信息系統的關鍵流程之一，涉及多個環節和技術，要確保數據處理的安全性和穩定性，需要采用自主可控的技術和工具，建立自主可控的思想。同時，通過抽象建模的方法，可以對數據處理流程進行簡化和優化，提高數據處理效率和準確性。

信息系統大概念的分解與落實

要組織大概念統領下的項目式教學，我們首先要以大概念為主線，深入解讀、分析和重組教材等教學資源。大概念的本質是一種觀念，是由事實、經驗逐步向上提煉出的概念體系[2]。當我們自上而下分解大概念時，可以從概念的產生與來源（如數據的來源、信息的產生）、概念的本質與規律（如編碼的本質為了秩序，算法的本質為了效率）、概念的方法與思想（如字符編碼和聲音編碼的方法異同）、概念的關系與結構（如數據的邏輯結構與存儲結構之間的關系）和概念的作用與價值（如算法怎樣提高信息系統的運行效率和安全系數）五個方面，去深度解讀大概念。

以“信息系統”大概念為例，我們要從信息系統的關鍵要素組成、工作過程、發展趨勢等方面出發，先厘清下一層核心概念，再對核心概念內涵進行分解，結合單元模塊內容，梳理出下一層具體概念，最后探尋具體概念所指向的真實問題，從而創設適合的項目式情境。比如“信息系統”（大概念）的教學，要先理解“信息系統的組成”（核心概念），再到理解“人、硬件和軟件、數據和通信方式”（四個具體概念），最后鏈接到“真實問題”。

1.人作為主導要素

在各個信息系統的功能設計、組織開發和后期維護中，人都是主導因素，要根據使用者和開發者的需求來完成。比如“掃碼點餐系統”的功能設計，學生分角色體驗應用場景，從顧客、收銀員、服務員、經營商家等多個角度規劃系統功能，再考慮餐桌、菜單、人員架構等因素，對系統功能進行具體設計，最后分析其局限性，從老人使用掃碼功能是否方便、掃碼中個人信息的安全性等角度思考，思考需要補充完善哪些功能。通過這個實踐過程，學生體驗信息系統功能設計的迭代優化，更深刻理解信息系統的設計始終圍繞人的需求，充分體現以人為主導的理念。

2.數據是信息系統的核心內容

信息系統以處理信息為目的，主要功能在于收集、處理、存儲、分析和傳遞數據，從而實現對信息的高效管理和利用。隨著物聯網、云計算、人工智能技術的廣泛應用，數據處理和存儲的能力顯著提升，數據的來源日益多樣化，信息系統中數據的特征、量級和類型等概念內涵都在發生變化。比如“公交車智能調度系統”，有精準顯示公交車到站時間和顯示公交車到站距離兩種功能。學生探討這兩種功能需要搜集和處理的數據有什么不同，嘗試建立數據表，分析設計E-R圖，確定所需要的字段，在探究數據庫的建立步驟中，加深對信息系統中數據概念的理解深度。

3.硬件與軟件是信息系統實現的基礎

信息系統的運行需要物理平臺，包括計算機、網絡設備、通訊設備等，硬件是信息系統的物理基礎，硬件和軟件是信息系統的組成要素。這在概念邏輯上容易理解，難點在于選擇適合高中生的硬件項目，在動手實踐中理解概念內涵。

在教學實際中，目前由于各校的硬件條件、課時限制，加上大部分學生對開源硬件并不熟悉，這部分教學組織難度較大，教師需要做大量前期準備，對需要引導的問題進行預判。在相應學情下，小型信息系統的硬件搭建有兩種學習方式可以采用：一是可以構建硬軟件一體（開源硬件+算法編程）的實驗系統，讓學生動手設計、模擬組裝，真實體驗小型信息系統的自動化控制；二是對于硬件配置有困難的學校，可采用Linkboy、Wokwi等圖形化編程仿真平臺，支持程序仿真運行、實時查看運行效果；還有Cisco Packet Tracer、Boson NetSim 等網絡模擬器，提供交互式的實驗環境，支持故障排除和調試等，幫助學生深入理解抽象復雜的網絡概念和技術。

與其他學科不同，信息技術學科的實驗一般是針對數據和信息，結合跨學科主題項目式的探究，如“樓道感應燈系統”“自動澆花系統”“小型紅綠燈系統”等。在功能設計環節，“自動澆花系統”要根據植物的生長需求和土壤濕度來設計澆水頻率和澆水量，需要了解植物生長知識和土壤濕度的測量方法；“樓道感應燈”通過感應人體的移動來自動開關燈，需要理解光學原理和人體感應技術；“小型紅綠燈系統”則需要模擬真實的交通環境，實現紅綠燈的定時切換。在硬件搭建環節，Arduino主板、傳感器、繼電器等裝置的使用，需要結合物理知識來理解其工作機制。例如，傳感器的工作原理涉及到電路的基本知識和信號的轉換，繼電器的使用則需要理解電磁學的基本原理。在實驗過程中，通過假設、實驗、驗證等方法，不斷改進設計方案，提高算法效率，從而優化系統的性能。學生完整體驗一個小型信息系統的開發流程，在遇到問題、解決問題的個性化探究中，對“信息系統的工作流程”“自主可控”“抽象建模”等概念理解更加深入，有效地建構自己的知識網絡。

4.通信技術是信息系統運行的保障

網絡通信技術是信息系統與外部世界連接的重要橋梁，是實現資源共享和信息交換的重要基礎。對于這個概念的理解要求，對應新課標內容是“通過分析物聯網應用實例，知道信息系統與外部世界的連接方式，了解常見的傳感與控制機制”。

近幾年人工智能物聯網AIoT（人工智能AI+物聯網IoT）正在應用到生活方方面面。實現真正意義上的萬物互聯，不僅僅是設備和場景間的互聯互通，而是物—物、人—物、人—物—服務之間的連接和數據的互通，連接的物理設備多樣化，對應的通信連接方式也更加多樣。教師可以引導學生對生活中常見的應用場景進行分析，數據是如何傳輸的，采用了哪種無線通信技術等（表1和表2）。

通過分析數據在其中的處理流程，學生直觀理解網絡通信技術在其中的支撐作用。

大概念統領下的項目式教學設計策略

對于大概念統領下的項目式教學設計來說，概念的邏輯內涵是暗線，活動環節的設計銜接是明線，如圖1所示。

圖1? 大概念統領下的項目式教學設計路徑

1.明晰大概念，設計項目情境

教師進行教學設計，運用的是與學生探究過程相反的逆向思維，是在學生明晰了大概念內涵、厘清了概念體系的基礎上，再找出概念體系與真實世界的內在關聯，將抽象性高的概念融入到學生感興趣的生活問題中，提煉出典型的項目情境，引導學生深入探究。教師可以通過生活中觸手可及的智能系統，多角度創設問題情境（表3）。

從生活中提煉典型的項目情境，教師需要注意以下三點：一是情境問題要精準指向大概念的內涵本質，涵蓋大概念下的核心概念，核心概念為項目探究提供相關性的焦點。二是包含真實問題的項目情境，具備開放度和挑戰性，而不僅僅是對某個知識點、某個概念的簡單呈現和回答。學生必須運用高階思維，展開綜合性的學習與探究。三是問題情境沒有標準統一的答案，允許差異化，但評價必須有參考標準，參考標準的設計對應核心素養目標。

2.解構大概念，設計驅動問題鏈

卡爾·波普爾（Karl Popper）認為：“知識的增長永遠始于問題，終于問題——越來越深化的問題，越來越能啟發大量新問題的問題。”[3]驅動問題鏈的設計，是將概念理解融入探究活動的落腳點，能夠幫助學生逐步接近、理解大概念。可以說，解決驅動問題鏈的過程就是建構大概念的過程。

來自真實生活的項目情境，具有一定的現實繁復性，容易使大概念的學習變得模糊。在實際教學中，設計的系列活動往往沒有產生連續的、生成性的學習效果，究其原因，是缺乏結構化的驅動問題鏈作為錨點，沒有關注和引導學生的思維進程。那么，驅動問題鏈如何設計？

其基本思路如下：第一，分析核心概念與項目情境的內涵關聯，選取關鍵點；第二，根據學科課程標準的要求，梳理大概念理解的進階層級；第三，明晰學生所處的層級與學習目標，調整大概念的解構程度和驅動性問題的大小及形態。

同時注意問題設計的非良構程度，真正起作用的驅動問題會引發學生思維困惑，引出有趣的、可選擇的其他觀點。我們要聚焦于尋求問題答案的探究、推理過程，而不是簡單的“是與非”或“對與錯”的結果呈現；避免過度精細化的問題設計，而把學生的思維發展限制在同一維度，束縛個性化探究。

3.外顯大概念，組織項目活動

圍繞知識關鍵點的驅動問題，教師設計和組織相應的項目活動，讓學生主動探究，從而建構自己的知識結構[4]。探究過程的關鍵點，往往實踐難度較大、步驟較多，教師可以根據學生不同的認知基礎和課時情況，搭建學習支架，為學生提供必要的經驗、工具、知識等來輔助達到探究目標，有效保證項目實踐的完整度。

比如信息系統的開發環節，一般流程與步驟比較復雜，教師可采用的支架方法有：可提供算法框架或者半成品的代碼段，算法設計的幾個關鍵點留給學生思考；借助各類學習平臺，提供微視頻、學案等學習資源，讓學生根據需要自主選擇；建立小組，呈現各小組活動進度、任務完成情況統計等，并及時反饋。這些方法對于學生的探究活動，都會起到腳手架的支撐作用。

4.表征大概念，實施多元化評價

根據澳大利亞昆士蘭科技大學克里斯提那·查莫斯團隊的研究成果，基于大概念的STEM綜合課程單元設計中，評估系統包含收集、展示、呈現、論證四種評估工具[5]。我們在實踐中概括出大概念統領下的項目式教學評價的大致流程：收集學生在項目探究過程中的作品；給學生提供展示交流的機會；利用課堂行為觀察量表、小組完成進度統計表等工具對學習活動過程的理解程度進行外顯；用訪談、測評等方法確證學生對大概念的理解程度。在教學中，教師可以根據大概念的解構程度和實際學情，對評價流程進行調整。

最后對于概念理解程度的測評，教師可以按照“知道什么”“理解什么”“能做什么”與“想做什么”四個維度，設計概念理解程度的評價框架及細則，比如對函數概念的評價框架（表4）。

表4? 函數概念的評價量規表框架

評價維度 評價內容 自評 他評

知道什么 能否用自己的話對函數的作用進行解釋、表達

理解什么 能否根據所學知識進行推論、并解釋函數適用的情況

能做什么 能否舉一反三，自行設計新的函數

能否綜合幾方面的相關知識，用函數優化本項目中的復雜問題

想做什么 能否發現實際生活中的函數適用情況，并解決問題

結? 語

對大概念的理解是一個循序漸進、不斷拓展和提升的進階過程。圍繞大概念開展項目式學習，并不是按照傳統的知識點在知識體系中的順序展開，也不是掌握了相關知識點和技能后，再去解決問題，而是以綜合問題的解決過程為線索，驅動重要知識的生成，將靜態的概念內涵轉化為動態的學習環節，讓學生經歷項目的學習過程、體悟過程、實踐過程和價值判斷的過程，促進概念理解的進階，形成知識結構。

參考文獻

任友群，黃榮懷. 普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）解讀[M]. 北京：高等教育出版社，2020：35.

格蘭特·威金斯，杰伊·麥克泰格. 追求理解的教學設計[M]. 閆寒冰，宋雪蓮，賴平，譯. 2版. 上海：華東師范大學出版社，2017： 77.

波普爾. 猜想與反駁：科學知識的增長[M]. 傅季重，譯. 上海：上海譯文出版社，2001：318.

李剛，呂立杰. 大概念課程設計：指向學科核心素養落實的課程架構[J]. 教育發展研究，2018，38（15）： 35-42.

Chalmers C，Nason R.Systems Thinking Approach to Robotics Curriculum in Schools[M].In Khine M S.Robotics in STEM Education：Redesigning the Learning Experience.Cham，Switzerland：Springer，2017：33-57.