基于計(jì)算思維培養(yǎng)的“互聯(lián)網(wǎng)信息處理”單元教學(xué)設(shè)計(jì)探索

摘要：本文以義務(wù)教育階段信息科技課程“互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與創(chuàng)新”模塊中的“互聯(lián)網(wǎng)信息處理”單元為基礎(chǔ)，基于計(jì)算思維培養(yǎng)與跨學(xué)科綜合思維能力培養(yǎng)，選用“探秘黃金分割”項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展跨學(xué)科研究，從不同角度抽象并界定問(wèn)題、對(duì)問(wèn)題進(jìn)行量化、建立模型、得出結(jié)論或完成計(jì)算，進(jìn)而提升學(xué)生的信息意識(shí)、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力，幫助學(xué)生發(fā)展計(jì)算思維，提升綜合思維水平。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；互聯(lián)網(wǎng)信息處理；單元教學(xué)設(shè)計(jì)；跨學(xué)科學(xué)習(xí)

中圖分類(lèi)號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2024）20-0000-03

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“課標(biāo)”》）指出，信息科技課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)，主要包括信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任。其中，“計(jì)算思維”是信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重點(diǎn)，亦是難點(diǎn)。同時(shí)，《義務(wù)教育課程方案（2022年版）》提出，各門(mén)課程原則上要用不少于10%的課時(shí)設(shè)計(jì)跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)。

“互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與創(chuàng)新”是第四學(xué)段的起始模塊，該模塊的內(nèi)容要求“學(xué)生能夠根據(jù)學(xué)習(xí)和交流的需要，使用互聯(lián)網(wǎng)搜索、遴選、管理并貢獻(xiàn)有價(jià)值的數(shù)據(jù)和資源，能夠創(chuàng)建具有特色的作品”。該內(nèi)容可加深學(xué)生對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生形成利用互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和計(jì)算思維方法解決學(xué)習(xí)和生活中各種問(wèn)題的能力，對(duì)學(xué)生信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)的提升具有重要作用。

那么，如何在互聯(lián)網(wǎng)信息處理中發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維？能不能將計(jì)算思維的培養(yǎng)與跨學(xué)科學(xué)習(xí)結(jié)合起來(lái)？項(xiàng)目如何選擇？活動(dòng)如何設(shè)計(jì)？這些都是值得教師思考的問(wèn)題。

用——計(jì)算思維發(fā)展之源

計(jì)算思維要想獲得發(fā)展，必須將其運(yùn)用到“解決問(wèn)題過(guò)程中”，也就是要“用”起來(lái)，要?jiǎng)?chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，讓學(xué)生在情境中經(jīng)歷解決問(wèn)題的過(guò)程，對(duì)面臨的問(wèn)題進(jìn)行抽象、分解、建模，然后設(shè)計(jì)算法，形成問(wèn)題解決方案，不斷反思、優(yōu)化該方案，并將其遷移運(yùn)用于其他問(wèn)題的解決。

融——跨學(xué)科學(xué)習(xí)落實(shí)之本

信息科技課程具有基礎(chǔ)性、實(shí)踐性和綜合性特點(diǎn)，具有“跨學(xué)科”屬性。因此在教學(xué)中，教師要將跨學(xué)科學(xué)習(xí)與信息科技課程融合起來(lái)，采用在線(xiàn)學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)方式，解決跨學(xué)科學(xué)習(xí)問(wèn)題，邊學(xué)邊用。這樣既能提升課時(shí)的利用率，也能增強(qiáng)學(xué)習(xí)的有效性。

擇——互聯(lián)網(wǎng)信息處理入課之徑

在“互聯(lián)網(wǎng)信息處理”中融入跨學(xué)科學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維，項(xiàng)目選擇是關(guān)鍵。教師要著眼于學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，為學(xué)生提供有知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)且有一定難度的內(nèi)容，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，發(fā)揮其潛能，使其能在項(xiàng)目活動(dòng)中超越最近發(fā)展區(qū)而達(dá)到下一發(fā)展階段。

教——案例：“探秘黃金分割”項(xiàng)目

1.課標(biāo)分析

本單元的核心關(guān)注點(diǎn)是互聯(lián)網(wǎng)信息的處理，主要涉及的學(xué)科核心素養(yǎng)是數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、計(jì)算思維。在完成本單元的學(xué)習(xí)后，學(xué)生可以將學(xué)習(xí)到的互聯(lián)網(wǎng)信息獲取與互聯(lián)網(wǎng)作品創(chuàng)建的相關(guān)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際學(xué)習(xí)研究中，深刻領(lǐng)會(huì)互聯(lián)網(wǎng)在學(xué)習(xí)、生活中的作用，逐步形成解決在線(xiàn)學(xué)習(xí)問(wèn)題的基本模型，為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.教學(xué)目標(biāo)

①經(jīng)歷對(duì)“探秘黃金分割”項(xiàng)目的探究與學(xué)習(xí)，體驗(yàn)線(xiàn)上交流小組的組建與管理，掌握互聯(lián)網(wǎng)資源獲取、遴選、分類(lèi)保存的方法，學(xué)會(huì)協(xié)同編輯在線(xiàn)文檔，提升數(shù)字化學(xué)習(xí)能力；

②對(duì)“探秘黃金分割”項(xiàng)目開(kāi)展跨學(xué)科、有重點(diǎn)的探究，嘗試抽象并界定問(wèn)題、對(duì)問(wèn)題進(jìn)行量化，進(jìn)而建立模型、得出結(jié)論或完成計(jì)算，逐步學(xué)習(xí)用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的思想方法解決實(shí)際問(wèn)題，發(fā)展計(jì)算思維；

③綜合運(yùn)用信息科技、數(shù)學(xué)、語(yǔ)文、美術(shù)等多學(xué)科知識(shí)創(chuàng)建具有特色的作品并進(jìn)行展示，提升綜合思維能力。

3.策略分析

“探秘黃金分割”項(xiàng)目涉及數(shù)學(xué)、生物、美術(shù)、音樂(lè)、日常生活等多個(gè)領(lǐng)域，具有典型的跨學(xué)科性質(zhì)。本單元教學(xué)將互聯(lián)網(wǎng)信息處理中的信息搜索、信息管理、團(tuán)隊(duì)組建、在線(xiàn)交流、協(xié)同寫(xiě)作、作品呈現(xiàn)等，整合到學(xué)生“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題→組建研究團(tuán)隊(duì)→確定研究主題→開(kāi)展研究活動(dòng)→表達(dá)研究成果→進(jìn)行研究總結(jié)”的全過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展研究，探索黃金分割的秘密，獲得對(duì)黃金分割更全面、更深刻的認(rèn)識(shí)，提升學(xué)生的信息意識(shí)、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。同時(shí)，在探究黃金分割的過(guò)程中，嘗試從不同角度抽象并界定問(wèn)題、對(duì)問(wèn)題進(jìn)行量化，進(jìn)而建立模型、得出結(jié)論或完成計(jì)算，逐步掌握探究數(shù)理類(lèi)問(wèn)題的一般步驟，幫助學(xué)生發(fā)展計(jì)算思維。

4.課時(shí)教學(xué)過(guò)程安排

盡管黃金分割涉及諸多領(lǐng)域，但這是一個(gè)與數(shù)字和計(jì)算相關(guān)的問(wèn)題，可以用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法來(lái)進(jìn)行研究。課程環(huán)節(jié)及安排如下表所示。

評(píng)——學(xué)科核心素養(yǎng)落實(shí)的關(guān)鍵

本項(xiàng)目關(guān)注學(xué)科核心素養(yǎng)在項(xiàng)目活動(dòng)中的落實(shí)，采用自評(píng)+互評(píng)、結(jié)果+過(guò)程、量表+觀(guān)察的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。在項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)程中，用項(xiàng)目活動(dòng)記錄表約束進(jìn)程，在整體項(xiàng)目完成后，用評(píng)價(jià)量規(guī)從整體上考察學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)情況，具體評(píng)價(jià)內(nèi)容為：①能針對(duì)一定目標(biāo)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，多渠道獲取所需信息，掌握互聯(lián)網(wǎng)信息搜索的基本方法（A，T，I）。②能科學(xué)組建并管理在線(xiàn)團(tuán)隊(duì)，合理利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)開(kāi)展在線(xiàn)交流與協(xié)同寫(xiě)作（I，R）。③能依據(jù)一定的目標(biāo)，對(duì)獲取的信息進(jìn)行鑒別，遴選出有價(jià)值的信息（A，I）。④能夠結(jié)合實(shí)例，對(duì)信息進(jìn)行分類(lèi)整理與管理（T，I）。⑤能從不同角度抽象并界定問(wèn)題、對(duì)問(wèn)題進(jìn)行量化，進(jìn)而建立模型、得出結(jié)論或完成計(jì)算，掌握探究數(shù)理類(lèi)問(wèn)題的一般步驟（T）。⑥能用恰當(dāng)?shù)男问奖磉_(dá)研究成果并發(fā)表在互聯(lián)網(wǎng)中，為互聯(lián)網(wǎng)貢獻(xiàn)有價(jià)值的信息（R）。（說(shuō)明：A-信息意識(shí)，T-計(jì)算思維，I-數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，R-信息社會(huì)責(zé)任）

析——基于計(jì)算思維培養(yǎng)的探究學(xué)習(xí)步驟細(xì)化

在基于計(jì)算思維培養(yǎng)的互聯(lián)網(wǎng)信息處理單元教學(xué)中，最重要也是最難的是如何引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的思想方法解決面對(duì)的問(wèn)題。下面，筆者以生物小組為例，解釋學(xué)生探究時(shí)的具體步驟。

第一步：抽象并界定問(wèn)題

生物小組遇到的問(wèn)題可以抽象為：利用一定的手段，獲取目標(biāo)生物體的特定生長(zhǎng)特征數(shù)據(jù)，分析不同類(lèi)別數(shù)據(jù)間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)并歸納其中的規(guī)律。生物小組的學(xué)生可將問(wèn)題界定為：如何獲取目標(biāo)生物體的特定生長(zhǎng)特征數(shù)據(jù)；如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律；如何科學(xué)、規(guī)范地呈現(xiàn)研究結(jié)果。

第二步：量化

量化是將信息用數(shù)值或符號(hào)來(lái)表示，轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以處理的方式。生物小組的學(xué)生可分成兩個(gè)小隊(duì)，對(duì)動(dòng)植物的生長(zhǎng)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理。一隊(duì)負(fù)責(zé)實(shí)地測(cè)量，另一隊(duì)借助互聯(lián)網(wǎng)查找資料，兩隊(duì)通過(guò)在線(xiàn)文檔實(shí)時(shí)編輯、匯總數(shù)據(jù)，并與互聯(lián)網(wǎng)中的其他生物小組共享資料，形成多張數(shù)據(jù)表。

第三步：建立模型

建立模型是在量化的基礎(chǔ)上，構(gòu)建各變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立“可計(jì)算”的數(shù)學(xué)公式或用數(shù)學(xué)語(yǔ)言進(jìn)行描述。生物小組的學(xué)生對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)可以從以下幾方面建立數(shù)據(jù)模型：①可通過(guò)計(jì)算楓葉寬度（B）/楓葉葉脈長(zhǎng)度（A）來(lái)尋找楓葉葉脈長(zhǎng)度與寬度之間的關(guān)系；②在將圖1中的數(shù)據(jù)剔除重復(fù)數(shù)字后，可得到一組數(shù)據(jù)：3，5，8，13，21，34，55，89；將圖2中的數(shù)字列舉出來(lái)，可以得到一組數(shù)據(jù)：1，2，3，5，8，13。兩組數(shù)據(jù)有部分重合。去重后整理可得到一組新的數(shù)據(jù)：1，2，3，5，8，13，21，34，55，89（形成的新數(shù)列）。

觀(guān)察新數(shù)列（斐波那契數(shù)列），可發(fā)現(xiàn)兩個(gè)特征：①自第三項(xiàng)開(kāi)始，后面的每個(gè)數(shù)字都是該數(shù)字之前的兩個(gè)數(shù)字之和；②可計(jì)算該數(shù)列中相鄰兩個(gè)數(shù)字的比值，尋找其與黃金分割之間的關(guān)系。

第四步：得出結(jié)論或完成計(jì)算

生物小組可利用在線(xiàn)文檔中電子表格的計(jì)算功能，按照在第三步探索出的數(shù)據(jù)模型，計(jì)算出楓葉葉寬與葉脈長(zhǎng)度的比值、新數(shù)列中相鄰兩個(gè)數(shù)字的比值。通過(guò)數(shù)據(jù)，學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)楓葉葉寬與葉脈的比值在0.618附近波動(dòng)，其平均值接近黃金分割比；在新數(shù)列中，隨著項(xiàng)數(shù)的增加，相鄰兩個(gè)數(shù)字的比值逐漸接近黃金分割比。由此，生物小組得出如下結(jié)論：許多生物中都隱藏著黃金分割的秘密，但生物的生長(zhǎng)在共性中有其個(gè)性，并不是千篇一律的，也很難用公式準(zhǔn)確衡量。所以，生物的生長(zhǎng)模式總是一步步接近，但從未達(dá)到精確的黃金分割比例。

思——信息科技教學(xué)能力提升之道

計(jì)算思維為學(xué)生提供了一個(gè)跨領(lǐng)域的問(wèn)題解決框架，它不僅適用于計(jì)算機(jī)科學(xué)，還適用于包括自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)在內(nèi)的所有學(xué)科。這種思維模式有助于學(xué)生形成全局觀(guān)念，從而使其能夠更好地理解和解決復(fù)雜問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.