大概念统领下的项目式教学实践与思考

【摘要】围绕大概念开展项目式学习，并不是按照传统的知识点在知识体系中的顺序展开，也不是掌握了相关知识点和技能后，再去解决问题，而是以综合问题的解决过程为线索，驱动重要知识的生成，将静态的概念内涵转化为动态的学习环节，让学生经历项目的学习过程、体悟过程、实践过程和价值判断的过程，促进概念理解的进阶，形成知识结构。对于教学设计来说，概念的逻辑内涵是暗线，活动环节的设计衔接是明线。【关键词】学科大概念；学习进阶；项目式学习2017年高中新课程标准明确了信息技术学科的四个大概念：数据、算法、信息系统和信息社会。四个学科大概念之间的内在关联为：数据是描述事物的符号记录，它也是计算工具识别、储存、加工的对象；算法是用来处理数据的一系列步骤；信息系统是一个人机交互系统，交互的正是基于算法的数据；信息社会是以信息活动为基础的新型社会形态，由各种信息系统交叉作用形成[1]。基于这样的关联，课程内容呈现出结构化的框架。相对于前两个大概念，“信息系统”大概念的抽象和复杂程度较高。高中阶段对信息系统大概念的理解，更强调信息系统的层次性和结构性，核心概念是从系统的开发要素、运行流程和发展趋势等出发，包含了信息系统的组成与功能、信息系统的集成、信息系统的设计与开发、信息系统的安全等。大量数据的处理是信息系统的关键流程之一，涉及多个环节和技术，要确保数据处理的安全性和稳定性，需要采用自主可控的技术和工具，建立自主可控的思想。同时，通过抽象建模的方法，可以对数据处理流程进行简化和优化，提高数据处理效率和准确性。信息系统大概念的分解与落实要组织大概念统领下的项目式教学，我们首先要以大概念为主线，深入解读、分析和重组教材等教学资源。大概念的本质是一种观念，是由事实、经验逐步向上提炼出的概念体系[2]。当我们自上而下分解大概念时，可以从概念的产生与来源（如数据的来源、信息的产生）、概念的本质与规律（如编码的本质为了秩序，算法的本质为了效率）、概念的方法与思想（如字符编码和声音编码的方法异同）、概念的关系与结构（如数据的逻辑结构与存储结构之间的关系）和概念的作用与价值（如算法怎样提高信息系统的运行效率和安全系数）五个方面，去深度解读大概念。以“信息系统”大概念为例，我们要从信息系统的关键要素组成、工作过程、发展趋势等方面出发，先厘清下一层核心概念，再对核心概念内涵进行分解，结合单元模块内容，梳理出下一层具体概念，最后探寻具体概念所指向的真实问题，从而创设适合的项目式情境。比如“信息系统”（大概念）的教学，要先理解“信息系统的组成”（核心概念），再到理解“人、硬件和软件、数据和通信方式”（四个具体概念），最后链接到“真实问题”。1.人作为主导要素在各个信息系统的功能设计、组织开发和后期维护中，人都是主导因素，要根据使用者和开发者的需求来完成。比如“扫码点餐系统”的功能设计，学生分角色体验应用场景，从顾客、收银员、服务员、经营商家等多个角度规划系统功能，再考虑餐桌、菜单、人员架构等因素，对系统功能进行具体设计，最后分析其局限性，从老人使用扫码功能是否方便、扫码中个人信息的安全性等角度思考，思考需要补充完善哪些功能。通过这个实践过程，学生体验信息系统功能设计的迭代优化，更深刻理解信息系统的设计始终围绕人的需求，充分体现以人为主导的理念。2.数据是信息系统的核心内容信息系统以处理信息为目的，主要功能在于收集、处理、存储、分析和传递数据，从而实现对信息的高效管理和利用。随着物联网、云计算、人工智能技术的广泛应用，数据处理和存储的能力显著提升，数据的来源日益多样化，信息系统中数据的特征、量级和类型等概念内涵都在发生变化。比如“公交车智能调度系统”，有精准显示公交车到站时间和显示公交车到站距离两种功能。学生探讨这两种功能需要搜集和处理的数据有什么不同，尝试建立数据表，分析设计E-R图，确定所需要的字段，在探究数据库的建立步骤中，加深对信息系统中数据概念的理解深度。3.硬件与软件是信息系统实现的基础信息系统的运行需要物理平台，包括计算机、网络设备、通讯设备等，硬件是信息系统的物理基础，硬件和软件是信息系统的组成要素。这在概念逻辑上容易理解，难点在于选择适合高中生的硬件项目，在动手实践中理解概念内涵。在教学实际中，目前由于各校的硬件条件、课时限制，加上大部分学生对开源硬件并不熟悉，这部分教学组织难度较大，教师需要做大量前期准备，对需要引导的问题进行预判。在相应学情下，小型信息系统的硬件搭建有两种学习方式可以采用：一是可以构建硬软件一体（开源硬件+算法编程）的实验系统，让学生动手设计、模拟组装，真实体验小型信息系统的自动化控制；二是对于硬件配置有困难的学校，可采用Linkboy、Wokwi等图形化编程仿真平台，支持程序仿真运行、实时查看运行效果；还有CiscoPacketTracer、BosonNetSim等网络模拟器，提供交互式的实验环境，支持故障排除和调试等，帮助学生深入理解抽象复杂的网络概念和技术。与其他学科不同，信息技术学科的实验一般是针对数据和信息，结合跨学科主题项目式的探究，如“楼道感应灯系统”“自动浇花系统”“小型红绿灯系统”等。在功能设计环节，“自动浇花系统”要根据植物的生长需求和土壤湿度来设计浇水频率和浇水量，需要了解植物生长知识和土壤湿度的测量方法；“楼道感应灯”通过感应人体的移动来自动开关灯，需要理解光学原理和人体感应技术；“小型红绿灯系统”则需要模拟真实的交通环境，实现红绿灯的定时切换。在硬件搭建环节，Arduino主板、传感器、继电器等装置的使用，需要结合物理知识来理解其工作机制。例如，传感器的工作原理涉及到电路的基本知识和信号的转换，继电器的使用则需要理解电磁学的基本原理。在实验过程中，通过假设、实验、验证等方法，不断改进设计方案，提高算法效率，从而优化系统的性能。学生完整体验一个小型信息系统的开发流程，在遇到问题、解决问题的个性化探究中，对“信息系统的工作流程”“自主可控”“抽象建模”等概念理解更加深入，有效地建构自己的知识网络。4.通信技术是信息系统运行的保障网络通信技术是信息系统与外部世界连接的重要桥梁，是实现资源共享和信息交换的重要基础。对于这个概念的理解要求，对应新课标内容是“通过分析物联网应用实例，知道信息系统与外部世界的连接方式，了解常见的传感与控制机制”。近几年人工智能物联网AIoT（人工智能AI+物联网IoT）正在应用到生活方方面面。实现真正意义上的万物互联，不仅仅是设备和场景间的互联互通，而是物—物、人—物、人—物—服务之间的连接和数据的互通，连接的物理设备多样化，对应的通信连接方式也更加多样。教师可以引导学生对生活中常见的应用场景进行分析，数据是如何传输的，采用了哪种无线通信技术等（表1和表2）。通过分析数据在其中的处理流程，学生直观理解网络通信技术在其中的支撑作用。大概念统领下的项目式教学设计策略对于大概念统领下的项目式教学设计来说，概念的逻辑内涵是暗线，活动环节的设计衔接是明线，如图1所示。图1

大概念统领下的项目式教学设计路径1.明晰大概念，设计项目情境教师进行教学设计，运用的是与学生探究过程相反的逆向思维，是在学生明晰了大概念内涵、厘清了概念体系的基础上，再找出概念体系与真实世界的内在关联，将抽象性高的概念融入到学生感兴趣的生活问题中，提炼出典型的项目情境，引导学生深入探究。教师可以通过生活中触手可及的智能系统，多角度创设问题情境（表3）。从生活中提炼典型的项目情境，教师需要注意以下三点：一是情境问题要精准指向大概念的内涵本质，涵盖大概念下的核心概念，核心概念为项目探究提供相关性的焦点。二是包含真实问题的项目情境，具备开放度和挑战性，而不仅仅是对某个知识点、某个概念的简单呈现和回答。学生必须运用高阶思维，展开综合性的学习与探究。三是问题情境没有标准统一的答案，允许差异化，但评价必须有参考标准，参考标准的设计对应核心素养目标。2.解构大概念，设计驱动问题链卡尔·波普尔（KarlPopper）认为：“知识的增长永远始于问题，终于问题——越来越深化的问题，越来越能启发大量新问题的问题。”[3]驱动问题链的设计，是将概念理解融入探究活动的落脚点，能够帮助学生逐步接近、理解大概念。可以说，解决驱动问题链的过程就是建构大概念的过程。来自真实生活的项目情境，具有一定的现实繁复性，容易使大概念的学习变得模糊。在实际教学中，设计的系列活动往往没有产生连续的、生成性的学习效果，究其原因，是缺乏结构化的驱动问题链作为锚点，没有关注和引导学生的思维进程。那么，驱动问题链如何设计？其基本思路如下：第一，分析核心概念与项目情境的内涵关联，选取关键点；第二，根据学科课程标准的要求，梳理大概念理解的进阶层级；第三，明晰学生所处的层级与学习目标，调整大概念的解构程度和驱动性问题的大小及形态。同时注意问题设计的非良构程度，真正起作用的驱动问题会引发学生思维困惑，引出有趣的、可选择的其他观点。我们要聚焦于寻求问题答案的探究、推理过程，而不是简单的“是与非”或“对与错”的结果呈现；避免过度精细化的问题设计，而把学生的思维发展限制在同一维度，束缚个性化探究。3.外显大概念，组织项目活动围绕知识关键点的驱动问题，教师设计和组织相应的项目活动，让学生主动探究，从而建构自己的知识结构[4]。探究过程的关键点，往往实践难度较大、步骤较多，教师可以根据学生不同的认知基础和课时情况，搭建学习支架，为学生提供必要的经验、工具、知识等来辅助达到探究目标，有效保证项目实践的完整度。比如信息系统的开发环节，一般流程与步骤比较复杂，教师可采用的支架方法有：可提供算法框架或者半成品的代码段，算法设计的几个关键点留给学生思考；借助各类学习平台，提供微视频、学案等学习资源，让学生根据需要自主选择；建立小组，呈现各小组活动进度、任务完成情况统计等，并及时反馈。这些方法对于学生的探究活动，都会起到脚手架的支撑作用。4.表征大概念，实施多元化评价根据澳大利亚昆士兰科技大学克里斯提那·查莫斯团队的研究成果，基于大概念的STEM综合课程单元设计中，评估系统包含收集、展示、呈现、论证四种评估工具[5]。我们在实践中概括出大概念统领下的项目式教学评价的大致流程：收集学生在项目探究过程中的作品；给学生提供展示交流的机会；利用课堂行为观察量表、小组完成进度统计表等工具对学习活动过程的理解程度进行外显；用访谈、测评等方法确证学生对大概念的理解程度。在教学中，教师可以根据大概念的解构程度和实际学情，对评价流程进行调整。最后对于概念理解程度的测评，教师可以按照“知道什么”“理解什么”“能做什么”与“想做什么”四个维度，设计概念理解程度的评价框架及细则，比如对函数概念的评价框架（表4）。表4

函数概念的评价量规表框架评价维度评价内容自评他评知道什么能否用自己的话对函数的作用进行解释、表达理解什么能否根据所学知识进行推论、并解释函数适用的情况能做什么能否举一反三，自行设计新的函数