面向?qū)W科思想方法的信息技術(shù)教學(xué)思考與實(shí)踐

周世杰 李文明

上海市青浦區(qū)第二中學(xué)

在信息技術(shù)快速發(fā)展的今天，顯性的技術(shù)工具改變著人們外在的行為，而隱性的學(xué)科思想方法潛在地影響著人們的內(nèi)在思維。2018年1月，《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》發(fā)布，新課標(biāo)結(jié)合了信息技術(shù)發(fā)展的前沿成果，體現(xiàn)了獨(dú)特的學(xué)科文化內(nèi)涵，在培養(yǎng)目標(biāo)方面強(qiáng)調(diào)提升學(xué)生信息素養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生在當(dāng)今社會(huì)的適應(yīng)力與創(chuàng)造力，對(duì)學(xué)生今后自身發(fā)展、參與社會(huì)變革意義重大。同時(shí)我們也看到，由于學(xué)科核心素養(yǎng)剛剛提出，對(duì)于如何在一線教學(xué)中落實(shí)的問(wèn)題，課標(biāo)中雖然有“實(shí)施建議”部分，也指出要凸顯“學(xué)主教從、以學(xué)定教、先學(xué)后教”的專(zhuān)業(yè)路徑，但這些屬于教學(xué)思想層面的指導(dǎo)，和一線教師基于學(xué)科思想方法的教學(xué)實(shí)踐之間，還存在一定的“鴻溝”。

一、信息技術(shù)學(xué)科思想方法概念界定及內(nèi)容簡(jiǎn)述

（一）信息技術(shù)學(xué)科思想方法的界定

新課標(biāo)中關(guān)于“計(jì)算思維”描述為：“指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問(wèn)題解決方案中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)?！逼渲小坝?jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法”到底有哪些？分別是什么？信息技術(shù)作為一門(mén)相對(duì)較新的學(xué)科，一線教師缺少現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒和參考。正如《重構(gòu)信息技術(shù)課程——從經(jīng)驗(yàn)選擇走向思想投射》（李藝、鐘柏昌）一文中所述：“面對(duì)新的挑戰(zhàn)，信息技術(shù)課程尚未表現(xiàn)出足夠的自信。這種自信的缺乏，源于課程長(zhǎng)期以來(lái)所走的經(jīng)驗(yàn)選擇道路，缺乏系統(tǒng)而穩(wěn)定的學(xué)科思想積淀?！?/p>

眾所周知，數(shù)學(xué)、化學(xué)等成熟學(xué)科都有各自的學(xué)科思想方法，并且都是從自身上游學(xué)科知識(shí)提煉而來(lái)，這些經(jīng)驗(yàn)可以用來(lái)指導(dǎo)信息技術(shù)學(xué)科的思想方法梳理工作。因此，我們將信息技術(shù)學(xué)科思想方法界定為：指在信息技術(shù)發(fā)展歷程中，在解決實(shí)際問(wèn)題中而逐步形成的具有信息技術(shù)學(xué)科特點(diǎn)的科學(xué)原理和技術(shù)思想。它由上游學(xué)科生發(fā)，并經(jīng)過(guò)從其智慧積累之中采摘、改造并重新序化而來(lái)，具有信息技術(shù)學(xué)科知識(shí)取向且較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)捏w系化的特征，是對(duì)信息技術(shù)學(xué)科知識(shí)的本質(zhì)理解和理性分析。

（二）信息技術(shù)學(xué)科思想方法

根據(jù)以上界定及教學(xué)實(shí)踐，我們對(duì)照信息技術(shù)學(xué)科內(nèi)容，梳理了以下學(xué)科思想方法。

1.信息熵思想

1948年，香農(nóng)（Shannon）提出了“信息熵”的概念，解決了對(duì)信息的量化度量等問(wèn)題，用來(lái)描述信源的不確定度。

2.圖靈機(jī)思想

圖靈（Turing）于1936年在其論文《論可計(jì)算數(shù)及其在判定問(wèn)題上的應(yīng)用》中提出了一個(gè)計(jì)算模型，該模型是用機(jī)器來(lái)模擬人們?nèi)粘Ｓ眉埞P進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算的過(guò)程，這個(gè)模擬裝置就是圖靈機(jī)。

3.符號(hào)化思想

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)作為處理信息的工具，只能處理數(shù)字（二進(jìn)制數(shù)）。要想讓計(jì)算機(jī)幫助我們處理需要的信息，必須將文字、圖片、聲音、視頻等信息載體轉(zhuǎn)換為數(shù)字（二進(jìn)制數(shù)）。所以我們可以認(rèn)為計(jì)算機(jī)的符號(hào)化思想，就是能夠有意識(shí)地使用計(jì)算機(jī)的符號(hào)0和1來(lái)解釋和解決現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。

4.標(biāo)準(zhǔn)化思想

為了減少信息技術(shù)在發(fā)展和應(yīng)用中所產(chǎn)生的不必要的復(fù)雜性，經(jīng)協(xié)商一致或在發(fā)展過(guò)程中自然形成的大家必須遵守的一些規(guī)則。它具有動(dòng)態(tài)變化性和普適性等特征。

5.對(duì)象管理思想

在信息技術(shù)學(xué)科內(nèi)容中，所有的軟件和工具的操作中都涉及對(duì)象、屬性等問(wèn)題，將這些實(shí)體或關(guān)系抽象化后形成數(shù)字化對(duì)象，并對(duì)其進(jìn)行操作、修改，達(dá)到有效管理的思想和方法，可以合理構(gòu)建對(duì)象之間的結(jié)構(gòu)化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)象之間更好的聯(lián)系，形成一個(gè)有效的信息化系統(tǒng)。

二、梳理學(xué)科思想方法對(duì)信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)實(shí)踐的意義

相對(duì)于其他傳統(tǒng)學(xué)科（如數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)）而言，信息技術(shù)學(xué)科自20世紀(jì)80年代誕生以來(lái)，雖然經(jīng)歷了30余年的發(fā)展，但在課程思想方法層面的梳理不足。課程思想作為課程教學(xué)的靈魂，正受到越來(lái)越廣泛的重視，信息技術(shù)課程價(jià)值的確認(rèn)，也需要有學(xué)科課程思想體系的幫助，而學(xué)科思想方法的梳理、歸納，對(duì)學(xué)科課程體系的構(gòu)建是一種有益的推進(jìn)。梳理信息技術(shù)學(xué)科思想方法對(duì)一線教師開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，具有以下意義。

（一）有助于明確信息技術(shù)課程內(nèi)容架構(gòu)

通常認(rèn)為，信息技術(shù)上游學(xué)科主要包括“信息論”和“圖靈機(jī)”，這些上游學(xué)科在信息技術(shù)、信息科學(xué)乃至相關(guān)領(lǐng)域中的智慧積累已然豐富，在解決當(dāng)時(shí)所面臨的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題中的基本思想和方法為當(dāng)代學(xué)生的終身發(fā)展提供的營(yíng)養(yǎng)也是特定和不可或缺的。例如，信息論中香農(nóng)在定義信息的概念時(shí)，借用了物理學(xué)中“熵”一詞，從此信息就有了明確的數(shù)學(xué)模型和定量計(jì)算的單位?！靶畔ⅰ边@一概念從模糊到科學(xué)度量，這是一個(gè)劃時(shí)代的進(jìn)步，直接推動(dòng)了通信技術(shù)的大發(fā)展，進(jìn)而推動(dòng)整個(gè)信息技術(shù)發(fā)展，逐步形成了信息技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)各個(gè)分支，使之成為獨(dú)立的信息科學(xué)，也成為當(dāng)前中學(xué)信息技術(shù)課程核心概念的理論框架。了解信息熵的相關(guān)知識(shí)，能引領(lǐng)教師和學(xué)生在信息技術(shù)課程的學(xué)習(xí)中，逐漸貼近知識(shí)的本源，把握科技的本質(zhì)發(fā)展和應(yīng)用，也可以幫助師生進(jìn)一步明確課程內(nèi)容框架。

（二）有助于教師對(duì)信息技術(shù)學(xué)科課程的整體理解和把握

以信息技術(shù)學(xué)科思想方法指導(dǎo)學(xué)科教學(xué)，能夠幫助信息技術(shù)學(xué)科教師超越課堂教學(xué)的認(rèn)知局限，挖掘出基于學(xué)科思想方法的教學(xué)內(nèi)涵，能夠從學(xué)科思想方法的角度重新思考信息技術(shù)學(xué)科內(nèi)容的選擇、建構(gòu)和組織及教學(xué)策略問(wèn)題，對(duì)于把握科技本質(zhì)、開(kāi)展深度教學(xué)具有重大意義。如對(duì)于軟件學(xué)習(xí)中的菜單操作到當(dāng)前新一代觸屏技術(shù)的多點(diǎn)觸控，以及從基于資源管理器的文件管理到基于視窗的桌面管理，表面上看好像有了巨大的飛躍，但若從學(xué)科思想方法方面來(lái)說(shuō)，這些都是面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法和文件管理思想的體現(xiàn)。

（三）有助于學(xué)生從知識(shí)習(xí)得走向科學(xué)探究

信息技術(shù)課程經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，教學(xué)形態(tài)已逐步體現(xiàn)“至理、致用”的教學(xué)要求，在課堂上能以問(wèn)題解決為載體，探究信息處理過(guò)程中的方法和規(guī)則，體會(huì)信息技術(shù)中蘊(yùn)含的智慧，明白操作背后蘊(yùn)含的道理，這是信息技術(shù)教學(xué)的一個(gè)大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。然而由于教材內(nèi)容更新的滯后性等因素，學(xué)科知識(shí)體系尚顯零散。以學(xué)科思想方法的視角，能夠指導(dǎo)教師創(chuàng)造性融合信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)中的各個(gè)要素和環(huán)節(jié)，用學(xué)科思想方法去解釋眾多物體、事件和現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)，從而產(chǎn)生新的聚焦效應(yīng)，幫助學(xué)生獲得基于信息技術(shù)學(xué)科視角的深層理解，激發(fā)學(xué)生內(nèi)心對(duì)科技、科技發(fā)展規(guī)律的熱愛(ài)和探究。

三、基于學(xué)科思想方法的教學(xué)實(shí)踐案例

學(xué)科思想方法是學(xué)科教學(xué)的靈魂。信息技術(shù)學(xué)科思想方法是在認(rèn)識(shí)信息科技知識(shí)技能以及利用信息技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中提煉出的學(xué)科觀點(diǎn)，是對(duì)信息技術(shù)學(xué)科的本質(zhì)、特征及價(jià)值的認(rèn)識(shí)，是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并利用信息技術(shù)解決問(wèn)題的指導(dǎo)思想。一線教師在教學(xué)中如何滲透學(xué)科思想方法？筆者開(kāi)展了這樣的實(shí)踐。

（一）在日常教學(xué)中“融入”

在信息技術(shù)學(xué)科中，標(biāo)準(zhǔn)化思想在很多內(nèi)容中都有體現(xiàn)，如在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中，硬件型號(hào)、規(guī)格（如接口標(biāo)準(zhǔn)）方面，信息傳輸中關(guān)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的規(guī)范過(guò)程以及程序設(shè)計(jì)中的語(yǔ)法規(guī)則等，都是在發(fā)展中逐步完善的。課堂教學(xué)是落實(shí)課程目標(biāo)的主陣地，作為信息科技主要思想之一的標(biāo)準(zhǔn)化思想，要想讓學(xué)生知道并有所理解，也需要借助課堂教學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如在一節(jié)關(guān)于“尋找計(jì)算機(jī)中的0和1”的教學(xué)實(shí)踐中，筆者設(shè)置了以下教學(xué)活動(dòng)。

（1）情景預(yù)設(shè)：組織學(xué)生安裝WinHex軟件并創(chuàng)建兩個(gè)文本。文本一包含“12AB”，保存為1.txt；文本二包含“AB計(jì)算”，保存為2.txt。

（2）一次探究：運(yùn)行WinHex軟件，打開(kāi)1.txt，通過(guò)觀察軟件的界面和內(nèi)容，移動(dòng)鼠標(biāo)，推測(cè)字符和內(nèi)碼之間的關(guān)系，并做好記錄。

（3）對(duì)比探究：運(yùn)行WinHex軟件，打開(kāi)1.txt，通過(guò)觀察軟件的界面和內(nèi)容，移動(dòng)鼠標(biāo)，分別記錄下“AB計(jì)算”四個(gè)字符的內(nèi)碼。對(duì)比英文字母和漢字內(nèi)碼的區(qū)別。

（4）課堂討論：為什么英文字母的內(nèi)碼首字符是“數(shù)字”，而漢字的內(nèi)碼首字符為“字母”？

案例闡釋?zhuān)涸谶@個(gè)學(xué)生活動(dòng)探究案例中，通過(guò)學(xué)生的實(shí)踐活動(dòng)，了解數(shù)字、英文字母及漢字在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)形式，并通過(guò)對(duì)比，分析出如果用“十六進(jìn)制”表示，數(shù)字和英文字母的內(nèi)碼第一個(gè)字符是“數(shù)字”形式，而漢字內(nèi)碼第一個(gè)字符是“字母”（其實(shí)是［8，F(xiàn)］區(qū)間內(nèi)的一個(gè)符號(hào)）形式。在觀察對(duì)比的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生通過(guò)討論深入理解字符在計(jì)算機(jī)中的編碼規(guī)則，經(jīng)過(guò)教師的適時(shí)點(diǎn)撥，理解在數(shù)字、字母、漢字的編碼形成過(guò)程中，為了避免不必要的沖突，形成了有區(qū)別的編碼格式，即編碼標(biāo)準(zhǔn)，從而理解標(biāo)準(zhǔn)化思想的特點(diǎn)和作用。

（二）通過(guò)課后微視頻“拓展”

在高中信息技術(shù)教材中，“信息”是一個(gè)重要的概念，在教材中采用的是香農(nóng)給出的定義，“信息是能夠用來(lái)消除隨機(jī)不確定性的東西”，這是一個(gè)科學(xué)的定義，既抽象又復(fù)雜，如果教師不了解“信息熵”的理論，很難用專(zhuān)業(yè)的知識(shí)闡釋這個(gè)概念。為了讓學(xué)生深入理解這一概念并了解“信息熵”思想，在教學(xué)實(shí)踐中，筆者以如下形式來(lái)組織。

1.課內(nèi)教學(xué)活動(dòng)

設(shè)計(jì)“找人游戲”，包含以下步驟。先確定要找的人的特征。特征一：就在我們班級(jí)內(nèi)（語(yǔ)音描述）；特征二：2004年出生（文字描述）；特征三：性別為女（圖片描述）；特征四：在5月出生（視頻描述）。教師根據(jù)課前對(duì)班級(jí)學(xué)生情況的了解，經(jīng)過(guò)這幾步之后，能夠找到唯一的人選。并解釋前面游戲中的不同載體（語(yǔ)音、文字、圖片、視頻）都承載著信息，隨著信息的出現(xiàn)，所要找的人逐漸明確，即逐漸消除了“不確定性”。

2.課后微視頻助學(xué)

課堂教學(xué)結(jié)束后，筆者又制作了關(guān)于信息熵的教學(xué)微視頻，發(fā)布在資源網(wǎng)站，并引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。微視頻內(nèi)容主要包括：（1）信息熵。包括信息熵的公式，以及對(duì)信息熵意義的簡(jiǎn)單解讀。（2）信息熵公式計(jì)算實(shí)例。實(shí)例情境：“年級(jí)籃球賽有8個(gè)班級(jí)參加，王芳是另外一所學(xué)校的學(xué)生，比賽結(jié)束后，他想要知道哪個(gè)班級(jí)是第一名，就去問(wèn)在這個(gè)學(xué)校的李明?！痹搶?shí)例分兩種情況計(jì)算，一是“等概率下的二分法猜測(cè)”，計(jì)算出信息熵為3；二是“不等概率下的二分法猜測(cè)”（假設(shè)概率分別為：{1／ 2、1／ 4、1／ 8、1／ 16、1／ 64、1／ 64、1／ 64、1／64}），計(jì)算出信息熵為 2。（3）信息概念進(jìn)一步解讀。主要內(nèi)容包括：信息熵的大小與一個(gè)事件結(jié)果的不確定性有關(guān)。信息熵越大，事件結(jié)果的不確定性越大，反之不確定性減小。

案例闡釋?zhuān)航?jīng)過(guò)以上的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生對(duì)信息的概念有了深入的理解，同時(shí)對(duì)信息熵思想也有了一定的認(rèn)識(shí)。由此可見(jiàn)，教師在教學(xué)實(shí)踐中，選擇恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)合理的教學(xué)活動(dòng)，滲透學(xué)科思想方法，有利于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)品質(zhì)。

四、小結(jié)

信息技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)信息技術(shù)教育教學(xué)提出了更高的要求，在上海“科創(chuàng)中心”的建設(shè)背景下，基于學(xué)科思想方法的信息技術(shù)教學(xué)有助于培養(yǎng)信息社會(huì)的“生產(chǎn)者”和“創(chuàng)新者”，有利于引導(dǎo)學(xué)生理解由信息技術(shù)所驅(qū)動(dòng)的信息化社會(huì)，發(fā)展學(xué)生的信息意識(shí)和對(duì)信息的判斷分析能力，成為信息時(shí)代的“數(shù)字公民”。

對(duì)教師來(lái)說(shuō)，以學(xué)科思想方法指導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐，能夠幫助學(xué)科教師超越課堂教學(xué)的認(rèn)知局限，挖掘出基于學(xué)科思想方法的教學(xué)內(nèi)涵，能夠從學(xué)科思想方法的角度重新思考信息技術(shù)學(xué)科內(nèi)容的選擇、建構(gòu)和組織及教學(xué)策略問(wèn)題，對(duì)于把握科技本質(zhì)、開(kāi)展深度教學(xué)具有重大意義。

對(duì)學(xué)生而言，發(fā)展學(xué)科思維，用信息技術(shù)學(xué)科思想方法去解釋眾多物體、事件和現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)，從而產(chǎn)生新的聚焦效應(yīng)，幫助學(xué)生獲得基于信息科技學(xué)科視角的深層理解，激發(fā)學(xué)生內(nèi)心對(duì)科技本身、科技發(fā)展規(guī)律的熱愛(ài)和探究，讓一部分學(xué)有余力、學(xué)有興趣的學(xué)生，學(xué)會(huì)“運(yùn)用思想，分析信息，提出新命題，駕馭新知識(shí)”，從而達(dá)到創(chuàng)造性地使用信息技術(shù)。