基于核心大概念培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)設(shè)計(jì)

張楊

● 核心大概念能培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)

1.核心大概念指向?qū)W科本質(zhì)，揭示原理、思想和方法

核心大概念是一個(gè)學(xué)科最重要、最基礎(chǔ)的理論知識，指向?qū)W科本質(zhì)，揭示原理、思想和方法，能夠改變學(xué)生的思維方式，而科學(xué)層面的東西是最本質(zhì)的，最終是要教給學(xué)生的。信息科技學(xué)科的核心大概念，包括數(shù)據(jù)、算法、信息系統(tǒng)、信息社會(huì)、網(wǎng)絡(luò)、信息處理、信息安全、人工智能等，蘊(yùn)涵著計(jì)算機(jī)執(zhí)行命令解決問題的一系列思想方法。

2.計(jì)算思維的定義

周以真教授提出，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)，學(xué)生通過對核心概念的理解掌握培養(yǎng)計(jì)算思維。但在目前的教材中，應(yīng)用軟件的教學(xué)大多是說明書式的教學(xué)，對學(xué)生的意識、思想沒有觸及，所以，教師應(yīng)讓學(xué)生明白，不能只追求技術(shù)的應(yīng)用，滿足于技術(shù)帶來的實(shí)用的功能，而要追問技術(shù)背后的道理，探究技術(shù)背后的原理和規(guī)律。

3.計(jì)算思維是人的思維，存在于每個(gè)人的生活之中

計(jì)算思維是人的思維，它不只屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家，也是每個(gè)人的基本技能，如出門前需要把當(dāng)天的東西放進(jìn)背包，這就是預(yù)置和緩存思想;當(dāng)弄丟手機(jī)時(shí)，沿走過的路尋找，這就是回推。計(jì)算思維是人類解決問題的一條途徑。

4.核心大概念構(gòu)成學(xué)科體系能促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)

劉月霞在《深度學(xué)習(xí)：基于核心素養(yǎng)的教學(xué)改進(jìn)》一文中指出，“深度學(xué)習(xí)”深在讓學(xué)生對學(xué)科核心知識有深度的理解和加工。所謂對學(xué)科核心知識的深度理解和加工主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面的動(dòng)態(tài)過程：一是從單一知識點(diǎn)到結(jié)構(gòu)性知識;二是從細(xì)枝末節(jié)的知識到學(xué)科核心內(nèi)容、大概念;三是從淺表性知識到學(xué)科獨(dú)特思想方法、學(xué)科本質(zhì)。信息科技學(xué)科通過核心大概念構(gòu)建學(xué)科知識體系，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化、零散的內(nèi)容系統(tǒng)化，幫助學(xué)生構(gòu)建知識間有意義的連接，掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)的思想和方法，培養(yǎng)計(jì)算思維，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)，從而轉(zhuǎn)變學(xué)生的思維，影響學(xué)生的行為，改變學(xué)生的生活方式。

5.課堂觀察記錄呈現(xiàn)出思維深度層級逐漸加深的趨勢

美國教育評價(jià)專家韋伯提出了“知識深度”理論，這個(gè)理論主要指向教學(xué)活動(dòng)和任務(wù)設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)需要設(shè)計(jì)的內(nèi)容是學(xué)習(xí)的深度、學(xué)習(xí)過程的復(fù)雜程度，這正是在課堂上落實(shí)核心素養(yǎng)所需要的。如上頁表1所示，知識深度理論將學(xué)生的認(rèn)識水平分成四個(gè)等級，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)不同等級的思維要求，設(shè)計(jì)與教學(xué)目標(biāo)相匹配的活動(dòng)和任務(wù)，也可以用這個(gè)工具評估自己所設(shè)計(jì)的活動(dòng)是否處在較高的思維層級，是否具有一定的綜合性和挑戰(zhàn)性，是否能推動(dòng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，促進(jìn)核心素養(yǎng)落實(shí)。

● 基于核心大概念的教學(xué)設(shè)計(jì)

機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能模塊中很重要的一個(gè)概念，筆者根據(jù)上頁表1的框架，設(shè)計(jì)了小學(xué)《機(jī)器學(xué)習(xí)》一課的課堂教學(xué)觀察表（如表2），研究這節(jié)課學(xué)生思維層級的變化，評估深度學(xué)習(xí)的程度。通過課堂觀察，把本節(jié)課的活動(dòng)任務(wù)記錄下來，分析出目的，以及思維水平、認(rèn)知水平、深度層級，發(fā)現(xiàn)本課思維深度從平常思維到批判性思維，從一級到四級，逐層深入，既符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，又實(shí)現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)，落實(shí)了核心素養(yǎng)。

1.教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

核心大概念指向計(jì)算機(jī)科學(xué)本質(zhì)、思想、原理、方法，根據(jù)中小學(xué)生的認(rèn)知能力和特點(diǎn)，需要對核心大概念進(jìn)行分解，并設(shè)計(jì)好高初小的銜接，科學(xué)地螺旋上升。每節(jié)課的課題宜小，內(nèi)容宜少、精、深，但要指向本質(zhì)，既要符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，又要對核心大概念科學(xué)分解，找到各學(xué)段的育人價(jià)值。

2.教學(xué)目標(biāo)和重難點(diǎn)的設(shè)計(jì)

教育的目的是改變思想，改變思維方式，核心大概念指向思想方法，因此信息科技學(xué)科的教學(xué)目標(biāo)可設(shè)計(jì)為四維目標(biāo)，包括思想方法目標(biāo)、概念原理目標(biāo)、實(shí)踐應(yīng)用目標(biāo)和德育目標(biāo)。在本課中，思想方法目標(biāo)為理解機(jī)器學(xué)習(xí)是對人類認(rèn)知學(xué)習(xí)過程的模擬;原理目標(biāo)是掌握機(jī)器學(xué)習(xí)的過程、概念、原理以及計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)過程;實(shí)踐目標(biāo)是小組合作完成人工智能創(chuàng)意作品;德育目標(biāo)是基于原理進(jìn)行德育滲透，使學(xué)生辯證地看待人工智能的利弊，自覺保護(hù)數(shù)據(jù)安全，承擔(dān)信息社會(huì)責(zé)任。

核心大概念比較難理解，因此首先要理清知識之間的脈絡(luò)關(guān)系，知識的邏輯性決定了教學(xué)過程的邏輯性，是一節(jié)課的關(guān)鍵。例如，在小學(xué)階段，學(xué)生需要了解提取特征和建立模型是基于數(shù)據(jù)和算法，數(shù)據(jù)通過算法提取特征、建立模型。具體的算法比較難實(shí)現(xiàn)，教學(xué)中可以將其作為黑盒子處理，而數(shù)據(jù)是本課需解決的難點(diǎn)，數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)對機(jī)器學(xué)習(xí)的效率影響很大，可以讓學(xué)生通過簡單的機(jī)器學(xué)習(xí)積木化程序來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，數(shù)據(jù)是導(dǎo)致人工智能不安全的主要因素，可以適時(shí)借助其對學(xué)生進(jìn)行安全以及責(zé)任教育，實(shí)現(xiàn)其育人價(jià)值。

3.教學(xué)過程要循序漸進(jìn)突破教學(xué)重難點(diǎn)

計(jì)算思維在生活中具有廣泛的應(yīng)用，選取豐富、恰當(dāng)、貼近生活的事例，可以加深學(xué)生的理解。本課選取了嬰兒認(rèn)識世界、認(rèn)識新老師、識字、人臉識別、醫(yī)學(xué)影像識別等實(shí)例，符合小學(xué)生的認(rèn)知心理，材料準(zhǔn)確、科學(xué)、典型，貼近社會(huì)和學(xué)生現(xiàn)實(shí)生活，有說服力，能加深學(xué)生的理解。

同時(shí)，設(shè)計(jì)的核心任務(wù)要設(shè)計(jì)出具有綜合性、挑戰(zhàn)性和現(xiàn)實(shí)性，這樣才能承載落實(shí)核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)。教學(xué)中要恰當(dāng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、探究、游戲、玩、猜、試、計(jì)算機(jī)程序驗(yàn)證等活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生持久思考、探究。只有經(jīng)歷這樣的過程，學(xué)生才有可能逐漸形成解決問題的基本思路和方法。

此外，教師還應(yīng)將突破重難點(diǎn)的探究任務(wù)分解成若干個(gè)容易處理的小任務(wù)，讓學(xué)生能夠一步步完成探究，找準(zhǔn)學(xué)生“最近發(fā)展區(qū)”，提供必要的經(jīng)驗(yàn)或資料，促使其形成問題解決的良好的經(jīng)驗(yàn)結(jié)構(gòu)。

4.針對難點(diǎn)適時(shí)進(jìn)行道德教育

教師應(yīng)思考學(xué)科獨(dú)特的育人價(jià)值，讓學(xué)生知道產(chǎn)生不安全因素的原因，以及如何避免，從而培養(yǎng)學(xué)生的信息安全意識和信息社會(huì)責(zé)任感。例如，可通過人工智能違法案例，讓學(xué)生知道生活中要注意保護(hù)人臉、指紋等生物特征，防止信息泄露，以免危及財(cái)產(chǎn)安全，認(rèn)識到數(shù)據(jù)的重要性。同時(shí)，明確事物具有兩面性，人工智能既能給人們帶來智慧生活，也會(huì)產(chǎn)生很多問題，使學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)的過程和原理的基礎(chǔ)上，能夠深入理解產(chǎn)生不安全因素的原因，培養(yǎng)學(xué)生自覺保護(hù)自己和他人的信息安全意識。

5.評價(jià)

反饋性評價(jià)即過程性評價(jià)。教學(xué)中，為了隨時(shí)了解學(xué)生的思維，教師可通過提問、互動(dòng)、討論、匯報(bào)展示等多種方式獲取學(xué)生學(xué)習(xí)信息，做出及時(shí)評價(jià)和反饋，監(jiān)控教學(xué)得失，調(diào)整教學(xué)策略，提高教學(xué)有效性。創(chuàng)新作品評價(jià)是從知識的遷移應(yīng)用出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生自選主題，發(fā)揮想象力。結(jié)果性評價(jià)主要對學(xué)習(xí)的具體概念進(jìn)行再認(rèn)知、分析、解釋、應(yīng)用，了解學(xué)生習(xí)得情況。

● 結(jié)束語

基于核心大概念構(gòu)建信息科技學(xué)科體系，著眼于學(xué)科的基本思想和方法，對學(xué)習(xí)對象的深度加工，有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，幫助學(xué)生全面把握知識的內(nèi)在聯(lián)系，探究技術(shù)背后的原理和規(guī)律，促進(jìn)知識的實(shí)踐轉(zhuǎn)化和綜合應(yīng)用，并創(chuàng)造性地解決問題，引導(dǎo)學(xué)生理解所學(xué)習(xí)的內(nèi)容與過程，體會(huì)大概念的內(nèi)在價(jià)值，進(jìn)而形成積極的社會(huì)性情感、態(tài)度與責(zé)任感，在培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的同時(shí)，也培養(yǎng)了學(xué)生的信息意識、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息安全與信息社會(huì)責(zé)任等核心素養(yǎng)，有效促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。目前，存在的最大問題是如何分解細(xì)化核心大概念、如何精準(zhǔn)確定教到什么程度，這些都還需要繼續(xù)深入研究。