信息科技教學(xué)中跨學(xué)科主題設(shè)計的實(shí)踐研究

王蕾 江蘇省南京市鼓樓區(qū)教師發(fā)展中心

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》正式頒布，各地紛紛進(jìn)行了相關(guān)教學(xué)形式的研討。其中，有關(guān)算力的教學(xué)形式成為一線教師關(guān)注的熱點(diǎn)。信息科技學(xué)科中如何體現(xiàn)算力教學(xué)，如何高效地實(shí)踐算力課堂，值得我們深思。

從理論界的演進(jìn)到學(xué)術(shù)界的認(rèn)可，從學(xué)科領(lǐng)域的更替到研究方向的明晰，本文關(guān)注信息科技教學(xué)，從課堂實(shí)踐中解析算力教學(xué)的元素，為一線教師提供實(shí)例。

● 有關(guān)算力的理論界定及實(shí)踐意義

算力是處理能力的度量單位，是衡量在一定的網(wǎng)絡(luò)消耗下生成新塊的單位的總計算能力。從字面意思理解，算力指的是計算能力，英文全稱為Computing Power。在具體的信息加工處理中，算力是通過對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)結(jié)果輸出的計算能力。

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中明確提出，算力是人工智能發(fā)展的技術(shù)保障，是人工智能發(fā)展的動力和引擎。算力是算法的內(nèi)容之一，隸屬于課程模塊5“身邊的算法”和課程模塊9“人工智能與智慧社會”。算法是計算思維的核心概念之一，也是人工智能得以普遍應(yīng)用的三大支柱（大數(shù)據(jù)、算法和算力）之一。

● 算力的演進(jìn)歷史及教學(xué)現(xiàn)狀

從生理角度解析，人類的大腦就是一個強(qiáng)大的算力引擎。在大部分時間里，人們通過口算、心算進(jìn)行無工具計算，但是這樣的算力較低，在遇到復(fù)雜情況時，會利用算力工具進(jìn)行深度計算。

從歷史演進(jìn)角度解析，首先是遠(yuǎn)古時期的算力，通過原始工具如草繩、石頭進(jìn)行計算。后來，隨著文明的進(jìn)步，有了算籌、算盤等更為實(shí)用的算力工具，算力水平不斷提升。

單點(diǎn)式計算：20世紀(jì)40年代，世界上第一臺數(shù)字式電子計算機(jī)ENIAC誕生，標(biāo)志著人類算力正式進(jìn)入了數(shù)字電子時代；接著隨著半導(dǎo)體技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，芯片成為算力的主要載體。

到了20世紀(jì)70、80年代，芯片的性能不斷提升，體積不斷減小，計算機(jī)實(shí)現(xiàn)了小型化，個人電腦標(biāo)志著算力走向了普通家庭和中小企業(yè)，成功打開了全民信息時代的大門，推動了整個社會的信息化普及。算力帶來的生活品質(zhì)改善，以及生產(chǎn)效率提升，為后來互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

云計算技術(shù)：進(jìn)入21世紀(jì)后，云計算技術(shù)出現(xiàn)了。作為一種分布式計算，它通過網(wǎng)格計算，把一個巨大的計算任務(wù)分解為很多的小型計算任務(wù)，交給不同的計算機(jī)完成。其本質(zhì)是將大量的零散算力資源進(jìn)行打包、匯聚，實(shí)現(xiàn)更高可靠性、更高性能、更低成本的算力。在算力云化之后，數(shù)據(jù)中心成了算力的主要載體。人類的算力規(guī)模，開始新的飛躍。

算力教學(xué)也是相對于傳統(tǒng)算法教學(xué)而言的，與傳統(tǒng)算法教學(xué)的被動接受相比，在算力教學(xué)更強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的自主構(gòu)建，與傳統(tǒng)算法教學(xué)靜態(tài)算力學(xué)習(xí)相比，算力教學(xué)更強(qiáng)調(diào)教學(xué)的動態(tài)生成。算力教學(xué)的提出，是對教學(xué)認(rèn)識深化的結(jié)果，同時也為現(xiàn)代教學(xué)設(shè)計提供了新的視角。培養(yǎng)具有算力分布性思維能力的學(xué)生，需要通過算力信息科技課堂教學(xué)實(shí)現(xiàn)。算力教學(xué)是一種動態(tài)性教學(xué)，是一種多樣化的教學(xué)，是一種學(xué)習(xí)力提升的教學(xué)。

● 算力分布性課堂教學(xué)的實(shí)踐

實(shí)踐一：科學(xué)計算類算力教學(xué)

在算力教學(xué)中，科學(xué)計算類的主題較為廣泛，包括物理化學(xué)、氣象環(huán)保、生命科學(xué)、石油勘探、天文探測等。該類主題關(guān)注學(xué)生在從事某種科學(xué)活動后所獲得的結(jié)果，強(qiáng)調(diào)學(xué)生活動中表現(xiàn)出來某種程度上首創(chuàng)性的算力能力。算力教學(xué)關(guān)注科學(xué)性算力的優(yōu)先確定，讓學(xué)生帶著明確的目標(biāo)進(jìn)行學(xué)習(xí)。

“認(rèn)識計算機(jī)”是信息科技教材的起始課，常見教材均把該課放在起始學(xué)段的第一課，足見其重要性。在傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計中，常見的教學(xué)設(shè)計為：教師準(zhǔn)備計算機(jī)發(fā)展史的相關(guān)素材→通過書本瀏覽的方式或通過PPT進(jìn)行歷史回顧→學(xué)生回答關(guān)鍵點(diǎn)→教師收集教學(xué)素材→整理內(nèi)容，小結(jié)本課知識點(diǎn)。這樣的教學(xué)行為，易偏頗為知識普及課，學(xué)生成為圍觀者，而非參與者，有悖于學(xué)科思維的發(fā)展初衷。

（2）思考焦點(diǎn)

在傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計中，注重認(rèn)識計算機(jī)的發(fā)展史，忽視對發(fā)展史規(guī)律的總結(jié)和歸納；注重中央處理器等核心原件的名稱，忽視核心原件的技術(shù)推手及與時代更新的關(guān)聯(lián)；重視計算機(jī)的名稱變化，忽視對今后發(fā)展趨勢的預(yù)測。因此，傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計缺乏必要的信息科技學(xué)科算力的滲透。

基于算力教學(xué)的課堂，需要在教學(xué)目標(biāo)中明確設(shè)定科學(xué)性算力目標(biāo)，幫助學(xué)生建立有效的認(rèn)知標(biāo)的，明確知識取向，確定實(shí)現(xiàn)科學(xué)性算力目標(biāo)的形式，制訂學(xué)習(xí)實(shí)踐。有的放矢的學(xué)習(xí)過程，易產(chǎn)生思維的火花，有利于形成算力分布性的學(xué)習(xí)材料。教學(xué)建議如下。

在“探索計算機(jī)的秘密”一課中，教學(xué)目標(biāo)中有關(guān)認(rèn)識四代計算機(jī)發(fā)展史的內(nèi)容，在教學(xué)設(shè)計中，預(yù)先將有關(guān)計算機(jī)發(fā)展史的內(nèi)容制作成簡短的微課，讓學(xué)習(xí)者在課前進(jìn)行知識儲備和了解。課前，教師提出相關(guān)議題。

任務(wù)目標(biāo)：理解科學(xué)計算類的算力。

任務(wù)課時：1課時。

主要活動：

方向一：計算機(jī)發(fā)展的脈絡(luò)及規(guī)律。（算力的歷史）

方向二：是什么推動了計算機(jī)的發(fā)展？（算力的作用）

方向三：計算機(jī)今后可能向什么方向繼續(xù)更新？（算力的發(fā)展）

方向四：繪制計算機(jī)發(fā)展思維導(dǎo)圖。（算力的軌跡）

在前半節(jié)課中，各小組選擇興趣主題，再依據(jù)自身的選題，根據(jù)微視頻及網(wǎng)絡(luò)資源、書本資源找到答案。

加工方向一：構(gòu)建具有智能化功能的硬件結(jié)構(gòu)。（算力的工具）

加工方向二：搭建自媒體系統(tǒng)的軟件組成。（算力的平臺）

加工方向三：研究現(xiàn)有模型中的硬軟件特點(diǎn)。（算力的支持系統(tǒng)）

加工方向四：優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)單位及平臺效能。（算力的更新）

在后半節(jié)課中，進(jìn)行集中研討，采用自我適宜的形式，匯報研究結(jié)果。班級沙龍式研討，對匯報組進(jìn)行跟進(jìn)和追問。

評價活動結(jié)果：神機(jī)妙算——最佳創(chuàng)意獎；神機(jī)妙算——最佳合作獎；精打細(xì)算——最奇思妙想獎；淵圖遠(yuǎn)算——最固若金湯獎。

在以上過程中，學(xué)生清晰地了解算力學(xué)習(xí)目的和表現(xiàn)方式，在理出明晰的主線后，通過算力分布性思維進(jìn)行自我實(shí)踐，逐一建構(gòu)素材。每一次搜索，都是一次從認(rèn)知理論到實(shí)踐驗(yàn)證的過程，從而完成了深層學(xué)習(xí)和意義建構(gòu)。因此，在實(shí)際教學(xué)中，效果甚為理想。

實(shí)踐二：工程計算類算力教學(xué)

在算力教學(xué)中，工程計算類的主題較為常見，常用于計算機(jī)輔助工程、計算機(jī)輔助制造、電子設(shè)計自動化、電磁仿真等內(nèi)容中。對于義務(wù)教育階段的學(xué)生而言，算力學(xué)習(xí)需要通過優(yōu)化教學(xué)過程即在一定的教學(xué)條件下尋求合理的教學(xué)方案來完成。

“智能ETC”部分是人工智能單元學(xué)習(xí)的難點(diǎn)之一。部分鄉(xiāng)村學(xué)生已有生活經(jīng)驗(yàn)匱乏，教師在此內(nèi)容的教學(xué)中，往往陷入困境。在筆者聽過的相關(guān)課中，常規(guī)教學(xué)一般采用如下模式：視頻導(dǎo)入“介紹智能ETC的應(yīng)用”→概念解析“說明什么是智能ETC”→原理說明“介紹智能ETC的原理”→應(yīng)用前景“智能ETC的常用場景”。

智能ETC的內(nèi)容有一定的認(rèn)知難度，以上的教學(xué)過程有著濃厚的品社課或理論課的痕跡，教師講解多，學(xué)生操練少，無法理解算力在此人工智能項(xiàng)目中的作用，且缺乏算力分布性課堂的活力，導(dǎo)致最終的教學(xué)效果不盡如人意。

在關(guān)注算力主題的教學(xué)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣點(diǎn)與算力的工程任務(wù)相關(guān)。教師可通過學(xué)生的學(xué)習(xí)傾向，選擇適宜的算力感知方式內(nèi)容，滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需要。在本課中，教師可將智能ETC的內(nèi)容進(jìn)行具象，幫助學(xué)生整理思路，采用可視化的方式幫助獲取算力分布性的學(xué)習(xí)資源。建議教學(xué)過程如下。

看一看：視頻導(dǎo)入。欣賞：高速收費(fèi)站繁忙的場景視頻。提出問題：高速收費(fèi)口擁堵的情況應(yīng)如何解決？

探一探：網(wǎng)絡(luò)平臺對話，探索智能ETC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。教師帶領(lǐng)學(xué)生觀察編程平臺，舵機(jī)對應(yīng)的腳本如何設(shè)置參數(shù)；在教師演示參數(shù)設(shè)置后，舵機(jī)模擬轉(zhuǎn)動方向。

想一想：師生討論“如何達(dá)到智能ETC系統(tǒng)的抬起和下降的目的”？學(xué)生完成任務(wù)一：讀取車牌信息。

試一試：學(xué)生實(shí)踐“嘗試合作上升和下降無舵機(jī)閘口”。教師提出問題：在剛才的操作中，智能ETC系統(tǒng)可以順利地讀取車牌信息，那么該如何扣費(fèi)呢？

改一改：完成任務(wù)二“嘗試閘口智能升降”。小組成員共同分析程序，制訂升降計劃，完成任務(wù)。

思一思：感知流程——回顧剛才的挑戰(zhàn)要求，小組討論并展示花式挑戰(zhàn)的活動目標(biāo)等，如智能提醒和智能報讀等。

在以上過程中，教學(xué)過程通過可視化的過程圖進(jìn)行了改進(jìn)，學(xué)習(xí)過程迎合了當(dāng)前學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在課前，學(xué)生可獲取部分相關(guān)的知識背景，在課上，學(xué)生根據(jù)所獲取的基礎(chǔ)知識，進(jìn)行二次反思和自我知識構(gòu)建，將算力在智能ETC部分的內(nèi)容具象化為可控性的流程圖，從而為自我的思維提供有序的整理。這個過程鼓勵了學(xué)生對算力的概念進(jìn)行深度理解，并觸發(fā)了思維、創(chuàng)意、個性化的成果的生成。

實(shí)踐三：智能計算類算力教學(xué)

在算力教學(xué)中，智能計算類的主題有一定的教學(xué)難度，常見于人工智能計算，包括機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析等。智能計算類算力教學(xué)的附加價值區(qū)別于傳統(tǒng)的教學(xué)目標(biāo)，指學(xué)生通過學(xué)習(xí)過程新增加的認(rèn)知價值，是創(chuàng)新活動中除原認(rèn)知之外的增值內(nèi)容，是激發(fā)學(xué)生更高創(chuàng)造性認(rèn)知的火花，是學(xué)生通過算力分布性活動進(jìn)一步提升和改進(jìn)認(rèn)知結(jié)構(gòu)、優(yōu)化認(rèn)知過程的價值屬性。

（1）原設(shè)計

“電子二維碼”是智能算力的典型課例，常規(guī)的設(shè)計思路如下：展示帶有電子二維碼的產(chǎn)品→對比沒有二維碼的產(chǎn)品→介紹軟件操作方法→提供素材→教師介紹二維碼的原理→學(xué)生算力：練習(xí)插入二維碼→小組展示作品→評價作品。在教學(xué)過程中，學(xué)生獨(dú)立完成作品后算力千篇一律，缺少創(chuàng)新點(diǎn)。

出現(xiàn)以上情況，即是本課的算力目標(biāo)不夠清晰，學(xué)生在短時間內(nèi)無法從工作原理和應(yīng)用方式兩個角度理解電子二維碼中有關(guān)算力部分的內(nèi)容，因此無法順利地完成既定的學(xué)習(xí)目標(biāo)。通過設(shè)定復(fù)合型算力，厘清不同學(xué)生適宜的信息算力項(xiàng)目形式，因人而異地選擇合理的信息處理途徑。

對于此類主題，關(guān)注算力的具體類別，再依據(jù)算力統(tǒng)計出的具體數(shù)據(jù)，選擇合適的設(shè)計方案，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)符合個性化要求的新型算力路徑。具體教學(xué)活動設(shè)計如下。

算力鏈接1：怎么選？

教師播放智能自動售貨機(jī)的視頻素材，向?qū)W生出電子二維碼的工作流程。

算力鏈接2：選什么？

教師引導(dǎo)：實(shí)現(xiàn)無人售賣機(jī)的工作過程，學(xué)生模擬以上過程。

師：同學(xué)們嘗試了哪一種商品？你是如何實(shí)現(xiàn)自動購買貨物的？（預(yù)設(shè)：有些學(xué)生更改了相關(guān)選項(xiàng)的設(shè)置，關(guān)注電子二維碼的識別作用）

算力鏈接3：試著選？

提示探究方法：介紹電子二維碼的結(jié)構(gòu)，提出電子二維碼通過無線射頻識別、通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。

自主探究：根據(jù)學(xué)件進(jìn)行探究，必要時進(jìn)行小組互動。

算力鏈接4：我會選！

教師談話：（出示問題作品）這些產(chǎn)品雖然具有二維碼，但不是電子二維碼，你可以說出原因嗎？怎樣才能改造成智能電子二維碼呢？

暢想①：電子二維碼的顏值能否提升？（算力的外包功能）

暢想②：電子二維碼的功能能否擴(kuò)展？（算力的延展功能）

在以上的過程中，算力項(xiàng)目的來源更加豐富，形成了一套完成的算力思考鏈，其不僅從生活經(jīng)驗(yàn)入手，還能夠結(jié)合新技術(shù)的應(yīng)用給予學(xué)生更為客觀的體驗(yàn)，是一種復(fù)合型進(jìn)階性算力策略。通過多層次的信息算力實(shí)踐項(xiàng)目，與對應(yīng)的信息輸出達(dá)成一致，進(jìn)而鼓勵學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。在實(shí)際使用中，收到了良好的教學(xué)效果。在此設(shè)計中，技術(shù)為暗線，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目為明線，通過具體的載體，讓學(xué)生形成有意義的附加價值，達(dá)到算力教學(xué)的目的。

● 算力分布性課堂教學(xué)的關(guān)注點(diǎn)

教學(xué)過程的算力分布性是對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的尊重，將技能主線變?yōu)轫?xiàng)目明線、技能隱線的結(jié)果。通過確定科學(xué)性算力目標(biāo)、優(yōu)化教學(xué)過程等實(shí)踐，形成算力教學(xué)成果。在設(shè)計中，要注意幾個細(xì)節(jié)：算力關(guān)注分布性；以算力為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)要統(tǒng)整在明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)之中，學(xué)習(xí)過程是圍繞教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行的，并非天馬行空、隨心所欲；算力關(guān)注設(shè)計性，從慣常的設(shè)計流程改進(jìn)為算力分布性的設(shè)計流程，前期的設(shè)計過程和素材準(zhǔn)備都有所增加，所以算力教學(xué)是更為精致的設(shè)計，而并非忽視教學(xué)規(guī)律設(shè)計；算力尊重主體性學(xué)情，學(xué)習(xí)內(nèi)容適合何種設(shè)計方式，需要根據(jù)學(xué)情進(jìn)行針對性的考量，選擇生成經(jīng)驗(yàn)、具備信息化工具使用基礎(chǔ)的學(xué)生，進(jìn)行動態(tài)作品生成。