透視與洞見：隱匿在技術(shù)背后的思想與原理
——以《模板的設(shè)計(jì)與應(yīng)用》為例

田靖 浙江省寧波市寧海縣教育局教研室

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》將課程名稱由“信息技術(shù)”改為“信息科技”，名稱上的微小改變卻體現(xiàn)了不同的課堂理念。從強(qiáng)調(diào)技術(shù)為本到現(xiàn)在明確提出對內(nèi)容的選取是“從信息科技實(shí)踐應(yīng)用出發(fā)，注重幫助學(xué)生理解基本概念和基本原理，體現(xiàn)‘科’與‘技’并重”[1]，體現(xiàn)了新教材的內(nèi)容不僅注重技能操作，而且強(qiáng)調(diào)根據(jù)不同學(xué)段了解、知道、理解其背后原理性的知識。“技”是技能，是實(shí)踐應(yīng)用，“科”是科學(xué)，是基本原理，教師需在平時(shí)教學(xué)中點(diǎn)透這層含義才能引導(dǎo)學(xué)生探究技術(shù)的本質(zhì)、理解學(xué)科的思維。下面，筆者以幻燈片母版、圖層、鍵位分布為例，從基本概念入手來闡述“技”背后的“科”。

● 母版——面向?qū)ο蟮捏w現(xiàn)

浙江教育出版社出版的七年級上冊第十二課《模板的設(shè)計(jì)與應(yīng)用》的技能目標(biāo)是認(rèn)識與學(xué)會使用PowerPoint模板、版式、母版。從大部分課堂教學(xué)反饋來看，教師能夠創(chuàng)設(shè)恰當(dāng)?shù)那榫?，較好地落實(shí)這一技能目標(biāo)。但是對于這三者的關(guān)系，學(xué)生多數(shù)不太清楚，甚至部分教師都不明白，其實(shí)這三者的關(guān)系是非常典型的計(jì)算機(jī)解決問題的方法——面向?qū)ο蟆?/p>

一般來說，版式改變的是幻燈片頁內(nèi)的排版布局，模板改變的是幻燈片的背景圖案、文字格式、配色方案等，但是這些都是基于模板本身已經(jīng)預(yù)制好的參數(shù)——母版，也就是說母版才是這些設(shè)置的源頭。編程有兩個(gè)重要思想——面向過程和面向?qū)ο?，面向?qū)ο笫菍F(xiàn)實(shí)要解決的問題根據(jù)不同的功能、對象抽象成不同的類，再通過類和類之間的繼承及類的實(shí)例來實(shí)現(xiàn)。PowerPoint的母版就是類，模板是類的實(shí)例。

在母版頁中，最上面的母版就是基類，下面的各種版式根據(jù)不同的需求分別由其派生出來，它擁有母版所有的特征，換句話說，母版是下面所有版式共同特征的集合，模板就是母版類的實(shí)例，它不光繼承了母版的所有特征，同時(shí)還可以根據(jù)需要進(jìn)行個(gè)性化的修改（如下頁圖1）。這樣設(shè)計(jì)的好處有兩個(gè)：①內(nèi)容與形式的分離。同一個(gè)講稿內(nèi)容可以對應(yīng)不同的模板，同樣，同一個(gè)模板也可以對應(yīng)不同的內(nèi)容，它們存在多對多的關(guān)系。所以，在設(shè)計(jì)模板（母版）時(shí)可以拋開具體內(nèi)容，專注于設(shè)計(jì)本身。②高效。因?yàn)槟赴媾c模板之間有繼承關(guān)系，如果要修改某個(gè)模板的參數(shù)，直接找到對應(yīng)的母版就可以修改。

圖1

計(jì)算思維有四個(gè)表現(xiàn)形式——形式化、模型化、自動(dòng)化、系統(tǒng)化。[2]本課要求學(xué)生根據(jù)自身任務(wù)需求進(jìn)行整體分析，確定呈現(xiàn)的框架，從中提取出每塊內(nèi)容表現(xiàn)的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，從而分析出每一頁幻燈片的共同特征和每一版式幻燈片的特征，分別通過母版頁和子母版頁（形式化）控制最后的呈現(xiàn)形式。學(xué)生思維方式要經(jīng)歷從框架到內(nèi)容、從頂層設(shè)計(jì)到具體落實(shí)的過程，在這個(gè)過程中不僅要進(jìn)行思考分析，而且還要進(jìn)行抽象建模，提取出共同點(diǎn)（母版頁）和不同點(diǎn)（子母版頁），最后形成版式的自動(dòng)套用（自動(dòng)化、模型化）。所以，學(xué)生不僅要學(xué)會信息科技課的實(shí)踐技能，同時(shí)也要明白其背后設(shè)計(jì)的原理和思維方式。

● 圖層——分治思想的實(shí)踐

圖層功能廣泛存在于圖像和視頻處理軟件中，如Photoshop、Flash等，教師在介紹圖層時(shí)總會將其類比為一張透明的膠片，透明膠片有圖案，多個(gè)圖層疊加就好像多張膠片按順序疊放在一起，可以透過上面圖層的透明區(qū)域看到下面的圖層，改變圖層的順序和屬性可以改變圖像的效果，每個(gè)圖層都可以獨(dú)立處理。將概念進(jìn)行類比是教學(xué)中常用的手段，目的就是降低學(xué)生理解的難度，達(dá)成更好的課堂效果，但對為什么用圖層、圖層的出現(xiàn)是為了解決什么問題等背景知識教師一般不做介紹，但恰恰是這些背景知識才能使學(xué)生更加深入地理解圖層。

圖層蘊(yùn)含了計(jì)算機(jī)中的分治思想，就是把一個(gè)復(fù)雜的問題分成兩個(gè)或更多的相同或相似的子問題，再把子問題分成更小的子問題……直到最后子問題可以簡單地直接求解，原問題的解即子問題的解的合并。一個(gè)復(fù)雜的圖像（視頻也是圖像的集合）可以分成幾個(gè)部分（圖層組），每個(gè)部分再細(xì)分（子圖層組），分到最后要解決的問題就是個(gè)小問題（圖層），圖層之間相互獨(dú)立，非常便于針對某個(gè)部分進(jìn)行后期修改。

● 鍵位——編碼理解的載體

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)鍵盤起源于打字機(jī)鍵盤，打字機(jī)的鍵盤最早是按照字母順序排列的，但打字機(jī)是全機(jī)械結(jié)構(gòu)的打字工具，如果打字速度過快，某些鍵的組合很容易出現(xiàn)卡鍵問題。于是在1868年肖爾斯將最常用的幾個(gè)字母安置在相反方向，最大限度放慢敲鍵速度以避免卡鍵，從而形成了現(xiàn)代QWERTY鍵盤布局，1932年華盛頓大學(xué)教授奧古斯特·多芙拉克設(shè)計(jì)出了鍵位排列更科學(xué)的DVORAK布局。從兩手的負(fù)載率來看，DVORAK鍵盤更平衡。基于此，筆者設(shè)計(jì)了如下編碼學(xué)習(xí)求證的實(shí)驗(yàn)。

鍵盤中的鍵位分布是教學(xué)中理解編碼的一個(gè)良好載體，可以理解不同編碼對效率的影響是不同的。筆者以現(xiàn)在使用的鍵盤為基礎(chǔ)，探討鍵盤分布對左右手打字的負(fù)載率的影響，即左右手敲擊次數(shù)占總次數(shù)的百分比，理論上來說兩手負(fù)載率要基本持平（含字母和標(biāo)點(diǎn)符號），以保證兩手負(fù)擔(dān)均衡等。

本內(nèi)容可以作為教學(xué)綜合課的形式讓學(xué)生進(jìn)行探究，建議放在學(xué)生對Python語言有初步掌握之后。敲擊次數(shù)以26個(gè)英文字母為統(tǒng)計(jì)對象（附帶幾個(gè)常用標(biāo)點(diǎn)符號），以經(jīng)典小說《簡·愛》為例，程序代碼如下頁圖2所示。

圖2

利用上述Python代碼讀取小說的TXT文本內(nèi)容，并將文本中英文字母統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成小寫字母，程序輸出如下頁表1所示。將表1數(shù)據(jù)按照三個(gè)方案整理后，形成下頁表2。

表1

表2

通過上述輸出結(jié)果和統(tǒng)計(jì)，教師向?qū)W生提出以下幾個(gè)問題：

①英文字母出現(xiàn)的頻率哪個(gè)最高？哪個(gè)最低？從中你知道了什么？

②查找資料，打字機(jī)鍵盤分布為什么從最初的方案A發(fā)展到方案B？方案B的布局有哪些好處？它解決了哪些歷史痛點(diǎn)？同時(shí)方案B又有哪些局限性？

③如果讓你來重新設(shè)計(jì)鍵盤分布方案，你會從哪幾個(gè)方面來考慮？

④利用本案例的思路還可以解決什么問題？

字母使用頻率不一致是鍵盤鍵位分布重點(diǎn)要考慮的內(nèi)容，同時(shí)也要考慮各個(gè)手指靈活程度不一，好的編碼方案就是在左右負(fù)載平衡的同時(shí)，充分協(xié)調(diào)這兩者的關(guān)系。學(xué)習(xí)的目的在于應(yīng)用[3]，字母頻率的統(tǒng)計(jì)為后續(xù)對稱性加密解密（愷撒加密）提供了思路，也為后續(xù)編碼類知識的學(xué)習(xí)做了鋪墊。

在信息科技課程中，實(shí)踐操作是日常教學(xué)中必不可少的一環(huán)，如何透過技能找出其背后隱藏的原理，幫助學(xué)生打通實(shí)際操作和技術(shù)原理之間的壁壘，需要信息科技教師不斷思考。系統(tǒng)提供的具體功能就像一個(gè)個(gè)已經(jīng)封裝好的類，它是一個(gè)確定的算法，可以實(shí)現(xiàn)具體領(lǐng)域的問題求解。但是，教師不能滿足于應(yīng)用它，應(yīng)帶領(lǐng)學(xué)生探究它背后的原理，實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。