基于ISD Models模型的算法學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)研究

王蕾

教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)

義務(wù)教育階段有關(guān)算法的內(nèi)容成為教師近期關(guān)注的熱門話題之一，如何提升信息科技教學(xué)行為，最大程度地優(yōu)化教學(xué)效能，提升算法教學(xué)的創(chuàng)新性？

問題分析

信息科技教學(xué)有著獨(dú)特的學(xué)科傾向，其中有關(guān)算法的學(xué)習(xí)需要借助物化的形式開展。在具體的作品載體中，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)良好的內(nèi)化學(xué)習(xí)環(huán)境，提升信息應(yīng)用型學(xué)習(xí)力，滿足學(xué)生認(rèn)知需要的教學(xué)行為，成為課堂教學(xué)效能提升的重點(diǎn)。而基于ISD Models模型的算法學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，可以為教師設(shè)計(jì)教學(xué)過程提供參考。

ISD Models模型及其在信息科技算力教學(xué)中應(yīng)用的可行性

ISD全稱為Instructional System Design，即教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型，它是以傳播理論、學(xué)習(xí)理論、教學(xué)理論為基礎(chǔ)，運(yùn)用系統(tǒng)理論的觀點(diǎn)和知識(shí)，分析教學(xué)中的問題和需求并從中找出最佳答案的一種理論和方法，已在多個(gè)學(xué)科中運(yùn)用。

算法教學(xué)目標(biāo)強(qiáng)調(diào)通過系統(tǒng)的方法，達(dá)成既定的教學(xué)目標(biāo)。信息科技學(xué)科內(nèi)容寬泛，學(xué)習(xí)素材來源多樣，需要學(xué)習(xí)者在有限的時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)具有一定數(shù)字化的算法作品，據(jù)此展開的課堂學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)應(yīng)包括三個(gè)主要流程：要學(xué)什么？即算法學(xué)習(xí)目標(biāo)的預(yù)設(shè)。如何去學(xué)？即算法學(xué)習(xí)資源的選擇。如何判斷學(xué)生已到達(dá)的學(xué)習(xí)成效？即算法學(xué)習(xí)評(píng)量的實(shí)施。在信息科技重視大概念、大單元、大視域的背景之下，ISO Models成熟的課堂結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)方式，能夠給學(xué)生提供必要的學(xué)習(xí)模型參考，幫助教師據(jù)此開展適應(yīng)性教學(xué)。因此，義務(wù)教育階段信息科技學(xué)科的算法教學(xué)，可以采用ISO Models成熟的模式進(jìn)行具體的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)及實(shí)踐。

基于ISD Models進(jìn)行算法教學(xué)的實(shí)施環(huán)節(jié)

ISD Models模型的操作步驟及主要內(nèi)容如下：有關(guān)學(xué)科內(nèi)容的認(rèn)知分析，其中包括對(duì)教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)者特征進(jìn)行分析涉及整體流程的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，即對(duì)學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)情境、認(rèn)知工具、自主學(xué)習(xí)策略、管理與服務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；針對(duì)具體認(rèn)知目標(biāo)的開發(fā)，即根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行課程開發(fā)；教學(xué)實(shí)施，即根據(jù)課程開發(fā)的成果實(shí)施課堂教學(xué)；帶有診斷特征的評(píng)估，即對(duì)開發(fā)的課程進(jìn)行評(píng)估并形成評(píng)估報(bào)告。

在具體的課程教學(xué)中，利用該模型可幫助課程設(shè)計(jì)人員與教學(xué)管理人員及時(shí)確定算法教學(xué)的相關(guān)目標(biāo)，確定本課程目前所面臨的問題。再由教師利用模型設(shè)計(jì)課程并實(shí)施教學(xué)，經(jīng)過多輪實(shí)驗(yàn)后，對(duì)該學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，不斷修正和改進(jìn)相關(guān)內(nèi)容。

基于ISD Models模型的案例運(yùn)用

環(huán)節(jié)一：對(duì)標(biāo)確定學(xué)習(xí)預(yù)設(shè)

基于ISD Models模型的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的第一階段為學(xué)情的有效預(yù)設(shè)：教師給出必要的提示，在學(xué)生已有生活經(jīng)驗(yàn)中找尋可參考范例，帶領(lǐng)學(xué)生分析需要完成的教學(xué)目標(biāo)是什么、實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)可以通過哪些信息化工具完成、已經(jīng)掌握的工具有哪些優(yōu)缺點(diǎn)、如何尋找更為合適的工具來達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)。這個(gè)流程是為即將展開的學(xué)習(xí)活動(dòng)提供認(rèn)知脈絡(luò)，讓學(xué)生明晰具體的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

（1）原設(shè)計(jì)

“用計(jì)算機(jī)繪圖”是義務(wù)教學(xué)階段信息科技學(xué)科算法中常見的結(jié)構(gòu)化編程語言，也是各地教材中的經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容。在傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)中，一般直接導(dǎo)入，展示需要達(dá)成的程序圖例，由此引入程序教學(xué)。在多節(jié)該主題課中，都呈現(xiàn)出相似的情況：學(xué)生對(duì)預(yù)計(jì)應(yīng)該完成的作品有畏難情緒，無法喚起需要的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，使得整個(gè)教學(xué)內(nèi)容的推進(jìn)顯得牽強(qiáng)。

（2）思考焦點(diǎn)

由于該部分的內(nèi)容有一定的認(rèn)知難度，學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)不足，而且教師展示的成品或?qū)嵗^于專業(yè)，學(xué)生把實(shí)例看作自己需要完成的任務(wù)，又由于缺少已有經(jīng)驗(yàn)的鋪墊和學(xué)習(xí)流程的分析，由此產(chǎn)生無法企及的主觀感受，因此算法學(xué)習(xí)目標(biāo)難以達(dá)成。

（3）改進(jìn)型設(shè)計(jì)

基于ISD Models模型的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的第一階段需要預(yù)設(shè)學(xué)習(xí)目標(biāo)，教師應(yīng)對(duì)該算法的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行必要的精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，將大目標(biāo)細(xì)化為每一個(gè)具體指標(biāo)，每一個(gè)具體指標(biāo)與具體應(yīng)用相連接，達(dá)到有目標(biāo)而學(xué)、為目標(biāo)而設(shè)的目的，保證學(xué)生能夠在知其然還知其所以然的狀態(tài)下，保持學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。教學(xué)建議如下。

任務(wù)目標(biāo)：“小窗花大世界”。

任務(wù)課時(shí)：1課時(shí)。

主要活動(dòng)：

教師從傳統(tǒng)的民間工藝“窗花”入手，帶領(lǐng)學(xué)生分析。

預(yù)設(shè)一：窗花是由什么基本圖形組成的？

（教師展示真實(shí)的窗花并帶領(lǐng)學(xué)生分析其中包含了哪些基本圖形，讓學(xué)生進(jìn)行目標(biāo)的預(yù)設(shè)）

預(yù)設(shè)二：這個(gè)基本圖形是怎么組成一個(gè)窗花圖案的？

（復(fù)習(xí)重復(fù)命令的有關(guān)知識(shí)）

預(yù)設(shè)三：基本圖形和窗花之間有什么區(qū)別？

（對(duì)比基本圖形與填色后的圖形）

小結(jié)預(yù)設(shè)：學(xué)生回顧四個(gè)預(yù)設(shè)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)過程，梳理出程序思考的過程，繪制出共性的流程圖，并結(jié)合今天的主題進(jìn)行算法的功能鏈接，從而加深意義學(xué)習(xí)的過程。

教學(xué)評(píng)析：通過三個(gè)問題的預(yù)設(shè)，學(xué)生得以梳理已有的技能經(jīng)驗(yàn)（算法工具）、生活經(jīng)驗(yàn)（實(shí)物形象），形成具體明晰的學(xué)習(xí)目標(biāo)，確定了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的主要環(huán)節(jié)（繪制基本圖形、填色、修改程序）。學(xué)習(xí)目標(biāo)被細(xì)化為已有經(jīng)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、即將達(dá)成的目標(biāo)、以后可能會(huì)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。學(xué)生清晰地認(rèn)識(shí)到自己的學(xué)習(xí)目標(biāo)，學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)得以激發(fā)。

環(huán)節(jié)二：厘清素材豐富算法資源庫

基于ISD Models模型的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的第二階段為內(nèi)容設(shè)計(jì)與教學(xué)過程開發(fā)，著力對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)資源進(jìn)行整理，將算法有關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行篩選，進(jìn)而豐富算法的設(shè)計(jì)庫，為教學(xué)提供支持。該設(shè)計(jì)過程，對(duì)應(yīng)的是開發(fā)過程的算法適應(yīng)性，兩者綜合在一起，讓學(xué)生對(duì)環(huán)節(jié)一的預(yù)設(shè)內(nèi)容進(jìn)行資源庫選擇。不同層次的學(xué)生可依據(jù)教材或者學(xué)習(xí)單來嘗試學(xué)習(xí)，在此基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的作品開發(fā)，即進(jìn)一步完成算法的新授任務(wù)。

（1）原設(shè)計(jì)

“順序結(jié)構(gòu)語句”是算法學(xué)習(xí)的常規(guī)課，本課的知識(shí)點(diǎn)主要包括認(rèn)識(shí)順序結(jié)構(gòu)控件、設(shè)置執(zhí)行條件、安排動(dòng)作先后順序等內(nèi)容。該課的內(nèi)容較多，教學(xué)過程有一定的難度，是常規(guī)教學(xué)中認(rèn)知難度較大的一課。常規(guī)教學(xué)流程一般為：教師講解順序模塊的內(nèi)容→為對(duì)象角色設(shè)置循環(huán)命令的要求→安排動(dòng)作指向→調(diào)試設(shè)置消息→演示接受消息、角色相應(yīng)動(dòng)作的過程→學(xué)生練習(xí)→教師指導(dǎo)。

（2）思考焦點(diǎn)

順序結(jié)構(gòu)是算法中的基本編程內(nèi)容，但是對(duì)義務(wù)教育階段的學(xué)生來說仍有一定的認(rèn)知難度。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式中，教師采用線性的編程方式組織教學(xué)，雖然教學(xué)流程沒有邏輯錯(cuò)誤，但在實(shí)際授課中，學(xué)生的達(dá)成率不高，學(xué)生只會(huì)模仿教師提供的程序，不能進(jìn)行自我編程。通過教學(xué)反思可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的教學(xué)過程缺少對(duì)學(xué)生算法資料的供給，導(dǎo)致學(xué)生機(jī)械模仿教師提供的程序，缺乏創(chuàng)作過程。

（3）改進(jìn)型設(shè)計(jì)

在基于ISD Models模型的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)中，教師依據(jù)實(shí)際需要，根據(jù)不同目標(biāo)推送相應(yīng)的學(xué)習(xí)材料，幫助學(xué)生突破認(rèn)知難點(diǎn)。在據(jù)此展開的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)過程中，教師可先讓學(xué)生分析實(shí)例，觀察變化的由來，歸納順序結(jié)構(gòu)的概念。建議教學(xué)過程如下。

任務(wù)目標(biāo)：勞動(dòng)節(jié)真人秀。

任務(wù)課時(shí)：1課時(shí)。

主要活動(dòng)：

①秀場(chǎng)我做主：第一次推送熱身游戲。

教師渲染算法情境：2023年勞動(dòng)節(jié)將至，師生彩排“真人秀”節(jié)目。

教師提問：在剛才的候選場(chǎng)地中，同學(xué)們選中了哪些場(chǎng)地？（引出舞臺(tái)背景的選擇）

師生交流得出：舞臺(tái)是活動(dòng)的資料之一，學(xué)生是動(dòng)作的執(zhí)行者。

②演員我邀請(qǐng)：第二次推送真人秀表演的學(xué)件。

學(xué)生打開學(xué)件，觀察角色區(qū)的控件。

師：誰是發(fā)送角色者？誰是接收消息者？

學(xué)生探究控件的秘密。

師：實(shí)現(xiàn)此效果的控件在哪里？拖放到哪個(gè)角色中？如何新建消息？

學(xué)生上臺(tái)演示，邊說邊操作。

全體學(xué)生嘗試搭建共同表演的腳本。

教師出示任務(wù)：編排表演順序——出場(chǎng)順序、才藝內(nèi)容。

學(xué)生操作，搭建腳本。

③規(guī)則我公布：第三次推送循環(huán)學(xué)件。

師：和現(xiàn)實(shí)的舞臺(tái)表演相比，我們的節(jié)目還有什么需要改善的呢？

生：我有才藝家中秀、我有絕技場(chǎng)地秀……

教師演示學(xué)生編寫的生活中的畫面，并讓學(xué)生思考控件的意義。

學(xué)生嘗試編寫切入生活視頻。

④游戲我編寫：第四次推送算法相關(guān)內(nèi)容。

學(xué)生自學(xué)教材中的相關(guān)章節(jié)，嘗試完成編程任務(wù)。

教師提供多種范例及教材脈絡(luò)圖，鼓勵(lì)學(xué)生自我創(chuàng)作。

教學(xué)評(píng)析：此處的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生對(duì)已有素材體系進(jìn)行分析，從生活場(chǎng)景自然過渡到新授認(rèn)知的內(nèi)容，促使學(xué)生對(duì)自己的算法過程是因何而設(shè)、如何而設(shè)的形成明確的概念。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生可以進(jìn)行算法資源庫的自我架構(gòu)和選擇，按照自己的主觀意愿設(shè)計(jì)出自己希望的作品。通過這樣的設(shè)計(jì)，學(xué)生能夠卓有成效地進(jìn)行自我作品的開發(fā)，此過程，不著痕跡地突破了教學(xué)難點(diǎn)。

環(huán)節(jié)三：設(shè)計(jì)項(xiàng)目顯性算法特征

基于ISD Models模型的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的第三階段為實(shí)施或執(zhí)行環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)關(guān)注的是學(xué)生在拓展練習(xí)中如何實(shí)施學(xué)習(xí)行為、創(chuàng)設(shè)個(gè)性化的作品、歸納整體性的思維環(huán)節(jié)，進(jìn)而對(duì)自己的學(xué)習(xí)活動(dòng)和呈現(xiàn)作品進(jìn)行評(píng)價(jià)，促發(fā)反思過程。此環(huán)節(jié)注重學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)過程，在自評(píng)、他評(píng)、師評(píng)的輔助下，實(shí)現(xiàn)算法內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

（1）原設(shè)計(jì)

人工智能課例“聰明燈”屬于信息科技中有關(guān)算法特征的內(nèi)容，要求學(xué)生在課上通過聲控、光控等條件完成對(duì)燈泡的亮和滅的控制。在常見的課例中，教師會(huì)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，然后按照實(shí)驗(yàn)計(jì)劃完成項(xiàng)目。教學(xué)過程中的常見問題是，學(xué)生在完成一輪實(shí)驗(yàn)后，無法準(zhǔn)確進(jìn)行知識(shí)歸納，不明白做完的實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是什么，不能準(zhǔn)確說出實(shí)驗(yàn)流程。

（2）思考焦點(diǎn)

傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)行為關(guān)注硬件技術(shù)操作過程，強(qiáng)調(diào)學(xué)生技能達(dá)標(biāo)情況，缺少有關(guān)開始、發(fā)展、結(jié)束的完整階段的過程性引導(dǎo)。在信息科技教學(xué)中，常規(guī)的基礎(chǔ)類教學(xué)常采用這樣的教學(xué)行為組織學(xué)習(xí)活動(dòng)，沒有揭示算法的邏輯過程，機(jī)械的模仿居多，學(xué)生無法進(jìn)行知識(shí)遷移，因此造成學(xué)習(xí)過程枯燥、課堂氣氛沉悶、學(xué)生作品乏善可陳的局面。

（3）改進(jìn)型設(shè)計(jì)

在基于ISD Models模型的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)中，有關(guān)算法顯性特征的內(nèi)容成為關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)要針對(duì)內(nèi)容進(jìn)行合理設(shè)置，將算法的顯性特征放大，幫助學(xué)生提取特征，從而形成有效的知識(shí)鏈接。教學(xué)建議如下。

任務(wù)目標(biāo)：理解算法在控制類活動(dòng)中的作用。

任務(wù)課時(shí)：1課時(shí)。

主要活動(dòng)：

算法導(dǎo)學(xué)：通過學(xué)習(xí)材料中有關(guān)算法部分的內(nèi)容，讓學(xué)生理解算法是如何在實(shí)踐過程中實(shí)施的，幫助學(xué)生建立從算法到實(shí)物之間的關(guān)聯(lián)。

作品導(dǎo)向：結(jié)合“聰明燈”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析聲控?zé)舻膭?dòng)作過程→思考：可以使用哪些元素來控制燈的亮滅？

元素主導(dǎo)：在剛才的過程中，引起變化的元素是“聲音”，產(chǎn)生變化的是“聰明燈”，因此，如果要控制燈的開關(guān)，要將“聲音”作為觸發(fā)對(duì)象，將“聰明燈”作為接受對(duì)象。（明確實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)研究對(duì)象）

過程引導(dǎo)：根據(jù)導(dǎo)學(xué)分析，能夠發(fā)現(xiàn)以下的思路。①參數(shù)測(cè)試：測(cè)量常態(tài)下的聲音數(shù)值，并記錄在學(xué)習(xí)單上。②假設(shè)測(cè)試：設(shè)置雙分支結(jié)構(gòu)：常態(tài)下（尚未開啟“聰明燈”狀態(tài)）→聲音傳感器檢測(cè)聲音值低于常態(tài)值→測(cè)試達(dá)到閾值→“聰明燈”滅；非常態(tài)下（有人打開“聰明燈”所在的家具時(shí)的狀態(tài)）→傳感器檢測(cè)到聲音值高于常態(tài)值→測(cè)試未達(dá)到閾值→“聰明燈”亮。③拓展測(cè)試：如果常態(tài)聲音值變化，如何修改以上的程序？④實(shí)驗(yàn)導(dǎo)出：根據(jù)以上測(cè)試數(shù)據(jù)，研究路線圖，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并記錄下相應(yīng)的數(shù)值。

結(jié)論導(dǎo)出：智能櫥柜燈如何能做到“變聰明”的？它的智能通過哪些載體來實(shí)現(xiàn)？

教學(xué)評(píng)析：在以上學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生是“聰明燈”實(shí)現(xiàn)算法過程的主體，通過“聰明燈”的設(shè)置將算法的邏輯過程顯性設(shè)置。學(xué)生可以清晰地了解算法語句的具體的物化的環(huán)境。教師在教學(xué)過程中安排不同的實(shí)踐環(huán)節(jié)，逐一驗(yàn)證假設(shè)算法的過程，每一次實(shí)驗(yàn)，都是一次從認(rèn)知理論到實(shí)踐驗(yàn)證的過程，完成了深層學(xué)習(xí)和意義建構(gòu)，因此教學(xué)效果甚為理想。

關(guān)注點(diǎn)

ISD Models模型是經(jīng)典的教學(xué)設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)模型，該模型在多個(gè)學(xué)科中進(jìn)行了適應(yīng)性的驗(yàn)證。在信息科技學(xué)科中，學(xué)習(xí)需求、設(shè)計(jì)和開發(fā)如算法一般的學(xué)習(xí)項(xiàng)目，需要實(shí)施和評(píng)估學(xué)習(xí)的系統(tǒng)化流程。在確保學(xué)生獲得所需的整體認(rèn)知內(nèi)容，可以滿足自身發(fā)展需求的前提下，在運(yùn)用該模型進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，要關(guān)注以下幾個(gè)問題：

其一是模型的綜合性考量。ISD Models模型最大的特點(diǎn)是系統(tǒng)性和針對(duì)性，在學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)中需要將以上三個(gè)環(huán)節(jié)綜合起來考慮，三個(gè)環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，融為一體。尤其是在不同的大單元主題當(dāng)中，需要進(jìn)行更為綜合的思考。結(jié)合算法等內(nèi)容的特征，通過更寬泛的視角來設(shè)計(jì)合理的學(xué)習(xí)過程。

其二是算法學(xué)習(xí)主題的針對(duì)性設(shè)置。算法學(xué)習(xí)是一個(gè)較為明顯的大概念，具有自己鮮明的特征。為避免學(xué)習(xí)主題的片面，需要針對(duì)學(xué)生的需求來設(shè)計(jì)和開發(fā)主題項(xiàng)目。同時(shí)，主題的選擇需要能夠涵蓋教學(xué)目標(biāo)的全部?jī)?nèi)容，避免目標(biāo)的缺失。

其三是設(shè)計(jì)過程的實(shí)時(shí)性迭代?；贗SD Models模型的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)較多，操作不到位容易導(dǎo)致學(xué)習(xí)過程的無效，因此需要教師全程跟進(jìn)學(xué)習(xí)過程，及時(shí)對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效的評(píng)估，指導(dǎo)學(xué)習(xí)過程。學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的任務(wù)要與時(shí)俱進(jìn)，實(shí)時(shí)調(diào)整，滿足不同層次學(xué)生的需求。