運用數(shù)字化工具開展高中信息技術(shù)研究性學(xué)習(xí)活動

高晨馨　周賽龍

摘要：筆者以國家衛(wèi)生健康委員會公布的每日新型冠狀病毒確診人數(shù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從研究性學(xué)習(xí)的教學(xué)出發(fā)，結(jié)合高中信息技術(shù)教學(xué)中數(shù)據(jù)處理的一般思想方法，利用數(shù)字化工具M(jìn)atlab等教學(xué)軟件，與學(xué)生一起淺探此次我國新型冠狀病毒傳播的統(tǒng)計模型，以此幫助學(xué)生體驗運用數(shù)字化工具進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)的過程，促進(jìn)學(xué)生信息技術(shù)學(xué)科素養(yǎng)的達(dá)成。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化工具研究性學(xué)習(xí)活動新型冠狀病毒統(tǒng)計模型

一、前言

當(dāng)前，隨著新課程、新教材、新高考“三新”改革如期而至，我國的中學(xué)教育改革不斷向縱深發(fā)展。在此背景下，單憑傳統(tǒng)的教學(xué)方式已不能滿足當(dāng)前信息技術(shù)教育“落實立德樹人根本任務(wù)、大力發(fā)展素質(zhì)教育”的育人要求，以情景和問題為導(dǎo)向，具有問題性、探究性、自主性、過程性、開放性、實踐性等眾多特點，且可以實現(xiàn)小組合作、生生交流、自主探究、師生共探等多樣化的學(xué)習(xí)形式的研究性學(xué)習(xí)活動，不僅是發(fā)展學(xué)生信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的一種有效教學(xué)方式，更能極大地提升學(xué)生的創(chuàng)新、實踐能力，與當(dāng)前改革育人方式密切相關(guān)。然而，由于傳統(tǒng)教學(xué)觀念、應(yīng)試教育、教育資源等多種因素的影響，大部分教師在課堂中實際開展研究性學(xué)習(xí)活動“舉步維艱”，存在研究性學(xué)習(xí)活動教育理論與教育實踐嚴(yán)重分離的現(xiàn)象。正如霍益萍教授所說，對于我國當(dāng)下的中小學(xué)而言，如何有效有序地發(fā)揮研究性學(xué)習(xí)活動的作用，讓其真正成為中小學(xué)課程中的一個重要的模塊，是我們當(dāng)前必須要去解決的問題。而作為一線信息技術(shù)教師，如何帶領(lǐng)學(xué)生擺脫“填鴨式”的無效學(xué)習(xí)，使研究性學(xué)習(xí)活動真正成為提升學(xué)生思維品質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生信息技術(shù)素養(yǎng)的有效方式，是我們一直思考并探索實踐的難題。

二、研究概況

（一）國外研究性學(xué)習(xí)理論形成的概況

在國外，研究性學(xué)習(xí)的思想最早可溯源至蘇格拉底的“產(chǎn)婆術(shù)”，即通過對話的方式引導(dǎo)學(xué)習(xí)者主動探究，獨立思考，并自主得出結(jié)論。自18世紀(jì)起，以美國為主所倡導(dǎo)的研究性學(xué)習(xí)理論發(fā)展大致歷經(jīng)了3個階段：第1階段，研究性學(xué)習(xí)的啟蒙階段。18世紀(jì)至19世紀(jì)，受啟蒙運動影響，盧梭等提出自然主義教育思想。主張教育要遵循兒童天性，回歸自然，保護(hù)兒童與生俱來的學(xué)習(xí)求知欲和好奇心，并提出發(fā)現(xiàn)教學(xué)。盧梭認(rèn)為，方法和興趣是發(fā)現(xiàn)教學(xué)的兩個基本要素，通過探究發(fā)現(xiàn)的過程，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教會學(xué)生研究問題的方法，這比知識的傳授更重要。這一觀點是研究性學(xué)習(xí)的啟蒙，奠定了其思想基礎(chǔ)。第2階段，研究性學(xué)習(xí)的理論形成階段。19世紀(jì)末至20世紀(jì)初，美國基本完成近代工業(yè)化，以杜威等為主要代表的進(jìn)步主義理論逐步發(fā)展起來，提出問題教學(xué)法，主張學(xué)生在日常生活中發(fā)現(xiàn)并提出問題，鼓勵主動探究，強調(diào)學(xué)生在解決問題過程中的主動性和主體地位。這一觀點更進(jìn)一步奠定了研究性學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)。第3階段，研究性學(xué)習(xí)相關(guān)理論應(yīng)用于教學(xué)實踐階段。20世紀(jì)50年代末至70年代，受美蘇冷戰(zhàn)的影響（蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星），美國教育改革進(jìn)入高潮時期。此時，布魯納提出“發(fā)現(xiàn)法”的教學(xué)方法，給出“發(fā)現(xiàn)法”的具體教學(xué)實施步驟。主張學(xué)習(xí)的過程本質(zhì)上就是進(jìn)行科學(xué)研究的過程，兩者只是程度上的強弱不同而已。該教學(xué)方法的提出對研究性學(xué)習(xí)理論整體發(fā)展具有深化及推動作用。

（二）國外研究性學(xué)習(xí)實踐發(fā)展的概況

自20世紀(jì)80年代起，研究性學(xué)習(xí)活動的實踐與發(fā)展主體歷經(jīng)了2個階段：第1階段，研究性學(xué)習(xí)活動逐漸成為學(xué)校課程體系的重要組成部分。自20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)初，伴隨著“冷戰(zhàn)”結(jié)束，國際形勢又一次發(fā)生巨變。為了適應(yīng)社會發(fā)展的新要求，提高人才的國際競爭力，許多發(fā)達(dá)國家紛紛將研究性學(xué)習(xí)納入培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)校課程體系之中。美國于1985年，提出并實施“2061計劃”，指出美國下一代將面臨科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域的巨大變革，今日的學(xué)生為適應(yīng)明日的變革必須現(xiàn)在就做出反應(yīng)。該計劃強調(diào)科學(xué)學(xué)習(xí)的中心是探究，教師不能只教教科書，而是要讓學(xué)生自己通過研究獲得知識，如此才能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，要培養(yǎng)具有研究性學(xué)習(xí)能力的軍事和科技人才，以應(yīng)對“冷戰(zhàn)”的需求?！袄鋺?zhàn)”結(jié)束后，1996年美國頒布《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》，強調(diào)研究性學(xué)習(xí)在教學(xué)中的重要地位，規(guī)定了自幼兒園至12年級不同教育階段的學(xué)生的科研能力水平標(biāo)準(zhǔn)，提供教師開展研究性學(xué)習(xí)活動教學(xué)的指導(dǎo)原則。在法國，設(shè)置初中課程內(nèi)容“發(fā)現(xiàn)之旅”，高中課程內(nèi)容“框架性個人研究”，小學(xué)則倡導(dǎo)“動手實驗”等。第2階段，基于研究性學(xué)習(xí)活動培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)21世紀(jì)的新技能、新素養(yǎng)。21世紀(jì)對培養(yǎng)具有綜合素質(zhì)的復(fù)合型人才提出了越來越高的要求，世界各國紛紛提出了適應(yīng)本國國情的21世紀(jì)核心素養(yǎng)或技能框架。如2002年，美國制定了《“21世紀(jì)素養(yǎng)”框架》，且以此為指導(dǎo)，將21世紀(jì)素養(yǎng)全面融入國家課程中；在英國，其國家課程標(biāo)準(zhǔn)中著重強調(diào)對21世紀(jì)公民必備技能的培養(yǎng)，倡導(dǎo)學(xué)生積極開展跨學(xué)科的研究主題等。因此，當(dāng)前研究性學(xué)習(xí)已經(jīng)成為各發(fā)達(dá)國家及地區(qū)開展學(xué)習(xí)活動的重要方式，且實施和發(fā)展水平較趨于成熟。

（三）國內(nèi)研究性學(xué)習(xí)的實踐

我國研究性學(xué)習(xí)活動的開展相比發(fā)達(dá)國家起步較晚。2000年，在教育部頒布的《全日制普通高級中學(xué)課程計劃（試驗修訂稿）》中，第一次正式給出“研究性學(xué)習(xí)”的概念。當(dāng)前，國內(nèi)很多學(xué)校和地區(qū)正在嘗試發(fā)展具有校本特色的研究性學(xué)習(xí)活動課程。如我國最早開展高中研究性學(xué)習(xí)實踐的上海市，運用現(xiàn)代信息技術(shù)開發(fā)了“研究型課程自適應(yīng)學(xué)習(xí)平臺”，為學(xué)生研究課題提供個性化的、一站式的網(wǎng)上虛擬和互動空間；在上海市吳淞中學(xué)，精心打造了研究性學(xué)習(xí)基地——“道爾頓工坊”。與高校合作共建個性化學(xué)習(xí)室、電子工程實驗室、科技創(chuàng)新實驗室、院士導(dǎo)航站、計算機虛擬仿真實驗室，為學(xué)生提供研究性學(xué)習(xí)的舒適空間。近幾年，上海又在探索如何將研究性學(xué)習(xí)活動納入高中學(xué)生綜合素質(zhì)評價體系，且作為評價學(xué)生綜合實踐能力及素養(yǎng)的依據(jù)等。但是，各地由于經(jīng)濟(jì)水平的差異，研究性學(xué)習(xí)的實踐水平差異也較大。整體發(fā)展水平由沿海地區(qū)（如浙江等）至中部地區(qū)（如安徽等）再到西部地區(qū)（如云貴川等）大致呈減弱趨勢。

三、運用數(shù)字化工具開展研究性學(xué)習(xí)活動案例

筆者曾以“研究性學(xué)習(xí)”為教學(xué)活動形式，運用數(shù)字化工具開展了一次基于建模及統(tǒng)計思想的“淺探我國新型冠狀病毒傳播的統(tǒng)計模型”的信息技術(shù)教學(xué)活動，取得了不錯的教學(xué)效果。具體如下。

（一）確定主題

2019年12月，武漢首次公布出現(xiàn)新型冠狀病毒以來，短短一個月時間，新型冠狀病毒在全國迅速蔓延，給人們的生命健康帶來了極大的威脅。要想控制新型冠狀病毒的傳播，了解其傳播的規(guī)律十分重要，本節(jié)課，筆者就以2021年1月16日至1月29日國家衛(wèi)生健康委員會公布的每日新型冠狀病毒確診人數(shù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用Matlab軟件等數(shù)字化工具，共同探究此次我國新型冠狀病毒傳播人數(shù)的統(tǒng)計模型。

（二）活動規(guī)劃

經(jīng)過師生共同探討，確定此次探究活動的主要步驟如下（見圖1）。

（三）活動實施

1.收集并初步整理數(shù)據(jù)

根據(jù)國家衛(wèi)生健康委員會公布的新型冠狀病毒確診人數(shù)數(shù)據(jù)，同學(xué)們共同篩選了自2021年1月16日至1月29日14天的新型冠狀病毒確診人數(shù)數(shù)據(jù)，并記1月16日為第1天，依次編號，類推得到14天的數(shù)據(jù)，如表1所示。

2.數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建與擬合

首先，根據(jù)以上14組數(shù)據(jù)，師生共同利用Excel軟件繪制散點圖；接著，教師把學(xué)生分為4個活動探究小組。且要求各個小組的同學(xué)根據(jù)繪制的散點圖，結(jié)合高中數(shù)學(xué)的經(jīng)驗公式，分別構(gòu)建數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。

其次，經(jīng)過小組共同探討，各小組準(zhǔn)備分別利用以下4種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合：

模型（1）：y=ae^x+bx+c

模型（2）：y=ae^x+bx²+cx+d

模型（3）：y=ae^x+bx³+cx²+dx+f

模型（4）：y=ae^bx+cx³+dx²+fx+g

最后，在教師的指導(dǎo)下，各小組的同學(xué)通過小組合作，利用Matlab軟件，對各自小組選擇的函數(shù)模型進(jìn)行程序編碼。各小組同學(xué)均通過Matlab對函數(shù)模型進(jìn)行擬合，且求出了相應(yīng)的參數(shù)以及殘差平方和，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

3.模型的分析與重建

同學(xué)們進(jìn)行小組交流討論，分析各組擬合所得模型的實際效果。

對比4種函數(shù)模型擬合效果不難發(fā)現(xiàn)，第（1）種數(shù)據(jù)擬合函數(shù)模型的殘差平方和最大，故擬合效果最差；而第（3）種數(shù)據(jù)擬合函數(shù)模型的殘差平方和最小，擬合效果最好，且第（3）種數(shù)據(jù)擬合的函數(shù)回歸解析式為：

?=-0.0007e^x+8.8150x³-109.6792x²+451.5576x-395.3719

但是，對第（3）種數(shù)據(jù)擬合的函數(shù)回歸解析式，有同學(xué)認(rèn)為，由于解析式中e^x的參數(shù)a=-0.0007，當(dāng)x→+∞時，?的值會出現(xiàn)負(fù)值，這顯然不符合病毒傳播的普遍規(guī)律，故此模型不合適。此外，考慮采取以上4種函數(shù)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合時，e^x的參數(shù)a均趨于0或者等于0，且結(jié)合病毒在人群中傳播的特殊性，同學(xué)們大膽猜測此函數(shù)模型可能與指數(shù)型函數(shù)模型的關(guān)聯(lián)不大，應(yīng)該更加接近三次函數(shù)型模型。因此，可構(gòu)建另一種數(shù)學(xué)模型（5）重新進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，具體擬合結(jié)果如表所示。

此時回歸函數(shù)解析式為：

?=6.8039x³-74.0081x²+277.4478x-193.1049

對比分析以上5種回歸函數(shù)模型，結(jié)合病毒在人群中的傳播屬于非完全自然傳播的實際情況，同學(xué)們一致認(rèn)為最后得到的三次函數(shù)型的回歸模型（5）相對比較合適。

4.模型的檢測

根據(jù)數(shù)學(xué)模型（5）： ?=6.8039x³-74.0081x²+277.4478x-193.1049，同學(xué)們對比實際確診病例與回歸預(yù)測患者人數(shù)數(shù)據(jù)，如表4所示。

由對比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，三次函數(shù)型的回歸模型（5）的擬合數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)并不是太大，說明模型的實際擬合效果較好，同學(xué)們對自己最終探索獲得的統(tǒng)計模型十分滿意。

5.模型的反思

（1）該回歸函數(shù)模型建立的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是2021年1月16日至1月29日國家衛(wèi)生健康委員會公布的每日新型冠狀病毒確診人數(shù)數(shù)據(jù)，結(jié)合該新型冠狀病毒的潛伏期約為14天，此回歸函數(shù)模型可近似看作沒有政府嚴(yán)格管控措施下的新型冠狀病毒的傳播情況。由表2可以看出，用回歸函數(shù)模型所求結(jié)果與實際結(jié)果之間存在一定誤差。此誤差越大，在一定程度上越能反映政府管控的效果。（2）雖然傳染病的一系列模型一般都是帶參數(shù)的微分方程或差分方程，但考慮高中學(xué)生所學(xué)知識難度及深度有限，故采用大多數(shù)學(xué)生能想到的多項式類型的函數(shù)模型做預(yù)測，雖模型略顯粗糙，預(yù)測效果不一定十分準(zhǔn)確，但能通過“做”的過程，幫助同學(xué)們感悟研究性學(xué)習(xí)活動的一般過程與思想，提高學(xué)生的實踐精神和促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生信息學(xué)科核心素養(yǎng)。（3）此模型一定程度上可以幫助同學(xué)們認(rèn)識到新冠病毒傳播的嚴(yán)重性，以此警示同學(xué)們?yōu)榱俗陨砗图胰说纳】?，一定要做好自我防護(hù)工作。

四、教學(xué)總結(jié)

目前，新課程、新教材、新高考“三新”改革已落地實施，為適應(yīng)新時代的育人要求，信息技術(shù)學(xué)科的育人方式也必須不斷地尋求革新突破。研究性學(xué)習(xí)活動作為一種綜合實踐活動被引入高中課堂，其目的就是改變傳統(tǒng)“以教師為中心，以講授為主”的呆板育人方式，而以學(xué)生為活動中心，革新育人方式。本次研究性學(xué)習(xí)活動主要以“建模”的步驟進(jìn)行，逐步按照“獲取收據(jù)→分析處理數(shù)據(jù)→推理建立數(shù)學(xué)模型→實驗驗證模型→形成知識→應(yīng)用知識解決問題”的步驟，有效、有序地開展，且運用了數(shù)據(jù)收集、分析、處理等高中統(tǒng)計知識以及數(shù)字化教學(xué)手段，圓滿地完成了此次“淺探我國新型冠狀病毒傳播的統(tǒng)計模型”教學(xué)活動。這不但培養(yǎng)了學(xué)生的問題解決意識和信息技術(shù)能力，而且增強了學(xué)生的社會責(zé)任感和公民意識，提升了學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。在開展研究性學(xué)習(xí)活動的過程中，同學(xué)們不但可以通過自主探究、小組合作、社會調(diào)查等多種方式，體驗建模過程以及社會實踐活動，而且能夠合理科學(xué)地運用數(shù)學(xué)統(tǒng)計思想以及數(shù)字化工具處理數(shù)據(jù)，通過學(xué)生參與探索并完成課題項目的整個過程，“潤物細(xì)無聲”地鍛煉學(xué)生數(shù)字化工具應(yīng)用的綜合能力，提升學(xué)生信息技術(shù)的整體素養(yǎng)。

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責(zé)任編輯：唐丹丹