透视与洞见：隐匿在技术背后的思想与原理——以《模板的设计与应用》为例

田靖 浙江省宁波市宁海县教育局教研室

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》将课程名称由“信息技术”改为“信息科技”，名称上的微小改变却体现了不同的课堂理念。从强调技术为本到现在明确提出对内容的选取是“从信息科技实践应用出发，注重帮助学生理解基本概念和基本原理，体现‘科’与‘技’并重”[1]，体现了新教材的内容不仅注重技能操作，而且强调根据不同学段了解、知道、理解其背后原理性的知识。“技”是技能，是实践应用，“科”是科学，是基本原理，教师需在平时教学中点透这层含义才能引导学生探究技术的本质、理解学科的思维。下面，笔者以幻灯片母版、图层、键位分布为例，从基本概念入手来阐述“技”背后的“科”。

● 母版——面向对象的体现

浙江教育出版社出版的七年级上册第十二课《模板的设计与应用》的技能目标是认识与学会使用PowerPoint模板、版式、母版。从大部分课堂教学反馈来看，教师能够创设恰当的情境，较好地落实这一技能目标。但是对于这三者的关系，学生多数不太清楚，甚至部分教师都不明白，其实这三者的关系是非常典型的计算机解决问题的方法——面向对象。

一般来说，版式改变的是幻灯片页内的排版布局，模板改变的是幻灯片的背景图案、文字格式、配色方案等，但是这些都是基于模板本身已经预制好的参数——母版，也就是说母版才是这些设置的源头。编程有两个重要思想——面向过程和面向对象，面向对象是将现实要解决的问题根据不同的功能、对象抽象成不同的类，再通过类和类之间的继承及类的实例来实现。PowerPoint的母版就是类，模板是类的实例。

在母版页中，最上面的母版就是基类，下面的各种版式根据不同的需求分别由其派生出来，它拥有母版所有的特征，换句话说，母版是下面所有版式共同特征的集合，模板就是母版类的实例，它不光继承了母版的所有特征，同时还可以根据需要进行个性化的修改（如下页图1）。这样设计的好处有两个：①内容与形式的分离。同一个讲稿内容可以对应不同的模板，同样，同一个模板也可以对应不同的内容，它们存在多对多的关系。所以，在设计模板（母版）时可以抛开具体内容，专注于设计本身。②高效。因为母版与模板之间有继承关系，如果要修改某个模板的参数，直接找到对应的母版就可以修改。

图1

计算思维有四个表现形式——形式化、模型化、自动化、系统化。[2]本课要求学生根据自身任务需求进行整体分析，确定呈现的框架，从中提取出每块内容表现的相同点和不同点，从而分析出每一页幻灯片的共同特征和每一版式幻灯片的特征，分别通过母版页和子母版页（形式化）控制最后的呈现形式。学生思维方式要经历从框架到内容、从顶层设计到具体落实的过程，在这个过程中不仅要进行思考分析，而且还要进行抽象建模，提取出共同点（母版页）和不同点（子母版页），最后形成版式的自动套用（自动化、模型化）。所以，学生不仅要学会信息科技课的实践技能，同时也要明白其背后设计的原理和思维方式。

● 图层——分治思想的实践

图层功能广泛存在于图像和视频处理软件中，如Photoshop、Flash等，教师在介绍图层时总会将其类比为一张透明的胶片，透明胶片有图案，多个图层叠加就好像多张胶片按顺序叠放在一起，可以透过上面图层的透明区域看到下面的图层，改变图层的顺序和属性可以改变图像的效果，每个图层都可以独立处理。将概念进行类比是教学中常用的手段，目的就是降低学生理解的难度，达成更好的课堂效果，但对为什么用图层、图层的出现是为了解决什么问题等背景知识教师一般不做介绍，但恰恰是这些背景知识才能使学生更加深入地理解图层。

图层蕴含了计算机中的分治思想，就是把一个复杂的问题分成两个或更多的相同或相似的子问题，再把子问题分成更小的子问题……直到最后子问题可以简单地直接求解，原问题的解即子问题的解的合并。一个复杂的图像（视频也是图像的集合）可以分成几个部分（图层组），每个部分再细分（子图层组），分到最后要解决的问题就是个小问题（图层），图层之间相互独立，非常便于针对某个部分进行后期修改。

● 键位——编码理解的载体

现代计算机键盘起源于打字机键盘，打字机的键盘最早是按照字母顺序排列的，但打字机是全机械结构的打字工具，如果打字速度过快，某些键的组合很容易出现卡键问题。于是在1868年肖尔斯将最常用的几个字母安置在相反方向，最大限度放慢敲键速度以避免卡键，从而形成了现代QWERTY键盘布局，1932年华盛顿大学教授奥古斯特·多芙拉克设计出了键位排列更科学的DVORAK布局。从两手的负载率来看，DVORAK键盘更平衡。基于此，笔者设计了如下编码学习求证的实验。

键盘中的键位分布是教学中理解编码的一个良好载体，可以理解不同编码对效率的影响是不同的。笔者以现在使用的键盘为基础，探讨键盘分布对左右手打字的负载率的影响，即左右手敲击次数占总次数的百分比，理论上来说两手负载率要基本持平（含字母和标点符号），以保证两手负担均衡等。

本内容可以作为教学综合课的形式让学生进行探究，建议放在学生对Python语言有初步掌握之后。敲击次数以26个英文字母为统计对象（附带几个常用标点符号），以经典小说《简·爱》为例，程序代码如下页图2所示。

图2

利用上述Python代码读取小说的TXT文本内容，并将文本中英文字母统一转换成小写字母，程序输出如下页表1所示。将表1数据按照三个方案整理后，形成下页表2。

表1

表2

通过上述输出结果和统计，教师向学生提出以下几个问题：

①英文字母出现的频率哪个最高？哪个最低？从中你知道了什么？

②查找资料，打字机键盘分布为什么从最初的方案A发展到方案B？方案B的布局有哪些好处？它解决了哪些历史痛点？同时方案B又有哪些局限性？

③如果让你来重新设计键盘分布方案，你会从哪几个方面来考虑？

④利用本案例的思路还可以解决什么问题？

字母使用频率不一致是键盘键位分布重点要考虑的内容，同时也要考虑各个手指灵活程度不一，好的编码方案就是在左右负载平衡的同时，充分协调这两者的关系。学习的目的在于应用[3]，字母频率的统计为后续对称性加密解密（恺撒加密）提供了思路，也为后续编码类知识的学习做了铺垫。

在信息科技课程中，实践操作是日常教学中必不可少的一环，如何透过技能找出其背后隐藏的原理，帮助学生打通实际操作和技术原理之间的壁垒，需要信息科技教师不断思考。系统提供的具体功能就像一个个已经封装好的类，它是一个确定的算法，可以实现具体领域的问题求解。但是，教师不能满足于应用它，应带领学生探究它背后的原理，实现核心素养的养成。