信息技术学科大概念的内涵特征与学习路径

汤蓉 江苏省泰州市第二中学

《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》以培养核心素养为目标，首次精炼出四个学科大概念：数据、算法、信息系统和信息社会。学科大概念作为培养学生核心素养的阶梯和抓手，是贯穿具体知识点的主线。同时，课程内容基于学科大概念层层递进的关联，呈现出结构化的框架。

●学科大概念对于信息技术学科的意义是什么？

在新课程实施后，笔者对江苏各地多所高中的信息技术教师开展问卷调研后发现，高中信息技术课程教学普遍存在三个问题：

①90%的信息技术教师关注的仍是学生知识点的掌握。对每个章节的具体知识点和概念较为重视，但对知识点蕴含的内在关联、逻辑依据思考较少，没有从学科大概念的角度连贯成一个结构化整体，缺乏对深层次价值意义和学科思维方法的思考。

②工具类学科的定位根深蒂固。只要求在确认要解决的问题后，选用一个适合的工具，掌握对应的技能方法即可，学生学到的是庞杂而零散的知识与技能，对技术与真实世界的关联、技术底层的基本原理和概念并不了解，缺乏从形象思维到抽象思维的过渡理解。

③缺少对学生思维进程的引导和判断。教师一般采用模拟习题训练（系统打分），只对知识点掌握情况和操作技能的熟练程度进行判断考核。

这三个问题共同导致了一个结果：学生学到大量的惰性知识，无法构建自身结构化的知识网络，因而很难形成自己的核心观点。这也正是要强调大概念统领的实践动因，唯有立足教学中学生的实际问题，才能帮助学生把握大概念的实质内涵。

●学科大概念究竟是什么样的概念？

大概念的初衷是从学科逻辑的角度，提炼出本学科最核心、最本质的思想，是对学科内容最精炼的内涵提取，能将学科内容联系成一个连贯的整体。

大概念的本质是一种观念，它不是高度抽象的、孤立的概念个体，而是由事实、经验逐步向上提炼的概念体系，具有“案例事实、已有经验—具体概念—核心概念—学科大概念”的层次结构。大概念处于这个稳定的结构体系顶端，是学科中的统领概念，因此大概念最能反映学科本质和学科内涵。在一个概念体系中，概念所处层级越高，其抽象性与迁移性越强，生活性与具体性越弱，越难被理解，如图1所示。

图1

●如何对学科大概念进行分解？

要组织大概念统领下的项目式学习，首先要对学科大概念进行分解，厘清大概念与下一层子概念的逻辑关系，梳理出由浅入深、从简单到复杂的带有层级的概念层级体系，并挖掘出这些概念所指向的真实问题，才有可能让学生在真实问题的探究中，实现对概念的理解。

以“信息系统”大概念为例，从信息系统的关键要素、工作过程、发展趋势出发进行分析，应先厘清下一层核心概念，再对分析出的核心概念进行分解，结合单元内容，梳理出下一层具体概念，最后探寻概念所指向的真实问题，从而创设适合的项目式情境。下面，笔者以“信息系统”（大概念）—“信息系统的组成”（核心概念）—“人、硬件和软件、数据和通信方式”（四个具体概念）—“真实问题”这个概念逻辑为例进行分析。

Solution of nonlinear operator equation by inexact iterative under the ordered compressed conditions

1.人——信息系统的主导因素

信息系统都是根据使用者和开发者的需求来确定系统功能，系统的设计开发和后期维护也都是人来完成，因此人是主导因素。

以教科版教材中的“图书管理系统”为例，首先引导学生从管理员的困惑出发，根据需求明确功能；其次让学生作为设计者，体验系统开发的完整流程；最后在测试和拓展环节，引导学生思考登录框架可应用于其他哪些场景，在使用测试后需要补充哪些功能，让学生在实践中理解信息系统始终都围绕着人的需求。

2.数据——信息系统运行的基础

在系统功能确定后，需要收集与其相关的信息并将其转为数据，数据是信息系统运行的基础。例如，在“校运会管理系统”的几大功能模块确定后，让学生探讨：建立数据库需要搜集哪些信息？从比赛项目、运动员、裁判员、比赛成绩等几个角度如何建立数据表？同时，以运动员表为参考，让学生尝试建立其他数据表，分析设计E-R图，确定需要的字段等。在这个过程中，让学生探究数据库的建立步骤，理解深度数据的概念，体会数据对信息系统的重要支撑作用。

3.硬件与软件——信息系统的实现

硬件搭建部分的内容可以通过跨学科主题组织项目式学习，让学生动手设计和模拟组装。对学生来说，通过动手实践既能体验到信息系统的实现，培养创新意识，也能真正从实践层面理解自主可控的意义。

例如，“自动浇花系统”在项目的容量、难度、硬件的选择上，都符合高中生的认知水平，可以让学生完整体验一个小型信息系统的开发流程。在实践中学生的探究兴趣浓厚，小组的项目完成度较高，在使用Arduino、传感器、继电器等硬件装置时，融合了物理概念和原理，具有一定的挑战性。对学生来说，通过亲自动手搭建让“信息系统的工作流程”的概念变得具体形象，在遇到问题、不断解决问题的过程中，更有效地建构了自己的知识网络，加深了对概念的理解。

在“信息系统的开发设计”部分，因为开发流程的步骤比较复杂，学习难点较多，教师可以通过设计脚手架的方式，保证整个项目流程的体验完整度。

例如，采用半成品的流程图和代码，让学生填写关键部分，既达到理解算法的目的，也符合学测方向。以“网络信息系统开发”为例，在体验网络版与单机版的差别后，让学生从几个角度思考区别，完成表格填写，再引出c/s和b/s等概念，从形象到抽象过渡的脚手架设计，有效促进学生对概念的理解。

4.通信技术——信息系统与外部的连接

例如，出门在外，手机端可以实现对浇花系统的远程控制、实现对智能家电的远程遥控等，让学生更直观地理解网络通信技术在其中的支撑作用。

●信息技术学科大概念的内涵特征是什么？

1.数据

《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020修订）》（以下简称“新课标”）中定义：“数据是描述事物的符号记录，是信息的载体，是计算工具识别、存储、加工的对象。”要想理解信息技术学科中的“数据”内涵，先要让学生理解与数学学科相比，“数据”概念区别是什么？数学中的数据（data）是指对客观事物的符号表示，它能准确描述事物的状态、属性等，是在客观物理世界里观察、测量等得到的，对于其运算处理，通常称为数值计算。而计算机处理的数据除了数值，还有可能是图片、声音、视频等形式的信息，它们都要输入计算机，并被计算机处理运算，这些都是数据。所以，信息技术学科中的“数据”概念本身有更重要的含义，就是数字化。

以教科版教材为例，“数据”大概念的呈现结构如图2所示。第一单元“初识数据与计算”，从学生熟悉的数值型数据开始，对应生活中的简单计算问题，如体脂率计算、摄氏与华氏温度的转换、鸡兔同笼等数值计算类问题，形成概念的初步认识；第二单元“编程计算”与之对应，对数值计算类问题进行基本算法的设计和编程实现，以数值算法为主；第三单元“认识数据”引入非数值型数据，从声音、文本等信息的采集与编码，到数据的存储结构，再到分析数据与系统的关系等，逐步展开“数据”大概念的下一层核心概念；第四单元“计算与问题解决”则对应生活中较复杂的综合问题，对于综合问题的解决，既需要数值算法，更需要非数值算法。进阶式设计让教材结构形成连贯的整体，符合学生的认识规律。

图2

光是将大概念分解为核心概念，然后是具体概念，接下来的重要步骤是概念指向生活中的真实问题。

以“数据编码”为例，教师列出创设的真实情境，如小区住户的门牌号码、校运会运动员编号（包含不同年级、班级、运动项目等）、餐厅排队叫号的编号（包含不同桌型和顺序等），核心概念对应核心问题（任务序列）的设计，让学生理解编码的意义，以及为什么要有编码。（编码的本质作用是为了秩序）

2.算法

算法是对特定问题求解步骤的一种描述，是一系列解决问题的清晰指令，算法设计的目的就是要提高效率。

算法概念与数据一样，不局限于某一单元或者某一模块的学习，更不局限于编程学习，高中阶段的算法学习重点偏向于综合问题的解决。在智能化时代，信息的来源、信息分类以及信息的获取方式等都发生了很大变化，同一个问题采用不同的算法，时间复杂度和空间度不同，解决问题的效率差异性很大，因此，算法对各种信息系统的优化完善作用非常重要。“算法”大概念作为逻辑主线，贯穿整个知识体系，它的价值在于把复杂的问题简单化，分析问题涉及多方面信息，能做出更高效准确的综合判断。

3.信息系统

在新课标中，信息系统的定义是：“从组织结构的视角来看，信息系统是由用户、数据、硬件/软件设施构成的人机交互系统。”合理设计和应用信息系统，可以更好地感知、传递、处理和应用信息。在高中阶段的信息系统概念体系中，核心概念主要是从信息系统的关键要素、工作过程、发展趋势出发进行分析，其中包含信息系统的组成、信息系统的功能等。

相对于前两个大概念，“信息系统”这个概念的抽象度和复杂度较高，可以借助义教阶段六条逻辑主线之一的“过程与控制”，来实现概念理解的进阶。在学习了数据与编码、数据结构、身边的算法之后，作为重要连接点，用“过程与控制”引入后面的概念，即信息系统中数据的处理流程，让学生用系统观的方法来认识信息系统，分析生活场景中随处可见的“输入—处理—输出—反馈”的流程模式。以两种感应水龙头的控制系统为例，其环节分析如下表所示。

生活实例数据的处理流程环节分析感应水龙头控制系统1：将手靠近感应水龙头，有固定水流量的输出，出水一分钟后停止将手靠近感应水龙头，传感器感应到手部，并将信号输入到控制系统，经过计算，打开水阀，实现固定水流量的输出，达到预设的固定值后，则停止水流具有“输入—处理—输出”三个典型环节的小型信息系统感应水龙头控制系统2：将手靠近感应水龙头时出水，手离开感应区，水流会立刻停止在感应出水后，如果手离开感应区，传感器感知到，将信号输入控制系统，经过计算，关闭水阀，水流立刻停止加入了反馈环节，具有“输入—处理—输出—反馈”四个典型环节的小型信息系统

“信息系统”概念的学习，可以采用跨学科主题的实验教学来开展，跟其他学科不同，信息技术学科的实验一般是针对数据和信息。新课标解读中指出：“实验教学是学生在教师的引导下，使用一定的设备和材料，通过控制条件的操作过程引起实验对象的某些变化，从观察这些现象的变化中获取新知识或验证新知识的教学法。”

例如，让学生动手设计和模拟组建小型红绿灯系统（从功能设计到硬件组装），借助开源软硬件平台，设计解决方案，最后通过实践操作模拟搭建系统，让学生在假设、实验、验证等过程中，提升动手实践能力和灵活应用知识的高阶思维能力，同时深入理解“信息系统”概念所包含的核心内涵。

4.信息社会

在新课标中，信息社会的定义是：“信息社会是通过创造、分配、使用、整合和处理信息进行经济、政治和文化的社会形态。其中的社会成员通过创新、高效使用信息技术等手段，以获得较高的个人或组织生成与发展优势。”

高中阶段的“信息社会”概念体系，以核心素养之一的“信息社会责任”培养为目标，从伦理道德、法律法规、技术等角度来分析信息社会的形态和基本特征，侧重探讨信息技术对人类社会的影响，以及信息社会的未来发展。目前，随着人工智能技术的迅猛发展，“信息社会”的概念体系中也包含了人工智能与智慧社会的重要内涵。

高中阶段人工智能项目的设计要让学生理解人工智能解决问题的主要方法和流程，教师可以借助适合的AI平台或软件，如百度AI、腾讯AI等，搭建简单的智能应用，不仅让学生探究简单的人工智能项目或开展人工智能实验活动，结合物联网技术，解决身边问题，体验训练数据的收集、人工智能模型的参数调整等，还让学生理解人工智能的局限性，如深度学习对数据集的依赖，训练数据的抽象偏差、数据不平衡及数据质量低等，都会造成AI运行结果的错误。同时，引导学生思考人工智能给社会发展带来的负面影响，如智能推送算法造成信息茧房、个人隐私数据的泄露、AI算法的恶意使用等，进一步培育学生的信息社会责任素养。

信息技术教师只有真正把握学科大概念的本质内涵，以大概念为主线，理顺知识背后所蕴含的内在关联和逻辑依据，形成以大概念为统领的结构化知识，才能对学生的思维进程进行引导，让学生在内容连贯的整体中构建知识，优化自己的知识结构，真正促成浅表学习到深度学习的转变，把所学的内容转化为解决问题的思路与方法，从而实现从知识到素养的转化。