项目式学习在高中信息技术教学中的应用研究——以Python人工智能爬虫课程为例

李兴隆,佟松龄,董 艳

(1.北京师范大学 教育学部,北京 100875;2.中国人民大学附属中学,北京 100086;3.深圳市光明区高级中学,广东 深圳 518107)

一、概述

随着人工智能、大数据、互联网+、5G等新一代信息技术的快速发展,教育领域正在发生深刻变革[1]。当今时代的学生自幼接触手机、电脑、互联网等相关产品,他们已由过去的数字移民过渡为数字原住民[2]。这对信息技术教学提出了更高的要求。在过去的信息技术教学中存在诸多误区:在课程内容上有诸如文字录入、办公软件、编程教学等,但这些内容仅仅是培养学生对于信息技术的熟悉程度,缺少对于学生信息素养、计算思维的提升[3],与当今社会的时代要求不符;在教学方法上,部分教师采用讲授式的教学方法,没有为学生提供激发学习兴趣的问题情境,导致教学效果不尽如人意[4]。

基于此,本研究通过高中信息技术一线的实践教学,以中国人民大学附属中学的高中生为研究对象,借助项目式学习方法在信息技术学科教学中的实践应用,经过课程设计、构思、研讨、实践与迭代诸多步骤后,形成Python人工智能爬虫课程,以促进学生的信息意识与核心素养的养成,为一线实践教学的教师及学者提供借鉴参考。

二、中学信息技术教学现状分析

1.信息技术学科的地位较低

高考作为高中教育的指挥棒,自然会影响教师、家长、学生对于不同学科的重视程度,除浙江省将信息技术纳入高考选考科目外,在大多数省份中信息技术是非高考科目,因此,信息技术毋庸置疑地成为了各个学科中的“边缘人”[5]。具体体现在部分学校对于信息技术学科并不认可,同时多数信息技术教师还要承担如机房维护等事务性工作,导致信息技术教师的工作量较大[6]。

从实践经验和调研结果来看,部分学生也并不重视信息技术课,认为:部分教学内容过于简单,如word排版,没必要学,教学内容较为枯燥、实用性差[7];学习内容过难,如编程学习,掌握起来较为吃力。因此教师在教学设计过程中需要综合考虑诸多要素,根据现实情况选择更优的教学内容与方式。

2.信息技术知识的实践性强

课标规定,高中信息技术课程分为必修课、选择性必修课、选修课。必修课已有明确教材内容,选择性必修课和选修课则在教学实践中呈现出不同的样态。必修课主要以讲授为主,选择性必修课分为升学考试类和个性化发展类课程,选修课为由高中自行开设信息技术的校本课。其中必修课和选择性必修课中的升学考试类课教学内容较为固定,面向个性化发展的选择性必修课和选修课的教学内容较为灵活[8]。近些年,信息技术的课程改革如火如荼,编程、视频拍摄与制作等课程内容都被搬上了信息技术学科教学的舞台,从过去的办公软件到如今的编程、新媒体教学内容,无一不体现了信息技术学科知识实操性强的特点。

在实践中,教学过程被划分为教师讲解与学生的上机实践,由于信息技术的学时远远少于其他高考学科,因此教师在课堂教学中对于讲解时间和学生实践时间的把握尤为重要[7]。在信息技术知识实践性强、课时少的现实背景下,信息技术教师所选择的教学方法显得尤为重要。

3.信息技术教学方法待改进

基于信息技术的学科特性,教师应选择一种有针对性的教学方法以保障信息技术的教学效果。传统的信息技术课堂教学暴露出来的问题有:在教学目标上,过于突出操作技能的练习而忽略了核心素养的培养,导致教学目标有效性缺失;在教学情境中,问题在于与学生的生活实践经验相脱离,导致无法激发学生的学习动机;在教学活动设计上,缺乏与学生的有效交互,且没有充分调动学生与学生之间互动的积极性;在课堂提问上,教师提问的层次较为浅薄,无法培养学生的迁移能力与创新思维,面对课堂中的“意外”情况,教师的处理方式较为单调[9]。

那么有没有一种以学习者为中心、统领学习任务、调动学生协作学习与积极性的学习方式能够在信息技术学科中加以应用呢?经过初期的文献调研与实践发现,项目式学习在基础教育领域和高等教育领域均发挥了重要的作用。基于此,本课例将项目式学习方法应用于高中信息技术学科教学之中。

三、信息技术教学的破局之道:项目式学习

项目式学习是体现以人为本的理念,落实以学习者为中心的创新教学法。项目是指创造特定产品或服务,借助多种手段和方式,在一定时间内解决多个相互关联着的任务。在教育领域中,项目式学习是指以学科教学内容为中心,通过作品的制作,在真实世界中借助多种资源与手段,在一定时间内解决相互关联着的问题的一种新型教学模式[10]。项目式学习的价值体现在如下几个方面:首先,项目式学习的开展有利于学生科学探究与人文精神的培养;其次,项目式学习在提升学生的核心素养与学科能力上发挥显著的作用;再次,项目是当今社会工作的主流,让学生在学校学习阶段接触项目式学习,更利于学生的未来工作[11];最后,项目式学习落实了从重视教师“教”到支持学生“学”的重要转向,体现了落实以学习者为中心的教改方向[12]。

项目式学习在信息技术教学中的应用在我国已有诸多实践。钟柏昌教授认为信息技术教学更应使用项目式学习的教学方法[13]。滕珺等对项目特质作了进一步拆解:真实的情境性——所选择的项目应是学生在现实生活中遇到的现象或问题;项目式学习更加强调系统思维——这与社会对创新人才培养的要求不谋而合;产品导向——在项目式学习课程结束后要有产品,此产品可以是实体,如学生组装的机器人,也可以是设计方案等虚体内容[14]。对于信息技术学科而言,项目式学习关注真实问题情境、小组协作学习、问题解决能力的培养,这与2022年发布的新课标中所要求的培养学生解决问题能力、提高数字化合作与探究能力、发扬创新精神等不谋而合[15]。同时不同于以往学生机械模仿教师的操作行为、缺乏自主探索与思考,项目式学习能够鼓励学生在实践中成长、在思考中创新。此外,项目式学习能够有效落实跨学科知识的教学,如学生在完成项目解决问题的过程中,可能会把不同的学科知识整合应用,这更利于学生对所学知识进行高阶迁移[16]。

1.项目式学习赋能信息技术教学的应用方法

项目式教学经过多年的发展,出现了不同的变体与模式,经过对过往文献的梳理发现,项目式学习有最基本的五个步骤:确定项目、确定计划、活动探究、作品制作、成果交流与活动评价[17]。由于问题情境构建和团队组织也是影响项目式学习的关键因素,本研究参考张文兰等提出的项目式学习设计模式,将项目团队组建与问题情境导入两个步骤作为项目设计阶段,项目实施分为确定项目、制订计划、活动探究、作品制作阶段,项目评价分为成果交流与总结评价两个步骤[18]。具体如图1所示。

教师在项目设计阶段主要负责问题情境构建和指导学生组队,学生在此阶段要将已有经验与教师的问题情境相结合,队友选择也需要在此步骤完成。在项目实施阶段主要完成的任务有确定项目、制订计划、活动探究与作品制作,教师主要负责对项目进行拆解,提供适切的资源,对必要解决的共性问题进行课堂统一教学,协调监督学生的活动实施流程,学生则需要在目标确立后,对课程进行学习,在此基础上自主探索、小组协作交流,完成课程作品的制作。在项目评价阶段要完成的任务有成果交流和总结评价,除了常规的教师评价与学生评价外,教师还应邀请项目相关领域的专家对学生的作品进行点评和指导,学生在此步骤要对小组完成的作品进行展示,并反思交流。

2.项目式学习增效信息技术教学的关键要素

在项目设计阶段:问题情境构建要以小见大,与学生生活关联,引发学习者的认知冲突;学生组队不可放任自由,要有一定的原则和方法。在项目式学习课程开始前,教师应找寻教学主题与学生已有知识经验的联结点,这样既能有效吸引学生的学习兴趣,与学生已有的知识经验相结合,又能够达到对项目进行析出的作用。同时,在项目开始前,就要注重学生的团队组建,因为后续的学习活动开展都需要基于团队协作,学生的学习体验、项目的产出质量与深度均与此相关。在实际落实中有如下几种方式:一是学生自行组队,优势在于队员之间较为了解,便于沟通交流;二是根据学生学习风格及能力组队,优势在于成员之间能力互补;三是教师随机分配,这样的组队方式贴近现实情境,但对于项目完成的不确定性较大,日常教学中不建议使用[19]。

在项目实施阶段:制订计划要注意学习任务的可行性与开放性;活动探究过程中要提供充足的学习资源与支撑,并充分调动不同小组内有特长学生的积极性,尽可能发挥每个个体最大的价值与作用;作品制作应提前说明所需材料,并制定项目评价标准,方便学生在作品制作过程中实时对标。教师在此过程中所扮演的角色是不断转换的,一是按照项目的推进进度实时改变角色,二是根据学生的需求不断提供相应的指导与帮助。教师需要在项目开始前对项目的探究与实施进行推演假设,尽可能考虑全面并进行教学准备,同时对学生的共性问题进行集中授课解答,对较为个性化的问题进行单独处理。

在项目评价阶段:一是对项目式学习的成果进行多元评价,除常规的教师评价与学生评价外,应邀请项目领域相关专家对学生作品进行点评;二是将学生作品中的优秀案例作为生成性资源。教师应给学生足够的舞台,让学生与学生之间、学生与专家之间深入交流,并由专家进行指导,以利于学生在汇报作品的基础上再作改进与提升。

四、高中信息技术项目式学习的应用案例

“人工智能课程之Python爬虫”是学校的选择性必修课程,共11次课,每次课40分钟,具体教学进度会根据学生的实际情况进行调整。课程目标:一是使学生能对现实生活中有关流量明星造假的问题进行深入思考,培养学生的信息素养;二是使学生通过实际项目的复现与学习,掌握人工智能爬虫抓取数据方式的一贯思路与具体方法;三是使学生最终完成主题相关编程项目,并汇报交流,从而提升学生的创新思维与沟通能力。在教学评价上,形成性评价占比40%,终结性评价占比60%。完整的课程教学计划见表1。

1.课程缘起

人工智能作为近些年中小学实践领域非常关注的内容,在一线教学中通常以信息技术或人工智能课程形式开展,教学内容通常为编程、机器人等与人工智能相关的课程[20]。

2019年人民日报官微发表了有关流量明星数据造假的微博,批判了当前部分明星流量造假、干扰正常演艺秩序的行为。如对某自媒体平台中的流量明星分析显示,粉丝群体中有11%是水军,为其刷出73%的造假数据[21]。

基于此,本课程的问题情境导入便选择了流量明星数据造假的真实问题情境。同时,由于这些话题与学生日常生活所关注的内容相贴切,所以对项目引入将起到重要作用。

2.项目实施

在去除导入阶段、自主探究、项目答辩与总结几个环节后,课程可以分为初探、进阶与深入三个大的子主题。

初探阶段主要涉及的是Python爬虫的初始环境构建,同时在环境搭建完成后,会在当堂课让学生实践一个爬取图片的小项目,让学生感受数据爬取的乐趣,并为学生说明爬虫时要遵循的法律法规与相关互联网协议。后两节课则是针对网页中两种典型的数据进行爬取,分别是静态网页与动态网页数据接口调用的内容获取。

进阶阶段会紧扣项目主题进行功能实现,尤其是社交平台点赞器的案例,在实现过程中充分激发了学生的学习热情,调动了学生在以往生活中的实践经验,学生会更加乐于深入探索人工智能项目中的更多可能性,并且也与课前导入的环节前后呼应。移动端Web数据抓取则是对网页端数据抓取的一种补充方式与选择,学习者可以在电脑端网页爬取受阻时使用移动端进行尝试。

深入阶段,教师依旧会结合案例进行相关内容的讲解,但从此阶段开始学生会逐渐步入课堂的舞台中央,教师除了案例演示与知识讲解外,会给学生更多的自主探索、挖掘的机会,学生之间的互动与交流频次也会比前面的课程更多。

自主探究阶段是给学生组内合作交流自主完成项目的专用时间,教师在此过程中应在关注课堂纪律的同时对学生的项目进行指导与把关,因为这是在项目汇报前、也是整个项目式学习成果检验准备的重要环节之一。在项目答辩与总结阶段,教师会邀请人工智能领域的专家对学生的作品进行指导与点评,为学生后续的自主发展提供更多的支撑。在全部教学环节结束后,教师对整个课程的开展、学生的学习表现等进行总结,并为学生展望未来人工智能领域发展的前进方向。

五、总结

经过一学期的实践,针对项目式学习在高中信息技术教学中的应用积累了一定的经验:一是项目式学习的驱动性问题一定要找准,此问题不可过于宽泛,也不应过于具体,应在项目主体的范围内具备可操作性;二是学习过程主要分为独立学习与合作探究,这二者并不相互矛盾,简单的知识学习不需要进行交流时采用独立学习的方式,而面对难度较大、开放性较强的问题时则可以采用合作探究的方式,教师一定要把握这二者的应用时机;三是对于未经历体验过项目式学习的教师而言,初次开设项目式学习的课程需要付出更多的时间和精力;四是在开展项目式学习课程时应采用不同方式的教学策略,达到教学质量与效率的双提升。经过师生话语分析与学生访谈发现,项目式学习中学习者的学业成绩比传统教学中表现更优,学生的沟通能力、协作能力都得到了有效提升,并在之后的课程学习中乐于采用项目式学习的方法。