大概念统领下的项目式教学实践与思考

汤蓉

【摘 要】围绕大概念开展项目式学习，并不是按照传统的知识点在知识体系中的顺序展开，也不是掌握了相关知识点和技能后，再去解决问题，而是以综合问题的解决过程为线索，驱动重要知识的生成，将静态的概念内涵转化为动态的学习环节，让学生经历项目的学习过程、体悟过程、实践过程和价值判断的过程，促进概念理解的进阶，形成知识结构。对于教学设计来说，概念的逻辑内涵是暗线，活动环节的设计衔接是明线。

【关键词】学科大概念；学习进阶；项目式学习

【中图分类号】G434   【文献标志码】A

【论文编号】1671-7384（2024）06-055-04

2017年高中新课程标准明确了信息技术学科的四个大概念：数据、算法、信息系统和信息社会。四个学科大概念之间的内在关联为：数据是描述事物的符号记录，它也是计算工具识别、储存、加工的对象；算法是用来处理数据的一系列步骤；信息系统是一个人机交互系统，交互的正是基于算法的数据；信息社会是以信息活动为基础的新型社会形态，由各种信息系统交叉作用形成[1]。基于这样的关联，课程内容呈现出结构化的框架。

相对于前两个大概念，“信息系统”大概念的抽象和复杂程度较高。高中阶段对信息系统大概念的理解，更强调信息系统的层次性和结构性，核心概念是从系统的开发要素、运行流程和发展趋势等出发，包含了信息系统的组成与功能、信息系统的集成、信息系统的设计与开发、信息系统的安全等。大量数据的处理是信息系统的关键流程之一，涉及多个环节和技术，要确保数据处理的安全性和稳定性，需要采用自主可控的技术和工具，建立自主可控的思想。同时，通过抽象建模的方法，可以对数据处理流程进行简化和优化，提高数据处理效率和准确性。

信息系统大概念的分解与落实

要组织大概念统领下的项目式教学，我们首先要以大概念为主线，深入解读、分析和重组教材等教学资源。大概念的本质是一种观念，是由事实、经验逐步向上提炼出的概念体系[2]。当我们自上而下分解大概念时，可以从概念的产生与来源（如数据的来源、信息的产生）、概念的本质与规律（如编码的本质为了秩序，算法的本质为了效率）、概念的方法与思想（如字符编码和声音编码的方法异同）、概念的关系与结构（如数据的逻辑结构与存储结构之间的关系）和概念的作用与价值（如算法怎样提高信息系统的运行效率和安全系数）五个方面，去深度解读大概念。

以“信息系统”大概念为例，我们要从信息系统的关键要素组成、工作过程、发展趋势等方面出发，先厘清下一层核心概念，再对核心概念内涵进行分解，结合单元模块内容，梳理出下一层具体概念，最后探寻具体概念所指向的真实问题，从而创设适合的项目式情境。比如“信息系统”（大概念）的教学，要先理解“信息系统的组成”（核心概念），再到理解“人、硬件和软件、数据和通信方式”（四个具体概念），最后链接到“真实问题”。

1.人作为主导要素

在各个信息系统的功能设计、组织开发和后期维护中，人都是主导因素，要根据使用者和开发者的需求来完成。比如“扫码点餐系统”的功能设计，学生分角色体验应用场景，从顾客、收银员、服务员、经营商家等多个角度规划系统功能，再考虑餐桌、菜单、人员架构等因素，对系统功能进行具体设计，最后分析其局限性，从老人使用扫码功能是否方便、扫码中个人信息的安全性等角度思考，思考需要补充完善哪些功能。通过这个实践过程，学生体验信息系统功能设计的迭代优化，更深刻理解信息系统的设计始终围绕人的需求，充分体现以人为主导的理念。

2.数据是信息系统的核心内容

信息系统以处理信息为目的，主要功能在于收集、处理、存储、分析和传递数据，从而实现对信息的高效管理和利用。随着物联网、云计算、人工智能技术的广泛应用，数据处理和存储的能力显著提升，数据的来源日益多样化，信息系统中数据的特征、量级和类型等概念内涵都在发生变化。比如“公交车智能调度系统”，有精准显示公交车到站时间和显示公交车到站距离两种功能。学生探讨这两种功能需要搜集和处理的数据有什么不同，尝试建立数据表，分析设计E-R图，确定所需要的字段，在探究数据库的建立步骤中，加深对信息系统中数据概念的理解深度。

3.硬件与软件是信息系统实现的基础

信息系统的运行需要物理平台，包括计算机、网络设备、通讯设备等，硬件是信息系统的物理基础，硬件和软件是信息系统的组成要素。这在概念逻辑上容易理解，难点在于选择适合高中生的硬件项目，在动手实践中理解概念内涵。

在教学实际中，目前由于各校的硬件条件、课时限制，加上大部分学生对开源硬件并不熟悉，这部分教学组织难度较大，教师需要做大量前期准备，对需要引导的问题进行预判。在相应学情下，小型信息系统的硬件搭建有两种学习方式可以采用：一是可以构建硬软件一体（开源硬件+算法编程）的实验系统，让学生动手设计、模拟组装，真实体验小型信息系统的自动化控制；二是对于硬件配置有困难的学校，可采用Linkboy、Wokwi等图形化编程仿真平台，支持程序仿真运行、实时查看运行效果；还有Cisco Packet Tracer、Boson NetSim 等网络模拟器，提供交互式的实验环境，支持故障排除和调试等，帮助学生深入理解抽象复杂的网络概念和技术。

与其他学科不同，信息技术学科的实验一般是针对数据和信息，结合跨学科主题项目式的探究，如“楼道感应灯系统”“自动浇花系统”“小型红绿灯系统”等。在功能设计环节，“自动浇花系统”要根据植物的生长需求和土壤湿度来设计浇水频率和浇水量，需要了解植物生长知识和土壤湿度的测量方法；“楼道感应灯”通过感应人体的移动来自动开关灯，需要理解光学原理和人体感应技术；“小型红绿灯系统”则需要模拟真实的交通环境，实现红绿灯的定时切换。在硬件搭建环节，Arduino主板、传感器、继电器等装置的使用，需要结合物理知识来理解其工作机制。例如，传感器的工作原理涉及到电路的基本知识和信号的转换，继电器的使用则需要理解电磁学的基本原理。在实验过程中，通过假设、实验、验证等方法，不断改进设计方案，提高算法效率，从而优化系统的性能。学生完整体验一个小型信息系统的开发流程，在遇到问题、解决问题的个性化探究中，对“信息系统的工作流程”“自主可控”“抽象建模”等概念理解更加深入，有效地建构自己的知识网络。

4.通信技术是信息系统运行的保障

网络通信技术是信息系统与外部世界连接的重要桥梁，是实现资源共享和信息交换的重要基础。对于这个概念的理解要求，对应新课标内容是“通过分析物联网应用实例，知道信息系统与外部世界的连接方式，了解常见的传感与控制机制”。

近几年人工智能物联网AIoT（人工智能AI+物联网IoT）正在应用到生活方方面面。实现真正意义上的万物互联，不仅仅是设备和场景间的互联互通，而是物—物、人—物、人—物—服务之间的连接和数据的互通，连接的物理设备多样化，对应的通信连接方式也更加多样。教师可以引导学生对生活中常见的应用场景进行分析，数据是如何传输的，采用了哪种无线通信技术等（表1和表2）。

通过分析数据在其中的处理流程，学生直观理解网络通信技术在其中的支撑作用。

大概念统领下的项目式教学设计策略

对于大概念统领下的项目式教学设计来说，概念的逻辑内涵是暗线，活动环节的设计衔接是明线，如图1所示。

图1  大概念统领下的项目式教学设计路径

1.明晰大概念，设计项目情境

教师进行教学设计，运用的是与学生探究过程相反的逆向思维，是在学生明晰了大概念内涵、厘清了概念体系的基础上，再找出概念体系与真实世界的内在关联，将抽象性高的概念融入到学生感兴趣的生活问题中，提炼出典型的项目情境，引导学生深入探究。教师可以通过生活中触手可及的智能系统，多角度创设问题情境（表3）。

从生活中提炼典型的项目情境，教师需要注意以下三点：一是情境问题要精准指向大概念的内涵本质，涵盖大概念下的核心概念，核心概念为项目探究提供相关性的焦点。二是包含真实问题的项目情境，具备开放度和挑战性，而不仅仅是对某个知识点、某个概念的简单呈现和回答。学生必须运用高阶思维，展开综合性的学习与探究。三是问题情境没有标准统一的答案，允许差异化，但评价必须有参考标准，参考标准的设计对应核心素养目标。

2.解构大概念，设计驱动问题链

卡尔·波普尔（Karl Popper）认为：“知识的增长永远始于问题，终于问题——越来越深化的问题，越来越能启发大量新问题的问题。”[3]驱动问题链的设计，是将概念理解融入探究活动的落脚点，能够帮助学生逐步接近、理解大概念。可以说，解决驱动问题链的过程就是建构大概念的过程。

来自真实生活的项目情境，具有一定的现实繁复性，容易使大概念的学习变得模糊。在实际教学中，设计的系列活动往往没有产生连续的、生成性的学习效果，究其原因，是缺乏结构化的驱动问题链作为锚点，没有关注和引导学生的思维进程。那么，驱动问题链如何设计？

其基本思路如下：第一，分析核心概念与项目情境的内涵关联，选取关键点；第二，根据学科课程标准的要求，梳理大概念理解的进阶层级；第三，明晰学生所处的层级与学习目标，调整大概念的解构程度和驱动性问题的大小及形态。

同时注意问题设计的非良构程度，真正起作用的驱动问题会引发学生思维困惑，引出有趣的、可选择的其他观点。我们要聚焦于寻求问题答案的探究、推理过程，而不是简单的“是与非”或“对与错”的结果呈现；避免过度精细化的问题设计，而把学生的思维发展限制在同一维度，束缚个性化探究。

3.外显大概念，组织项目活动

围绕知识关键点的驱动问题，教师设计和组织相应的项目活动，让学生主动探究，从而建构自己的知识结构[4]。探究过程的关键点，往往实践难度较大、步骤较多，教师可以根据学生不同的认知基础和课时情况，搭建学习支架，为学生提供必要的经验、工具、知识等来辅助达到探究目标，有效保证项目实践的完整度。

比如信息系统的开发环节，一般流程与步骤比较复杂，教师可采用的支架方法有：可提供算法框架或者半成品的代码段，算法设计的几个关键点留给学生思考；借助各类学习平台，提供微视频、学案等学习资源，让学生根据需要自主选择；建立小组，呈现各小组活动进度、任务完成情况统计等，并及时反馈。这些方法对于学生的探究活动，都会起到脚手架的支撑作用。

4.表征大概念，实施多元化评价

根据澳大利亚昆士兰科技大学克里斯提那·查莫斯团队的研究成果，基于大概念的STEM综合课程单元设计中，评估系统包含收集、展示、呈现、论证四种评估工具[5]。我们在实践中概括出大概念统领下的项目式教学评价的大致流程：收集学生在项目探究过程中的作品；给学生提供展示交流的机会；利用课堂行为观察量表、小组完成进度统计表等工具对学习活动过程的理解程度进行外显；用访谈、测评等方法确证学生对大概念的理解程度。在教学中，教师可以根据大概念的解构程度和实际学情，对评价流程进行调整。

最后对于概念理解程度的测评，教师可以按照“知道什么”“理解什么”“能做什么”与“想做什么”四个维度，设计概念理解程度的评价框架及细则，比如对函数概念的评价框架（表4）。

表4  函数概念的评价量规表框架

评价维度 评价内容 自评 他评

知道什么 能否用自己的话对函数的作用进行解释、表达

理解什么 能否根据所学知识进行推论、并解释函数适用的情况

能做什么 能否举一反三，自行设计新的函数

能否综合几方面的相关知识，用函数优化本项目中的复杂问题

想做什么 能否发现实际生活中的函数适用情况，并解决问题

结  语

对大概念的理解是一个循序渐进、不断拓展和提升的进阶过程。围绕大概念开展项目式学习，并不是按照传统的知识点在知识体系中的顺序展开，也不是掌握了相关知识点和技能后，再去解决问题，而是以综合问题的解决过程为线索，驱动重要知识的生成，将静态的概念内涵转化为动态的学习环节，让学生经历项目的学习过程、体悟过程、实践过程和价值判断的过程，促进概念理解的进阶，形成知识结构。

参考文献

任友群，黄荣怀. 普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）解读[M]. 北京：高等教育出版社，2020：35.

格兰特·威金斯，杰伊·麦克泰格. 追求理解的教学设计[M]. 闫寒冰，宋雪莲，赖平，译. 2版. 上海：华东师范大学出版社，2017： 77.

波普尔. 猜想与反驳：科学知识的增长[M]. 傅季重，译. 上海：上海译文出版社，2001：318.

李刚，吕立杰. 大概念课程设计：指向学科核心素养落实的课程架构[J]. 教育发展研究，2018，38（15）： 35-42.

Chalmers C，Nason R.Systems Thinking Approach to Robotics Curriculum in Schools[M].In Khine M S.Robotics in STEM Education：Redesigning the Learning Experience.Cham，Switzerland：Springer，2017：33-57.