信息科技教学中跨学科主题设计的实践研究

王蕾 江苏省南京市鼓楼区教师发展中心

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》正式颁布，各地纷纷进行了相关教学形式的研讨。其中，有关算力的教学形式成为一线教师关注的热点。信息科技学科中如何体现算力教学，如何高效地实践算力课堂，值得我们深思。

从理论界的演进到学术界的认可，从学科领域的更替到研究方向的明晰，本文关注信息科技教学，从课堂实践中解析算力教学的元素，为一线教师提供实例。

● 有关算力的理论界定及实践意义

算力是处理能力的度量单位，是衡量在一定的网络消耗下生成新块的单位的总计算能力。从字面意思理解，算力指的是计算能力，英文全称为Computing Power。在具体的信息加工处理中，算力是通过对信息数据进行处理，实现目标结果输出的计算能力。

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》中明确提出，算力是人工智能发展的技术保障，是人工智能发展的动力和引擎。算力是算法的内容之一，隶属于课程模块5“身边的算法”和课程模块9“人工智能与智慧社会”。算法是计算思维的核心概念之一，也是人工智能得以普遍应用的三大支柱（大数据、算法和算力）之一。

● 算力的演进历史及教学现状

从生理角度解析，人类的大脑就是一个强大的算力引擎。在大部分时间里，人们通过口算、心算进行无工具计算，但是这样的算力较低，在遇到复杂情况时，会利用算力工具进行深度计算。

从历史演进角度解析，首先是远古时期的算力，通过原始工具如草绳、石头进行计算。后来，随着文明的进步，有了算筹、算盘等更为实用的算力工具，算力水平不断提升。

单点式计算：20世纪40年代，世界上第一台数字式电子计算机ENIAC诞生，标志着人类算力正式进入了数字电子时代；接着随着半导体技术的出现和发展，芯片成为算力的主要载体。

到了20世纪70、80年代，芯片的性能不断提升，体积不断减小，计算机实现了小型化，个人电脑标志着算力走向了普通家庭和中小企业，成功打开了全民信息时代的大门，推动了整个社会的信息化普及。算力带来的生活品质改善，以及生产效率提升，为后来互联网的蓬勃发展奠定了基础。

云计算技术：进入21世纪后，云计算技术出现了。作为一种分布式计算，它通过网格计算，把一个巨大的计算任务分解为很多的小型计算任务，交给不同的计算机完成。其本质是将大量的零散算力资源进行打包、汇聚，实现更高可靠性、更高性能、更低成本的算力。在算力云化之后，数据中心成了算力的主要载体。人类的算力规模，开始新的飞跃。

算力教学也是相对于传统算法教学而言的，与传统算法教学的被动接受相比，在算力教学更强调学习的自主构建，与传统算法教学静态算力学习相比，算力教学更强调教学的动态生成。算力教学的提出，是对教学认识深化的结果，同时也为现代教学设计提供了新的视角。培养具有算力分布性思维能力的学生，需要通过算力信息科技课堂教学实现。算力教学是一种动态性教学，是一种多样化的教学，是一种学习力提升的教学。

● 算力分布性课堂教学的实践

实践一：科学计算类算力教学

在算力教学中，科学计算类的主题较为广泛，包括物理化学、气象环保、生命科学、石油勘探、天文探测等。该类主题关注学生在从事某种科学活动后所获得的结果，强调学生活动中表现出来某种程度上首创性的算力能力。算力教学关注科学性算力的优先确定，让学生带着明确的目标进行学习。

“认识计算机”是信息科技教材的起始课，常见教材均把该课放在起始学段的第一课，足见其重要性。在传统的教学设计中，常见的教学设计为：教师准备计算机发展史的相关素材→通过书本浏览的方式或通过PPT进行历史回顾→学生回答关键点→教师收集教学素材→整理内容，小结本课知识点。这样的教学行为，易偏颇为知识普及课，学生成为围观者，而非参与者，有悖于学科思维的发展初衷。

（2）思考焦点

在传统的教学设计中，注重认识计算机的发展史，忽视对发展史规律的总结和归纳；注重中央处理器等核心原件的名称，忽视核心原件的技术推手及与时代更新的关联；重视计算机的名称变化，忽视对今后发展趋势的预测。因此，传统的教学设计缺乏必要的信息科技学科算力的渗透。

基于算力教学的课堂，需要在教学目标中明确设定科学性算力目标，帮助学生建立有效的认知标的，明确知识取向，确定实现科学性算力目标的形式，制订学习实践。有的放矢的学习过程，易产生思维的火花，有利于形成算力分布性的学习材料。教学建议如下。

在“探索计算机的秘密”一课中，教学目标中有关认识四代计算机发展史的内容，在教学设计中，预先将有关计算机发展史的内容制作成简短的微课，让学习者在课前进行知识储备和了解。课前，教师提出相关议题。

任务目标：理解科学计算类的算力。

任务课时：1课时。

主要活动：

方向一：计算机发展的脉络及规律。（算力的历史）

方向二：是什么推动了计算机的发展？（算力的作用）

方向三：计算机今后可能向什么方向继续更新？（算力的发展）

方向四：绘制计算机发展思维导图。（算力的轨迹）

在前半节课中，各小组选择兴趣主题，再依据自身的选题，根据微视频及网络资源、书本资源找到答案。

加工方向一：构建具有智能化功能的硬件结构。（算力的工具）

加工方向二：搭建自媒体系统的软件组成。（算力的平台）

加工方向三：研究现有模型中的硬软件特点。（算力的支持系统）

加工方向四：优化组织结构单位及平台效能。（算力的更新）

在后半节课中，进行集中研讨，采用自我适宜的形式，汇报研究结果。班级沙龙式研讨，对汇报组进行跟进和追问。

评价活动结果：神机妙算——最佳创意奖；神机妙算——最佳合作奖；精打细算——最奇思妙想奖；渊图远算——最固若金汤奖。

在以上过程中，学生清晰地了解算力学习目的和表现方式，在理出明晰的主线后，通过算力分布性思维进行自我实践，逐一建构素材。每一次搜索，都是一次从认知理论到实践验证的过程，从而完成了深层学习和意义建构。因此，在实际教学中，效果甚为理想。

实践二：工程计算类算力教学

在算力教学中，工程计算类的主题较为常见，常用于计算机辅助工程、计算机辅助制造、电子设计自动化、电磁仿真等内容中。对于义务教育阶段的学生而言，算力学习需要通过优化教学过程即在一定的教学条件下寻求合理的教学方案来完成。

“智能ETC”部分是人工智能单元学习的难点之一。部分乡村学生已有生活经验匮乏，教师在此内容的教学中，往往陷入困境。在笔者听过的相关课中，常规教学一般采用如下模式：视频导入“介绍智能ETC的应用”→概念解析“说明什么是智能ETC”→原理说明“介绍智能ETC的原理”→应用前景“智能ETC的常用场景”。

智能ETC的内容有一定的认知难度，以上的教学过程有着浓厚的品社课或理论课的痕迹，教师讲解多，学生操练少，无法理解算力在此人工智能项目中的作用，且缺乏算力分布性课堂的活力，导致最终的教学效果不尽如人意。

在关注算力主题的教学中，学生的学习兴趣点与算力的工程任务相关。教师可通过学生的学习倾向，选择适宜的算力感知方式内容，满足不同层次学生的学习需要。在本课中，教师可将智能ETC的内容进行具象，帮助学生整理思路，采用可视化的方式帮助获取算力分布性的学习资源。建议教学过程如下。

看一看：视频导入。欣赏：高速收费站繁忙的场景视频。提出问题：高速收费口拥堵的情况应如何解决？

探一探：网络平台对话，探索智能ETC系统的结构组成。教师带领学生观察编程平台，舵机对应的脚本如何设置参数；在教师演示参数设置后，舵机模拟转动方向。

想一想：师生讨论“如何达到智能ETC系统的抬起和下降的目的”？学生完成任务一：读取车牌信息。

试一试：学生实践“尝试合作上升和下降无舵机闸口”。教师提出问题：在刚才的操作中，智能ETC系统可以顺利地读取车牌信息，那么该如何扣费呢？

改一改：完成任务二“尝试闸口智能升降”。小组成员共同分析程序，制订升降计划，完成任务。

思一思：感知流程——回顾刚才的挑战要求，小组讨论并展示花式挑战的活动目标等，如智能提醒和智能报读等。

在以上过程中，教学过程通过可视化的过程图进行了改进，学习过程迎合了当前学生的学习特点，有效地激发了学生的学习兴趣。在课前，学生可获取部分相关的知识背景，在课上，学生根据所获取的基础知识，进行二次反思和自我知识构建，将算力在智能ETC部分的内容具象化为可控性的流程图，从而为自我的思维提供有序的整理。这个过程鼓励了学生对算力的概念进行深度理解，并触发了思维、创意、个性化的成果的生成。

实践三：智能计算类算力教学

在算力教学中，智能计算类的主题有一定的教学难度，常见于人工智能计算，包括机器学习、深度学习、数据分析等。智能计算类算力教学的附加价值区别于传统的教学目标，指学生通过学习过程新增加的认知价值，是创新活动中除原认知之外的增值内容，是激发学生更高创造性认知的火花，是学生通过算力分布性活动进一步提升和改进认知结构、优化认知过程的价值属性。

（1）原设计

“电子二维码”是智能算力的典型课例，常规的设计思路如下：展示带有电子二维码的产品→对比没有二维码的产品→介绍软件操作方法→提供素材→教师介绍二维码的原理→学生算力：练习插入二维码→小组展示作品→评价作品。在教学过程中，学生独立完成作品后算力千篇一律，缺少创新点。

出现以上情况，即是本课的算力目标不够清晰，学生在短时间内无法从工作原理和应用方式两个角度理解电子二维码中有关算力部分的内容，因此无法顺利地完成既定的学习目标。通过设定复合型算力，厘清不同学生适宜的信息算力项目形式，因人而异地选择合理的信息处理途径。

对于此类主题，关注算力的具体类别，再依据算力统计出的具体数据，选择合适的设计方案，为学生创设符合个性化要求的新型算力路径。具体教学活动设计如下。

算力链接1：怎么选？

教师播放智能自动售货机的视频素材，向学生出电子二维码的工作流程。

算力链接2：选什么？

教师引导：实现无人售卖机的工作过程，学生模拟以上过程。

师：同学们尝试了哪一种商品？你是如何实现自动购买货物的？（预设：有些学生更改了相关选项的设置，关注电子二维码的识别作用）

算力链接3：试着选？

提示探究方法：介绍电子二维码的结构，提出电子二维码通过无线射频识别、通信技术实现数据的传递。

自主探究：根据学件进行探究，必要时进行小组互动。

算力链接4：我会选！

教师谈话：（出示问题作品）这些产品虽然具有二维码，但不是电子二维码，你可以说出原因吗？怎样才能改造成智能电子二维码呢？

畅想①：电子二维码的颜值能否提升？（算力的外包功能）

畅想②：电子二维码的功能能否扩展？（算力的延展功能）

在以上的过程中，算力项目的来源更加丰富，形成了一套完成的算力思考链，其不仅从生活经验入手，还能够结合新技术的应用给予学生更为客观的体验，是一种复合型进阶性算力策略。通过多层次的信息算力实践项目，与对应的信息输出达成一致，进而鼓励学生进行深度学习。在实际使用中，收到了良好的教学效果。在此设计中，技术为暗线，实现项目为明线，通过具体的载体，让学生形成有意义的附加价值，达到算力教学的目的。

● 算力分布性课堂教学的关注点

教学过程的算力分布性是对学生学习过程的尊重，将技能主线变为项目明线、技能隐线的结果。通过确定科学性算力目标、优化教学过程等实践，形成算力教学成果。在设计中，要注意几个细节：算力关注分布性；以算力为基础的学习要统整在明确的学习目标之中，学习过程是围绕教学目标进行的，并非天马行空、随心所欲；算力关注设计性，从惯常的设计流程改进为算力分布性的设计流程，前期的设计过程和素材准备都有所增加，所以算力教学是更为精致的设计，而并非忽视教学规律设计；算力尊重主体性学情，学习内容适合何种设计方式，需要根据学情进行针对性的考量，选择生成经验、具备信息化工具使用基础的学生，进行动态作品生成。