信息科学课程化的实践研究 *——以“模型与模拟”单元课程为例

李 赫，董玉琦

(1.长春工业大学 信息传播工程学院，吉林 长春 130012；2.上海师范大学 教育技术系，上海 200234)

信息科学课程化的实践研究*
——以“模型与模拟”单元课程为例

李 赫1，董玉琦2

(1.长春工业大学 信息传播工程学院，吉林 长春 130012；2.上海师范大学 教育技术系，上海 200234)

信息科学的兴起，丰富了科学发展的图景，并且正在成为信息社会中的一门中心科学，成为人类社会进步的关键，加紧基础教育阶段信息科学课程化的研究必要且紧迫。信息科学课程化，首先就要建立课程研究“科学化”的概念，即要用科学的思路来设计和开发信息科学课程，在结构上、问题域上、术语学上寻求信息科学知识与中小学信息教育课程的衔接与一致。该文以“模型与模拟”单元课程为例，从单元课程选题、单元课程开发、单元课程教学实验等方面对信息科学课程化的实践研究进行汇报，得出以下结论：通过创设情境，使学生亲身经历信息科学过程，在真正掌握信息科学知识、信息科学方法的同时，理解信息科学的本质与价值，提升了信息科学素养；通过实践研究获得反馈信息，对信息科学课程方案进行修改和完善，以确保内容上的可行性、方法上的科学性，为信息科学课程的推广和使用奠定坚实的基础。

信息科学课程；模型与模拟；课程开发；教学实验

信息科学的兴起，丰富了科学发展的图景，并且正在成为信息社会中的一门中心科学，成为人类社会进步的关键。我国当前中小学教育课程难以适应新的需求，尤其体现为信息科学的教育内容未能有效地融入到基础教育课程中去。着眼于信息时代发展潮流，设计开发有关信息科学的教育内容及其资源显得十分必要。从信息科学到信息科学学科课程，即信息科学课程化，实际上包含两个知识转化过程：一是科学知识向学科课程知识的转化，二是学科课程知识向学生知识的转化。而信息科学课程化，首先就要建立课程研究“科学化”的概念，即要用科学的思路来设计和开发信息科学课程，在结构上、问题域上、术语学上寻求信息科学知识与中小学信息教育课程的衔接与一致。

信息科学课程化研究，包含理论研究和实践研究，实践研究是信息科学课程化研究的关键阶段。通过实践研究，要让信息科学课程价值、课程目标、课程内容等理论研究成果接受实际检验，以确保信息科学课程化在内容上的可行性、方法上的科学性。本文以“模型与模拟”单元课程为例，对信息科学课程化的实践研究进行阐述。

一、“模型与模拟”单元课程选题

首先，从学科角度出发，课程内容应反映信息科学学科的基本特征和发展趋势，要能体现最基本的信息科学概念和原理。在信息科学的学科逻辑体系中，模型化和模拟是信息认知原理的重要组成部分[1]。

其次，模型与模拟作为信息科学课程的学习内容，在一些国家的中小学信息科学教育课程中占有重要位置。如俄罗斯教育部于2000年制订的“信息学的结构与内容”[2]中，“信息模拟的基础”作为理论信息学的重要内容被明确列出，具体包含信息模型、模型设计、计算机模拟、模型化方法等内容。日本文部省于2008年12月颁布了新的学习指导要领[3]，根据该指导要领制定的“日本高中信息科学科目内容构成”[4]中，包含“模型化和模拟：理解模型化和模拟的思想和方法，并能够根据此解决实际问题”的内容。英国早在1995颁布的国家信息技术课程标准[5]中，就规定了模型和模拟的相关内容。如在小学阶段，要求学生使用建模工具控制计算机屏幕上小龟图像的移动。在高中阶段，要求学生利用计算机模拟探索某些事物之间关系，形成一些简单的假说并进行测试。2000年英国颁布实施国家信息与通信技术课程标准[6]，其基本理念是培养学生的信息技术能力。该信息技术能力被界定为“有效地分析、处理与呈现信息和模拟、检测与控制事件的能力”[7]。

此外，就信息科学教育而言，模型和模拟有其自身的价值。模型和模拟不仅包含重要的信息科学概念、原理，还能够充分体现信息科学的思想和方法。信息方法作为信息科学方法论体系的核心，已经成为一种具有普遍方法论意义的科学方法。信息方法是指通过分析事物所包含的信息过程来揭示它的工作机制，通过建立适当的信息模型和合理的技术手段来模拟或实现高级事物的复杂行为[8]。模型与模拟要求从信息的观点出发考察事物，通过对原型的抽象，也就是对问题的建模，来模拟系统的工作机制和复杂行为，达到认识并加以控制。可以说，模型与模拟正是信息方法的具体运用。

笔者分别开发出适合初中阶段学习和高中阶段学习的两个单元“模型与模拟”课程版本。初中阶段主要是通过可视化编程语言Scratch的学习，使学生初步形成建模的思想。高中阶段主要是通过信息建模的方法对事物的信息过程进行分析，通过计算机软件如Excel、“Z+Z超级画板”[9]对动态模型和概率模型进行模拟，达到对事物行为的控制和事物发展的预测。本文详细介绍高中阶段“模型与模拟”单元课程开发和教学实验的详细情况。

二、“模型与模拟”单元课程开发

如何对模型与模拟进行单元课程开发？笔者提出信息科学课程开发模式[10]，在信息科学课程的实践研究中，作为课程开发过程中遵循的基本程序和方法，如图1所示。

图1 信息科学课程开发模式

该信息科学课程开发模式特指适用于单元层次的信息科学课程开发，包含前端分析、目标设定、活动和资源开发、课程教学、课程评价等环节。笔者运用该模式成功开发出“模型与模拟”单元课程资源，如教材、教学设计、学生实验、教师讲义等。篇幅所限，重点举例如下：

(一)“模型与模拟”单元教学设计

表1 “模型与模拟”单元教学设计

(二)“模型与模拟”单元学生实验

为使学生理解和掌握“模型与模拟”单元课程所蕴含的信息科学原理和信息科学方法，特此开发出“模型与模拟”单元的学生实验。

其中，“实验一、对动态模型求解的计算机模拟实验”主要是采用设计性实验，学生对昆虫繁殖的问题建立模型，通过计算机进行模拟求解。在实验一中，从建立模型到计算机模拟求解，学生要经历问题分析、模型假设、模型构成、模型求解、模型检验、模型应用六个关键步骤。

“实验二、对概率模型求解的计算机模拟实验”，实验内容是对圆周率π值的求解。实验二分别采用设计性实验和验证性实验两种实验途径。设计性实验主要是通过产生随机数对圆周率π值进行模拟，其实验步骤与实验一相同。验证性实验环节，借助“Z+Z超级画板”工具及其资源“投豆实验”。投豆实验与历史上著名的蒲丰投针实验相似，将π值的求解问题同一定的概率模型相联系，通过统计获得π值的近似解。向学生介绍蒲丰投针实验的史实，使学生通过投豆实验模仿科学家的科学发现过程，体验科学探索的乐趣。验证性实验中，学生要经历构造概率模型、从已知概率分布抽样、建立π值估计量三个关键步骤。

三、“模型与模拟”单元教学实验

信息科学课程教学的实施，是信息科学理论课程走向实践课程的关键。通过教学实验，使信息科学学科知识转化为学生知识，并对课程方案的可行性进行检验。

(一)教学实验过程

“模型与模拟”单元教学实验对象为长春一汽三中高一46名学生。由笔者担任授课教师，由长春工业大学信息传播工程学院的5名学生协助教学准备及视频、图片数据的采集。此外，还有该校信息技术教研组3位教师教学观摩。

“模型与模拟”单元教学实验总计6课时，分三次课进行。“模型与模拟”单元教学实验之前，除上述课程资源之外，还进行了充分的教学准备，包括科学模拟实验视频、学生机“Z+Z超级画板”安装、投豆实验课件、掷骰子实验课件、储水式水箱工作原理课件、教学实验前测问卷、教学实验后测问卷等。

(二)前测问卷、后测问卷设计

对“模型与模拟”单元教学实验结果，主要是通过前测问卷和后测问卷的分析以及课堂观察记录等获得。为得到教学实验效果的准确信息，对“模型与模拟”前测问卷、后测问卷中的相关题目进行了统一设计，如表2所示。

表2 “模型与模拟”单元前后测问卷设计

(三)教学实验结果与分析

1.学生对“模型与模拟”单元概念、原理的掌握程度

通过前测问卷和后测问卷的统计分析，获得教学前后学生对“模型与模拟”单元重要概念、原理的掌握程度，如下页表3所示。

表3 教学前后”模型与模拟”单元概念、原理的掌握程度

统计结果显示，学生对模型与模拟概念、原理的了解程度从教学前均值1.26上升至教学后均值2.64，有显著提升。说明“模型与模拟”单元课程的学习能够帮助学生掌握模型与模拟重要概念和原理。

2.学生运用模型与模拟的相关技能

通过前测问卷和后测问卷的统计分析，获得教学前后学生运用模型与模拟相关技能的情况，如表4所示。

表4 教学前后学生运用模型与模拟的相关技能水平

统计结果显示，学生运用模型与模拟相关技能水平从教学前均值2.05上升到教学后均值3.43，有显著提升。说明“模型与模拟”单元课程的学习能够促进学生运用模型与模拟相关技能水平的提高。

3.学生对模型与模拟核心概念、原理的一般应用技能

前测问卷和后测问卷均考查了反馈原理、模型分类、蒙特卡罗法三项内容，以获得学生对模型与模拟核心概念、原理的一般应用情况，统计结果如图2所示。

图2 学生对模型与模拟核心概念、原理的一般应用情况

统计结果显示，教学后反馈原理的正答率为84.8%，模型分类的正答率为82.6%，蒙特卡罗法的正答率为91.3%。而教学前三项内容的正答率都不足20%。说明“模型与模拟”单元课程的学习能够帮助学生提高对模型与模拟核心概念、原理的一般应用。

4.学生运用模型与模拟进行问题解决：基数比例动态模型

后测问卷中设置了基数比例动态模型的问题解决，要求学生对中国网民数量增长情况进行建模型并模拟求解，学生表现如图3所示。

图3 学生对基数比例动态模型的问题解决情况

统计结果显示，有33名学生完成对该问题的分析、建模和求解，占样本总数的71.7%，说明学生运用模型与模拟进行基数比例动态模型的问题解决普遍获得成功。

5.学生运用模型与模拟进行问题解决：系统反馈动态模型

后测问卷中设置了系统反馈动态模型的问题解决，要求学生对空调温度调节的系统反馈机制进行建模并模拟求解，学生表现如图4所示。

图4 学生对系统反馈动态模型的问题解决情况

统计结果显示，有36名学生完成对该问题的分析、建模和求解，占样本总数的78.3%，说明学生运用模型与模拟进行系统反馈动态模型的问题解决普遍获得成功。

6.学生对学习活动的自我评价

后测问卷中设置了学生对课程学习的自我评价项目，以获得学生对“模型与模拟”单元课程内容的认知情绪，统计结果如图5所示。

图5 学生对“模型与模拟”单元学习的自我评价

统计结果显示，有40名学生认为“对我很有启发，学到很多东西”，占样本总数的87.0%，说明“模型与模拟”单元课程能够引发学生的兴趣和求知欲望，满足学生的学习需要。

7.学生对课程内容的评价

后测问卷中设置了学生对课程内容的评价项目，以获得学生对“模型与模拟”单元课程内容的认知反应，统计结果如图6所示。

图6 学生对“模型与模拟”单元课程内容的评价

统计结果显示，有32名学生认为“内容不算难，但需要反复思考才能消化理解”，占样本总数的69.6%；认为内容简单和偏难的学生各有9名和5名，符合正态分布。说明“模型与模拟”单元课程内容选取适当，能够促进学生思维和认知的发展。

8.学生对教师教学水平的评价

后测问卷中设置了学生对教师教学水平的评价项目，统计结果如图7所示。

图7 学生对教师教学水平的评价

统计结果显示，有41名学生评价“讲解清晰，我听得很明白”，占样本总数的89.1%。笔者本人担任授课教师，出于对信息科学课程研究的投入，在授课内容的把握上具有一定的优势。课后与本次教学观摩的3位高中信息技术教师座谈，他们表示对“模型与模拟”单元课程的教学缺少胜任的信心，需要前期培训和深入学习才有可能。

四、结束语

以“模型与模拟”单元课程开展的信息科学课程实践研究取得了较好的效果，通过创设情境，使学生亲身经历信息科学过程，在真正掌握信息科学知识、信息科学方法的同时，理解信息科学的本质与价值，提升了信息科学素养。同时，通过实践研究获得反馈信息，对信息科学课程化方案进行修改和完善，为信息科学课程的推广和使用奠定了坚实的基础。

[1]李赫,董玉琦.信息科学课程内容的构建[J].中国电化教育,2012,(9):7-10.

[2]董玉琦,解月光主编.研究资料汇编(七)——俄罗斯信息学教育[M].长春:东北师范大学信息技术教育研究所,2001.12.

[3]文部省.新学習指導要領[DB/OL].http://www.mext.go.jp/a_menu/shotou/new-cs/news/080216/002.pdf,2014-03-06.

[4]日本文部科学省.高等学校学習指導要領解説[M].東京:東山書房,2010.3.

[5]Information Technology Teacher’s guide[DB/OL].http://www.standards.dfes.gov.uk/pdf/primaryschemes/itx_primary_guide.pdf,2014-03-06.

[6]National Curriculum Information & Communication Technology(ICT).All The Schools for schools in South West UK[DB/OL].http:/ /www.alltheschools.com/ curriculum,2014-02-26.

[7]The use of ict in subject teaching expected outcomes for teachers in england，northern ireland & wales[DB/OL].http://www.englishschoolsfoundation.edu.hk/ITinset/TTA/TOUT.HTM,2014-03-06.

[8]蔡筱英,金新政,陈氢.信息方法概论[M].北京:科学出版社,2004.8.

[9]“Z+Z超级画板”是由“Z+Z项目组”研发的适合中国基础数学教育的智能平台，1996年由中科院张景中院士主持开发[DB/OL].http://121.8.98.104/,2014-03-06.

[10]李赫.信息科学课程化研究[D].长春:东北师范大学,2012.

李赫：副教授，博士，研究方向为信息技术教育(lihe@mail.ccut.edu.cn)。

董玉琦：教授，博士生导师，研究方向为信息技术教育(dongyq@nenu.edu.cn)。

2014年5月14日

责任编辑：李馨 赵云建

Practice Research of Information Science Curriculumlization——“Modeling and Simulation” Unit Curriculum as an Example

Li He1, Dong Yuqi2
(1.Institute of Information Spreading Engineering, Changchun University of Technology, Changchun Jilin 130012;2.Department of Educational Technology, Shanghai Normal University, Shanghai 200234)

The rise of Information Science enriches the picture of science development. Information Science is becoming a center science in information society and the key progress for human society. It is necessary and urgent for the study on Information Science Curriculumlization in basic education. First of all, it needs to establish the concept of “scienti fi c” for curriculum study, that is to say,use scienti fi c ideas to design and develop the Information Science curriculum, and seek the consistency with primary and secondary education programs in structure, the problem domain and terminology. This paper, taking “Modeling and Simulation” unit curriculum as an example, reports the practice research of Information Science curriculumlizationin from the aspect of unit curriculum topics,unit curriculum development, and unit curriculum teaching experiment. The following conclusions: By creating situations, it makes students to experience Information Science process, acquire knowledge and method of Information Scienti fi c, comprehend the nature and value of Information Science, and enhance the literacy of Information Science; through practice research, it gets feedback, which helps to modify and improve the program of Information Science curriculum in order to ensure the feasibility of the content and the scienti fi city of the method, and it will lay a solid foundation for the promotion and use of Information Science curriculum.

Information Science Curriculum; Modeling and Simulation; Curriculum Development; Instruction Experiment

G434

A

1006—9860(2014)08—0043—05

* 本文系国家社会科学基金“十一五”规划(教育学科)课题“信息科学课程化研究”(课题编号：CCA090127)阶段性成果。