重视技术原理 凸显科学价值

张利波 罗婉庆

摘要：《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》从课程名称、课程内涵到课程实施等都倡导由“技术”转向“科技”。作为一种契合信息科技课程“科”“技”并重理念的教学方法，原理教学是信息科技课程内容结构化的体现，是信息科技课程价值转向的引擎，也是学生体悟科学精神、培育科技伦理的途径。信息科技原理教学可遵循场景分析、实践操作、原理探索、应用迁移的路径，并采用如下策略：依靠数字化体验，经验引申、明晰原理;运用数字化方式，仿真演示、理解原理;组织数字化交流，类比模拟、迁移原理。

关键词：科学原理;信息科技;课程标准;数字化;数字素养

2022年4月21日，教育部颁布了《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“信息科技课程标准”），课程名称从“技术”转向“科技”。“技”保留了课程一贯的实践风格，旨在让学生通过学习解决现实世界的真实问题;“科”体现了信息科技暗含的科学原理与技术本质，凸显课程核心价值。“科技”赋予信息科技学科新意义，需要重新定义信息科技课程框架和逻辑结构，并重新建构信息科技教学体系和教学方法。原理教学是契合信息科技课程“科”“技”并重理念的教学方法。

一、信息科技原理教学的背景

信息科技是现代科学技术领域的重要组成部分，主要研究以数字形式表达的信息及其应用中的科学原理、思维方法、处理过程和工程实现[1]。互联网、大数据、人工智能等新技术的快速发展与广泛应用，创生出一个全新的数字生存环境。它在改变人们行为方式的同时，也改变着人们的思维方式，并赋予信息科技课程新的内涵[2]。信息科技课程标准将“原理”的重要性提到了前所未有的高度，全文有三十多处提及“原理”，覆盖了课程理念、学段目标、内容模块、教学提示、学业要求、学业质量、教学建议和作业评价。倡导原理教学是信息科技课程发展的必然结果，主要原因如下：首先，信息科技属于科学门类，具有独特的科学原理、思维方法和学科逻辑。其次，信息科技课程内容具有科学性，形成数据、算法、网络、信息处理、信息安全、人工智能六大逻辑主线[3]。再次，信息科技课程需要科学性，提倡“一英寸宽，一英里深”的科学教育方式，指导学生学会在数字时代学习与创新，培养适应未来社会的数字胜任力。最后，任何学习归根结底都是探索，原理教学让学生经历如科学家一般的探索过程，从感知科学精神到实践科学精神，体悟课程魅力，感受课程科学价值，逐步内化数字素养。

二、信息科技原理教学现象剖析

随着课程标准的颁布，信息科技课程发展路径更为明晰，即从“计算机课程”“信息技术课程”逐步确立为“信息科技课程”。诚如义务教育信息科技课程标准研制组组长熊璋教授所说，“其实，文字录入、办公软件操作，乃至于编程，都不是信息科技素养教育的核心，与科学无关，而是在训练信息技术熟悉程度”[4]。回顾以往的教学，我们往往忽略操作背后的科学逻辑，忽视原理内容的编排、植入、融合与渗透，具体表现如下。

（一）只关操作，无关原理

我们曾经的教学中充斥着软件操作员的模式，教师一度以为通过某个菜单、某个按钮教会学生完成指定内容，就完成了教学任务。这种模式的教学一般发生在“计算机课程”初期，年轻的教师教着同样年轻的课程，只关心动手操作，不关心思考、观察、表达，也不关心操作背后的原理，造成学生素质徘徊不前，教师能力徘徊不前，课程发展徘徊不前。

（二）只见操作，不见原理

当课程发展到“信息技术”阶段，教师已经意识到教学内涵需要不断扩充，除了动手操作，还需要动眼观察、动脑思考、动口表达，需要同伴合作沟通、头脑风暴，需要师生现场互动、思维碰撞，需要比较、归纳、分析、类比、迁移……有了这些观念加持，教师发现操作变得综合了，教学变得丰富了，课程变得厚重了。此时，我们已经明晰信息技术课程的内涵是以操作实践来引发一系列高品质学习的过程。但限于能力，教师尚未对操作背后的原理、技术思想等引起足够重视，造成教学火候不足。

（三）只懂操作，不懂原理

信息科技课程内容随着科技的进步在动态发展、持续扩充。当前流行的大数据、人工智能背后更是蕴含了高深的技术原理。比如，人工智能涉及机器学习、深度学习、神经网络等关键技术。这些专业又高深的原理，一般教师难以理解与消化，对学生而言，更是巨大的挑战。原理的深度与教师自身认知的局限也会弱化信息科技的原理教学。

以上种种，缺失原理的教学犹如教师只看到“浮在海面上的冰山”，却忽视了海面之下冰山的巨大体量与能量，造成教学资源、学科价值的严重流失;缺失原理的教学也让师生看不到课程内在的机理与组织，难以抵达素养的彼岸。实际上，任何学科的基本原理都可以用某种形式教给任何学生。教师应与时俱进，顺应数字时代的教育变革，迎接原理教学的契机，加深专业领域学习，肩负起育人的时代使命。

三、信息科技原理教学的含义及内涵

（一）信息科技原理教学的含义

原理是具有普遍意义的基本规律。信息科技不同于自然科学与社会科学，因此信息科技原理具有独特性。结合《马克思主义百科要览》的技术原理阐释，信息科技原理是指在信息科技实践中，为实现应用目的，根据已有的科学原理和技术经验，通过创造性思维和技术试验所获得的关于途径、手段、方式和方法的理论规范。从学科教学的角度，信息科技原理一般简化为信息科技背后的技术思想、设计和实现。信息科技教学中，教师要带领学生挖掘出操作背后隐藏着的原理（见表1）。

原理教学结合信息科技实践操作，挖掘操作背后的技术本质、思维方法与底层逻辑，可以加深学生对技术的理解，有助于他们掌握计算机科学领域的思想方法，形成学科特有的关键能力和思维方法。原理教学一般由师生从表层开始共同探索，层层解剖、逐级深入，从而透过现象看本质，透过表面看内核，在学生的认知范围内直抵技术底层。

（二）信息科技原理教学的内涵解析

从课程体系看，原理教学是课程内容结构化的体现。原理是实践操作的补充、深化或还原，是课程内容结构化不可或缺的组成部分。将原理融入教学，打通了信息科技学习的“最后一公里”，促进学生从表层实践到技术内核的理解，有助于学生形成学习的逻辑闭环（如图1）。

从学科发展看，原理教学是信息科技课程价值转向的引擎。与传统学科相比，信息科技学科的教学方法、教学模式一直处在摸索阶段，尚未形成稳定经典的教学模式。再加上信息科技教学内容呈离散状态，所以教师的教学显得个性化和随意化。而原理教学从本质上追求严谨的教学内容，也必将形成信息科技学科规范、科学、经典的教学方法。

从育人价值看，原理教学是学生体悟科学精神、培育科技伦理的途径。原理学习的基本逻辑大致为：学习基本原理—深化对原理的认识与理解—用科学原理指导实践应用。学生从信息科技实践入手，慢慢去猜想和意会其中的原理，教师进一步指导学生认识原理、理解原理、实践原理。在未来，原理学习会成为信息科技课程的重要标识和风向标，贯穿于信息科技学习周期中。通过原理教学，学生会逐渐建立起猜测联想、感受体悟、探索求知的意识，形成批判性思维，培育科学精神与科技伦理，形成数字时代正确的价值观。

四、信息科技原理教学的路径与策略

原理是信息科技课程由“技术”转向“科技”的关键支点。狭义的原理是技术呈现的底层逻辑;广义的原理是技术开发过程中的逻辑与实现，包括过程实现的方法总结、实践感悟等。原理教学的一般路径为场景分析、实践操作、原理探索和应用迁移，原理教学的策略可以分为经验引申、仿真演示、类比模拟等（如图2）。教师可充分利用信息科技学科得天独厚的数字化优势，通过数字化手段、数字化平台、数字化虚拟空间等，让学生充分进行展示、分享、交流、讨论、评析等，直观呈现原理，全面分析原理，深入理解原理，从而降低原理学习的难度，提升原理教学的有效性。

（一）依靠数字化体验，经验引申、明晰原理

美国教育家、体验式学习大师大卫·科尔布曾说，“学习是通过转化经验来创造知识的过程”。由于信息科技原理比较抽象和高深，教师要使用深入浅出的方式指导学生由活动体验引发经验关联，继而转向深入思考来理解原理，同时避免陷入狭隘且高深的专业细节[5]。许多生活经验成为信息科技的经典内容，但生活经历与课堂教学往往分布在不同的时空。这就需要教师借助数字化手段，如播放提前录制的生活微视频，将生活经历“搬入”课堂教学之中，激活学生原有的认知经验，减少他们对原理的疏离感。当然，原理学习的重点在于从朴素的生活原理转向严谨的科学原理。

比如，“队”是一种典型的数据结构，特点是先进先出。学生在生活中经常会排队。在教学中，教师就引导学生先列举日常生活中排队的实例，如在食堂排队就餐、在校内排队核酸检测等，再进一步扩展到校园之外的队，他们列举了餐厅吃饭排队叫号、医院取号排队就医等。显然，以中学生的认知，他们可以很轻松地理解这些都是队伍。接下来，教师设置数字化交流平台，要求学生从不同角度比较食堂排队和医院取号排队的差异。学生头脑风暴，纷纷从排队姿势、占用时间、排队时间利用、是否可离开现场、排队心情等方面开展分析。最后，学生总结：前者是具体的排队，需要自然人来执行，后者是数字化排队，不需要依托自然人实现，所以人可以离开排队现场去做其他事……尽管都是排队，但数字化排队的效果与效率完全胜出，他们甚至还设想利用技术实现最小等待时间，从而更科学合理地安排规划个性化学习生活。

一般情况下，生活经验比较感性，而科学原理属于理性总结。经验不可能等同于原理，但可以成为原理学习的支架。比较生活经验与科学概念的异同，有利于学生从生活原理中推导科学原理，理解科学概念的专业性和严谨性。同时，利用数字化技术将科学概念回归现实应用，实现思维内容从模糊到清晰、思维序列从外围到内核、思维品质从感性到理性的跃升。

（二）运用数字化方式，仿真演示、理解原理

不难发现，信息科技原理具有科学性、专业性、严谨性的特点。实践操作是外在的、表面的，技术原理则是内在的、隐性的。看到计算机酷炫的操作效果，学生时常会感到惊讶，好奇为什么会有如此效果。教师不妨利用数字化手段直观解析、动态演示，利用数字化平台组织教学活动，指导学生透过现象看本质，引导学生揭开现象神秘的面纱，逐渐消融内心的疑惑。

比如，滤镜是图像处理的核心功能。滤镜可以改观画面，产生独特视觉效果，赋予图像新的内涵。学情调查中发现，有些学生已使用滤镜App，如魔漫相机、油画大师等处理过照片，那么在课堂上，对于滤镜，教师能让学生再学些什么呢？显然，学生只具备这些极简的技能还远远不够，滤镜原理的学习就显得尤为重要。滤镜的原理是通过改变像素的位置或颜色产生各种特殊效果。学生往往更关注“特殊效果”，对“改变像素位置或颜色”基本无感。如何将滤镜原理“慢镜头呈现”？教师特意搬来早期用VB编写的滤镜程序，录制成微视频，再用大屏幕演示。学生观察“曾经的滤镜”，发现多了滤镜进程条，过程明显放慢。许多学生抱怨：滤镜进程好慢啊，简直像蜗牛在爬！教师趁机抛出问题：慢镜头才能看出奥秘哦，能解释这个“美中不足”吗？学生探究了滤镜的原理后颇有感触，原来滤镜在计算！它会根据周围像素颜色值，运用某种算法，为当前像素计算一个新颜色值，更新后画面产生新效果。学生明白了这个原理之后，教师再引导学生上网搜索一些简单的滤镜算法，借助编程软件模拟展示，进一步理解滤镜原理的技术实现。这个环节借力数字化工具与技术还原、展示、模拟滤镜的原理，区区一个算式变化，滤镜效果截然不同，让学生叹为观止！此时，教师趁热打铁，继续利用数字化半成品材料，引导学生根据数字化效果进行修改和打磨，自创一种简单滤镜算法，既实现滤镜原理的创新实践，又印证了原理学习“万变不离其宗”的本质。

（三）组织数字化交流，类比模拟、迁移原理

一个成熟的原理可能具备普适性，具有迁移性。从知识关联程度来看，信息科技知识关联可以分为显性关联与隐性关联。显性关联比较容易，在课堂上极易发生，比如Word文字操作到图像编辑时文本操作，图画工具箱到Photoshop工具箱等，这些都属于浅层关联。除此之外，师生需要更多地挖掘隐性关联。隐性关联一般是原理的迁移应用，重在指导学生以全局的眼光进行原理学习，增强学习的系统性，形成结构化思维。

比如初学Flash动画时，学生知晓动画形成的原理是利用了人的视觉暂留特性，静态图通过不断播放而形成动画。通过这一原理，教师带领学生对动画进行要素分解：①动画内容是帧（静态图）;②动画动作是播放（逐张呈现）;③动画条件是播放间隔（小于1/24 s）。随后，学生在极域平台进行在线交流讨论，学生经思维碰撞后观点不断涌现，比如“简单动画不局限于Flash软件”“只要具备三个要素，就能形成简单的逐帧动画”“PowerPoint软件也可以制作逐帧动画”“对，PPT软件中静态图就是一张幻灯片页面，播放就是幻灯片切换”。学生甚至大胆设想，“只要具备三个条件，我们可以导入系列图，设计一款简单的动画软件”……

没想到，一学期后要编写抽奖程序时，这些讨论与分享发挥了作用，学生一下子就联系上了动画的原理[6]。他们纷纷表示“抽奖程序不就是一个动画吗” “Label控件可以类比帧” “大屏幕滚动起来，Label内容不断置换，在快速播放时，就成了动画”“对，滚动的抽奖画面本质是一个动画”。运用动画原理解释抽奖程序有什么意义呢？随后，程序要实现抽奖结果，学生根据之前的经验判断得出：这个操作本质上就是切断动画。

教师继续引导学生通过数字化交流平台进行思维碰撞，学生又形成新的认识。比如“可以通过原理三要素来实现动画的逆向操作——不形成动画”“从内容看， 帧内容不变，不再形成动画”“从动作看，不再播放，动画就停止了” “播放时间间隔设置无限大或者零，理论上讲也不能形成动画”。接着，师生编写抽奖程序验证学生观点。师生通过在线的即时交流，节约了课堂时间，增大了课堂密度，给予学生充分的自主，每个学生获得更多的交流展示机会，从而迸发出更多有价值的思维火花，促成学生数字素养的内化生成。通过数字化交流平台，学生迁移动画原理的正反学习，对抽奖程序产生更清晰、更彻底、更有价值的认识：屏幕滚动本质是动画形成，抽奖本质是动画停止。无论形成或停止，学生都可以对照动画原理的三要素进行分析实现（见表2），体现原理具有现实指导的意义与价值。

信息科技课程标准的颁布是信息科技课程发展过程中的一个里程碑，但课程价值的落地主要在于一线课堂，在于一线教师。因此，信息科技教师面对教育变革需要务实探索与应变，将课程标准规划的内容转化成自己的理解、表达与行动，不断探寻信息科技课程魅力的实践支点。

参考文献

[1][3] 中华人民共和国教育部.义务教育信息科技课程标准：2022年版[S].北京：北京师范大学出版社，2022：1，2.

[2] 任友群，李峰，王吉庆.面向核心素养的信息技术课程设计与开发[J].课程·教材·教法，2016（7）：56-61.

[4] 熊璋.“科”“技”并重：义务教育信息科技课程标准解读——访义教信息科技课标组组长熊璋教授[J].中国信息技术教育， 2022（9）：4-7.

[5] 张汶.积极实践，务实探索[EB/OL].（2022-05-09）[2022-07-08].https：//www.bilibili.com/video/BV1Ru411r773？spm_id_from=333.337.search-card.all.click656939663&unique_k=JbNEWgk.

[6] 张利波，马建军.信息技术学科大概念内涵及学习策略[J].中小学信息技术教育，2021（6）：50-52.

（作者张利波系浙江省慈溪实验中学教师;罗婉庆系浙江省慈溪市观城中学教师）

责任编辑：牟艳娜