知识网络在信息技术教学设计中的应用探析*——以“算法的概念及描述”一节为例

赵国宏 罗宇晨

（延边大学 师范学院，吉林 延吉 133002）

复杂网络分析方法被广泛应用于数据的可视化分析过程之中，在自然科学与社会科学等研究领域应用较广，例如疾病传播[1]、历史演变[2]等；也有将其应用于教育教学的研究之中，如教育数据挖掘[3]、教材分析[4]等。在教学设计中，教材分析是一个重要环节。对教科书的深层结构进行深入分析，将教学内容结构化，这有利于学科教师有效把握教科书的知识脉络，遵循学科知识本体的内在逻辑，进而有效地做好教学内容的设计、教学重难点的分析，提高教学的效果。

为了科学合理地进行教学设计，对信息技术教材的深层结构进行全面深入分析，本研究采用复杂网络分析方法，统计人民教育出版社高中《信息技术》必修1 教科书[5]中“算法与程序实现”一章中的专业术语，借助大型网络分析工具Pajek 软件[6]，分析其知识点分布与知识网络特征，拟在建构“算法与程序实现”知识网络图的基础上，探析知识网络中节点、频次、连线等要素的教学内涵与相互关系，为高中信息技术课的教学设计提供客观、科学的技术支持。

一、“算法与程序设计”内容的信息技术知识网络建构与分析

（一）知识网络构建方法

以人民教育出版社出版（以下简称人教版）的高中《信息技术》必修1 教科书中的“算法与程序实现”一章为研究对象，建构由专业术语组成的共现网络。首先，参考教科书索引和《信息技术词汇国家标准汇编（第二版）》[7]中的信息技术术语，同时依据2017 版信息技术课程标准，界定高中信息技术课程中出现的概念和定义等；其次，通过文本分析，提取教科书中的知识点，统计出现的频次；最后，为了体现知识之间的联系，将同一个句子中出现的术语间建立连线。

（二）知识网络构建及分析

由于信息技术教材术语较多，如此建构的知识网络比较复杂，为了呈现主要的知识结构，筛选出现频次f≥5的术语和连线，利用大型网络分析软件Pajek，构建了本章知识网络图，如图1 所示。图中的节点是具体知识点，节点的大小与节点术语出现的频次成正比（出现频次越高，节点圆圈越大），连线是知识之间的联系，连线的粗度与两个节点术语共现频次成正比（连线越粗，共现频次越高）。

图1 必修1 第二章“算法与程序实现”知识网络图

对图1 分析表明：本章中出现频次高的节点为：“算法”“编程”“Python 语言”“解决问题”等，说明这些节点是本章知识网络中重要、核心的节点，聚焦了信息技术学科大概念。图中圆环内为第二节“算法的概念与描述”的主要知识网络节点，其中主要的节点为：“算法”“描述算法”“算法设计”“流程图”“选择结构”“循环结构”等，说明这些知识点是本节课的学习中学生需要掌握的重点知识和能力。同时，第二节的知识节点与其他节点联系密切，说明本节知识在第二章中处于重要的地位，是后续学习的基础。

（三）节知识网络构建及分析

对教材第二章第二节的内容进行复杂网络分析，构建了如图2 所示的知识网络图。通过观察所构建的知识网络可以发现，本节的核心知识为“算法”“描述算法”“自然语言”“流程图”“伪代码”“顺序结构”“选择结构”“循环结构”，重点知识之间联系紧密。因此，在本节的学习过程中，要重点关注上述核心知识点，结合各知识节点之间的联系，合理设计教学活动的流程。

图2“算法的概念及描述”一节知识网络图

二、“课程目标—教学内容—项目任务”立体思维导图的构建

人教版高中《信息技术》教科书中就“算法与程序设计”提出了项目式的学习建议，如何依据章节的项目目标，利用教科书内容，合理地进行教学活动设计。鉴于“目标性”“完整性”和“过程性”的项目学习特点，以及项目目标与课程目标“一致性”、与课程内容的“相关性”的要求，利用知识网络，分析课程目标、教学内容和项目任务之间的内在关系，建构“课程目标—教学内容—项目任务”关系的结构图，为教学设计提供参考模型。

（一）核心素养与教学内容关系分析

根据上述知识网络图可知，本节的核心知识是算法，需要掌握的能力是描述算法。因此，在明晰算法的概念及特征的基础上，通过自然语言描述、流程图描述及伪代码描述这一过程的学习，进行项目的算法设计，形成利用信息技术解决实际问题的能力。在流程图描述的学习过程中，掌握顺序结构、选择结构及循环结构三种基本的算法结构，并能基于三种基本的算法结构，设计算法流程图。而伪代码描述的学习则为项目的下一阶段编写程序形成了良好的代码基础。通过“算法概念—算法描述—算法设计—算法作用及意义”这一系列的教学活动的进行，完成“自助式行人过街红绿灯”的算法流程图设计。在上述教学内容的设计中，体现了学生从知识到能力再到素质的进阶，信息技术核心素养得到了提高。

（二）活动流程与项目任务关系分析

人教版信息技术教材“算法与程序设计”一章的学习内容，是以“编程控灯利出行”主题学习项目进行的，其项目过程主要为“设计方案—描述算法—编写程序—调试运行”四个步骤，通过完成项目，掌握编程解决问题的基本方法，理解程序设计中的算法思想，并能迁移解决其他问题，发展计算思维。本章第二节对应项目的第二个步骤——描述算法，项目任务要求设计项目问题求解的算法，用流程图对算法进行描述。基于项目需求，依据知识网络图分析，设计与之匹配的学习目标：1.描述算法的特征，理解算法在问题解决中的作用；2.选用恰当的描述方法和控制结构表示简单算法，增强利用算法解决问题的意识。在学习目标的指导下，形成“算法概念—算法描述—算法设计—算法作用及意义”这一系列的教学活动流程。学生在学习活动的进行中达成章节的学习目标，同时在小组成员学习目标的达成中完成对应的主题学习项目。

（三）“核心素养—教学内容—项目活动”三维关系模型构建

通过分析主题项目的第二步骤“描述算法”与第二节“算法的概念及描述”的学习目标及内容之间的关系，同时鉴于学习目标、课程内容、学习方式（项目学习）的彼此关联，以及“行人过街红绿灯”项目实现的四个主要步骤（设计方案、描述算法、编写程序、调试运行）的学习要求，本研究建构了图3 所示的“核心素养——教学内容——项目活动”三维关系模型（以下简称“模型”）。

图3“核心素养—教学内容—项目活动”三维关系模型

“算法的概念及描述”一节中，信息技术知识网络所反映出的信息技术知识（算法的概念与特征）、完成算法设计所需能力（三种算法描述方法）以及实现“自助式行人过街红绿灯”项目所需解决问题能力（算法设计）之间的逻辑关系，从而迁移至利用信息技术手段解决生活中实际问题的素质（算法的用途），为立体思维导图的建构搭建了基本的内容结构框架。教学内容的结构体现了教学活动的递进，通过“算法概念—算法描述—算法设计—算法作用及意义”这一系列教学活动的进行，学生完成“描述算法”这一项目步骤，同时综合提升学生的核心素养。该模型反映了“自助式行人过街红绿灯”的项目任务与本节课学习活动、教学内容结构及信息技术核心素养之间的一致性。

三、知识网络及三维关系模型在教学设计中的应用

鉴于以上对知识网络及模型内涵的分析，可为教学设计提供以下支持：

（一）彰显内容的地位与作用

通过建构章节信息技术知识网络，可以从整体上直观地了解本章的知识结构和脉络，分析教科书中呈现的信息技术知识体系。从“算法与程序实现”知识网络图中可见，算法为本章的核心知识点之一，通过算法设计，利用Python 语言进行编程，培养学生解决问题的能力，构建出本章的基本学习流程。同时，通过知识节点之间的联系频率可知，本节的重点知识算法、算法描述方法及三种基本算法结构与其他知识点之间联系密切，是本章后面内容学习的基础，如程序语言设计的基础，也是选择性必修模块一《数据与数据结构》全面系统的学习奠定基础，在高中信息技术课的学习中具有承前启后的作用。

（二）凸显教学重难点

教学的重难点一般体现在高阶能力的习得上，高阶能力的习得需要以核心知识点的掌握为前提，这类知识点在教材中出现频率较高。知识网络图中的节点是具体知识点，节点的大小与节点术语出现的频次成正比，连线是知识之间的联系，连线的粗度与两个节点术语共现频次成正比。从知识网络图中可知，描述算法的概念与特征、三种常见的描述算法的方法是本节课的核心知识与概念，利用三种常见的描述方法进行算法设计为本节课的关键能力。三种常见的算法表示方法是算法设计的理论基础，而流程图描述方法中三种基本算法结构是后续算法设计的基础，这些都是本章的重难点，也是编程学习的重难点。

（三）支撑学生分析

学生分析是教学设计工作的基础，为了了解学生的认知基础，需要了解学生已有的学习基础，知识网络图为学生分析提供了可靠的技术支持。知识网络图中的连线及连线的粗细是表示知识与知识之间的联系与联系频度，将其含义迁移到教学设计中则为前概念与后概念的关系。前概念是后概念的学习基础。如算法的概念与特点是算法描述内容学习的基础，而“算法的概念与描述”的知识网络中的知识是Python 语言、程序设计语言等后续章节内容的学习基础。这种关系无论是“算法与程序实现”知识网络图，还是普通高中《信息技术》（必修1）的知识网络图，都为分析学生的学科知识基础提供了可靠的信息来源。借助这种关系，参考课程标准对前置相关知识的内容要求和其他评价方式，可以从理论与实际的两个层面开展学生分析。

（四）辅助教学目标的设计

教学目标设计是建立在教学背景分析、课程标准分析、教学内容分析、学生分析基础上的。因此，知识网络图科学地构建了教材中知识点之间的关系，为教学目标及重难点的设计提供了可靠依据。由于知识网络图和“模型”凸显出了核心知识和能力，这些知识与课程标准中对学习内容的要求基本一致，也与项目活动目标相吻合。说明知识网络图可为教学目标设计辅以技术支持，同时也与课程标准对教材的要求高度契合。如在“算法的概念及描述”这一节的学习中，依据“算法”“自然语言”“流程图”“伪代码”“顺序结构”“选择结构”“循环结构”等重点知识网络图，设计对应的学习目标，以完成描述算法这一项目目标。

（五）提供教学策略及方法的选择依据

知识之间是存在上位、下位以及并列关系的，根据知识之间的关系合理设计教学策略及方法，能有效促进学生的学习效果。知识网络图中的节点（知识点）之间前后顺序、连线的粗细，实际上是知识点关系（上位、下位、并列）的表征，这为教学方法（上位学习、下位学习、并列学习）的选择提供了可靠根据。如在本节的学习中，算法与流程图等三种算法描述方法之间是上下位关系，因此在教学过程中应该考虑先对算法的概念进行整体学习，再分别学习三种算法描述方法；流程图描述与三种基本控制结构之间也是上下位关系，先进行流程图描述方法中流程图常用的符号及功能的学习，再进行顺序、选择、循环三种控制结构的学习，最后进行流程图算法设计。

（六）为教学流程设计提供了依据

教学流程是教学模式与教学方法的可视化表征。“核心素养—教学内容—项目活动”立体思维导图为教学流程设计提供了科学依据，基于教学内容的结构及项目活动流程的需求，合理进行教学流程的设计。本节课的教学活动流程如图4 所示。

图4 教学流程

以学习目标为导向，根据知识网络图定位重点知识，采用了翻转课堂模式，依据项目学习过程设计学习活动流程。教学流程分为课前、课中及课后三个阶段，在课前利用微课，完成算法概念及特征等前置知识的学习；在课中创设问题情境，引导学生对生活中实际问题（行人过街红绿灯设计）进行探究，用自然语言算法描述设计解决方法，与数学流程图进行联系，进行流程图算法描述的学习，设计行人过街红绿灯的算法流程图，并进行评价；在课后完成项目报告书，并进行伪代码算法描述。学生在学习的活动的进行中完成项目任务，实现学习目标，提升学生的核心素养。

四、结语

复杂网络能够反映大量真实复杂的信息并进行高度抽象。网络系统的复杂性主要体现在结构复杂性、节点复杂性和各种复杂因素的相互影响[8]。“算法与程序设计”中信息技术知识网络客观、真实地揭示了本章节知识点之间的内在联系，为教学设计提供了教材深层结构的可视化分析，有利于界定教学过程中的重点与难点等，同时为“导课”与“结课”的设计提供可靠的参考。除此之外，还可以为课程中核心素养的学习进阶分析等提供技术支持。而“核心素养—教学内容—项目活动”立体思维导图突破了传统二维平面结构的“知识”关联的结构，从三维空间表征了核心素养、学习内容及项目式学习活动之间的关系，凸显了学生从知识到能力再到素养的学习进阶，反映了教学设计“核心素养—学习目标—教学内容—学习活动”的设计流程，体现了目标导向的教学设计理念。