基于知识建构的学科核心素养培养教学实践研究

齐幼娣 奚骏

【摘 要】针对课堂教学中如何处理知识学习和问题解决之间的关系，笔者提出基于知识建构的学科核心素养培养课堂教学模式，此模式的要点是将知识构建与问题解决融为一体。本文用教学案例“数据整理”详细介绍了此教学模式在课堂的实际应用，并通过两个不同的“数据整理”教学案例对比，分析了此课堂教学模式在促进深度学习、核心素养培育和创新能力培养等方面的优势。

【关键词】知识构建；问题解决；学科核心素养；教学案例；数据整理

【中图分类号】G434   【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2024）01-061-03

在目前的“双新”实践课堂中，教师往往处理不好知识学习与问题解决之间的关系。如有的教师非常重视知识的传授，课堂以讲授知识和应试训练为主，认为题目做出来了，考试通过了，学生素养也就培养好了；有的教师新形式旧思想，课堂虽然采用了项目式教学，但是也仅仅是用项目情境引入课题，接着教师开始讲授知识，然后进行练习评价，或者用刚学的知识解决这个项目问题，其实质上还是比较传统的教育方式，不利于学生信息素养的形成；有的教师过分重視项目问题解决，课堂采用项目式学习，事先设计好解决项目问题的操作步骤，课堂上却忽视了学生的思考和知识建构的重要性，出现知识掌握不够牢固、素养提升不够、学生碰到类似的问题还是不会解决等现象。

2017版高中信息技术课标的基本理念之一，就是培育以学习为中心的教与学关系，在问题解决过程中提升信息素养[1]，而正确处理好知识学习与问题解决之间的关系，是课堂落实信息技术学科核心素养培养的关键所在。本文认为基于知识建构的学科核心素养培养是解决上述现象的行之有效的办法。

基于知识建构的教学模式

所谓基于知识建构的学科核心素养培养，是在解决项目问题时，学生需要自己建构知识，然后再应用知识解决问题。其要点是将知识建构与问题解决融为一体，真正使学生在知识建构和用知识解决问题的过程中提升学科核心素养。基于知识建构的课堂教学采用项目式学习，它的项目情境是根据需要学习的知识来创设，其中项目情境中的问题需要用新学习的知识解决。在课堂上学生为了解决这个情境问题，以小组合作探究的形式，在教师设计的问题链的引导下，界定和分解问题，抽象和建模，寻找解决问题的方案。寻找解决问题方案的过程，就是学生建构新知的过程，即建构知识的目标是为了解决问题，利用刚建构的新知去解决项目问题。所以教学设计的目标不是把知识“填入”学生大脑，而是需要学生自己动手、动脑、动心，需要学生自己设法在解决问题中建构知识，是要在建构知识和问题解决中提升学生的信息技术学科核心素养。

基于知识建构的教学案例

基于知识建构的课堂教学，课前教师要根据知识设计项目情境和项目问题，再根据项目问题准备数据文件供学生探究，设计学习任务单供学生记录和评价，设计具体的问题链引导学生开展知识建构；课中主要是学生开展知识建构和解决项目问题。下面以华东师范大学出版社普通高中《信息技术必修1数据与计算》中“数据整理”一课为例进行具体的讲解。

1.课例在单元的位置

本单元的项目内容是：现在大街小巷有很多共享单车，有些地方的共享单车长时间无人使用，有些地方却缺少共享单车，请帮助共享单车公司分析各站点使用情况，并为他们提供单车合理的投放计划。本单元共3课时，分别是数据整理、数据分析、数据可视化。本课位于单元的第一课时。

2.教材学习内容处理

本课例学习内容位于高中《信息技术必修1数据与计算》，第三章“数据处理与应用”，第一节“数据采集、整理与安全”中的第二小节“数据整理”。本小节又分为：检测与处理重复值、检测与处理缺失值、检测与处理异常值、数据读取与存储四个部分。由于“数据读取与存取”已经提前到第二章学习，本课重点学习“检测与处理重复值”和“检测与处理缺失值”，涉及两个知识点，即pandas库中的drop_duplicates（）方法和dropna（）方法。“检测与处理异常值”只是提一下异常值的处理办法，有关“检测异常值”的操作将放在“数据可视化”中学习。

3.学情分析

学生通过第一章“数据与大数据”的学习，已经对数据的价值有一定的理解，通过学习第二章“算法与程序实现”，学生已经掌握了函数的作用和应用，也能够把csv数据文件读入到Python中，把DataFrame中的数据存储到csv文件中。

同时，通过第一章、第二章的学习，学生已经在心中埋下了想自己动手处理数据、发现数据价值的意愿，所以学生的学习积极性较高。

针对共享单车数据，学生知道数据的采集方式，知道数据的价值，但是针对数据整理中数据去重复问题的基本特征提取、抽象处理和形式化表达等方面需要提升，还不具备选择恰当的数字化工具处理数据的能力。

4.学习目标

通过共享单车数据去重方案的设计，学生能找到需要解决的关键问题，能理解用函数的方法来表述，能用drop_duplicates（）方法编程解决问题，并能将解决方案迁移到其他类似问题（去缺失数据）的解决过程中（计算思维）。通过选择Excel软件尝试解决数据去重问题，学生能理解pandas库中的drop_duplicates（）方法中参数的意义，并能迁移到dropna（）方法的学习（数字化学习与创新）。通过共享单车数据整理，学生知道在整理过程中要保护有效的数据，能认识到数据处理对提高信息价值的重要性（信息意识、信息社会责任）。

5．教学思路

教学思路如图1所示。

6.教学过程

活动一：启动项目

教师通过照片引入情境，向学生介绍项目，要求帮助共享单车公司分析各站点使用情况，并为他们提供共享单车合理的投放计划。学生明白项目任务后，打开教师事先准备的数据文件，观察数据，发现数据有缺失和重复，引出本课的学习主题，对数据进行去重去缺的整理。本活动是由问题引发知识建构。

活动二：设计方案

学生为解决去重复数据设计解决方案。在小组讨论解决去重方案的过程中，学生自然想到用旧知Excel软件对数据文件去重。教师鼓励他们尝试一遍，并通过问题链引导学生思考：人是如何判定数据的重复、如何操作去重、如何保存去重后的数据、如何用Python语言实现去重操作等，培养学生的计算思维和信息意识。教师要求学生把讨论结果填入学习单，并进行自我评价。本活动主要是通过问题链引导学生进行自我的知识建构。

活动三：交流方案

全班学生交流去重方案。选1-2个小组交流去重方案，教师引导学生聚焦去重的关键特征。在讨论如何编程实现去重操作问题时，教师重点引导学生用函数来实现去重，把关键特征与函数的参数对应起来，最后给出已经编好的函数pandas库中的drop_duplicates（），验证学生的方案，一起讨论参数的含义，进一步培养学生的计算思维和数字化学习与创新能力。本活动是教师引导下的集体的知识建构。

活动四：实践操作

學生利用drop_duplicates（）方法，实践操作，解决共享单车数据去重复数据问题，填写学习单，完成评价。学生在解决实际问题过程中，进一步认识函数的价值，再次提升计算思维和数字化学习与创新能力。本活动是用建构的知识解决去重问题，在应用中验证知识。

活动五：新的问题

针对共享单车部分数据缺失问题，教师鼓励学生利用去重复数据的学习方式学习pandas库中的dropna（）方法，实际操作解决共享单车数据去缺问题，填写学习单，完成评价。学生在操作的基础上交流展示解决共享单车去缺失数据的过程和方法，深化对dropna（）方法的理解，进一步梳理解决去缺失数据问题的思路和方法，提升计算思维。本活动是知识建构和问题解决能力的迁移。

活动六：反思和总结

学生反思整理数据的方法和意义，填写学习单，完成反思。教师引导学生归纳整理数据的一般方法，并请学生课后思考：数据整理完毕后，针对本项目，后续应该怎么做。

课例对比分析

其实本教学内容是笔者第二次进行课堂教学了。在第一轮教授“数据整理”这个章节的时候，笔者觉得这个章节比较简单，涉及的知识点基本上就是drop_duplicates（）方法和dropna（）方法。于是笔者设计了一个共享单车数据整理的微项目，先跟学生一起讨论数据整理的必要性，然后重点讲解drop_duplicates（）方法中每个参数的意义，接着让学生用drop_duplicates（）方法去重复数据的实践。学习完drop_duplicates（）方法之后，进行方法的迁移，让学生学习dropna（）方法和用dropna（）方法进行“去缺”实践，最后是课堂小结。

比较这两节课，本课例的实际教学效果比第一轮教学效果提高很多，主要是因为基于知识建构的本课例有以下几方面的优势。

一是在促进深度学习方面。因教学方法的不同，第一轮教学设计是教师直接讲解drop_duplicates（）方法的用法，然后学生进行实践操作；而在本课例中，由学生自己从Excel软件对数据去重操作中，抽象和归纳解决问题的方法，再用函数知识点建构drop_duplicates（）方法。本课例通过问题解决的需要，把知识的学习转化为学生为解决问题的自觉主动活动，教师引导学生像计算机科学家一样思考如何解决问题，帮助学生将学科知识结构转化为自己的认知结构[2]，这样使学习真正发生，教学效果自然比第一轮明显提高。

二是在学科核心素养培育方面。这两节课都是通过项目和解决问题培养学生的学科核心素养，但是在本课例中强化了建构知识的过程。知识建构不是仅仅为了学习知识，更是为了解决问题，可以说知识建构就是在解决问题，就是在培育学生的学科核心素养，所以本课例在培育学生学科核心素养方面更胜一筹。

三是在创新能力培养方面。信息技术学科是一门很特殊的学科，信息技术学科的知识都是我们人类创造的，而且都是为了解决某一类问题而创造出来的，无论是硬件还是软件，每一个知识点背后都蕴含着创新的力量。本课例，学生自己在用Excel软件对数据去重操作的过程中，抽象和归纳去重的方法，再从函数这个知识点建构drop_duplicates（）方法，就是在体验和领悟信息技术专家创造drop_duplicates（）方法的思路，实质上是在培养学生的创新能力和创新精神。这种创新能力的培养在面临ChatGPT等人工智能的当今，显得尤为重要。

虽然这种基于知识建构的学科核心素养培养课堂教学模式有诸多的优点，但是在实际的教学实施中也存在一定的困难，因为所有的信息技术教科书基本上都只是呈现知识和应用知识，少有讲解知识的来历、知识的形成过程等。这给教师的授课带来了巨大的挑战，建议教师根据学科思想方法引领学生进行知识建构[3]。

参考文献

中华人民共和国教育部. 普通高中信息技术课程标准[S]. 北京：人民教育出版社，2018.

安富海. 促进深度学习的课堂教学策略研究[J]. 课程·教材·教法，2014，34（11）： 57-62.

唐恒钧，张维忠，陈碧芬. 基于深度理解的问题链教学[J]. 教育发展研究，2020，40（4）： 53-57.