面向素养培育的高中信息技术单元认知图谱构建与实践

摘要：针对以往高中信息技术学科知识思维导图存在的知识间关系研究不透彻以及目标指向不明确等问题，本文在理论研究的基础上，确定了借助大概念层级框架构建单元知识体系，并根据单元知识体系所承载的核心素养要求构建合适粒度的单元素养刻画体系，同时，设计适切的情境问题（任务）为学习路径的原则，尝试构建面向素養培育的高中信息技术单元认知图谱，并以“线性数据结构”单元复习课为例详细阐明其操作步骤。实践表明，该图谱能有效架构单元知识体系，对标学科核心素养育人要求，提升学生的问题解决能力、知识迁移运用能力以及批判性思维。

关键词：认知图谱；核心素养；大概念；数据结构

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）10-0035-04

高中信息技术学科核心素养的有效刻画对于落实学科育人价值及促进教学提质增效有重要作用。虽然《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》（以下简称“新课标”）对本学科的核心素养进行了刻画，但粗粒度的学科核心素养水平划分及描述、学业质量水平划分及描述，难以直接刻画实际教学中细粒度知识单元及课时所承载的学科核心素养生成情况。此外，有关本学科认知图谱的研究主要是由教师依主观经验构建的学科知识概念思维导图，其主要关注狭义的学科知识的纵向演绎发散而忽视知识概念间的横向联系、交织关联，亦缺乏对学生正确价值观、必备品格及关键能力培育的目标指向。因此，本文构建了面向核心素养培育的高中信息技术单元认知图谱，并通过相应的案例解释其操作步骤，阐明如何在高中信息技术教学中培育学生的必备品格和关键能力。

面向素养培育的单元认知图谱构建概述

1.概念界定

认知图谱是一个计算机科学概念，可以将它理解为是知识图谱、认知推理和逻辑表达的结合，侧重问题解决的过程。本研究中的单元认知图谱融合了结构化的单元知识体系及对应合适粒度的核心素养体系，它能表征学科知识之间的复杂逻辑关系，系统展现学科知识体系结构和层次关系，并通过真实情境问题解决过程，有效表征知识意义建构过程、素养形成过程。

学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的信息技术基础知识、关键能力、必备品格和正确的价值观念。新课标明确高中信息技术学科核心素养由信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任四个核心要素组成。四个核心要素互相渗透，共同促进学生信息素养的提升。

2.理论依据

大概念是指具有核心性、统整性、可迁移性的概念。学科大概念处于本学科中心地位，作为学科案例事实、经验、知识的高度抽象概括，是具有普遍解释力的核心概念。大概念经演绎解构又可细化为单元大概念、课时大概念、具体概念和案例事实，形成层次结构框架。因此，学生在前置知识结构中可以找到与新知识相契合的固着点，并以此整合离散的知识和技能，通过类属学习、概括学习、并列学习三个方向连结到下位概念、上位概念、交叉概念，沟通认知单元涉及的案例事实、课时大概念、单元大概念之间的内在逻辑关联，促进了案例事实或概念知识间有意义的沟通连结。这有利于打破知识融合切入点不清晰、缺乏抓手的问题。

建构主义理论认为学习的本质是意义建构的过程，是学习者在与环境之间的交互作用下主动建构内部心理表征的过程。建构主义强调，图示是认知结构的起点和核心，从图入手，以图支撑可以帮助学习者进行意义建构。

学科知识是学科核心素养的主要载体。研究表明，学科特有的价值观和方法论知识（核心素养）不是通过零散、碎片化的知识点来表达，而是蕴含在结构化的学科核心知识体系学习中。换言之，学科核心素养的形成是以学科核心知识概念体系为锚点，通过学科实践解决真实问题的思维活动来培育。

学科核心素养分类粒度刻画与结构化的学科知识体系相映射。一方面可借助大概念层次结构框架，将待学习的知识概念按照学科大概念、模块大概念、单元大概念、课时大概念进行可视化呈现；另一方面可根据各学科核心素养内涵细分明确亚类（子素养，如单元素养目标刻画等），从而实现不同粒度知识单元所承载的学科核心素养映射。

3.面向素养培育的单元认知图谱构建

本研究确定了借助大概念层级框架构建单元知识体系，以及根据单元知识体系所承载的核心素养要求构建合适粒度的单元素养刻画体系，并着眼设计适切的情境问题（任务）为学习路径的原则，构建“三位一体”的面向素养培育的认知图谱，如图1所示。

面向素养培育的单元认知图谱应用案例

本研究以浙教版选择性必修“数据结构”模块中的常见线性数据结构内容为基础，结合教学实际，重构数组、队列、栈、链表等作为教学单元，并以该单元的复习课为例，详细说明该图谱的具体操作步骤并解释其在教学中如何落实核心素养的培育。

1.梳理“线性数据结构”单元知识结构体系

构建单元知识结构体系是构建面向素养培育的单元认知图谱基础环节。因大概念具备核心统摄性，故依据大概念理论方法建构的单元知识体系不仅包括本单元最核心、最重要的核心知识概念，而且蕴含概念之间的内在逻辑关系（如前驱后继关系、并列关系、交织关系等），另外，学科专家的经验、思想方法也可锚入其中。基于此，针对“线性数据结构”单元，本研究聚焦新课标学业内容要求、新教材相关内容，挖掘其中蕴含的大概念，梳理单元知识及属性关系，将相关概念有秩序地组织形成意义关联的结构化整体，如下页图2所示。

2.明确“线性数据结构”单元素养刻画目标

高中信息技术核心素养是调用本学科知识解决实际问题的能力，观照的是结构化的学科知识与技能、思维模式、探究方法以及正确价值观在真实情境中的创造性整合。

由于实际教学是分模块、单元、课时进行的，因此教师应将新课标中本学科的四个学科核心素养结合本单元知识体系进行粒度细分，以契合本单元内容承载的核心素养发展要求。图3所示为“线性数据结构”单元的素养刻画目标。

3.设计学习路径，聚焦目标活化知识体系

活动与体验强调学生作为主体进行主动活动，促进有意义学习的真正发生。具体操作是教师围绕结构化单元知识体系及其对应的核心素养刻画目标，系统设计問题任务活动集。学生运用多种资源，通过沟通协作，解决挑战性的问题（任务），教师给予相应的学习支架，并通过评估指导，促进学生完成表现性任务等关键能力的形成。例如，针对“线性数据结构”单元复习课，本研究在单元素养目标导向下，创设多种数据结构求解“围圈报数”问题的学习路径。

具体问题（任务）为：已知班上有n名学生（以编号1，2，3，……，n分别表示），学生按照编号由小到大的顺序围成一个圆圈，从编号为1的学生开始报数，报到m的学生出列，同时该出列学生再随机报一个新的m值，下一名学生又从1开始报数，报数为新m值的学生又出列。以此规律重复下去，直到班级只剩一人为止，输出剩下的最后一名学生编号。不同数据结构建模实现如下页表所示。

实践证明，多种数据结构实现了“围圈报数”任务，活化了数组、队列（循环队列）、链表等数据结构知识体系，学生在对如何表示参赛与淘汰（如普通队列实现时参赛即全部数据入队，计数未到目标值时该数据先出队后立即入队，淘汰时该数据出队后不再入队）、如何遍历所抽象的数据结构模型（如数组实现时数到最后一个元素时循环变量又返回到索引0继续计数）、如何判定最终的赢家（如数组实现时最后一个值为1的元素）等问题的思考解决中，深刻理解并习得各种线性数据结构的定义、特性、创建、遍历、修改、插入、删除等知识技能，通过比较不同数据结构实现问题求解的优缺点，领悟建构知识间的横向及交织联系，在经历抽象数据特征、建立结构模型、设计算法解决问题中潜移默化地形成信息意识、抽象建模、组织数据、算法思维，以及信息社会责任等关键能力及必备品格。

结束语

本研究提出单元知识体系、学习路径、单元素养目标“三位一体”的面向素养培育的单元认知图谱教学设计模式，并通过“线性数据结构”单元复习课实践验证该模式，获得具有参考价值的教学案例。实践表明，采用单元认知图谱开展高中信息技术单元教学，可为教师提供新思路和方法，更好地关注知识间的横向及交织联系，更好地落实匹配单元知识体系的合适粒度的素养刻画目标。具体而言，教师在单元教学中以大概念方法构建单元知识体系为载体，匹配合适粒度的核心素养刻画目标，创设真实情境问题为学习路径推进教学，着力培养学生对单元大概念、课时大概念、具体概念的意义建构，进而形成结构化的单元知识体系，并在问题解决中培养学生的学科关键能力及必备品格。

研究及实践发现，教师开展大概念单元教学需要考虑以下三个方面：一是大概念视角下的单元知识结构体系构建需要深入研究知识之间的关系属性；二是按粒度不同将本学科四个学科核心素养细化到相应内容的单元及课时中；三是设计意义关联、思维梯度化的学习活动，有效落实核心素养的培育。这些都需要教师深入研读新课标，整体把握教学内容，寻求多方资源，并通过学科专家组充分研讨来确定。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中信息技术课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]赵国庆，李欣媛，路通，等.从认知地图到认知图谱：相似概念的跨学科审视[J].现代远程教育研究，2021，33（05）：14-25.

[3]董晓晓，周东岱，黄雪娇，等.学科核心素养发展导向下教育领域知识图谱模式构建方法研究[J].电化教育研究，2022（05）：76-83.

[4]薛钰康.运用知识图谱指向核心素养的物理复习课教学设计——以初中物理力学综合复习教学为例[J].物理教师，2020（02）：41-43.

[5]邓彰超.概念图.问题链.任务群：基于深度学习的单元设计研究[J].中国信息技术教育，2021（23）：24-27.

[6]卢华，邓彰超.大概念视角下高中信息技术单元教学模式构建与实践[J].中国信息技术教育，2021（11）：62-65.