高中信息技术项目式数字化学习资源的设计
高中信息技术项目式数字化学习资源的设计
——以必修模块1“数据处理与应用”项目式学习为例
李启晨 上海市西南位育中学
[摘 要]本文旨在探讨高中信息技术项目式数字化学习资源的设计，以必修模块1“数据处理与应用”项目式学习为例。首先，介绍了以数字化学习资源支撑的项目式学习的意义，同时指出了当前存在的问题。其次，比对多个数字化发布平台和方式后选择了“Read The Docs”作为最终平台，并阐述了项目式学习资源的构架设想和大纲要点，并说明了需要进一步细化的知识点、实例、问题设计和例题选择等内容。最后，在成效作用方面，从知识理解、应用能力、自主学习和创新三个角度分析了对学生的影响和贡献。通过本次设计，我们发现项目式数字化学习资源不仅为学生提供了更多的学习方式和选择，而且促进了学生主动探究和创新意识的培养，同时也为信息技术教育的数字化转型提供了新的思路和途径。
[关键字] 项目式学习、数字化教学、数字化转型
在国家先后颁布高中和义务教育阶段新课程标准的背景下，项目式学习成为课改关注点。教育数字化转型是我国教育核心议题。以数字化学习资源作为依托的项目式学习是一种新兴教育模式的探索。本文针对高中必修模块1“数据处理与应用”开展项目式学习，旨在探讨如何设计符合学生学情的项目式学习教学内容和资源，并运用数字化技术进行实现，以促进学生信息技术素养的全面提升。为以数字化方式开展项目式学习的未来发展提供一些有益的借鉴和探索。
1 设计背景
1.1 项目式学习实施的意义
根据Buck Institute for Education（BIE）的定义，“项目式学习（project-based learning，后称“PBL”）”是一种基于学生主导、通过探究活动解决实际问题、在教师指导下深入学习并展示知识的教育方法。[1]相较于传统的课堂模式，项目式学习更注重学生的参与感和自主性，鼓励学生结合实际问题进行研究和应用，并在教师的指导下完成项目展示。在当前新课程标推出的背景下，项目式学习被视为一种有益的教学方法，在提高学生的综合素质；提升学生对所学内容的理解和应用能力；促进学生的情感认知和人际交往能力的发展等方面有着非常积极的作用和意义。
因此，如何通过现有的教育资源和素材进行项目开发，又如何探索项目实施流程、教学组织、教学评价等策略引导学生基于项目进行探究式学习，提升学生的学科核心素养，将是中小学一线教师践行新课标理念，推动新课标落地实施的重要课题。[2]
1.2 数字化学习资源开展项目式学习
数字化学习资源（Digital Learning Resources，后称“DLR”）是指在数字化技术和互联网工具的支持下，为学习者提供的一系列在线、数字化学习材料和资源[3]。美国教育部在2017年文件[4]中提到“高质量的数字学习内容”这一概念。意在强调“高质量数字学习资源”是学校基础设施的重要组成部分。欧盟委员会在《Digital Education Action Plan 2021-2027》计划中提出，旨在加强数字技术应用和推广以促进教育现代化。
在“双新”背景下的新一轮课改行动中，《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》中指出“信息技术课程教学资源的建设，应以数字化的教学资源建设为重点。[6]”在课程标准解读一书中指出，需要强网络数字化资源建设与应用，建立以学生自主学习为中心的数字化学习环境，并为其提供必要的学习、研究和创新资源。[7]
可见在当前的教育数字化转型中，各国需改进完善数字化教学、学习资源，提供适合学科的鲜活素材，并支持课程实施。数字化学习资源为项目化学习提供全方位支持和灵活性，使学生能便捷获取所需知识和技能并与其他人协作制作项目成果。数字化学习资源和项目化学习共同培养学生实践能力和创新思维，助其更好适应未来社会。
1.3 项目式学习教学中的问题
在信息技术课程的实际教学中，我们也发现存在一些问题，迫切需要大量数字化学习资源用以支持项目式学习的开展。大致归纳为以下三点：1、教材主要着重落实知识点，缺少实例项目前后的关联性。2、在数据分析内容教学中，学生需花费大量时间理解代码，教师只能提供语法修正帮助，难以引导学生探索深层次数据分析问题。3、教学内容无法延伸至课外，学生想要再现课堂中的实验比较困难。
为了解决这些问题，我们以双新背景下的新教材[8]第三章“数据处理与应用”的“共享单车”项目情境为基础，重新设计了项目式学习的教学内容，并通过数字化平台发布相关项目学习资源。首先，项目围绕提出的问题开展活动，并逐渐深入探究细化每一个小问题。该项目包括七个章节（图 1）：引言（概念讲述）、问题定义、数据抽取、数据准备、数据探索和可视化、数据分析报告和总结。其次，代码教学以示例代码为基础，祛除关键字让学生练习，并辅以说明文字资料。最后，通过数字化平台发布数字化学习资源，使学生在课后拥有自主、弹性的学习空间。
考虑到现今学生是数字原住民，他们更加习惯通过网络迅速获得最新信息[7]，因此数字化学习资源更适合他们的学习方式。然而，目前这方面资源还有待完善。因此，我们需不断创新和完善数字化学习资源，以满足学生的需求和促进信息技术课程的数字化教学发展。
2 设计思路
在基于项目式学习的数字化学习资源设计思路上，需要有以下三个方面考量：
2.1 以易用性为原则选择平台
学生需要一个好用的数字化学习平台来及时、高效、准确地获取相关学习资料。早期的教学实践中，通过建立网络学习群并分发电子书（PDF）方式，提高了学习资源的传播效率和学生的学习效率。然而，由于数字化学习资源中出现的错误无法及时更正，反而影响了教学进程，使得教师需要付出额外的精力去纠正错误。
图 2 各类数字化平台对比
因此，通过网络实时发布，并能定期修改、纠错的数字化平台是适合当前需要的。学生获取数字化学习资源时也不再受场地限制，可以实现“人人皆学，处处能学，时时可学”的学习愿景[7]。在众多网络实时平台中，笔者分别尝试了“GitBook”和“ReadtheDocs”这两个平台。它们都可以用于创建电子书和文档网站，提供易于使用的图形化编辑器，支持在线编辑和版本控制，并可自定义域名和主题。通过多维度的比对，特别是以平台的易用性为原则的前提下，笔者选择了后者。
在“数据处理与应用”这一章节中需要将代码实践和理论框架相结合。而该平台可以联合“GitHub”（代码托管平台），对项目的文档和代码进行维护，并且实时更新，还支持多人协作。学生或其他教师发现问题，也可以在线实时修改。同时，该平台还可以直接导入授课所用的“Jupyter”软件生成的Markdown格式文件，从而减轻挂载资源前二次调整带来的不必要麻烦。故而本次项目式学习的数字化学习资源是以“ReadtheDocs”平台为基础搭建完成。
2.2 调理清晰的项目构架
“数据处理与应用”为笔者所在地区选用教材[8]中第三章教学内容。该章节包含丰富的编程、数据统计和分析等多方面的知识要点，但对于初次学习的学生来说，难度可能会非常大，因为知识繁杂且不易入手。因此，在熟悉教材的前提下，教师需要为学生拟定一份有组织、有架构的知识大纲，并以某种方式呈现出来，使得学生能够一目了然。正如《教学原理》一书中所提到的：“真正了解教材的教师，应该能够萃取精华并以有组织的方式制作书面大纲。” [9]
图 3 数字化学习资源整体大纲
因此，本次结合教材中的“共享单车”项目情境，构建一份对学生有用且有意义的项目式数字化学习资源。从问题定义开始引入——即预测某市某一区域内自行车共享项目的自行车租赁需求。接着，根据问题采集相关数据，进行初步清理（俗称数据清洗）[10]。之后，基于问题定义和采集的数据，进行可视化分析，最终形成报告。通过提供一个生动而清晰的案例，可以帮助学生更深入地理解整个项目，以达帮助学生掌握整体课程内容的效果。
2.3 知识与实践相结合的细节设计
设计完成整体构架之后，需要对每一个内容细节进行细化。知识点的落实、选用合适的数据和实例，以及合理的问题设计和实践活动选择都是至关重要的。从而使学生更加高效地专注于数据本身的探索和挖掘。
以设计的“3.1数据导入”为例，教材中在讲述“导入数据”部分后就直接提到了“处理重复值”和“处理缺失值”这两个概念。此时需要设计一个实例活动来帮助学生更好地理解这些概念之间的作用和相互关系。为此，笔者特地设计了3.1.2和3.1.3两个活动，通过带领学生一起“检查数据完整度”和“查看数据具体情况”来帮助学生理解为什么需要对导入的数据进行“重复值”和“缺失值”处理。
在3.1.2中，引导学生使用“info”命令来观察导入的数据形态。通过图 4中的“Non-Null”列可以观察到导入的数据中存在缺失值（0-2、4-7号数据中都有1500922条，而3、8-13号数据具有不同程度的缺失）。同时，在3.1.3中，又通过“head”命令来查看部分数据的具体内容，如图 5所示，部分数据内容缺失（表中NaN值）的真实形态。这有助于学生在学习中观察到数据存在重复值和缺失值等问题，并可以理解如何处理这些数据瑕疵，并为之后的数据分析做好准备。同时，教师还帮助学生将概念性知识与实际应用做了一次意义性链接。[9]
因此，在设计项目式数字化学习资源时，不仅需要选择一个优秀、易用的资源发布平台，还需要教师熟悉掌握教材内容，从中提取精华并组织大纲，随后对所提炼出的大纲进行细节设计，以帮助学生在理解概念的同时将其与实际应用联系起来。
3 成效作用
在完成相关项目式数字化学习资源建设之后，笔者实行了两轮实际授课的研究，在以下三个方面有了初步的成效。
3.1 通过探索活动加深知识理解
前文提到教材内容丰富但难以理解，项目式情景停留在理论层面。因此，提供实践场景结合学生实践可加深知识的理解和应用，即“知而不能真切笃实，便是妄想，所以必须说个行。”[11]。将理论付诸实践是加深知识理解的必要手段。
图 6 结合举例和问题帮助加深知识理解
在“数据探索和可视化”这一章节中，首先列出各种常用的可视化图表，介绍了它们的作用。在4.2节中提出本章需要探索的4个问题，并要求学生自行分析哪些图表适用于这些问题。通过对学生的反馈进行跟踪，基本上学生都能选择正确的图表类型，从而达到对知识点的初步理解目标。此外，在每个环节中，学习都围绕着4.2节中提出的4个问题展开，包括代码编写、图表生成、代码解析和结论等。通过这4个环节，学生逐渐从“知道”转变为“掌握”知识。这符合新课标所提出的核心素养要求：当学生在分析数据场景时，他们需要实际运用所学知识并自主选择合适的图表类型和相应的数据处理方法。
因此，在项目式数字化学习资源的设计中，给予学生足够的资源和引导，让他们通过实际操作锻炼信息识别和处理能力，非常必要且重要。
3.2 设置练习题提升应用能力
在完成知识点理解之后，如何将所学内容应用到实际生活中也是至关重要的，为此在整个项目式学习中设置了一道练习题。目的在于帮助学生巩固知识的同时，设计更加符合实际应用场景，使得学生可以直接进行实践操作，并提升其解决问题的能力。
在4.6节中设置了分析“某月每小时单车租用情况”的练习（图 7），意在帮助学生分别从数据筛选、图表选择、结论分析这三个方面能力的提升。同时还辅以参考答案，方便学生课后自行比对。结合学生的练习反馈和课后走访，在整个的学习过程中学生不再纠结代码，而是更加注重分析问题，可以从一个宏观的角度去观察分析问题，也可以从一个具体项目实现来分析问题，多个角度思考方式不同，使学习更加简单。并能提升其针对给定的任务进行需求分析，明确需要解决的关键问题的核心素养。
3.3 促进自主学习和创新能力
项目式数字化学习资源可以提供课堂之外的学习机会，并且由于是数字化的，所以可以详细编写，创造支持学生自主学习为中心的数宇化学习环境，进而激发、提高他们的学习和创新能力，为个性化学习提供更广泛的探究空间。
图 8 设置思考题和提供相关示例
在4.4章节编写的过程中，笔者留下一个思考题，引导学生在“天气类型细分类”的问题上，对数据清洗和筛选两方面进行思考。通过逐步提升问题难度和深度，让学生自主思考并提高其分析和创新能力。通过学生反馈，这样的问题设计不但帮助他们加深所学知识的应用能力，并激发探究和创新精神。通过给定的代码实例和提示，并结合网络搜索相关资料，寻找到适合处理该数据的方式和方法。并能举一反三自行修改和设计部分代码，以达到“细分天气类型数据”的目的。
在这种环境下，学生可随时随地探索发现，不受时间空间限制。该教学方式非常有效，有助于学习和提供更广泛的探究空间，符合个性化自主学习趋势。使课程学习不仅能使学生获得知识 , 而且能够帮助学生建构知识。[12]
4 结语
尽管这些资源的实用性和对学生的贡献有待进一步验证，但我们可以看到，项目式数字化学习资源为学生提供了更多的学习方式和选择，促进了学生的主动探究和创新意识的培养。无论结果如何，我们应该继续关注评估这些资源的效益和价值，以确保它们真正地为学生的学习和职业发展带来积极的变化。同时，我们也需要不断地思考和探索如何更好地激发学生的学习兴趣和动力，让他们在学习过程中获得更多的自我认知和成长机会，实现更加全面和深入的学习体验。
项目式数字化学习资源网址：
https://python-data-analytics.readthedocs.io/zh_CN/latest/
参考文献：
[1] Buck Institute for Education. Project-based Learning Handbook: A Guide to Standards-Focused Project-Based Learning for Middle and High School Teachers. [M].Novato, CA: Buck Institute for Education, 2014.
[2] 刘源.新课标背景下项目式学习如何在中小学落地——访北京师范大学教育学部桑国元教授[J].教师教育论坛,2022,35(10):5-8.
[3] KewalRamani A, Zhang J, Wang X, et al. Student Access to Digital Learning Resources outside of the Classroom. NCES 2017-098[J]. National Center for Education Statistics, 2018.
[4] U.S. DEPARTMENT OF EDUCATION. Reimagining the Role of Technology in Education: 2017 National Education Technology Plan Update[EB/OL]. [2017]. https://tech.ed.gov/files/2017/01/NETP17.pdf.
[5] European Commission. Digital Education Action Plan 2021-2027 Resetting education and training for the digital age [EB/OL]. [2020–09–30]. https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/PDF/?uri=CELEX:52020SC0209&qid=1678270164513&from=EN
[6] 中华人民共和国教育部. 普通高中信息技术课程标准[M]. 2017 年版 2020 年修订. 人民教育出版社, 2020.
[7] 普通高中信息技术课程标准修订组. 普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）解读[M]. 第一版. 高等教育出版社, 2020.9.
[8] 李晓明 总主编. 普通高中教科书·信息技术·必修1·数据与计算[M]. 第1版. 华东师范大学出版社, 2021.
[9] （美）耶伦（Yelon, S.） 著, 单文经 等译. 教学原理—当代教育理论译丛[M]. 第一版. 华东师范大学出版社, 2003.11.01.
[10] 维基百科. 数据清洗[EB/OL]. [2023.3]. https://zh.wikipedia.org/zh-hans/%E6%95%B0%E6%8D%AE%E6%B8%85%E6%B4%97.
[11] 陈嘉映. 何为良好生活[M]. 第一版. 上海文艺出版社, 2015.4(2022.7重印).
[12] 李克东.数字化学习(上)——信息技术与课程整合的核心[J].电化教育研究,2001(08):46-49.DOI:10.13811/j.cnki.eer.2001.08.045.
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