四问驱动，促进知识通达核心素养

随着《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》的实施，数据编码如何走向实践教学、如何在学习中让“科”与“技”有机融合，已经成为重要的教研课题之一本期解码，从一线的视角，展示基于数据与编码来观察核心素养的问题驱动和项目式学习两种不同的教学策略摘要本文尝试将“四问驱动”教学范式融入数据编码的探究过程，从大模型何以产生类人智能到数据是人工智能的重要基石，从远古人类的结绳计数到十进制数的创造使用，从天平硅码的方案设计到二进制编码的基本原理，从真话假话判断问题的逻辑推理到程序枚举解决，追溯数据编码知识的生成与发展过程，促进学科知识通达核心素养关键词四问驱动；数据；编码；二进制素养导向的课堂教学追求人的全面与可持续发展唯有静态的、封闭的学科知识成为真实问题解决的工具、手段，并伴随着问题解决的过程而不断被解构重构，知识通达素养才具有可能性［1］从语言的创造到文字的发明，从印刷技术到电报电话等现代通信技术，从互联网到人工智能，人类社会的每一次信息技术革命，无不与数据编码问题的发现与解决过程密切相关数据无处不在，编码无时不在然而，对绝大部分高中生而言，想要透彻地理解以二进制为主的计算机编码思想与方法并不容易王克亮老师构建的“四问驱动”教学范式，倡导通过“启问、探问、追问、回问”四个环节［2］,构建一个或多个完整的问题解决循环，将课堂学习引向深入，有效提升学生的问题解决能力与学习经验迁移水平对于很少有常态化课前预习时间的高中信息技术学科而言，在课前增加一个简短的学习情绪酝酿环节，能更好地将“四问驱动”教学范式有机融入到课堂教学当中下面，笔者以《初探数据与编码》一课为例，探讨如何践行“四问驱动”教学范式，追溯数据编码知识的生成与发展过程，促进数据编码的核心知识通达计算思维的核心素养引言酝酿学习情绪

1.学习导言

（1）天道生万物老子的《道德经》第四十二章有“道生一，一生二，二生三，三生万物”的哲理名言在老子看来，万物都是由“道”演变而来《淮南子•天文训》给出了对这句话的哲学解释道始于一，一而不生，故分而为阴阳（可以类比成二进制编码

0、1）,阴阳合和而万物生

（2）万物皆比特在浩瀚的宇宙当中，除了暗物质与暗能量之外，只有几十种基本粒子通过有限种类的基本粒子，竟然生成如此纷繁复杂的世界，孕育出如此生机勃勃的宇宙这些基本粒子的不同组合方式（信息）起着决定性的作用，因此，物理学家约翰•惠勒发出感叹万物皆比特（编码）！

2.学习活动在课前导学环节，教师引导学生认真阅读投影屏幕上的学习导言与计算机上的“生成式人工智能”相关文档资料，让学生了解如讯飞星火、Kimi等国产大模型的基本功能，讨论大模型的生成机制与学习原理，激发学生的问题意识，为后续的问题探究做好认知与情绪的铺垫

3.实践评析信息技术课程与其他课程相比，尤其需要借助一个引人入胜的学习情绪酝酿环节，引导学生构建学习内容与日常生活的多维度联系，把学习的思考与疑问作为有效投入下一阶段学习活动的重要线索与生动素材，彰显学习与生活的关联价值启问探究真实问题启问是“问题解决”的发生阶段，指发现问题与提出问题的过程，启问通常紧跟问题情境之后或置于一个教学活动之前

1.学习活动教师引导学生分组讨论“大模型为什么会有类人的智能”“现代电子计算机为什么会采用二进制编码”等问题，并使用讯飞星火、Kimi等国产大模型来生成结果，体验生成式人工智能强大的知识生成能力以ChatGPT应用为例，了解数据、算法、算力是人工智能的三大基石，比较人类学习与机器学习的异曲同工之处，感悟数据编码与问题解决方式的时代变迁

2.实践评析高中生因为学习时间紧、任务重，普遍对人工智能的最新研究成果知之甚少、用之甚少从“人类知道”到“百度知道”，从“大数据知道”到“大模型知道”，启问要上承“人类如何学牙’的真实问题，下启“机器何以具备类人的智能’的课堂探究问题，让学生的思维活动在抽象与具体、学习与生活、当下与未来之间从容转换，才能让充满实践性与生命力的知识有更多迁移情境、通达素养的可能性探问助推经验建构探问是“问题解决”的发展阶段，指分析问题与解决问题的过程，这一阶段通常需要教师的引导与师生的相互启发

1.学习活动在远古时代，人类在从事狩猎、农作、放牧等生产生活的过程中都需要计数，最初采用一一对应的实物计数方法，如小石头、树枝、贝壳等然而，用来计数的实物既容易散乱、丢失，又很难表示较大的数量于是就出现了结绳计数、刻痕计数等人类最早使用的数据编码形式那些最早用结绳、刻痕计数并帮助人们解决物品分发问题的先祖，那些在殷商时代就能在甲骨上镌刻上

一、

二、

三、

四、

五、

六、

七、

八、

九、十和百、千、万等十进制数的先贤，都是值得后人敬仰学习的经验总结者与知识创造者

2.实践评析通过结绳计数的分组体验活动，学生真切感悟知识产生与发展的艰辛历程由于学生先前的学习生活经验各不相同，在探问环节要根据不同学生的实际学习情况做出及时有效的反馈，鼓励师生、生生之间的对话交流，助推学生的学习经验重构追问激发认知冲突追问是“问题解决”过程中的一个或多个小高潮，指质疑问难与思维交流的过程

3.学习活动在古代的物品分配、交换体系中，数量和重量的计算都是需要解决的关键问题古埃及与中国在几千年前就开始使用天平来对物品称重尽管随着时间的推移，天平早已超越了它本身的使用意义，变成了公平正义的图腾，但其祛码设计问题中蕴含的数据编码原理，仍然值得我们思考研究1问题描述有一架天平和n只祛码，假设祛码重量的最小单位是1克，所有祛码的克数都是正整数，称物时物品放在天平的左边，祛码放在右边如何设计这n只祛码的重量，才能使这架天平从1克开始的连续称重范围最大？2问题解决开放包容的课堂讨论活动，可以激发学生的思维碰撞，学生借助反思修正之前的知识理解，改进后续的问题解决，这既是反思性思维与素养的另一种表达，也是重建知识实践性的基本内涵［3］为了增强讨论效果，可以让学生根据学号的奇偶，选择4个或5个祛码进行重量实验的方案设计，并通过讨论交流得出初步的结论

①原理分析引导学生运行祛码设计的Python程序，根据程序运行结果，比较人机解决问题的异曲同工之处如果把每个不同重量的祛码“放”或者“不放”的两种状态类比成二进制数的1和0,那么祛码的个数就等于二进制数的位数例如，4个祛码对应4位二进制数1111,转换成十进制数就是15,可知4个祛码

1、

2、

4、8可以连续称重的范围是1〜15

②算法实验具体代码省略

③实验观察具体代码省略

4.实践评析在学生经过深入交流讨论，基本达成祛码重量设计方案的共识之后，教师可以根据课堂实际情况，适时抛出“如果祛码既可以放在左边，也可以放在右边，每个祛码的重量又该如何设计”的追问，再次引发学生的认知冲突，拓展学生学习的广度与深度追问是探问的跃迁与升华，只有把学生的好奇之心与思辨热情充分调动起来，体现课堂灵动性、鼓励生成的追问活动才有可能不断发生回问追溯知识生成回问是问题解决”的结束阶段，指回顾与反思问题解决的全过程，意图从中提炼思想方法，提出新的问题，提高认知水平

5.学习活动真话假话判断问题在4个人中，有1个人悄悄做了一件好事，但他不愿意主动承认假设他们4个人中有3个人说了真话，有1个人说了假话，请根据下面的对话，判断是谁做的好事？A不是我B是CoC是DDC胡说

（1）逻辑推理法根据题意，4个人中有3个人讲了真话，而C、D两人的讲话是互相矛盾的，他们两个人中肯定有1个人说了假话因此，A、B说的都是真话，而B说是C经过简单逻辑推理，就可以得出做好事的人是C

（2）程序枚举法直接使用逻辑推理的方法，虽然可以解决简单的真话假话判断问题，但随着对象数量的增加以及判断条件的复杂化，可能就需要将判断条件转换成可计算的逻辑表达式，通过编程计算来解决问题

①原理分析假设用二进制的

0、1分别表示讲假话的人、讲真话的人，则“A不是我”这句话就可以转换为逻辑表达式“A==0与此同时，“A==0”本身也是可计算的，如果A讲的是真话，那么A就不是做好事的人，“A==0”的计算结果就是True,而在Python语言里True可以等价于1,False可以等价于0o根据问题描述，四句话对应的四个逻辑表达式相加的结果等于3,就是枚举算法的判断输出条件，完善运行Python程序，也可以“计算”出做好事的人是Co

②算法实验具体代码省略

③实验观察做好事的人是C

6.实践评析在学生经历了一个个相对完整而又真实具体的问题解决循环之后，多回问学生“你为什么这么说，你怎么会那样做”的问题，可以促进他们把注意力从问题本身转移到自己在解决问题过程中的所做所为与所思所想，从而强化对个人学习过程的监控，提升元认知水平真正追求理解的学习，一定离不开问题的发现与解决、知识的解构与重构、过程的复盘与反思回问是促进学生元认知发展的关键路径学生的复盘反思习惯养成和新问题的不断涌现，是知识通达素养的宝贵证据结语编码建构未来在德国汉诺威的莱布尼茨文献馆，至今仍然保存着数学家莱布尼茨的一份珍贵手稿，其标题为“1与0,一切数字的神奇渊源，这是造物的、秘密美妙的典范”关于二进制的起源，莱布尼茨的手稿里虽然只有几页异常精炼的描述，但根据有关史料研究，其与中国古代“道生万物”的哲学思想有一定的历史渊源1847年，数学家布尔将逻辑符号与二进制运算相结合，创立了布尔代数，也叫逻辑代数或二进制代数1936年，图灵提出了一种抽象的计算机模型，奠定了现代计算机科学的理论基础1945年，冯•诺依曼确定了以存储程序和二进制编码为基础的现代计算机体系结构对知识意义的深度学习必须在“知其然”和“知其所以然”后，逐步升华知识的科学价值、人文价值和社会价值［4］二进制编码的思想源远流长，历史上也出现过采用十进制、三进制编码的“计算机”人类选择二进制作为现代信息系统最基本的数据编码方式，也只有短短几十年的历史二进制编码思想看似特别简单，所有编码都仅由0和1两个数字构成，但却能方便快捷地建构出波澜壮阔的数字世界历史选择了二进制编码，二进制编码也在创造着历史自从现代电子计算机诞生以来，信息技术沿着以计算机为核心到以互联网为核心再到以数据为核心的脉络发展数千年的工业农业时代产生的数据总量与短短几十年的信息时代早已无法相提并论，数据及其编码的相关知识，早已与人类的生产生活乃至整个社会的运转方式密切相关只有对编码知识进行深度挖掘，触及核心知识得以创生的方法、思想与思维及其价值旨趣，所学的显性知识才能在现实的问题情境中得以灵活、创造性地运用［5］面向未来的学习，不但要用心融入生活，关注真实问题解决的学科意义，更要努力超越生活，彰显知识通达素养对个人乃至群体的成长价值。