基于計算思維的信息技術(shù)三維教學(xué)模式探究

王蕾

教學(xué)現(xiàn)場

計算思維主題研訓(xùn)活動如火如荼開展之時，各地紛紛進行了有關(guān)計算思維的載體形式和實現(xiàn)方式的研討。其中有關(guān)計算思維如何落地、信息技術(shù)學(xué)科中如何踐行計算思維的質(zhì)疑也在日益凸顯，究竟何種教學(xué)模式，才是計算思維正確的打開方式？

問題分析

從理論界的演進到學(xué)術(shù)界的認可，從學(xué)科領(lǐng)域的更替到研究方向的明晰，計算思維在確立其學(xué)科思維引導(dǎo)者的旗艦作用后，缺少了教學(xué)一線的落地研究。本文將對計算思維從學(xué)理中進行實踐性的解析，以期為計算思維的落地研究提供實例。

計算思維的概念界定與落地方式

2006年，“計算思維”概念肇始于美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計算機科學(xué)系主任周以真（Jeannette M. Wing）的界定。“計算思維”概念的討論發(fā)源自計算機科學(xué)領(lǐng)域，是他們關(guān)于科學(xué)思想和方法之深刻價值的進一步覺醒。隨著信息技術(shù)學(xué)科的發(fā)展，“計算思維”概念正在走出計算機科學(xué)領(lǐng)域，顯現(xiàn)為一種新的具有廣泛意義的思想方法。這個概念逐步受到基礎(chǔ)教育界的廣泛重視：ISTE和CSTA聯(lián)合制定的中小學(xué)計算思維課程框架中，明確將計算思維定義為解決問題的一種過程。[1]

Resnick認為計算思維是種特別重要的表達形式，“編程就像寫作，是一種表達方式，也是開發(fā)新的思維方式的入口”。他相信對于多數(shù)人來說，計算思維意味著經(jīng)常運用計算媒體表達自己的一種手段，計算的力量體現(xiàn)在它允許人們通過各種媒體表達和展現(xiàn)自己，因此，計算思維意味著能夠創(chuàng)建、建立和創(chuàng)造展示物，需要頻繁使用計算媒體。[2]Wilensky認為有關(guān)計算思維的定義可以分為四種類型：理解世界的方式、做事的方式、探究的方式、協(xié)作的方式。[3]中國學(xué)者李藝、鐘柏昌認為，“計算思維可以分為三組有關(guān)聯(lián)的思維結(jié)構(gòu)：對象化思維和過程思維，兼具認識世界和改造世界的功能，分別指向世界的空間和時間維度；抽象思維和可視化思維，它們主要體現(xiàn)在認識世界的活動當(dāng)中，分別指向世界的內(nèi)在本質(zhì)和外在形態(tài)；工程思維和自動化思維，它們主要表現(xiàn)為改造世界的能力，分別指向改造世界的必然性和自由性”。三組概念共同構(gòu)建了一個“計算思維”的思維世界。[4]

信息技術(shù)教學(xué)中有關(guān)計算思維的表現(xiàn)形式

學(xué)者們從計算思維的關(guān)聯(lián)中分析出思維結(jié)構(gòu)的三維組成，落實在中小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)中，具體物化為信息技術(shù)教學(xué)設(shè)計的三種模式，即：在有關(guān)設(shè)計為主線的學(xué)習(xí)活動中，落實對象化思維和過程思維，借助類學(xué)習(xí)工具實現(xiàn)計算思維的培養(yǎng)過程；在以內(nèi)容解析為認知導(dǎo)向的學(xué)習(xí)活動中，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維和可視化思維，建立知識圖景；在基于問題解決的學(xué)習(xí)活動中，通過工程思維的過程，找到問題求解的最優(yōu)途徑，提升學(xué)生的解題能力。

基于計算思維的信息技術(shù)三維組成的教學(xué)過程

計算思維解析為三組相關(guān)的思維結(jié)構(gòu)，其中對象化思維和過程思維關(guān)注認識事物的時空維度，在實踐課等內(nèi)容中使用較多；抽象思維和可視化思維關(guān)注認識事物的內(nèi)核與外形，在初識課中使用較多；工程思維和自動化思維關(guān)注提升改造世界的能力，在有關(guān)程序設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容中使用較多。下文將結(jié)合典型課例進行具體的闡述。

1.對象化思維和過程思維：設(shè)計為線的學(xué)習(xí)活動

對象化思維和過程思維關(guān)注思維主體的活動過程，強調(diào)學(xué)習(xí)活動是由具體的時間、活動、人物等對象化要素構(gòu)成的，有關(guān)開始、發(fā)展、結(jié)束的完整階段的思維過程。在信息技術(shù)教學(xué)中，常規(guī)的實踐課可采用這樣的思維形式進行學(xué)習(xí)活動。

（1）原設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)《智能樓道燈》一課屬于典型的實踐性信息技術(shù)課，要求學(xué)生在課上完成通過聲控、光控等條件進行燈泡亮滅的控制。常見的課例中，教師一般會帶領(lǐng)學(xué)生進行實驗分析，然后按照實驗計劃完成項目。教學(xué)過程中的常見問題是，學(xué)生完成一輪實驗后，無法準(zhǔn)確進行知識歸納，不明白實驗的目標(biāo)，也不能準(zhǔn)確說出自己的實驗流程。

（2）思考焦點

出現(xiàn)此問題的焦點在于，教師的設(shè)計過程雖遵循從設(shè)計思路到實踐實驗的過程，但是缺乏對確定的對象進行過程思維的流程，因此學(xué)生的操作實踐只是按部就班地進行實踐，缺少思維的過程，最終導(dǎo)致技能任務(wù)完成但認知任務(wù)缺憾的情況。

（3）改進型設(shè)計

在基于計算思維的教學(xué)過程中，教師將從過程思維的角度來安排教學(xué)流程。

導(dǎo)學(xué)部分：結(jié)合智能樓道燈的實例，分析聲控?zé)舻膭幼鬟^程→思考：為何能用聲音來控制燈？

確定實驗對象：在剛才的過程中，引起變化的是“聲音”→產(chǎn)生變化的是“樓道燈”，因此，如果要控制樓道燈，要將“聲音”作為促發(fā)對象，將“樓道燈”作為接受對象。（明確實驗的兩個研究對象）

確定研究路線：根據(jù)導(dǎo)學(xué)分析，我們能夠發(fā)現(xiàn)以下的思路，①測量常態(tài)下的聲音數(shù)值，并記錄在學(xué)習(xí)單上。②假設(shè)：設(shè)置雙分支結(jié)構(gòu)，常態(tài)下（即無聲音狀態(tài)）→聲音傳感器檢測聲音值低于常態(tài)值→無人經(jīng)過→樓道燈滅；非常態(tài)下（即有聲狀態(tài)）→傳感器檢測到聲音值高于常態(tài)值→有人經(jīng)過→樓道燈亮。③思考：如果常態(tài)聲音值變化，如何修改以上的程序？

實施實驗過程：根據(jù)研究路線圖，進行實驗，并記錄下相應(yīng)的數(shù)值。

得出實驗結(jié)論：智能樓道燈如何做到智能的？它的智能通過哪些載體來實現(xiàn)？

教學(xué)評析：在以上過程中，學(xué)生清晰地了解實驗?zāi)康暮脱芯繉ο?，在理清、明晰主線后，通過工程思維的方式進行自我的學(xué)習(xí)實踐，逐一驗證假設(shè)。每一次實驗，都是一次從認知理論到實踐驗證的過程，完成了深層學(xué)習(xí)和意義建構(gòu)，因此教學(xué)效果甚為理想。

2.抽象思維和可視化思維：解析為內(nèi)容的認知導(dǎo)向

抽象思維和可視化思維主要體現(xiàn)在認識世界的活動當(dāng)中，分別指向世界的內(nèi)在本質(zhì)和外在形態(tài)。在信息技術(shù)教學(xué)中，這樣的思維過程對初識課的教學(xué)尤為有效。

（1）原設(shè)計

《初識物聯(lián)網(wǎng)》一課，是義務(wù)教育階段物聯(lián)網(wǎng)模塊的起始課。近年來，它受到了眾多優(yōu)質(zhì)課競賽的青睞。在筆者所聽過的《初識人工智能》一課的講授中，常規(guī)教學(xué)模式一般采用以下流程進行：視頻導(dǎo)入（介紹人工智能的應(yīng)用）→概念解析（說明什么是人工智能）→原理說明（介紹人工智能的原理）→應(yīng)用前景（人工智能的常用場景）。很多課中，都有著濃厚的品社課或理論課的痕跡，教師講解多，學(xué)生操練少，導(dǎo)致最終的教學(xué)效果不理想。

（2）思考焦點

人工智能的初識課頗有難度，它不同于常見的經(jīng)典課型，有著確定的概念和理論界定。它從概念解析到外延的擴展尚處于起步階段，所以教師們?？嘤跓o法駕馭這樣的課型。

根據(jù)計算思維的設(shè)計理念，我們可以從中提取抽象的概念進行具體化，采用可視化的方式幫助學(xué)生真正揭開此神秘內(nèi)容的面紗。

（3）改進型設(shè)計

2017年江蘇省信息技術(shù)教師基本功大賽小學(xué)組現(xiàn)場教學(xué)實踐項目的題目為《初識人工智能》，在聽課過程中，筆者汲取授課教師的經(jīng)驗，通過基于計算思維的設(shè)計理念，形成了以下的教學(xué)組織形式。

①體驗人工智能：通過scratch中的程序自動控制送餐機器人，讓學(xué)生積累人工智能的感性經(jīng)驗，從自然語言角度體會人工智能的運行方式。

②分析人工智能原理：借助以上程序的結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生思考：為什么機器人能自動送餐？機器人的運動是哪個語句控制的？它在運動過程中，如何準(zhǔn)確地判斷餐桌的位置？

學(xué)生通過對程序腳本的分析，明晰了所謂智能并不是機器人自身所具備的思維能力，而是由程序編寫者設(shè)置一定的變量，借助動作的變化，從而實現(xiàn)自動化的控制。學(xué)生通過對源程序的剖析，能夠理解到，人工智能其實是人的智能，是人類借助機器人實現(xiàn)動作的一系列活動。

③構(gòu)建人工智能圖示：教師引導(dǎo)學(xué)生，繪制出送餐機器人的結(jié)構(gòu)流程圖。

④編寫的新人工智能程序：

教師給出新的命題，學(xué)生根據(jù)以下情況修改程序：

A如果客人換桌怎么辦？（建立桌號變量，動作根據(jù)桌號變量行動）

B如果客人退餐怎么辦？（建立溝通機制，增加對話選擇）

C如果路上遇到障礙物怎么辦？（建立避障模塊，繞開明顯的障礙物）

⑤出示人工智能理論概念。

⑥介紹人工智能應(yīng)用場景。

教學(xué)評析：在以上的教學(xué)設(shè)計中，秉承從抽象概念到具象認知的過程，將原本理論化的初識概念進行可視化的思維解析，使得認知過程有了物化的依托，豐富了教學(xué)內(nèi)容。

3.工程思維和自動化思維：基于問題解決的最優(yōu)途徑

工程思維是指學(xué)習(xí)者在處理問題時進行活動的心智模式，包括提出問題的時機、工作的排序與調(diào)整、有效的思維模式和如何判斷工作成果的優(yōu)劣等關(guān)于問題解決的程序和方法，其最基本的特征就是思維的“整體性”。自動化思維是指無意識的、不帶意圖目的的、自然而然的并且無需干預(yù)的思維模式。在信息技術(shù)學(xué)科中，兩者主要表現(xiàn)為改造世界的能力，分別指向改造世界的必然性和自由性?；轳砸娴膬煞N思維方式，在有關(guān)程序算法的問題解析類課型中尤為適用。

（1）原設(shè)計

《我的scratch作品》一課同為江蘇省2017年信息技術(shù)教師基本功競賽課堂實踐項目的考查內(nèi)容，本課在教學(xué)公開課中也常?？梢?。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，教師一般采用“三個一”的形式來組織教學(xué)：一個主題引入課名、一個小作品負載任務(wù)、一個知識點進行歸納。此過程看似嚴謹，但課堂教學(xué)情況層次不齊。有的教師能駕馭該項主題，有的教師的教學(xué)平淡無奇。

（2）思考焦點

從教學(xué)目標(biāo)來分析，本課實為一節(jié)典型的開放式程序設(shè)計課，需要教師發(fā)揮主觀能動性，對教材進行必要的二次開發(fā)，順利完成教學(xué)任務(wù)。出現(xiàn)教學(xué)效果大相徑庭的原因在于，教師的自我開發(fā)程度差異較大，有些教師未能梳理出完整的教學(xué)思路，導(dǎo)致問題解決得拖沓冗長。

（3）改進型設(shè)計

在基于工程思維和自動化思維的教學(xué)中，可以對本課的教學(xué)環(huán)節(jié)進行主題性的修整：

師：《跳一跳》的游戲大家都玩過吧？誰能說出其中的游戲規(guī)則？

學(xué)生介紹“跳一跳”的游戲規(guī)則（即分析了腳本的設(shè)計要求）。

師：今天我們也來做一個小貓?zhí)惶挠螒?，我們先來畫一個思維導(dǎo)圖。

學(xué)生對照剛剛的游戲規(guī)則，建立相應(yīng)的思維導(dǎo)圖。

運動之跳躍對象：小貓→運動方向（面向踩板出現(xiàn)的方向）→規(guī)則：不能掉地。

運動之變化對象：各類踩板→循環(huán)出現(xiàn)（自右向左依次出現(xiàn)）→規(guī)則：大小形狀不一。

師：請把我們剛剛的思維導(dǎo)圖轉(zhuǎn)換為程序流程圖。

學(xué)生將自然語言改編為程序語言。

師：完成踩板的循環(huán)出現(xiàn)有幾種方式？

生：如果…那么…；如果…那么…否則；計次循環(huán)；無限循環(huán)……

師：要實現(xiàn)踩板不斷地自左往右移動，并配合小貓的節(jié)奏，可以用哪幾種腳本實現(xiàn)？請你嘗試一下，并記錄下探究的情況。

學(xué)生通過多次試誤，最終發(fā)現(xiàn)最適合自己的模塊。在此基礎(chǔ)上，完成多樣性的作品設(shè)計。

（無統(tǒng)一答案，學(xué)生自我掌握度越高的答案，即為最適合的答案）

教學(xué)評析：在上述的教學(xué)中，教師所引導(dǎo)的不再是機械的技術(shù)為主的技能認知，而是給出必要的問題解決思維，促發(fā)學(xué)生思考如何能有效地進行問題的求解。通過自己的多次試誤，最終找到適合自己個性特征的問題最佳解決路徑。因此，教學(xué)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程主動積極，作業(yè)內(nèi)容多樣豐富。

總結(jié)與展望

計算思維的三組相互關(guān)聯(lián)的思維結(jié)構(gòu)方式，是對計算思維課程化的具體解析，需要根據(jù)實際的教學(xué)形態(tài)加以物化。在實際的教學(xué)中，如何能最大程度地促發(fā)學(xué)生的主觀能動性、提升其意義學(xué)習(xí)的水平是教學(xué)所關(guān)注的焦點。將計算思維分維度地進行剖析，其目的在于為學(xué)生提供更為充足的思維支架，促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)。

在具體的教學(xué)過程中，要注意以下幾點：首先，避免“思維過甚”。有的教師過度重視計算思維的過程，認為所有的教學(xué)環(huán)節(jié)必須體現(xiàn)計算思維，這是一種過于偏激的觀點。所謂有教無類，是指教師的教學(xué)因人而異，因內(nèi)容而不同，并沒有硬性的規(guī)定。其次，避免“創(chuàng)新過甚”。有的教師將計算思維歸結(jié)為創(chuàng)新能力的培養(yǎng)路徑，此想法自身無過，但是如果一味地強調(diào)創(chuàng)新，則會讓計算思維的過程限于局部盲目的狀態(tài)，反而影響了學(xué)生構(gòu)建完整的思維過程，所以創(chuàng)新只是教學(xué)的目標(biāo)之一，而不是唯一。最后，避免“個性過甚”。在個性化學(xué)習(xí)大行其道的當(dāng)下，有的教師將計算思維當(dāng)作個性化學(xué)習(xí)的法寶，認為只有具有個性化的學(xué)習(xí)過程才是計算思維推進的有效評價標(biāo)準(zhǔn)，這是一葉障目不見泰山的狹隘之見。個性化學(xué)習(xí)只是一種學(xué)習(xí)方式，計算思維關(guān)注的是個體的良好的思維習(xí)慣和思維品質(zhì)的培養(yǎng)，并非只追求個性化。在有些程式化的內(nèi)容中，標(biāo)準(zhǔn)化的概念和評價標(biāo)準(zhǔn)同樣也是教學(xué)目標(biāo)之一。

參考文獻：

[1]Wing J M. Computational Thinking[J].Communications of the ACM，2006（3）.

[2]NRC. Report of a workshop on the pedagogical aspects of computational thinking[M].Washington，D.C.：National academies press，2011：67-69.

[3]林旺，孫洪濤.基于軟件應(yīng)用的計算思維能力培養(yǎng)教學(xué)設(shè)計[J].中國電化教育，2014（11）.

[4]鐘柏昌，李藝.計算思維的科學(xué)涵義與社會價值解析[J].江漢學(xué)術(shù)，2016（2）.