思維可視化工具助力學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)

【摘 要】培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，是培養(yǎng)信息技術(shù)核心素養(yǎng)的重要目標(biāo)之一。如何在減輕學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷的前提下將計(jì)算思維的培養(yǎng)與小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)實(shí)踐有效融合，是當(dāng)前一線教師面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。本文主要基于計(jì)算思維的定義，分析常見的思維可視化工具，以思維可視化工具軟件為支撐，探索培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的策略，以期為高效提升學(xué)生信息素養(yǎng)助力。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算思維;思維可視化;教學(xué)策略

初中階段信息技術(shù)教學(xué)的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的信息技術(shù)核心素養(yǎng)，增強(qiáng)其在未來社會(huì)對(duì)信息的應(yīng)用與創(chuàng)造能力?！督K省義務(wù)教育信息技術(shù)課程綱要（2017年修訂）》（下文簡稱《綱要》）指出，計(jì)算思維是新時(shí)代學(xué)生信息技術(shù)核心素養(yǎng)的重要組成部分[1]。計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)廣度的一系列思維活動(dòng)。計(jì)算思維與信息技術(shù)素養(yǎng)的其他維度相互支持、互相滲透，集中體現(xiàn)了信息技術(shù)學(xué)科的育人價(jià)值[2]。

1? ?思維可視化的定義

心理學(xué)研究表明，思維是人類特有的精神活動(dòng)，“思維比知識(shí)更重要”是教學(xué)改革中逐漸被接受的事實(shí)。思維具有隱性特征，需要通過一定的載體才能將其生成過程清晰展現(xiàn)出來，這體現(xiàn)了思維的可操作性。教師可從提高教學(xué)效能出發(fā)，借助評(píng)價(jià)載體，考查學(xué)生計(jì)算思維訓(xùn)練的實(shí)際效果[3]。

思維可視化是指利用圖例等，將思維展示出來，促進(jìn)行為向更深層次發(fā)展。在傳統(tǒng)的教學(xué)活動(dòng)中，大多數(shù)情況下，學(xué)生的整個(gè)問題解決過程只存在于思維活動(dòng)中，而且這個(gè)過程往往容易被忽略。同時(shí)一些教師和學(xué)生更加關(guān)注答案，并不重視思維的生成過程。在課堂教學(xué)實(shí)踐中，充分實(shí)現(xiàn)思維可視化，可以有效減輕學(xué)生的思維負(fù)擔(dān)，訓(xùn)練他們運(yùn)用信息技術(shù)分析解決問題的能力，提高他們的思維能力和學(xué)習(xí)創(chuàng)新能力。

2? ?常見的思維可視化工具

圖形是直觀形象的語言，容易讓人接受，且一般不會(huì)遺漏重要內(nèi)容。所謂思維可視化工具，就是利用計(jì)算機(jī)將思維過程轉(zhuǎn)變?yōu)閳D形的創(chuàng)作工具。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，此類工具較多，大致可分為以下三類：

2.1? 思維導(dǎo)圖類

思維導(dǎo)圖是表達(dá)發(fā)散性思維的一種有效的圖形思維工具，是應(yīng)用于記憶、學(xué)習(xí)、思考的思維“地圖”。此類工具包括百度腦圖、Mindmanager、Xmind、FreeMind等。思維導(dǎo)圖在使用上，注重的是表現(xiàn)知識(shí)的分類以及各知識(shí)點(diǎn)之間的層級(jí)關(guān)系。在實(shí)際教學(xué)中，思維導(dǎo)圖更多的是應(yīng)用于對(duì)陳述性知識(shí)的歸類，但這僅是學(xué)生思維的一部分，而要有效提高學(xué)生思維的維度，仍需其他的可視化工具來補(bǔ)充。

2.2? 流程圖類

信息技術(shù)教師對(duì)流程圖并不陌生，其在教學(xué)實(shí)踐中常用流程圖來表示程序的執(zhí)行過程。常用的流程圖繪制工具包括Office當(dāng)中的SmartArt、Visio等各種離線工具包，也有Processon這種基于網(wǎng)絡(luò)的流程圖在線繪制工具。流程圖與思維導(dǎo)圖相比，更加傾向于展示實(shí)際的處理過程以及事件間的邏輯關(guān)系。在算法與程序設(shè)計(jì)的教學(xué)中，特別是表示順序、分支、循環(huán)三種程序結(jié)構(gòu)時(shí)，流程圖可以給學(xué)生非常直觀的形象感知，加深學(xué)生的理解。

2.3? 歸因圖類

歸因圖類，通常也稱魚骨圖，是一種用來發(fā)現(xiàn)根本原因的分析圖形。其特點(diǎn)是簡單實(shí)用，深入直觀。它看上去像根魚骨，其將問題或缺陷（即后果）標(biāo)在“魚頭”處，魚骨上有魚刺，上面按出現(xiàn)概率的大小列出問題產(chǎn)生的原因，這樣的結(jié)構(gòu)有助于說明各因素間的相互關(guān)系。魚骨圖在教學(xué)實(shí)踐中，常常用來對(duì)產(chǎn)生學(xué)習(xí)效果的各要素進(jìn)行歸因分析，能幫助教師診斷并改進(jìn)課堂教學(xué)，為學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)奠定良好的基礎(chǔ)。

3? 基于思維可視化工具培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)策略

《綱要》指出，程序設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的主要手段。Scratch是小學(xué)階段訓(xùn)練計(jì)算思維、體驗(yàn)程序設(shè)計(jì)的圖形化編程軟件，作為思維可視化工具，在培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維方面可以起到事半功倍的效果[4]。下面筆者將結(jié)合蘇教版小學(xué)五年級(jí)信息技術(shù)第10課“小貓出題”，闡述基于思維可視化工具培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)策略。“小貓出題”這一課的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生學(xué)習(xí)建立變量，通過隨機(jī)數(shù)給變量賦值，學(xué)會(huì)算術(shù)運(yùn)算，最終學(xué)會(huì)對(duì)多個(gè)變量的值進(jìn)行判斷。

3.1? 利用思維導(dǎo)圖加強(qiáng)學(xué)生對(duì)作品的結(jié)構(gòu)化分解能力

計(jì)算思維被認(rèn)為是一種問題解決的過程性思維，在思維過程中將整個(gè)問題分解簡化，以達(dá)到解決問題的目的。在實(shí)際教學(xué)中，教師可以借助思維導(dǎo)圖這一可視化工具，幫助學(xué)生對(duì)任務(wù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分解，并檢驗(yàn)得出的結(jié)果，有效提高學(xué)生的計(jì)算思維水平。如在“小貓出題”這節(jié)課的教學(xué)中，為方便學(xué)生理解活動(dòng)要求，教師可以利用思維導(dǎo)圖分解這節(jié)課的目標(biāo)要求，將所涉及的要素歸類，并對(duì)每類要素分別拆解，幫助學(xué)生理清知識(shí)結(jié)構(gòu)。

本課內(nèi)容的四類要素中，涉及數(shù)的操作，要求學(xué)生能夠自動(dòng)生成“加數(shù)”“被加數(shù)”及“和”;數(shù)與數(shù)之間需要用相應(yīng)的邏輯運(yùn)算符號(hào)，如“=”“+”以及“≠”;由于是數(shù)學(xué)運(yùn)算，還需要有結(jié)果的反饋，即“正確”與“錯(cuò)誤”;最后是舞臺(tái)的角色，這也不能少。

可以看出，在Scratch程序設(shè)計(jì)教學(xué)過程中，利用思維導(dǎo)圖輔助學(xué)生表述任務(wù)的規(guī)則，梳理知識(shí)結(jié)構(gòu)，明確在腳本的搭建過程中需要用到哪些相關(guān)的要素，并對(duì)相關(guān)的要素進(jìn)行歸類與組合，有助于提高學(xué)生的分析能力，強(qiáng)化對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。

3.2? 利用流程圖培養(yǎng)并提高學(xué)生的行事邏輯

所謂行事邏輯，指在處理事情的過程中，個(gè)體表現(xiàn)出的一般思維形式或規(guī)律。良好的行事邏輯是個(gè)體科學(xué)、高效地處理事情的基礎(chǔ)。在程序設(shè)計(jì)的課堂實(shí)踐中，應(yīng)在完成結(jié)構(gòu)化分解的基礎(chǔ)上，利用流程圖連接最簡化的步驟，幫助學(xué)生理清解決問題的思路，增強(qiáng)學(xué)生的行事邏輯。在Scratch的教學(xué)實(shí)踐中，可以在分析程序中，用流程圖來表示順序語句、條件語句、循環(huán)語句，幫助學(xué)生將自然語言轉(zhuǎn)化成程序設(shè)計(jì)語言，梳理程序的思路，這種可視化的表征更有利于學(xué)生理解和記憶[5]。

“小貓出題”這節(jié)課中需要梳理加數(shù)生成、運(yùn)算、驗(yàn)證輸入答案是否正確及輸出結(jié)果等一系列的過程。其中，涉及順序、分支兩種程序結(jié)構(gòu)，如果僅憑語言描述，可能會(huì)造成步驟遺漏、順序顛倒等情況，使學(xué)生的思維更加混亂?；诖?，教師可在流程圖的幫助下，利用流程框?qū)ο鄳?yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，并在流程線的指引下，排列節(jié)點(diǎn)順序，最終全方位展現(xiàn)整個(gè)事件的操作流程。因此，在信息技術(shù)課程序設(shè)計(jì)模塊的教學(xué)中，引入流程圖能夠?qū)⒊绦蚋鳝h(huán)節(jié)清晰地呈現(xiàn)給學(xué)生，借助相關(guān)圖例使學(xué)生的思維過程更加順暢，使學(xué)生在理清邏輯關(guān)系的基礎(chǔ)上提高計(jì)算思維水平。

3.3? 利用魚骨圖歸納分析計(jì)算思維培養(yǎng)中的疑難問題

計(jì)算思維的培養(yǎng)與評(píng)價(jià)的目的是促使學(xué)生思維實(shí)現(xiàn)從隱性到顯性的轉(zhuǎn)化。日常教學(xué)中，教師常常會(huì)遇到各種各樣的困難，對(duì)此，要詳加分析找到原因，對(duì)癥下藥，優(yōu)化教學(xué)過程，提升學(xué)生的計(jì)算思維培養(yǎng)水平。

在“小貓出題”這節(jié)課中，可以把學(xué)生的計(jì)算思維培養(yǎng)影響因素歸納為以下幾類。①學(xué)生個(gè)人因素，即學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)不足、操作不夠熟練、對(duì)變量隨機(jī)數(shù)等相關(guān)概念認(rèn)識(shí)不清、對(duì)任務(wù)流程不理解等。②教師因素，包括Scratch編程知識(shí)缺失、相關(guān)操作講解不到位、教學(xué)方法的使用失當(dāng)?shù)?。③環(huán)境因素，如機(jī)房電腦故障、學(xué)生間相互干擾導(dǎo)致對(duì)教師講解內(nèi)容聽不清楚等。④資源因素，即課件內(nèi)容有歧義、引入時(shí)機(jī)不恰當(dāng)、畫面干擾因素過多等。

教師借助魚骨圖分析，即可找出問題產(chǎn)生的原因并加以解決。對(duì)于學(xué)生的原因，教師應(yīng)從學(xué)情入手，幫助學(xué)生找出問題的根源，最大限度地讓學(xué)生跟上課堂教學(xué)節(jié)奏，關(guān)注學(xué)習(xí)本身。對(duì)于教師的原因，教師應(yīng)從自身出發(fā)，查漏補(bǔ)缺，根據(jù)學(xué)情調(diào)整授課方式方法，運(yùn)用合適的教學(xué)策略，達(dá)到教學(xué)效果的最優(yōu)化。教學(xué)環(huán)境時(shí)常受到各種因素的影響，特別是機(jī)房，因?yàn)槭褂妙l次、機(jī)器質(zhì)量、軟件等不確定因素，常常發(fā)生電腦死機(jī)等意外，打斷正常教學(xué)，因此需要教師提前做好預(yù)案，將影響降到最低，讓教學(xué)活動(dòng)順利開展。對(duì)于課堂教學(xué)中運(yùn)用到的課件等資源，教師需要本著“適當(dāng)、精準(zhǔn)”的原則在課前精心準(zhǔn)備，以幫助學(xué)生理解教學(xué)內(nèi)容。在魚骨圖的幫助下，師生共同尋找、排除相關(guān)“其他”因素，專注于課堂實(shí)踐本身，才能有效提升學(xué)生的計(jì)算思維水平。

綜上所述，以信息技術(shù)課堂為陣地，教師在培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的過程中，必須針對(duì)思維的隱性特征，有效利用思維可視化工具，使學(xué)生的思維活動(dòng)得到顯性表達(dá)，幫助學(xué)生理解特定的思維策略和思維過程，從而提升學(xué)生思維能力。此外，對(duì)廣大信息技術(shù)教師而言，利用思維可視化工具能真實(shí)了解學(xué)生的思考內(nèi)容、思考方法和思考過程，有效提升其計(jì)算思維水平，提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李藝，李美鳳.《江蘇省義務(wù)教育信息技術(shù)課程指導(dǎo)綱要（試行）》評(píng)介[J].中國信息技術(shù)教育，2008（8）.

[2]張錦東.思維可視化工具在小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科計(jì)算思維培養(yǎng)中的應(yīng)用研究[J].教育觀察（下半月），2017（8）.

[3]陸駿杰.生活情境式的Scratch教學(xué)設(shè)計(jì)培養(yǎng)小學(xué)生算法思維的效果研究[D].南京：南京師范大學(xué)，2018.

[4]蔡中琴.重構(gòu)信息技術(shù)教材 落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)[J].中學(xué)課程資源，2019（5）.

[5]吳丹丹.可視化思維工具促進(jìn)高階思維發(fā)展的實(shí)證研究[D].長沙：湖南師范大學(xué)，2018.