在小學(xué)思維可視化教學(xué)中發(fā)展學(xué)生計算思維

劉蜜 江蘇省南京市赤壁路小學(xué)

7～12歲兒童的思維正處于從具體運算階段過渡到形式運算階段的關(guān)鍵時期，在分類、數(shù)字處理、時間和空間概念上有了很大的進(jìn)步，能夠運用符號進(jìn)行有邏輯的思考活動，但其抽象思維的發(fā)展還不穩(wěn)定、不完善。在小學(xué)信息科技教學(xué)中，這種思維特點就表現(xiàn)為學(xué)生學(xué)習(xí)思考過程中的各種困難：學(xué)生的思維看不見摸不著也說不出，無法分享或?qū)W習(xí)；學(xué)生能仿制一些信息技術(shù)作品，但不能自覺地調(diào)節(jié)、控制自己的思維過程；學(xué)生缺乏分析能力，面對復(fù)雜問題找不到頭緒無從下手等。這也成為培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力的難點。針對上述問題，信息加工理論提出了新的思路，可以將人腦與計算機(jī)進(jìn)行類比，對信息進(jìn)行選擇、接收、編碼、歸納和組織，使用恰當(dāng)?shù)姆椒ńW(xué)生思維的可視化模型，并加以利用，作出決策和指導(dǎo)自己的行為。而思維可視化能運用一系列技術(shù)方法把本來不可見的思維過程呈現(xiàn)出來，有利于思維過程被學(xué)生理解、記憶、優(yōu)化和應(yīng)用，進(jìn)而提高信息加工、傳遞、處理的效能，對提升學(xué)生計算思維能力作用顯著。[1]

●思維圖像化，生活案例的概括抽象

說起思維圖像化，常常讓人想起用特定圖形表示程序中操作順序的程序流程圖。其實思維圖像化并不專用于編程思路的可視化，還有數(shù)據(jù)流程圖、系統(tǒng)流程圖、系統(tǒng)資源圖、思維導(dǎo)圖等各種類型，其本質(zhì)上是以特定的圖形符號加上說明來表示算法關(guān)系的工具，可運用于各種信息關(guān)系、問題解決流程的表達(dá)。在課堂上，思維圖像化常常用于生活實例的抽象歸納，讓學(xué)生回憶概括流程主線，用圖文形式表達(dá)出來。

例如，在《猜猜它是誰：圖像識別》一課中，教師給學(xué)生發(fā)了許多教具圖片，有眼睛、大腦、嘴巴、攝像頭、顯示屏、數(shù)據(jù)庫等，要求大家回想人類識別動物的過程和人工智能識別動物的過程，用圖片拼貼出識別線索，并用語言加以說明。學(xué)生通過拼貼描述生成思維導(dǎo)圖，成功搭建出自我理解的人類識別圖像模型和人工智能識別圖像模型，初步嘗試了對生活現(xiàn)象的原理抽象，在思維圖像化的過程中實現(xiàn)了對計算思維的建構(gòu)。緊接著，在教師的引導(dǎo)下學(xué)生再次觀察對比人的識別過程和人工智能的識別過程，補充了人工智能圖像識別的知識結(jié)構(gòu)，又進(jìn)一步將人工智能的識別過程歸納為以下思路——獲取信息→匹配判斷→輸出結(jié)果，這也是在思維圖像化的基礎(chǔ)上達(dá)成的，如圖1所示。

圖1

●思維數(shù)據(jù)化，數(shù)據(jù)規(guī)律的科學(xué)推導(dǎo)

思維數(shù)據(jù)化是根據(jù)數(shù)據(jù)來量化思考的思維模式，也是計算機(jī)科學(xué)中最典型的思維模式。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、處理，以及從中發(fā)掘有效信息的過程，常常能夠幫助學(xué)生抓住事物的本質(zhì)特征和變化規(guī)律，讓他們?nèi)媪私鈹?shù)據(jù)與計算的重要意義，從而提升信息素養(yǎng)。[2]數(shù)據(jù)化思維為問題的解決提供了更清晰、更科學(xué)的思路。

例如，在《數(shù)據(jù)的表達(dá)》一課中，教師請學(xué)生預(yù)測2023年什么時候買空調(diào)最便宜。學(xué)生先憑經(jīng)驗進(jìn)行猜測，都覺得應(yīng)該是寒冷的一二月份最便宜。后來選擇了某型號空調(diào)近三年的價格數(shù)據(jù)進(jìn)行表格化、圖表化，并分析比較，尋找數(shù)據(jù)變化的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)六月才處于年內(nèi)價格最低點。然而通過整理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)解決問題的思維可視化方法并不是天生具有的，需要相當(dāng)?shù)男畔⒁庾R和數(shù)據(jù)工具應(yīng)用能力支持，在課堂上引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行反復(fù)認(rèn)知和應(yīng)用才能獲得，這是信息科技重要的工具技能之一。

●思維模型化，思維模塊的靈活演繹

在思維圖像化和數(shù)據(jù)化的學(xué)習(xí)中形成的流程、思路、方法，都可以確定為某種思維模型，并作為工具進(jìn)行靈活運用，舉一反三，解決更多的問題。

例如，在《聽指揮的聰明車：紅外線遙控》一課中，學(xué)生先通過實例抽象畫出思維流程，如圖2所示。

圖2

紅外遙控器能發(fā)出12種不同的數(shù)字信號，機(jī)器人小車也有各種行動方式，如前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等。教師引導(dǎo)大家進(jìn)行討論設(shè)想：一邊是遙控器的各種信號，一邊是機(jī)器人的不同動作，有沒有什么方法能把兩者連接起來，讓機(jī)器人根據(jù)信號來行動呢？學(xué)生很快得到了這樣一個條件關(guān)系式，并發(fā)現(xiàn)該關(guān)系式可以套用所有信號的遙控功能：

這樣，傳感器與小車的聯(lián)動關(guān)系就固定成為一個最簡單的思維模型，并可以以填空的形式交給學(xué)生自主變化，完成遙控小車的各種功能，如：

根據(jù)這個關(guān)系式來編寫腳本，思路清晰，便于理解，還能繼續(xù)拓展功能，如給機(jī)器人安裝LED燈，并實現(xiàn)：

在這個教學(xué)片段中，條件關(guān)系式實質(zhì)上是一種算法的歸納和應(yīng)用，學(xué)生每完成一種組合，都是對算法的平行演繹，通過反復(fù)運用對條件關(guān)系加深了理解。

又如，在《圖形化編程畫正多邊形》一課中，用程序流程圖（如下頁圖3）的形式來實現(xiàn)學(xué)生的思維可視化。

圖3

程序流程圖的對比讓學(xué)生很快找出了經(jīng)典循環(huán)結(jié)構(gòu)的共同點，采用變量替代的方式，順理成章地歸納出畫正多邊形的思維模型，如下頁圖4所示。

圖4

在這個模型中，X控制正多邊形的邊數(shù)，Y控制正多邊形的大小，思維模型的搭建為變量概念設(shè)置了伏筆。模仿書本和教師的編程示范，學(xué)生只能學(xué)會少數(shù)幾個圖形的程序編寫，還有可能知其然不知其所以然。掌握了思維模型，學(xué)生就可以畫出無數(shù)個正多邊形，還可以繼續(xù)精簡變形，直觀地比較不同的算法流程，初步形成迭代優(yōu)化的算法思維。

編程課程通常以制作一個有趣的小作品作為課堂教學(xué)內(nèi)容，實際上是在通過作品的制作教學(xué)程序的基本結(jié)構(gòu)。一課有一得，但各種程序結(jié)構(gòu)的關(guān)系并不是分散割裂的。以模塊化的思維去看，每一個程序模型都可以看作是模塊積木，每一次編程都是在之前學(xué)習(xí)的所有程序的基礎(chǔ)上進(jìn)行的新演繹，學(xué)生在學(xué)習(xí)中收集各種可視化程序模塊，再遷移到對其他案例或事物的學(xué)習(xí)及問題的解決中，訓(xùn)練了思維，有利于自身的可持續(xù)發(fā)展。

●思維項目化，探究方案的多元分析

新課標(biāo)倡導(dǎo)真實性學(xué)習(xí)，而項目式教學(xué)就是一種以學(xué)習(xí)者為中心，以真實問題為導(dǎo)向，由學(xué)生圍繞問題自主學(xué)習(xí)，解決問題的學(xué)習(xí)方式。項目式教學(xué)是培養(yǎng)能力的利器，但也常常因為項目的復(fù)雜讓學(xué)習(xí)者望而卻步，思維可視化為復(fù)雜項目的落地找到了思路。

項目主題有多種類型，如解決一個問題、設(shè)計一款產(chǎn)品、調(diào)查一種現(xiàn)象等。每一類主題的項目化學(xué)習(xí)過程都可以分為確立項目、制訂方案、協(xié)作實行、檢查反饋、完善優(yōu)化、展示評估六個環(huán)節(jié)。從思維可視化的角度來看，項目是某種基于系統(tǒng)模擬的復(fù)雜問題，如果在每個環(huán)節(jié)都有問題串適當(dāng)引導(dǎo)，就可以讓學(xué)生通過問答形式對自己現(xiàn)有的資源、需要達(dá)到的目標(biāo)和下一步應(yīng)該采取的行動有一個全面的了解，將復(fù)雜的項目以可視化的結(jié)構(gòu)關(guān)系梳理清楚。例如，設(shè)計一款產(chǎn)品，就可以以下頁圖5所示的表單進(jìn)行引導(dǎo)。

項目可視化通過以下幾個方面發(fā)揮作用：

（1）化整為零，將復(fù)雜問題進(jìn)行分解。例如，圖5表單中的每一條子提綱，都可以為學(xué)生搭建難度適中、層次分級的思維腳手架，引導(dǎo)學(xué)生親歷分析、實踐、測試、交流等探究活動，先分解再整合，完成項目全程。不同的主題和不同的項目類型在具體表單項上可以進(jìn)行微調(diào)整。

（2）項目可視化倡導(dǎo)各種可視化工具、各種算法模塊、數(shù)據(jù)思維的綜合應(yīng)用，要求學(xué)生在原有思維框架上嘗試整合創(chuàng)新，使其能夠系統(tǒng)性地考慮問題，明確問題并準(zhǔn)確描述，規(guī)劃周全，合理使用資源和工具達(dá)成目標(biāo)。這不是基于某種簡單的方式或脫離情境對學(xué)生零碎知識與技能的應(yīng)用，而是要在一個或多個新情境下，對學(xué)生的設(shè)計應(yīng)用能力進(jìn)行訓(xùn)練，提高每一個學(xué)生項目化思維的參與度和綜合水平。

（3）下頁圖5中表單的“協(xié)作實行→檢查反饋→完善優(yōu)化”環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了算法優(yōu)化迭代的思想，在真實課堂中不是線性的，而是一個反饋循環(huán)過程。將抽象的書本知識在實踐中物化，發(fā)現(xiàn)不足并不斷改進(jìn)，直到達(dá)到既定目標(biāo)，將抽象、靜態(tài)的設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^、具體的制作過程，是項目可視化重要的一環(huán)，也是實現(xiàn)學(xué)生對系統(tǒng)深度理解的必經(jīng)之路。[3]

圖5

在展示評估階段，教師不光要讓學(xué)生展示產(chǎn)品外形和功能，還應(yīng)當(dāng)將項目的全過程作為展示的重要內(nèi)容。產(chǎn)品設(shè)計完成的全過程，體現(xiàn)的是現(xiàn)實系統(tǒng)設(shè)計與評估的一般工程思維方法，這對學(xué)生形成完整的項目化思維有積極的促進(jìn)作用。

●結(jié)束語

課堂實踐證明，思維可視化是針對計算思維過程的科學(xué)有效的訓(xùn)練方法，在程序教學(xué)和非程序教學(xué)的信息科技課堂中都有培養(yǎng)學(xué)生思維能力的積極作用。在信息科技課堂中進(jìn)行思維可視化的探索，并不是簡單地讓學(xué)生看圖看視頻，而是通過各種手段、工具、活動試圖讓學(xué)生的思維過程“可視”“可控”“可發(fā)展”，增強(qiáng)學(xué)生對計算思維運用的自覺，從無意識的“靈光一現(xiàn)”到有意識的認(rèn)識、控制、運用、創(chuàng)新，是計算思維能力提升的重要一步。