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

    2023-01-30 09:13:06劉蜜江蘇省南京市赤壁路小學(xué)
    中國信息技術(shù)教育 2023年2期
    關(guān)鍵詞:可視化圖像思維

    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。

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