基于計算思維的信息技術三維教學模式探究

王蕾

教學現場

計算思維主題研訓活動如火如荼開展之時，各地紛紛進行了有關計算思維的載體形式和實現方式的研討。其中有關計算思維如何落地、信息技術學科中如何踐行計算思維的質疑也在日益凸顯，究竟何種教學模式，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術界的認可，從學科領域的更替到研究方向的明晰，計算思維在確立其學科思維引導者的旗艦作用后，缺少了教學一線的落地研究。本文將對計算思維從學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基梅隆大學計算機科學系主任周以真（Jeannette M. Wing）的界定。“計算思維”概念的討論發源自計算機科學領域，是他們關于科學思想和方法之深刻價值的進一步覺醒。隨著信息技術學科的發展，“計算思維”概念正在走出計算機科學領域，顯現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教育界的廣泛重視：ISTE和CSTA聯合制定的中小學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，也是開發新的思維方式的入口”。他相信對于多數人來說，計算思維意味著經常運用計算媒體表達自己的一種手段，計算的力量體現在它允許人們通過各種媒體表達和展現自己，因此，計算思維意味著能夠創建、建立和創造展示物，需要頻繁使用計算媒體。[2]Wilensky認為有關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、協作的方式。[3]中國學者李藝、鐘柏昌認為，“計算思維可以分為三組有關聯的思維結構：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，它們主要體現在認識世界的活動當中，分別指向世界的內在本質和外在形態；工程思維和自動化思維，它們主要表現為改造世界的能力，分別指向改造世界的必然性和自由性”。三組概念共同構建了一個“計算思維”的思維世界。[4]

信息技術教學中有關計算思維的表現形式

學者們從計算思維的關聯中分析出思維結構的三維組成，落實在中小學信息技術學科教學中，具體物化為信息技術教學設計的三種模式，即：在有關設計為主線的學習活動中，落實對象化思維和過程思維，借助類學習工具實現計算思維的培養過程；在以內容解析為認知導向的學習活動中，培養學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習活動中，通過工程思維的過程，找到問題求解的最優途徑，提升學生的解題能力。

基于計算思維的信息技術三維組成的教學過程

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

1.對象化思維和過程思維：設計為線的學習活動

對象化思維和過程思維關注思維主體的活動過程，強調學習活動是由具體的時間、活動、人物等對象化要素構成的，有關開始、發展、結束的完整階段的思維過程。在信息技術教學中，常規的實踐課可采用這樣的思維形式進行學習活動。

（1）原設計

物聯網《智能樓道燈》一課屬于典型的實踐性信息技術課，要求學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，教師一般會帶領學生進行實驗分析，然后按照實驗計劃完成項目。教學過程中的常見問題是，學生完成一輪實驗后，無法準確進行知識歸納，不明白實驗的目標，也不能準確說出自己的實驗流程。

（2）思考焦點

出現此問題的焦點在于，教師的設計過程雖遵循從設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，最終導致技能任務完成但認知任務缺憾的情況。

（3）改進型設計

在基于計算思維的教學過程中，教師將從過程思維的角度來安排教學流程。

導學部分：結合智能樓道燈的實例，分析聲控燈的動作過程→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：根據導學分析，我們能夠發現以下的思路，①測量常態下的聲音數值，并記錄在學習單上。②假設：設置雙分支結構，常態下（即無聲音狀態）→聲音傳感器檢測聲音值低于常態值→無人經過→樓道燈滅；非常態下（即有聲狀態）→傳感器檢測到聲音值高于常態值→有人經過→樓道燈亮。③思考：如果常態聲音值變化，如何修改以上的程序？

實施實驗過程：根據研究路線圖，進行實驗，并記錄下相應的數值。

得出實驗結論：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？

教學評析：在以上過程中，學生清晰地了解實驗目的和研究對象，在理清、明晰主線后，通過工程思維的方式進行自我的學習實踐，逐一驗證假設。每一次實驗，都是一次從認知理論到實踐驗證的過程，完成了深層學習和意義建構，因此教學效果甚為理想。

2.抽象思維和可視化思維：解析為內容的認知導向

抽象思維和可視化思維主要體現在認識世界的活動當中，分別指向世界的內在本質和外在形態。在信息技術教學中，這樣的思維過程對初識課的教學尤為有效。

（1）原設計

《初識物聯網》一課，是義務教育階段物聯網模塊的起始課。近年來，它受到了眾多優質課競賽的青睞。在筆者所聽過的《初識人工智能》一課的講授中，常規教學模式一般采用以下流程進行：視頻導入（介紹人工智能的應用）→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，學生操練少，導致最終的教學效果不理想。

（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，所以教師們常苦于無法駕馭這樣的課型。

根據計算思維的設計理念，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生真正揭開此神秘內容的面紗。

（3）改進型設計

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

①體驗人工智能：通過scratch中的程序自動控制送餐機器人，讓學生積累人工智能的感性經驗，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：借助以上程序的結構，讓學生思考：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，如何準確地判斷餐桌的位置？

學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置一定的變量，借助動作的變化，從而實現自動化的控制。學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動作的一系列活動。

③構建人工智能圖示：教師引導學生，繪制出送餐機器人的結構流程圖。

④編寫的新人工智能程序：

教師給出新的命題，學生根據以下情況修改程序：

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介紹人工智能應用場景。

教學評析：在以上的教學設計中，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，豐富了教學內容。

3.工程思維和自動化思維：基于問題解決的最優途徑

工程思維是指學習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、工作的排序與調整、有效的思維模式和如何判斷工作成果的優劣等關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的思維模式。在信息技術學科中，兩者主要表現為改造世界的能力，分別指向改造世界的必然性和自由性。互為裨益的兩種思維方式，在有關程序算法的問題解析類課型中尤為適用。

（1）原設計

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

（2）思考焦點

從教學目標來分析，本課實為一節典型的開放式程序設計課，需要教師發揮主觀能動性，對教材進行必要的二次開發，順利完成教學任務。出現教學效果大相徑庭的原因在于，教師的自我開發程度差異較大，有些教師未能梳理出完整的教學思路，導致問題解決得拖沓冗長。

（3）改進型設計

在基于工程思維和自動化思維的教學中，可以對本課的教學環節進行主題性的修整：

師：《跳一跳》的游戲大家都玩過吧？誰能說出其中的游戲規則？

學生介紹“跳一跳”的游戲規則（即分析了腳本的設計要求）。

師：今天我們也來做一個小貓跳一跳的游戲，我們先來畫一個思維導圖。

學生對照剛剛的游戲規則，建立相應的思維導圖。

運動之跳躍對象：小貓→運動方向（面向踩板出現的方向）→規則：不能掉地。

運動之變化對象：各類踩板→循環出現（自右向左依次出現）→規則：大小形狀不一。

師：請把我們剛剛的思維導圖轉換為程序流程圖。

學生將自然語言改編為程序語言。

師：完成踩板的循環出現有幾種方式？

生：如果…那么…；如果…那么…否則；計次循環；無限循環……

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

學生通過多次試誤，最終發現最適合自己的模塊。在此基礎上，完成多樣性的作品設計。

（無統一答案，學生自我掌握度越高的答案，即為最適合的答案）

教學評析：在上述的教學中，教師所引導的不再是機械的技術為主的技能認知，而是給出必要的問題解決思維，促發學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，教學中，學生的學習過程主動積極，作業內容多樣豐富。

總結與展望

計算思維的三組相互關聯的思維結構方式，是對計算思維課程化的具體解析，需要根據實際的教學形態加以物化。在實際的教學中，如何能最大程度地促發學生的主觀能動性、提升其意義學習的水平是教學所關注的焦點。將計算思維分維度地進行剖析，其目的在于為學生提供更為充足的思維支架，促進學生深度學習。

在具體的教學過程中，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，認為所有的教學環節必須體現計算思維，這是一種過于偏激的觀點。所謂有教無類，是指教師的教學因人而異，因內容而不同，并沒有硬性的規定。其次，避免“創新過甚”。有的教師將計算思維歸結為創新能力的培養路徑，此想法自身無過，但是如果一味地強調創新，則會讓計算思維的過程限于局部盲目的狀態，反而影響了學生構建完整的思維過程，所以創新只是教學的目標之一，而不是唯一。最后，避免“個性過甚”。在個性化學習大行其道的當下，有的教師將計算思維當作個性化學習的法寶，認為只有具有個性化的學習過程才是計算思維推進的有效評價標準，這是一葉障目不見泰山的狹隘之見。個性化學習只是一種學習方式，計算思維關注的是個體的良好的思維習慣和思維品質的培養，并非只追求個性化。在有些程式化的內容中，標準化的概念和評價標準同樣也是教學目標之一。

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.基于軟件應用的計算思維能力培養教學設計[J].中國電化教育，2014（11）.

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