應(yīng)用可視化學(xué)習(xí)工具，培養(yǎng)學(xué)生編程思維

吳照龍

在人工智能時(shí)代，智能設(shè)備、智能應(yīng)用時(shí)時(shí)處處都在影響著我們的生活、學(xué)習(xí)、工作，編程教育、編程思維是智能設(shè)備應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)，沒有編程思維，就不可能開發(fā)出優(yōu)秀的智能APP應(yīng)用。在當(dāng)前的中小學(xué)編程教育中，編程工具種類豐富，知識(shí)更新的速度非常快，教師不可能在有限的課堂上教會(huì)學(xué)生所有知識(shí)，只能教會(huì)學(xué)生掌握學(xué)習(xí)知識(shí)的能力，培養(yǎng)學(xué)生思考問題、解決問題的思維能力。可視化學(xué)習(xí)工具是一種圖形化的、非常直觀的全腦思維方式，它作為一種信息技術(shù)課程的輔助教學(xué)工具，能有效幫助學(xué)生思考問題、解決問題，培養(yǎng)中小學(xué)生編程思維能力。

● 可視化學(xué)習(xí)工具的概念及其應(yīng)用方式

1.可視化學(xué)習(xí)工具的概念

可視化學(xué)習(xí)，是以圖形化的手段直觀地把學(xué)習(xí)過程中復(fù)雜的、不可視的思考方法和思考過程清晰地呈現(xiàn)出來，進(jìn)而促進(jìn)問題分析、問題解決的一種技術(shù)手段。思維可視化是一種以數(shù)據(jù)可視化、計(jì)算可視化和信息可視化為基礎(chǔ)，促進(jìn)知識(shí)的傳播和創(chuàng)新的技術(shù)。國內(nèi)外的專家學(xué)者認(rèn)為，思維可視化建模是一種能夠激發(fā)、支持和評(píng)估概念轉(zhuǎn)變的強(qiáng)有力的知識(shí)組織策略。美國教育技術(shù)和教學(xué)設(shè)計(jì)專家戴維·喬納森在2006年創(chuàng)造性地提出了思維建模工具這一概念，并將其明確定義為可用來建立思維模型的思維可視化學(xué)習(xí)工具。他還提出了將可視化學(xué)習(xí)工具用來作為建模工具的思想，即利用可視化學(xué)習(xí)工具為自己的知識(shí)闡釋和重組建立模型，從而更好地通過知識(shí)吸收與重組，獲得有意義的學(xué)習(xí)。常見的可視化學(xué)習(xí)工具有概念圖（Concept Map）、思維導(dǎo)圖（Mind Map）、認(rèn)知地圖（Cognitive Map）、思維地圖（Thinking Map），其中以概念圖和思維導(dǎo)圖最常用。

2.可視化學(xué)習(xí)工具在編程教育教學(xué)中的應(yīng)用方式

常言道：“百聞不如一見。”“一圖勝過千言。”人們80%以上的信息是通過視覺獲得的。把紛繁復(fù)雜、豐富多樣的知識(shí)以直觀、常見的圖形呈現(xiàn)出來，能有效解決在傳統(tǒng)教學(xué)中單一文字方式呈現(xiàn)的不足，能簡(jiǎn)化語言表達(dá)，提高學(xué)習(xí)效率。知識(shí)的建構(gòu)是建立在已有的概念對(duì)事物的觀察和認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)的過程就是一個(gè)建立概念網(wǎng)絡(luò)，并不斷地向該網(wǎng)絡(luò)增添新內(nèi)容的過程。為了提升學(xué)習(xí)效率，必須把新知識(shí)和舊知識(shí)聯(lián)系起來。可視化學(xué)習(xí)工具應(yīng)用于編程教育課堂教學(xué)中，能有效幫助學(xué)生構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，分析各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的區(qū)別與聯(lián)系，針對(duì)具體的知識(shí)點(diǎn)線索分析問題、解決問題，提高學(xué)生的思維能力和學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生的編程思維，提升課堂教學(xué)效果。

可視化學(xué)習(xí)工具在編程教育課堂教學(xué)中的應(yīng)用，主要有以下幾種方式：①編程流程板書。可視化學(xué)習(xí)工具有豐富的圖形展示功能，在編程教學(xué)中使用色彩、圖形、文字等方式進(jìn)行板書，可以清晰講解程序編寫的整個(gè)流程，激發(fā)學(xué)生對(duì)編程課程的學(xué)習(xí)興趣。②使用可視化學(xué)習(xí)工具進(jìn)行課前預(yù)習(xí)。讓學(xué)生通過繪制已有知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)圖，加深鞏固已經(jīng)掌握的知識(shí)，找出不會(huì)的知識(shí)點(diǎn)，并進(jìn)行標(biāo)注說明，帶著問題去上課，可有效提升學(xué)習(xí)效率。③速記課堂筆記。應(yīng)用可視化學(xué)習(xí)工具記筆記，培養(yǎng)學(xué)生使用簡(jiǎn)潔的關(guān)鍵詞來進(jìn)行記錄，可以節(jié)省時(shí)間、加深記憶，保證跟上教師的教學(xué)進(jìn)度。同時(shí)，使用可視化學(xué)習(xí)工具的方式記錄課堂所學(xué)知識(shí)，也可以使學(xué)生在日后復(fù)習(xí)知識(shí)時(shí)，更有興趣，更有效率。④提升復(fù)習(xí)效率。應(yīng)用可視化學(xué)習(xí)工具對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)復(fù)習(xí)，把自己的理解畫成直觀的可視化圖形，這在提升復(fù)習(xí)效率的同時(shí)，也可以讓教師快速掌握學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解情況。

● 可視化學(xué)習(xí)工具在編程課堂教學(xué)中的作用

1.編程思維過程可視化

可視化學(xué)習(xí)工具通過直觀的圖形、連接線的形式向?qū)W生展示出編程問題思考的過程以及各個(gè)子程序之間的具體關(guān)系，簡(jiǎn)化程序的算法、流程，學(xué)生更容易理解和接受。

2.直觀整合各個(gè)知識(shí)點(diǎn)

可視化學(xué)習(xí)工具更直觀地顯示各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的區(qū)別與聯(lián)系，并把新知識(shí)點(diǎn)整合到可視化圖形中，降低理解的難度。

3.整合各個(gè)學(xué)科的學(xué)習(xí)資源

人工智能時(shí)代的編程教育，并不僅僅局限于單一的學(xué)科，STEAM（科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)）教育跨學(xué)科融合，打破傳統(tǒng)的學(xué)科界限。在進(jìn)行編程教育課堂教學(xué)時(shí)，也需要考慮把這些領(lǐng)域的項(xiàng)目有序地放到一起，以此讓學(xué)生有機(jī)會(huì)接觸各個(gè)領(lǐng)域的問題、知識(shí)，激發(fā)其興趣愛好。可視化學(xué)習(xí)工具為跨學(xué)科融合提供了直觀、易于理解的有效手段。

4.整合豐富的教育教學(xué)資源

使用可視化學(xué)習(xí)工具，可以整合豐富的教育教學(xué)資源，如文本、視頻、音頻、圖形圖像、Excel、Doc、PPT、JPG、PDF、HTML等素材，提升課堂教學(xué)效率。

● 可視化學(xué)習(xí)工具提高中小學(xué)編程教育課堂效率

1.綜合運(yùn)用思維導(dǎo)圖、樹狀圖來梳理編程思維

人工智能時(shí)代，編程教育已經(jīng)不斷深入滲透到中小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)中，編程教育可以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，讓學(xué)生利用編程思維的方式去解決生活中碰到的實(shí)際問題，滿足不同學(xué)生的興趣需求。在實(shí)際的編程教學(xué)中，可以借助可視化學(xué)習(xí)工具，來幫助學(xué)生進(jìn)行編程思路的梳理，優(yōu)化解決問題的思想和方法，對(duì)程序編寫的過程、數(shù)據(jù)、結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，簡(jiǎn)化編程過程。

以“繪制螺旋狀圖形”為例，使用思維導(dǎo)圖、樹狀圖、魚骨圖等可視化學(xué)習(xí)工具，清晰梳理出繪制螺旋狀圖形的過程（如圖1）。把基本圖形與螺旋狀圖形進(jìn)行對(duì)比分析，可以直觀地總結(jié)出編程的關(guān)鍵之處：線條、角度。基本圖形的線條長(zhǎng)度固定不變，線條數(shù)量有限，線條顏色單一;而螺旋狀圖形的線條長(zhǎng)度是有規(guī)律增加的，線條數(shù)量不限，線條顏色是彩色的。另外，不管是基本圖形，還是螺旋狀圖形，每次繪制線條的旋轉(zhuǎn)角度都是固定不變的。

因此，我們可以用思維導(dǎo)圖進(jìn)行梳理對(duì)比基本圖形與螺旋狀圖形的繪圖過程，用樹狀圖列出旋轉(zhuǎn)角度固定時(shí)繪制出的規(guī)則圖形及角度。

在編程教育課堂教學(xué)中，針對(duì)具體的問題，程序編寫可能會(huì)需要用到跨學(xué)科、跨章節(jié)、跨年段的知識(shí)點(diǎn)，使用合適的可視化學(xué)習(xí)工具，可以使這些零亂的、相對(duì)獨(dú)立的知識(shí)點(diǎn)之間清晰地關(guān)聯(lián)起來，幫助學(xué)生有效提煉各種信息，把零亂豐富的知識(shí)內(nèi)容變成生動(dòng)、好記的圖例，如圖2所示。

2.用魚骨圖引導(dǎo)學(xué)生探究問題、解決問題

魚骨圖是一種發(fā)現(xiàn)問題“根本原因”的方法，它也可以稱為“Ishikawa”或者“因果圖”。其特點(diǎn)是簡(jiǎn)潔實(shí)用、深入直觀。它看上去有些像魚骨，問題或缺陷（即后果）標(biāo)在“魚頭”外。在魚骨上長(zhǎng)出魚刺，上面按出現(xiàn)機(jī)會(huì)多寡列出產(chǎn)生問題的可能原因，有助于說明各個(gè)原因之間是如何相互影響的。因其形狀如魚骨，所以又叫魚骨圖，它是一種透過現(xiàn)象看本質(zhì)的分析方法。在教學(xué)中，魚骨圖可以很形象地表示解決問題的流程，也可用于探究式學(xué)習(xí)，首先我們知道了結(jié)果，再去分析造成結(jié)果可能出現(xiàn)的多種原因，這樣引導(dǎo)學(xué)生踴躍提出疑問，合作式地去探究結(jié)果的源頭。

同樣以“繪制螺旋狀圖形”為例，我們可以用魚骨圖來直觀地分析梳理繪制螺旋狀圖形的整個(gè)流程（如圖3），知道了結(jié)果（繪制螺旋狀圖形），進(jìn)而探究原因（線條、旋轉(zhuǎn)角度），得到過程（線條長(zhǎng)度、線條數(shù)量、線條顏色）變化，總結(jié)出繪制螺旋狀圖形的關(guān)鍵點(diǎn)：線條長(zhǎng)度有規(guī)律地增加。通過編寫程序解決“線條長(zhǎng)度有規(guī)律增加”，來實(shí)現(xiàn)最終結(jié)果，繪制螺旋狀圖形。

● 結(jié)語

在傳統(tǒng)的中小學(xué)信息技術(shù)課堂教學(xué)中，教師重視學(xué)生對(duì)“操作技能”的掌握，教師和學(xué)生都更多地關(guān)注如何實(shí)現(xiàn)某一操作，而忽視“為什么要實(shí)現(xiàn)這一效果，原理是什么”的問題，這往往使知識(shí)脫離具體的邏輯思維，變成了“死知識(shí)”。在這樣的課堂上，教師教什么，學(xué)生就會(huì)什么，學(xué)生缺乏自己的創(chuàng)新精神。因此，應(yīng)用可視化學(xué)習(xí)工具，可以把“看不見的”思維過程和方法清晰地呈現(xiàn)出來，從一個(gè)知識(shí)點(diǎn)開始，隨著探究思維的不斷深入，在思考過程中逐步形成一個(gè)直觀有序的圖，促使學(xué)生勤于思考，習(xí)慣思考，使思維立體化，激發(fā)想象力，挖掘知識(shí)的深度和廣度，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能，促進(jìn)學(xué)生邏輯思維能力的提升，提高課堂教學(xué)效率。