信息技術學科計算思維的 遷移能力培養實踐研究

曹楊璐 謝忠新

在信息技術學科教學中強調、強化靈活遷移模型與算法具有十分重要的意義。本文從信息技術課程對遷移能力的現實需求出發，整理學科核心素養下信息技術學科遷移的概念和內涵，構建問題解決取向下的遷移能力培養模型，并對信息技術學科中的教學給出幾點建議，期望為新課程改革背景下的信息技術教學在如何培養學生的靈活遷移算法和模型能力方面提供一些參考。

● 信息技術課程對遷移能力的現實需求

計算思維是信息技術學科核心素養的核心要素之一，普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）中對計算思維的定義是個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動。課標中計算思維水平要求學生能夠把信息技術解決問題的過程遷移到學習和生活的其他問題的解決中。在信息技術學科常規教學中，多數教師是為了教授知識而教，而不是為啟發學生將所學知識進行遷移應用來解決實際問題而教，學生獲取知識的方法較為單一，也沒有系統地對所學知識進行總結梳理和歸納。信息技術課程離不開編程，編程要做的絕不僅僅是對學生進行技術訓練，而是要關注如何讓學生理解和掌握編程背后的思想。所以對于信息技術學科來說，在學生學習算法并編寫程序實現作品的過程中，遷移算法與問題解決的過程是計算思維培養過程中的重要環節。靈活遷移是一種高級思維能力，也是綜合型的創新人才的需要。在新課程改革背景下，如何在信息技術學科中培養學生的計算思維遷移能力是值得研究和探索的。

● 學科核心素養下信息技術學科遷移的概念和內涵

計算思維是一種思考問題、解決問題的方式。在問題解決視角下，利用計算思維解決問題的步驟如下頁圖1所示：第一步要確定問題或者需求，第二步要把問題分解，第三步是對問題進行抽象，第四步是算法設計，第五步是算法實現與優化評估，第六步是概括與遷移解決同類別的問題。本文主要是圍繞靈活遷移這一部分進行探究。

1.概括與遷移的概念

遷移是指把在一個情境中學到的知識和經驗遷移到新情境的能力。學習的遷移是一種學習對另一種學習的影響，在學習這個連續過程中，任何學習都是在學習者已經具有的知識經驗和認知結構、已獲得的動作技能、習得的態度等基礎上進行的。在將一個復雜的問題分解之后，人們常常可以發現小問題中有共同的屬性以及相似之處，在計算思維中，這些屬性被稱為“模式”。在解決問題的過程中，找到模式（模型與算法）是非常重要的，模式可以讓問題的解決簡化。當問題具有相同的特征時，它們能夠被更簡單地解決，當存在共同模式時，能夠靈活遷移模型與算法，用類似的方法解決一類問題。靈活遷移是基于先前已經解決的問題，將其概括作為通用解決方案（模型或者算法），以便于推廣到更廣泛的問題情境中。可以簡單地將其理解為“舉一反三，觸類旁通”。

2.能夠靈活遷移模型的條件

在對模型（或者算法）掌握之后，對其進行抽象表征概括出一個解決問題的流程或者原理，在面對不同任務時，會對目標任務進行預初判斷，判斷其是否可以用某種算法和模式進行遷移，具體有三點：①保證對模型與算法的掌握程度——對所學的模型與算法是理解性的學習，而不是簡單記憶和背誦，并熟練掌握;②保證會對模型或者算法進行抽象表征——對模型或者算法進行深度的抽象化表征，概括是遷移的基礎，如果不能通過概括，把握一般原理，掌握事物的本質和規律，也難以產生遷移;③在學習過程中靈活遷移——透徹理解和領悟學習情境和遷移情境之間的關系，主動思考所學內容的潛在遷移含義、不同任務之間的相關性、可遷移的具體場景。

3.常見的靈活遷移模型與算法

在信息技術學科中，靈活遷移模型與算法常見的有兩種方式，一是把所學的模型與算法解決問題的方法歸納成一種模式，通過相似性問題進行比較，歸納出共性，在以往經驗中搜索類似問題，套用類似的解決辦法。例如，在講解利用某種算法解決問題時，可以通過類比遷移到解決一類可以用同種算法解決的問題上。還有一種情況是，完成項目需要一系列的流程，歸納出核心流程，遷移到另一個類似的問題的解決中，也就是解決某一類問題的流程。例如，問題解決視角下利用計算思維解決問題的步驟，如果以后遇到要解決的問題，就可以把這個流程遷移應用到解決新的問題上去。

● 遷移“模型與算法”能力培養模型的構建

有效的教學方法不僅傳授學生知識，更重要的是教給學生學習的方法，使學生的思維更敏捷、更靈活，有利于促進學習遷移。現代心理學家提出的“為遷移而教”的觀點已為人們所矚目，研究遷移規律并將這一規律運用到教學之中，正是信息技術教師的一項很重要的任務。本文基于心理學的部分學習遷移理論，立足信息技術學科核心素養，以解決問題為導向，為培養學生靈活遷將“模型與算法”能力構建了一個能力培養模型，如下頁圖2所示。

1.模型理論基礎：概括化理論、學習定勢說

基于問題解決的遷移能力培養模型是基于學習遷移理論的概括化理論和學習定勢說。賈德的概括化理論強調的是學習主體對學習材料的加工，是學習者對學習材料中知識經驗的概括，以及對兩種學習情境中類似的原理、原則的概括，認為學習遷移取決于主體概括原理的能力或水平。學習定勢說考慮的是學習方法的遷移問題。所謂學習定勢，就是習得的學習方法的態度傾向。先行學習為后繼學習準備了遷移的條件，或使后繼學習處于準備狀態中，這就有利于遷移。根據賈德的理論，兩個學習活動間存在的共同成分，只是產生遷移的必要前提，而產生遷移的關鍵是學習者在兩種活動中概括出它們之間的共同原理，強調經驗概括化的重要性。學習定勢說強調了學習支架的重要性，只有搭建循序漸進的教學支架，才能引導學生形成遷移能力。所以在模型中的問題解決層中，需要學生在解決問題的過程中概括出解決一類問題的算法和模式，所以在課堂中教育教學在遷移層需要教師設計目標任務時，要考慮與源任務之間的共同成分，并在引導學生解決新的目標任務時，要搭建符合學生學習認知的教學支架，從而促進學生遷移能力的培養。

2.模型解釋

基于問題解決的遷移能力培養模型核心是學生遷移能力形成過程的模型，學生首先基于先前學習的經驗和教師新授的知識來解決任務（主要強調算法和模型的學習），通過解決任務的過程（計算思維應用），歸納概括出解決問題的核心算法和解決問題的步驟，并歸納到學生的解決問題的方法庫中。當遇到類似任務時，通過比較任務之間的相同要素，利用教師搭建的遷移學習支架，學生能較好的利用方法庫中的經驗（算法和模型）來解決目標任務，這是靈活遷移應用的體現。

在靈活遷移能力框架中，學生解決問題過程中的知識能力要求為縱向維度，它分為三個層面：第一層是雙基層，即解決問題必要的基礎知識和基本技能，如在講解用算法來解決問題時，需要的基礎知識有對象、指令、流程圖、相關算法的概念或模型等，需要的基本技能有會畫流程圖、會編寫簡單程序等;第二層是問題解決層，需要學生利用計算思維的思想和方法來解決問題。例如，教師在設計任務來學習算法時，在解決問題時，首先要抽象提取任務需要解決的問題是什么，然后把問題分解成小問題，在解決問題的過程中運用已有的經驗和方法（概括），設計使用算法解決問題的步驟（算法），對算法進行優化和評估（評估），直到問題解決，這個過程是使用計算思維解決任務的過程，在這個過程中學生全面地進行程序設計，基于算法解決問題，并能概括解決問題的流程或者模型;第三層是靈活遷移層，學生在面對目標任務時，能快速產生遷移，最終達到靈活遷移模型與提升算法能力的目的。

心理學家在研究中提到，學習者的遷移能力的產生與教師的教法密切相關。所以在模型中體現了教師教學的部分，教師在雙基層環節，不僅需要對算法知識進行講解，還需要對解決問題過程中需要用到的舊知識進行復習，讓學生更好地用以往的經驗和知識來解決問題;在問題解決環節，教師要引導學生運用計算思維的思想和方法來解決問題，設計合適的任務，涉及到問題分解、抽象、概括、算法、評估等環節，并在問題解決后，引導學生歸納概括用算法解決的類別和解決問題的流程;在靈活遷移模型與算法的環節，首先要設計同類別的任務，根據概括化理論，兩個任務中需要有共同要素，這樣才能為遷移提供前提條件，在解決目標問題的過程中，要搭建適當的腳手架，應當由易到難一步一步引導學生用算法和模型來解決問題，合適的支架對培養學生遷移能力至關重要，讓學生能較好的接受知識和解決問題，并培養遷移的能力。

● 基于培養模型的教學實施策略

1.教師應該有培養學生靈活遷移“模型與算法”的意識

在遷移模型與算法上，多數教師在教學過程中只是對算法的概念及應用進行講解，后續的遷移弱化，沒有意識到培養遷移算法的重要性。現如今需要教師不斷反思教學方法，讓學生做到舉一反三，實現“模型與算法”的遷移。教師要認識到遷移對提高解決問題的能力具有直接的促進作用。在編程教學中，如果將編程學習看作是計算機編程思想的學習，那么學生所獲得的就將是計算機編程的本質原理和可遷移的思維方式，而這種思維方式也將能夠被用來開展更多的研究和解決生活中更為復雜的問題。

2.教師要學會學習支架的設計

著名心理學家維果斯基在“最近發展區”理論基礎上發展了“支架式教學”這一建構主義教學模式，認為學生在教師或他人的合理幫助（恰當的支架）下可以達到潛在發展水平。支架式學習理念重視學生學習過程中的思維發展軌跡，重視學習引導，重視復雜問題的分解。在靈活遷移算法與模型的教學中主要用到的支架有問題支架、圖表支架等。

（1）問題支架。問題是學習過程中最為常見的支架，在特定主題的學習中，“支架問題”往往比“框架問題”更具結構性，更加關注細節和可操作性。當教師可以預期學生可能遇到的困難時，對支架問題進行適當設計是必要的。教師可以通過“搭建”一步一步的問題支架，引導學生思考學習，從而達到解決問題的目的。

例如，學習了枚舉算法，面對下面這種新的問題情境——

今天是小明的生日，他像往常一樣去了熟悉的生煎店吃早點，心情很好，吃完后準備付錢，老板想逗逗他，說你只需給我這個數：“二十幾塊，除三余二，除五余三。”小明陷入了思考，你們能幫小明算算該付多少錢嗎？

教師可以搭建以下問題支架：

①我們之前用枚舉算法解決過模糊數字（問題：一個五位數，萬位和百位不知道，但是是57和67的倍數，求所有的可能性）的問題，想一想，該情境與之前的問題有哪些相似之處？

②枚舉算法的適用條件是什么？

③枚舉算法是否適合解決該問題？

④在使用枚舉算法來解決模糊數字的問題時，主要的步驟有哪些？

⑤對應此問題，列出解決步驟。

這些問題可以引導學生對比之前所學知識，把枚舉算法解決問題的方法應用到新的問題中去。

（2）圖表支架。圖表包括各種圖示和表格，圖表用可視化方式對信息進行描述，尤其支持學生的思維活動。圖表支架是在教學過程中，利用表格或者視圖的形式將信息傳遞給學生。圖表包括很多種類型，如流程圖、概念圖、思維導圖等，圖表最大的特點就是直觀，如流程圖可以使學生對學習任務的劃分一目了然，概念圖和思維導圖可以將知識點之間的聯系通過圖像的形式體現出來，能夠幫學生清楚地梳理知識脈絡，促進知識的建構和內化。

例如，編程解決問題的一般過程包括抽象與建模、設計算法、編寫程序、調試運行這四個步驟（如圖3），學生可以根據教師提供的圖表支架，回想其步驟，并根據步驟來解決問題。

3.教師要設計靈活遷移能力的評價

教師在組織評價環節，缺少有關“靈活遷移算法與模型”方面的評價維度，如第100頁圖4所示。學生靈活遷移能力的評價應該包括過程評價和最終成果評價。

活動過程中教師基于一定的評價量表對學生的靈活遷移活動表現進行過程性評價。成果評價主要是依據學生獨立思考后形成的可視化的思維導圖（流程圖）以及小組最終的可視化的思維導圖（流程圖）、解決問題的經驗方法并遷移到一類問題中進行衡量。項目過程中靈活遷移評價量表的設計，如第100頁表所示。

● 結束語

在課程改革背景下，在信息技術教學過程中，教師要結合學科的特點，及時引導學生歸納總結所學習的內容，強化新舊知識內在聯系性，讓學生參與通過遷移模型和算法來解決問題的過程，而不是通過講授來間接地教授什么是模型與算法的遷移。在教學環節設計中，多元化支架的設計將幫助學生更好地理解與感受模型與算法的遷移，從而解決一類問題。在每個教學環節中，貫徹靈活遷移能力的評價，能更好地引導學生該能力的增長，最終提升他們的靈活遷移能力。