在小學思維可視化教學中發展學生計算思維

劉蜜 江蘇省南京市赤壁路小學

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鍵時期，在分類、數字處理、時間和空間概念上有了很大的進步，能夠運用符號進行有邏輯的思考活動，但其抽象思維的發展還不穩定、不完善。在小學信息科技教學中，這種思維特點就表現為學生學習思考過程中的各種困難：學生的思維看不見摸不著也說不出，無法分享或學習；學生能仿制一些信息技術作品，但不能自覺地調節、控制自己的思維過程；學生缺乏分析能力，面對復雜問題找不到頭緒無從下手等。這也成為培養學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進行類比，對信息進行選擇、接收、編碼、歸納和組織，使用恰當的方法建立學生思維的可視化模型，并加以利用，作出決策和指導自己的行為。而思維可視化能運用一系列技術方法把本來不可見的思維過程呈現出來，有利于思維過程被學生理解、記憶、優化和應用，進而提高信息加工、傳遞、處理的效能，對提升學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，還有數據流程圖、系統流程圖、系統資源圖、思維導圖等各種類型，其本質上是以特定的圖形符號加上說明來表示算法關系的工具，可運用于各種信息關系、問題解決流程的表達。在課堂上，思維圖像化常常用于生活實例的抽象歸納，讓學生回憶概括流程主線，用圖文形式表達出來。

例如，在《猜猜它是誰：圖像識別》一課中，教師給學生發了許多教具圖片，有眼睛、大腦、嘴巴、攝像頭、顯示屏、數據庫等，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。學生通過拼貼描述生成思維導圖，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象的原理抽象，在思維圖像化的過程中實現了對計算思維的建構。緊接著，在教師的引導下學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構，又進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→輸出結果，這也是在思維圖像化的基礎上達成的，如圖1所示。

圖1

●思維數據化，數據規律的科學推導

思維數據化是根據數據來量化思考的思維模式，也是計算機科學中最典型的思維模式。通過對數據進行采集、存儲、處理，以及從中發掘有效信息的過程，常常能夠幫助學生抓住事物的本質特征和變化規律，讓他們全面了解數據與計算的重要意義，從而提升信息素養。[2]數據化思維為問題的解決提供了更清晰、更科學的思路。

例如，在《數據的表達》一課中，教師請學生預測2023年什么時候買空調最便宜。學生先憑經驗進行猜測，都覺得應該是寒冷的一二月份最便宜。后來選擇了某型號空調近三年的價格數據進行表格化、圖表化，并分析比較，尋找數據變化的規律，發現六月才處于年內價格最低點。然而通過整理數據、分析數據解決問題的思維可視化方法并不是天生具有的，需要相當的信息意識和數據工具應用能力支持，在課堂上引導學生進行反復認知和應用才能獲得，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

在思維圖像化和數據化的學習中形成的流程、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

紅外遙控器能發出12種不同的數字信號，機器人小車也有各種行動方式，如前進、后退、左轉、右轉、停止等。教師引導大家進行討論設想：一邊是遙控器的各種信號，一邊是機器人的不同動作，有沒有什么方法能把兩者連接起來，讓機器人根據信號來行動呢？學生很快得到了這樣一個條件關系式，并發現該關系式可以套用所有信號的遙控功能：

這樣，傳感器與小車的聯動關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生自主變化，完成遙控小車的各種功能，如：

根據這個關系式來編寫腳本，思路清晰，便于理解，還能繼續拓展功能，如給機器人安裝LED燈，并實現：

在這個教學片段中，條件關系式實質上是一種算法的歸納和應用，學生每完成一種組合，都是對算法的平行演繹，通過反復運用對條件關系加深了理解。

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）的形式來實現學生的思維可視化。

圖3

程序流程圖的對比讓學生很快找出了經典循環結構的共同點，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，Y控制正多邊形的大小，思維模型的搭建為變量概念設置了伏筆。模仿書本和教師的編程示范，學生只能學會少數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，學生就可以畫出無數個正多邊形，還可以繼續精簡變形，直觀地比較不同的算法流程，初步形成迭代優化的算法思維。

編程課程通常以制作一個有趣的小作品作為課堂教學內容，實際上是在通過作品的制作教學程序的基本結構。一課有一得，但各種程序結構的關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習的所有程序的基礎上進行的新演繹，學生在學習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習及問題的解決中，訓練了思維，有利于自身的可持續發展。

●思維項目化，探究方案的多元分析

新課標倡導真實性學習，而項目式教學就是一種以學習者為中心，以真實問題為導向，由學生圍繞問題自主學習，解決問題的學習方式。項目式教學是培養能力的利器，但也常常因為項目的復雜讓學習者望而卻步，思維可視化為復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、設計一款產品、調查一種現象等。每一類主題的項目化學習過程都可以分為確立項目、制訂方案、協作實行、檢查反饋、完善優化、展示評估六個環節。從思維可視化的角度來看，項目是某種基于系統模擬的復雜問題，如果在每個環節都有問題串適當引導，就可以讓學生通過問答形式對自己現有的資源、需要達到的目標和下一步應該采取的行動有一個全面的了解，將復雜的項目以可視化的結構關系梳理清楚。例如，設計一款產品，就可以以下頁圖5所示的表單進行引導。

項目可視化通過以下幾個方面發揮作用：

（1）化整為零，將復雜問題進行分解。例如，圖5表單中的每一條子提綱，都可以為學生搭建難度適中、層次分級的思維腳手架，引導學生親歷分析、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行微調整。

（2）項目可視化倡導各種可視化工具、各種算法模塊、數據思維的綜合應用，要求學生在原有思維框架上嘗試整合創新，使其能夠系統性地考慮問題，明確問題并準確描述，規劃周全，合理使用資源和工具達成目標。這不是基于某種簡單的方式或脫離情境對學生零碎知識與技能的應用，而是要在一個或多個新情境下，對學生的設計應用能力進行訓練，提高每一個學生項目化思維的參與度和綜合水平。

（3）下頁圖5中表單的“協作實行→檢查反饋→完善優化”環節，體現了算法優化迭代的思想，在真實課堂中不是線性的，而是一個反饋循環過程。將抽象的書本知識在實踐中物化，發現不足并不斷改進，直到達到既定目標，將抽象、靜態的設計轉變為直觀、具體的制作過程，是項目可視化重要的一環，也是實現學生對系統深度理解的必經之路。[3]

圖5

在展示評估階段，教師不光要讓學生展示產品外形和功能，還應當將項目的全過程作為展示的重要內容。產品設計完成的全過程，體現的是現實系統設計與評估的一般工程思維方法，這對學生形成完整的項目化思維有積極的促進作用。

●結束語

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