可視化工具在信息科技教學中的實踐應用探索

■馬玉敏

《義務教育信息科技課程標準（2022 年版）》（以下簡稱新課標）明確提出信息科技課程的核心素養(yǎng)主要包括信息意識、計算思維、數(shù)字化學習與創(chuàng)新和信息社會責任[1]。為落實核心素養(yǎng)，廣大教師都在探索有效的教學方法、手段、策略。可視化表征根據(jù)人們對圖形、線條、顏色等快速識別的特點，借助形象化的視覺表征形式描述事物或思維過程，便于信息傳播、內容解讀、思維呈現(xiàn)、提煉歸納、創(chuàng)新設計等，成為以信息科技學科為代表的教與學的催化劑和助推器。

一、可視化在教育中的核心表現(xiàn)

（一）知識可視化

知識可視化（Knowledge Visualization）是知識的外在表現(xiàn)形式，是將內容以圖表、矩陣、概念圖等多種圖解形式表現(xiàn)出來，既可以手繪，也可以借助計算機制作，以此促進知識的獲取、內化、轉化、交流、應用、傳播和創(chuàng)新。它經(jīng)歷了科學計算可視化、數(shù)據(jù)可視化和信息可視化三個階段[2]。

（二）思維可視化

思維可視化（Thinking Visualization）是將人們的思考方法、思考路徑，按照一定邏輯用圖示呈現(xiàn)出來，也稱為“讓思維看得見”[3]。思維可視化包括思維過程可視化和思維結果可視化，可以用于思維訓練，思維訓練有“隱性思維顯性化—顯性思維過程化—高效思維自動化”三階段[4]，可見思維可視化是思維訓練的首要環(huán)節(jié)。

許多老師不能分清知識可視化和思維可視化的區(qū)別，日常教學中比較擅長引導學生用知識可視化整理學習內容，但在思維可視化應用上比較缺乏。

二、義務教育中常用的可視化工具

可視化表征能有效降低認知負荷，符合教學規(guī)律，但也出現(xiàn)了應用方式單一的現(xiàn)象，只有用對了工具和策略才能體現(xiàn)它的最大價值。本文梳理出常見的工具有：圓圈圖、氣泡圖、雙向氣泡圖、韋恩圖、樹形圖、組織結構圖、魚骨圖、時間軸、括號圖、情節(jié)梯、腦圖、思維導圖、概念圖、流程圖、SWOT 分析圖、5W1H 分析法、四象限法則、柯爾特思維工具、六頂思考帽等。部分圖示表示方法如圖1 所示。

圖1 可視化表征工具

從圖1 中可以看出，有的可視化表征工具功能相似，有的是簡單圖示的擴展和延伸，有的可用于知識可視化表征，有的可用于思維可視化表征，但這些工具的使用沒有明確的分界線，教師可根據(jù)具體的內容信息和自身表達策略選擇可視化工具，或者將上述工具變式應用。表1 將上述工具的常用方法進行歸納，可供參考，但并不限于此種選擇。

表1 可視化表征工具常見用法

三、信息科技課程中可視化的作用機理

新課標指出，義務教育信息科技課程具有基礎性、實踐性、綜合性等特點，要縱覽信息科技課程的性質和理念，遴選科學原理和實踐應用并重的課程內容，倡導真實性學習、科與技并重，引導教學向“重思維、培素養(yǎng)、提能力”的方向發(fā)展。

信息科技課程的核心素養(yǎng)主要包括信息意識、計算思維、數(shù)字化學習與創(chuàng)新、信息社會責任。計算思維是信息科技四大核心素養(yǎng)之一，包括算法思維、分解、抽象、概括、評估五大要素。可視化是訓練和培養(yǎng)學生計算思維的重要途徑，對信息科技教學具有重要價值。

如圖2 所示，在觀課中發(fā)現(xiàn)，教師很容易觀察到學生的技能掌握情況，但學生思維的起點在哪里，思維發(fā)展的過程是怎樣的，思維如何優(yōu)化迭代，很多教師缺乏思考及其指導策略。教師很難捕捉和獲取學生思維演進的過程，因此也就很難在課程實施中有效培養(yǎng)學生的計算思維。可視化表征之所以有助于信息科技學習，其作用機理在運用可視化表征工具投射思維過程，最簡單的用法就是利用各種圖示表達人們頭腦中的概念、知識、思想等，最直接的作用就是隱性思維顯性化，將思維發(fā)生、演進、迭代、內化的過程展示出來，方便學生自己、師生、生生之間理解、思考和交流，為解決信息科技課程中的問題和建立內容之間的關系提供策略引導。

圖2 信息科技課程中可視化的作用機理

圖3 概念關系整理

圖4 文件夾示意圖

圖5 大單元教學實施結構圖

圖6 核心問題和子問題結構

圖7 雙向氣泡圖應用

圖8 流程圖應用

圖9 猜數(shù)游戲流程圖

圖10 不規(guī)范流程圖案例

圖11 組織結構圖應用

圖12 時間軸圖應用

四、可視化工具在信息科技教學中的實踐應用

要在信息科技教學中廣泛開展可視化工具的應用實踐，根據(jù)課程性質、教學方法、學習方法，梳理出可視化在信息科技教學中的六大主要應用，培育學生的數(shù)字素養(yǎng)與技能，提升學生的知識遷移能力和學科思維水平，實現(xiàn)信息科技課程的育人價值。

（一）組織內容，厘清概念關系

中小學信息科技課程能促進學生在數(shù)字世界和現(xiàn)實世界健康成長，在基本知識和基本技能的學習中，涉及諸多概念和知識點，一個相關知識點可能在多處提及，如果不將這些知識點進行歸納關聯(lián)，那么在學生頭腦中將是散點式、碎片式的出現(xiàn)，也不能建立起各個概念之間的聯(lián)系。因此概念圖和組織結構圖的應用可以幫助學習者解釋概念及分析它們的關系，幫助學生整理信息，落實“信息意識”核心素養(yǎng)。

案例1：七年級上冊第一單元（以下教材均為人教版）有“探索信息技術”和“信息技術及其發(fā)展”兩個小節(jié)，七年級下冊第一單元有“信息的來源與獲取”和“網(wǎng)絡信息的獲取與使用”兩個小節(jié)，老師積極引導學生將其中的概念建立聯(lián)結，學生可畫出各式各樣的概念關系圖，幫助自己厘清其中的關系。

案例2： 同一班級孩子的信息科技能力也存在個體差異，水平參差不齊，簡單有效地引導能讓更多孩子有所收獲。在七年級第二單元“整理文件”內容中，學生自主操作，也只有部分學生能夠快速厘清“計算機—硬盤—文件夾—文件”之間的層級關系。這時，可借助組織結構圖快速幫助學生厘清文件與文件夾的層級關系，并學會整理文件。

（二）建立聯(lián)系，實現(xiàn)認知建構

在“信息科技”大單元教學整體設計中，要考慮單元目標、單元內容、縱向聯(lián)系、核心能力，在學情分析中要考慮學生的知識儲備點、思維發(fā)展點、情感觸發(fā)點等。這就與建構主義學習理論提出的學習者通過新、舊知識經(jīng)驗的相互作用，以形成、豐富和調整自己認知結構的過程相一致[5]。教學中老師可借助可視化表征工具，解決認知過程中“整體與局部”“相似與不同”“因果關系”等架構問題。

案例3：在七年級校本課程“追逐/躲避類編程作品的創(chuàng)作”大單元教學設計中，老師應用樹形圖變式展示單元課程結構，老師和學生都能一目了然地明確追逐/躲避類作品的類型、特點和實施方式，縱向看到內容層次遞進、相互聯(lián)系和角色差異。應用括號圖展示預設核心問題和子問題結構，可引導學生在頭腦中建立“追逐/躲避”類程序的模型。

案例4：在四年級“即時通信聊創(chuàng)意”這節(jié)課中，介紹了常用的通信工具微信和QQ，從安裝方法、功能探索、應用體驗多角度認識微信，在介紹QQ 時則簡略一些，因此在本章學習中可引導學生通過出示雙向氣泡圖進行自主探究，激發(fā)學生探索實踐，比較異同，歸納總結。

（三）發(fā)散思維，啟發(fā)頭腦智能

在信息科技的學習中，解決一個問題有多種方式，設計一個作品有多重思路，由一個事物聯(lián)想到其他事物，這時可以借助可視化工具快速將想法表達出來，然后團隊設計與調整、協(xié)作與加工、總結與反思，啟發(fā)頭腦智能，發(fā)揮學生創(chuàng)意，落實“數(shù)字化學習與創(chuàng)新”核心素養(yǎng)。

案例5：一千個人心中有一千個哈姆雷特，每一個學生都是一位欣賞者和設計者，在四年級“打地鼠”這節(jié)課中，老師簡要介紹了打地鼠游戲的規(guī)則和實現(xiàn)效果，出示核心內容和設計框架，學生利用思維導圖解讀程序，設計個性化“打地鼠”游戲。可視化激發(fā)學生搭建支架、發(fā)散思維、啟發(fā)頭腦智能，為發(fā)揮想象和創(chuàng)新設計提供了可能。

（四）明晰思路，促進思維發(fā)展

在新課標中，義務教育信息科技課程圍繞數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡、信息處理、信息安全、人工智能六條邏輯主線展開。許多算法課程都離不開對學生思維能力的訓練，可借助流程圖呈現(xiàn)思維過程，引導學生思考，注重思維策略，促進邏輯思維、批判性思維發(fā)展，同時思維深度和流暢性也隨之提高，思維品質得到提升，充分落實“計算思維”核心素養(yǎng)。

案例6：紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。信息科技是一門實踐性極強的學科，可以真實問題或項目驅動，鼓勵學生“做中學、用中學、創(chuàng)中學”，在實踐中幫助學生理解基本概念和原理，提升學生知識遷移能力和思維水平。教學八年級“澆水機器人”內容，老師可將人思考問題的步驟遷移到植物管家的工作流程中，在板書時借助流程圖，幫助學生理解選擇判斷程序的結構。

案例7：在五年級“猜數(shù)游戲”的編程內容中,整個程序過程比較復雜，老師可通過引導學生逐步繪制流程圖，讓復雜問題簡單化，解決這個程序中的核心問題，明晰整個程序的思路，這樣學生的思維在過程中得到呈現(xiàn)和訓練。在授課中，老師可根據(jù)學生水平選擇三種方式引導繪制：①呈現(xiàn)部分流程圖，部分留空；②呈現(xiàn)各個模塊，學生自己拖拉組合；③完全留白，學生自己繪制。

流程圖有特定的規(guī)范和要求，在使用過程中容易出現(xiàn)不規(guī)范使用情況。如“猜數(shù)游戲”這節(jié)課中，容易被人的大腦思維帶動，繪制出具有多個分支的選擇情況，雖然從問題理解的角度是正確的，但這不符合計算機的原理和處理規(guī)則，所以在信息科技教學中繪制程序流程圖時要注意規(guī)范性、嚴謹性。

（五）支架驅動，引導問題解決

信息科技課程涉及眾多基礎學科，具有較強的綜合性。教學中應注重精講、多思、勤練，發(fā)揮教師的主導作用、學生的主體性。在拋出一個綜合性的問題時，可能會有多種解決問題的辦法或設計思路，這時可視化工具為學生提供支架，設計問題解決策略，引導學生解決問題。

案例8：在五年級“智能家居—自動抽油煙機”項目學習中，學生利用5W1H 分析法聚焦問題，列出調研問題，利用六頂思考帽法商議解決方案，分析項目中各元素的優(yōu)缺點，高效解決過程中遇到的問題。

案例9：在四年級編程課堂“益蟲與害蟲”這節(jié)課中，學生的年段較低，因此老師制作了與眾不同的學習單。先分析不同對象的動作，然后將思維導圖與編程模塊相結合，學生根據(jù)導學單解決問題，提升學習力。

（六）迭代優(yōu)化，促進學習管理

在項目式學習中，一個項目由一個團隊合作完成，團隊中的成員分工明確，各司其職，可以利用組織結構圖呈現(xiàn)小組角色和職責，可以用時間軸圖呈現(xiàn)項目的進展和安排，過程中不斷迭代優(yōu)化，解決項目管理和學習效率問題。

案例10：在八年級開展“智能植物管家”項目式學習中，按照異質分組，每組4—5 個成員，各自明確自己的角色和任務，展現(xiàn)每個學生的閃光點，同時要參與全過程學習，既發(fā)展學生思維，又提升綜合能力。學生制作時間軸圖，便于團隊成員隨時查看項目安排、調整進度、優(yōu)化方案，確保順利完成項目。

信息科技是一門具有挑戰(zhàn)性的學科，教師要從注重傳授技能向發(fā)展學生思維轉變。借助可視化表征工具設計新穎的教案、板書、思路圖、導學案、任務單、學習管理單等，學生借助可視化表征工具啟發(fā)智能、整理思路、梳理知識、學習管理等。通過充分的圖示對話將學生的思維呈現(xiàn)出來，給予學生更多的表達機會，挖掘學生潛能，支持批判性思維和問題解決建構主義活動的開展，促進學生深度學習和思維發(fā)展。