中職信息技術(shù)課程中計(jì)算思維的可視化研究
——以“程序設(shè)計(jì)入門”模塊為例

張海青 山東省青島市城陽區(qū)職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校

《中等職業(yè)學(xué)校信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2020年版）》（以下簡稱“課標(biāo)”）將計(jì)算思維作為主要學(xué)科思維融入核心素養(yǎng)的設(shè)計(jì)之中，要求教師聚焦核心素養(yǎng)，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容提煉計(jì)算思維，充分運(yùn)用新一代信息技術(shù)手段，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

計(jì)算思維作為一個(gè)復(fù)雜的科學(xué)思維綜合體，其本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化，具有如規(guī)劃、抽象、分解、建模、遞歸、折中、優(yōu)化、迭代、調(diào)度等特征。中職學(xué)校要培養(yǎng)的學(xué)生的計(jì)算思維能力，是讓學(xué)生采用計(jì)算機(jī)科學(xué)的思想和方法來界定問題，尋找問題解決方案，并遷移應(yīng)用到相關(guān)問題解決中，這對(duì)教師的教和學(xué)生的學(xué)都是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。因此，如何將隱性的思維過程盡可能地呈現(xiàn)出來，使思維過程更容易被理解、被記憶，提高信息的加工和傳遞效能，就成為一個(gè)亟待解決的問題。

●可視化技術(shù)助力計(jì)算思維培養(yǎng)的可行性

自20世紀(jì)80年代傳統(tǒng)視聽媒體引入教學(xué)以來，技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：一是將最初的傳統(tǒng)視聽媒體作為學(xué)習(xí)“附屬產(chǎn)品”，以比較單一的形式支持學(xué)習(xí)階段；二是互聯(lián)網(wǎng)、多媒體學(xué)習(xí)資源和單一學(xué)習(xí)工具相融合的多功能學(xué)習(xí)平臺(tái)階段；三是以“互聯(lián)網(wǎng)+”、云計(jì)算及移動(dòng)學(xué)習(xí)技術(shù)為基礎(chǔ)，從支持學(xué)生的探究和建構(gòu)主義學(xué)習(xí)方面開發(fā)的一系列思維建模工具階段，這些工具能以更清晰、系統(tǒng)的可視化表征展示知識(shí)關(guān)系，并通過建模(模擬)的方式來促進(jìn)學(xué)生的思維發(fā)展。技術(shù)的不斷發(fā)展使在學(xué)生中普及計(jì)算思維成為可能。

在研究領(lǐng)域，“可視化”作為專業(yè)術(shù)語出現(xiàn)，始于1987年2月美國國家自然科學(xué)基金會(huì)召開的一個(gè)專題研討會(huì)。2004年，埃普勒與伯克哈特首次提出知識(shí)可視化的概念，之后關(guān)于知識(shí)可視化以及思維可視化的研究越來越深入。在我國，華東師大的劉濯源教授首先提出“思維可視化”概念，他認(rèn)為思維可視化是運(yùn)用一系列的圖示技術(shù)將人腦的思維活動(dòng)呈現(xiàn)出來，使本來不可見的思維清晰可見的過程，這一過程包括思考方法、思考路徑和思維規(guī)律等；北京師范大學(xué)的趙國慶博士跳出學(xué)科束縛，提出“隱性思維顯性化——顯性思維工具化——高效思維自動(dòng)化”思維訓(xùn)練框架，充分論證了思維有必要可視化、思維可以可視化、思維可視化的對(duì)象以及思維可視化的基本階段。

筆者通過對(duì)所在學(xué)校及青島市多所中職學(xué)校的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，中職學(xué)校普遍存在學(xué)生知識(shí)基礎(chǔ)薄弱、重知識(shí)技能輕遷移思考的現(xiàn)象，因此，面對(duì)課標(biāo)對(duì)思維發(fā)展能力的新要求，以可視化技術(shù)為支撐，探求可視化表征的基本思路和策略完全有必要、有可能實(shí)現(xiàn)。

●計(jì)算思維可視化的基本框架

目前常見的可視化技術(shù)和工具很多，從不同的角度可以進(jìn)行不同的分類。從廣義可視化角度講，技術(shù)工具的成分包括線條、圖表、圖像、地圖、實(shí)物、交互性可視化、故事和知識(shí)可視化等；從可視化工具分析的對(duì)象可以分為可視化數(shù)據(jù)的工具、可視化信息的工具和可視化知識(shí)的工具；從可視化認(rèn)知活動(dòng)角度可以分為符號(hào)組織工具、動(dòng)態(tài)模擬工具、信息呈現(xiàn)工具、知識(shí)建構(gòu)工具和對(duì)話工具；從可視化技術(shù)和工具本身可以分為概念圖、思維導(dǎo)圖、思維地圖（思維八大圖）、電子表格、魚骨圖、專家系統(tǒng)等。

中職學(xué)校計(jì)算思維的培養(yǎng)依托信息技術(shù)學(xué)科進(jìn)行，主要引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的思想和方法來分析問題和解決問題，由于其思維要求隱含在以計(jì)算機(jī)問題解決為主線的教學(xué)活動(dòng)之中，并在學(xué)科知識(shí)的基礎(chǔ)上開展，因此，思維目標(biāo)的達(dá)成既要注重思維載體的學(xué)科知識(shí)理解，也要關(guān)涉思維形成路徑的學(xué)科活動(dòng)開展，并通過“學(xué)科知識(shí)——問題解決——思維提升”的基本路徑逐層轉(zhuǎn)化形成，這一過程中學(xué)生通過教師的引導(dǎo)進(jìn)行自我思維建模，并通過使用公式、圖表、思維導(dǎo)圖、概念圖或其他圖示方式來表征自己的理解。

那么，如何對(duì)抽象的思維過程建立模型，如何選擇合適的表征工具呢？參考喬納森在《技術(shù)支持的思維建模：用于概念轉(zhuǎn)變的思維工具》一書中對(duì)思維建構(gòu)領(lǐng)域的劃分，即為領(lǐng)域知識(shí)建模、為問題建模、為系統(tǒng)建模以及為思想（認(rèn)知模擬）建模等幾個(gè)維度，可以將整個(gè)思維建模過程從建構(gòu)對(duì)象角度分成以上四類，并以此為基礎(chǔ)，雙向考慮師生不同角色的交互活動(dòng)，兼顧課內(nèi)與課外不同教學(xué)環(huán)節(jié)、單元與課時(shí)不同層次內(nèi)容進(jìn)行實(shí)施，并依據(jù)不同對(duì)象領(lǐng)域的細(xì)化情境選擇合適的可視工具實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

圖1

●“程序設(shè)計(jì)入門”模塊計(jì)算思維的可視化表征

“程序設(shè)計(jì)入門”是中職信息技術(shù)課程8個(gè)基礎(chǔ)模塊中的第5部分，共12課時(shí)，培養(yǎng)的思維目標(biāo)是引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用算法和程序思想分析問題、解決問題的能力，具體思維表現(xiàn)有抽象建模、數(shù)據(jù)區(qū)分表示、流程繪制、函數(shù)模塊調(diào)用、系統(tǒng)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化迭代等。下面，筆者依托思維可視化框架，分別從模塊知識(shí)、問題、系統(tǒng)以及認(rèn)知四個(gè)領(lǐng)域出發(fā)，融合“單元——課時(shí)”“課內(nèi)——課外”“教師——學(xué)生”各范圍、時(shí)段、視角進(jìn)行可視化的具體設(shè)計(jì)。

1.知識(shí)領(lǐng)域可視化

知識(shí)領(lǐng)域主要指課程中的各種知識(shí)要點(diǎn)和概念體系，它是思維生成的重要載體。研究表明，學(xué)科思維不是通過零散、碎片化的知識(shí)點(diǎn)來表達(dá)，而是蘊(yùn)含在結(jié)構(gòu)化的單元知識(shí)體系中，并通過概念與概念之間關(guān)系的圖示來組織和實(shí)現(xiàn)知識(shí)結(jié)構(gòu)化。在不同時(shí)段，師生之間的思維主體角色存在一定轉(zhuǎn)換，其對(duì)知識(shí)的可視化過程也存在區(qū)別。

（1）課前知識(shí)表征

在單元和課時(shí)學(xué)習(xí)之初，教師是知識(shí)內(nèi)容的設(shè)計(jì)者和引領(lǐng)者，而學(xué)生是新知識(shí)內(nèi)容的初次接觸者和學(xué)習(xí)者，思維引領(lǐng)的關(guān)鍵在于教師。對(duì)于教師而言，課程知識(shí)內(nèi)容和概念已納入其原有的知識(shí)結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行內(nèi)容表征時(shí)，主要遵循由總到分的思路進(jìn)行，即可以從大單元、大概念角度出發(fā)，先梳理整個(gè)單元的概念體系結(jié)構(gòu)，挖掘其中蘊(yùn)含的思維主題，然后逐步細(xì)分到各個(gè)模塊和課時(shí)，通過不同的圖示工具將各級(jí)各類概念以及概念之間的關(guān)系進(jìn)行可視化表征，從而使學(xué)生對(duì)新內(nèi)容的學(xué)習(xí)有系統(tǒng)的認(rèn)知，并對(duì)教師的思考過程有初步了解，以便在課堂開展中逐步學(xué)會(huì)自我思考。

如圖2所示，以單元大概念“程序設(shè)計(jì)入門”為核心關(guān)鍵，根據(jù)課標(biāo)的內(nèi)容和學(xué)業(yè)要求，可以分設(shè)成“算法與程序”“簡單算法的程序?qū)崿F(xiàn)”“典型算法”和“算法程序的綜合應(yīng)用”四大概念主題，每個(gè)主題內(nèi)含不同的子概念和知識(shí)點(diǎn)，借助思維導(dǎo)圖工具，將各級(jí)各類知識(shí)及其關(guān)系通過不同顏色、粗細(xì)的線條或底紋表示，形成了清晰的可視化知識(shí)圖譜。學(xué)生在學(xué)習(xí)之初，通過查看圖示可以相對(duì)輕松和系統(tǒng)地了解整個(gè)知識(shí)體系及其對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖2

具體到模塊主題，可以將“算法與程序”細(xì)分為“算法內(nèi)涵特征”“算法解決問題步驟”“算法的程序?qū)崿F(xiàn)和體驗(yàn)”三大要點(diǎn)（如圖3），每個(gè)要點(diǎn)提煉出針對(duì)性的關(guān)鍵問題，并以此為關(guān)注點(diǎn)，明確學(xué)生要掌握的具體知識(shí)。

圖3

（2）課內(nèi)知識(shí)要點(diǎn)的表征

課內(nèi)知識(shí)要點(diǎn)的表征主要是師生共同作用的過程。與教師的引領(lǐng)者角色相比，學(xué)生作為新知識(shí)學(xué)習(xí)的主體，其對(duì)知識(shí)概念的了解是未知的或不確切的，只有在教師的指導(dǎo)下，在精心設(shè)計(jì)的符合認(rèn)知情境的活動(dòng)參與中，才能對(duì)新概念有真正的理解，而要建立每堂課中比較完整的概念體系，還需要調(diào)動(dòng)思維將各個(gè)概念之間的關(guān)系梳理清楚。

（3）課后知識(shí)表征

課后知識(shí)的表征梳理，可以延續(xù)當(dāng)堂課的知識(shí)進(jìn)行，也可以將不同課時(shí)內(nèi)容根據(jù)自我理解進(jìn)行重新建構(gòu)，從而將前后知識(shí)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，逐步形成主題單元式的思維脈絡(luò)。

2.問題領(lǐng)域可視化

問題是引發(fā)思考的第一步，不管是單元知識(shí)模塊還是任務(wù)活動(dòng)設(shè)計(jì)，都需要先確定要解決的主要問題，然后在此框架下提出具體問題。教師的問題鏈設(shè)計(jì)主要通過“課前問題鏈設(shè)計(jì)——課堂問題引導(dǎo)——課后問題梳理”引領(lǐng)學(xué)生思維關(guān)注與參與；學(xué)生主要從“課前了解問題——課堂問題思考解決——課后問題鞏固”實(shí)現(xiàn)思維的提升。問題的形式可以是口頭提問，也可以是試題練習(xí)；其表征形式，可用思維導(dǎo)圖概括問題脈絡(luò)，通過表格梳理匯總，或者通過八大圖等各種圖示表征具體的問題。

（1）思維導(dǎo)圖表征問題脈絡(luò)

以“算法與程序”知識(shí)模塊為例，根據(jù)問題的不同層級(jí)，可整理如圖4所示的問題脈絡(luò)圖。

圖4

（2）表格表征問題

以“典型算法”知識(shí)模塊為例，學(xué)生在三種典型算法（冒泡排序、二分查找、枚舉算法）的課時(shí)學(xué)習(xí)中，只是關(guān)注了各算法的應(yīng)用分析，缺乏對(duì)算法之間的橫向區(qū)分和聯(lián)系，因此，教師應(yīng)幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)之后通過表格提煉關(guān)鍵要點(diǎn)，并進(jìn)行橫縱對(duì)比（如從“識(shí)別分析”“確定方案”“執(zhí)行過程”“拓展應(yīng)用”等方面進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋?/p>

（3）各種具體問題的圖示表征

各種圖示表征主要用于課時(shí)活動(dòng)中的具體問題，師生可以根據(jù)個(gè)人需要和習(xí)慣選擇合適的圖示表達(dá)，如《任務(wù)1 認(rèn)識(shí)算法》中算法的5個(gè)特征可以通過聚類圖表示、《任務(wù)2 算法的程序?qū)崿F(xiàn)》中為何選擇Python語言可以通過Python和C語言對(duì)比的雙氣泡圖表示。

（4）各種以試題解決為主的問題表征

課堂中各種練習(xí)或課后習(xí)題也可以通過可視化的形式進(jìn)行整理匯總，在引導(dǎo)學(xué)生解決單個(gè)問題的同時(shí)，使其進(jìn)一步意識(shí)到各種題目之間的關(guān)聯(lián)，并形成從更高層次把握所學(xué)內(nèi)容的意識(shí)和能力，逐步形成對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合概括和深入認(rèn)識(shí)。

3.系統(tǒng)領(lǐng)域可視化

系統(tǒng)是由相互作用、相互依賴的要素構(gòu)成，如單元系統(tǒng)是由模塊知識(shí)體系和教學(xué)組織組成，分課時(shí)案例由融為一體的知識(shí)、問題、活動(dòng)、思維等構(gòu)成，一個(gè)問題算法由抽象建模、算法設(shè)計(jì)、描述和程序?qū)崿F(xiàn)組成等，一個(gè)系統(tǒng)從不同的角度分析可以有不同的組成方式；從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者角度來講，系統(tǒng)可以由教師、學(xué)生單獨(dú)設(shè)計(jì)，也可由二者共同參與進(jìn)行。整個(gè)系統(tǒng)的組成要素以及相互作用本質(zhì)上可以借助各種圖示清晰地表達(dá)。下面，分別以單個(gè)課時(shí)或某個(gè)算法的實(shí)現(xiàn)為關(guān)注點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)的可視表征。它們的實(shí)現(xiàn)主體可以是教師，也可以是學(xué)生，二者在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)由于發(fā)出者的角色不同，可能會(huì)存在一定的差異。

（1）課時(shí)活動(dòng)組織——流程圖

每個(gè)課時(shí)的活動(dòng)設(shè)計(jì)，可以圍繞具體課時(shí)任務(wù)，以擬解決的問題為關(guān)注點(diǎn)，根據(jù)時(shí)間先后順序，利用流程圖示將問題、活動(dòng)和對(duì)應(yīng)的知識(shí)技能基礎(chǔ)之間的關(guān)系展示出來。

（2）算法描述——流程圖

一些簡單的算法描述，可以作為問題領(lǐng)域建模解決，此處的流程圖不是簡單的流程設(shè)計(jì)，而是利用Raptor軟件專門模擬整個(gè)算法中變量定義、輸入、運(yùn)算、輸出的系統(tǒng)過程。

4.認(rèn)知領(lǐng)域可視化

認(rèn)知領(lǐng)域可視化主要指在參與認(rèn)知過程中以自我反省監(jiān)控為主的元認(rèn)知活動(dòng)，具體表現(xiàn)在師生主體方面，主要有教師的歸納總結(jié)、推理演繹，或者學(xué)生的總結(jié)、感受及思路討論等。例如，程序編寫中經(jīng)常出現(xiàn)各種差錯(cuò)的問題，以樹狀圖形式可以表征常見的各種錯(cuò)誤及其注意的要點(diǎn)，師生出現(xiàn)編程錯(cuò)誤時(shí)對(duì)照該圖可以找出自己哪些方面掌握不扎實(shí)，而如果從尋找問題出現(xiàn)原因的角度，如利用魚骨圖進(jìn)行圖示錯(cuò)誤探尋，可以剝絲抽繭地了解編程掌握的層次和熟練程度，從而明確后期要進(jìn)行的重點(diǎn)強(qiáng)化內(nèi)容。

●可視化過程中應(yīng)注意的問題

一是盡量選擇最符合大腦本身學(xué)習(xí)模式的思維工具策略，選擇簡單的圖示表示。

二是要明確畫圖的目的，應(yīng)將更優(yōu)化的解決問題輔助思維發(fā)展作為目標(biāo)。以概念圖為例，由于知識(shí)都是相互聯(lián)系的，在缺乏問題約束的情況下，概念圖的繪制將是無止境的。因此每個(gè)圖示的表示，應(yīng)圍繞焦點(diǎn)問題展開，這樣構(gòu)圖才能更準(zhǔn)確。

三是要重視思維可視化工具和策略的有機(jī)結(jié)合，不要只重視思維可視化工具的使用，而導(dǎo)致繪圖作品“思維含量”不高。

四是以學(xué)生的已有認(rèn)知為基礎(chǔ)，找準(zhǔn)最近發(fā)展區(qū)著力點(diǎn)。由于思維圖示對(duì)思維參與的要求提升，有些學(xué)生并不適應(yīng)，因此要時(shí)刻關(guān)注學(xué)生的知識(shí)掌握情況，設(shè)計(jì)不同層次的思維展示，注重學(xué)生差異化的思維發(fā)展。

五是思維訓(xùn)練的過程具有階段性特征，也就是研究者提出的“隱性思維顯性化——顯性思維策略化——高效思維自動(dòng)化”過程，只有經(jīng)過不斷的多輪實(shí)踐運(yùn)用，學(xué)生才能意識(shí)到思維圖示的重要性，并逐步達(dá)到熟練與自動(dòng)化運(yùn)用。