知識整合視角下的計算思維能力培養策略研究

金濤

如何培養學生計算思維能力已成為信息技術學科核心素養研究熱點。本文首先闡述了計算思維能力和知識整合的內涵與研究現狀；在探究必要性的基礎上提出了培養學生計算思維能力的知識整合教學策略，同時分析了知識整合教學策略在實踐過程中的注意事項。

教育部2018年印發的《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》中明確提出要注重培養學生信息技術學科核心素養，其中計算思維作為信息技術學科核心素養的重要組成部分，以其“面向學科”的特性受到格外關注，已成為學生需掌握的關鍵能力之一，因而以培養學生計算思維能力為目標的計算思維教育日益受到重視。雖然當前課堂盛行的“傳遞－接受”教學模式（以下簡稱“傳遞型”）具有教學效率高、環境要求低等特點，但該模式注重教師主導作用，對學生主體地位關注不足，學生難以獨立形成自主學習與自主探究的主動性與積極性，難以培養學生創新的思維與創新的能力，難以滿足開展計算思維教育的現實需要。因此，開展適合學生計算思維能力培養的教學方法與策略研究尤為必要。而知識整合（Knowledge Integration，以下簡稱KI）教學具有重視學生個體情況、強調整合新舊觀念、倡導向他人學習、注重思維表征、鼓勵開展協作等特點，在KI教學中學生更易獲得對事物科學的理解，并形成科學的思維方式，這也為培養學生的計算思維能力提供了更多的可能。基于此，本文在分析必要性與可行性的基礎上，提出使用KI教學策略來培養和提升學生計算思維能力。

1 計算思維能力與KI教學

1.1 計算思維能力

關于計算思維的定義，國內外學者觀點不一，如周一真教授認為計算思維是形式化問題和解決方案的思維過程；任友群教授提出計算思維主要表現為形式化問題和抽象問題、建立模型、分析和組織數據、形成問題解決方案并迭代優化、解決方案系統化和遷移六個子能力；Aho提出計算思維是形式化問題的過程，問題的解決方案可以用計算過程和算法表達；陳國良認為計算思維是一種在實踐中解決具體問題的思維方式，因而計算思維教育應該在解決問題的過程中開展。不難發現，國內外學者基本認同計算思維本質上是一種人類解決問題的思維和能力體現的過程。關于計算思維能力培養的研究現狀，當前主要集中在兩方面：（1）教學模式、方法與策略的設計，如項目式學習、SPOC混合學習模式、STEM教學、整合型教學模式與策略等；（2）教學工具、系統與資源的設計與應用，如圖形化編程工具、兒童編程游戲、微課等。綜合計算思維的定義和研究現狀，基于問題解決的關鍵步驟和Selby C等提出的計算思維五要素（分解、概括、算法思維、評估、抽象化），本文將計算思維能力要素界定為發現問題、分析問題、算法解決問題、反思與遷移四個方面。

1.2? KI教學

KI最早應用于科學課程，其核心觀點認為每個學生都有一個“觀念庫”，教學應尊重并以學生的觀念為基礎，給學生的“觀念庫”中添加新觀念后，要注重引導學生匯集證據并分辨觀念、反思與梳理觀念，最終達到對事物的一致性理解。KI模式是構成教學過程的一系列相互促進的環節，能幫助學生建立對教學主題的一致性理解。KI模式的一般性過程包括析出觀念、添加觀念、辨分觀念、反思與梳理觀念四個環節，這四個環節有機結合可以促進KI，而在教學過程中這四個環節并非一成不變，可根據需要進行適當調整，但要想讓學生達到對教學主題的一致性理解，辨分觀念與反思觀念不可或缺。學生的“一致性理解”主要體現在：（1）達到科學現象或科學知識的標準，即形成一致性知識體系；（2）新舊觀念得以整合，形成一致性觀念；（3）能夠利用現有的科學概念正確解釋各種觀念；（4）在不同情境下，能夠用一致性觀念解釋反映同一原理的科學現象。KI遵循的原則可概括為使科學觸手可及、讓思維看得見、幫助學生向他人學習、促進自治。在課程教學中關于KI的研究主要包括：（1）設計、開發或應用促進KI的工具、系統或資源，如有助于學生深入學習博客內容并進行知識整合的標簽和標簽云（TagClouds）等；（2）促進KI的教學活動、模式與策略研究，如能更有效地讓學生參與KI過程并提高學習成績的自我診斷活動等；（3）KI基本理論研究，如KI原則、KI定義與過程、KI目標等。基于KI基本理論和研究內容與現狀，本文將KI策略概括為體現“KI觀”且能促進學生對教學主題一致性理解的一種教學策略。

2 KI視角下培養計算思維能力的必要性

2.1 計算思維能力培養需要KI做支撐

計算思維以解決問題為核心，計算思維能力的培養需要KI支撐，二者關系如圖1所示。其中：（1）在“發現問題”環節，學生需要明辨教學問題并在小組內進行陳述和解釋，之后將教學問題與所學知識點相聯系，主動預測問題解決的方式及其結果；（2）在“分析問題”環節，學生在探究路線圖的輔助下自主探究學習，提出問題假設，預設問題解決方案并在小組內分享展示；（3）在“算法解決問題”環節，學生在掌握問題抽象化表征并在明晰問題解決基本原理的情況下，設計算法解決問題并驗證假設；（4）在“反思與遷移”環節，通過小組合作學習、方案互評與展示、教師總結、自我反思等活動來幫助學生掌握并鞏固解決問題的系統性過程與方法，鼓勵學生完善問題解決方案并遷移到類似的情境中。需要說明的是，為適應多樣化的教學活動，針對圖1中計算思維能力的各要素，可以將KI模式的多個環節相結合，通過增強學生發現問題、分析問題、算法解決問題和反思與遷移能力，促使學生的計算思維能力得以形成和提升。

2.2? KI教學中發展計算思維能力的優勢

盡管當前將計算思維和KI教學相結合的研究較少，但KI教學與計算思維具有一定的耦合之處，主要表現在：情境化的教與學、科學探究問題解決過程、總結和反思觀念以形成系統性認知等方面。KI教學旨在促進學生對教學主題的一致性理解，本質上也是一種解決觀念整合問題的過程。KI教學重視情境化學習，強調科學探究和基于證據的觀念分辨，注重學生對觀念整合過程的總結和反思，這些有助于學生形成科學的思維方式。事實上，在培養學生計算思維能力時，教師需要在教學過程中有目的地引入或創設情境，激發學生的情感，并且情境化的學習更容易從能力的提升上升到思維的養成。而計算思維本質是一種人類解決問題的思維和能力體現的過程，只有認清問題的本質，才能從根本上提高解決問題的效率。同時，計算思維者也需要將知識運用于現實生活中，根據知識所處的背景信息辨識問題本質并靈活解決問題。總之，KI教學應用于培養學生計算思維能力具有一定的優勢，即在KI教學中學生發現問題、分析問題、算法解決問題、反思與遷移各項能力均得以形成并提高。而具備計算思維能力的學生在接受KI教學時，在探究問題解決方案、認知科學現象的本質、適應學習環境、開展協作學習等方面具有一定的優勢。基于此，本文在借鑒計算思維和KI教學研究成果的基礎上，以培養學生計算思維能力為目標，提出面向計算思維能力培養的KI教學策略。

3 KI視角下培養計算思維能力的策略

培養學生計算思維能力的策略主要由情境導入、自主探究、學習支架、算法設計、合作學習、總結反思六個環節組成，分別對應六個具體的KI教學策略，其框架如圖2所示。其中：（1）問題植入教學情境。教師通過設置引人入勝的情境導入環節，將教學問題有效植入其中。借助問題清單讓學生對情境導入環節中的教學問題進行選擇，引導學生與小組成員相互討論。之后，教師可通過隨機提問、小組代表發言等形式對學生的問題選擇與討論情況進行點評和總結，并闡述導入環節所體現的教學問題及其有關知識點。（2）問題驅動的自主探究學習。明晰教學問題后，學生需要探尋相關證據以支持個人預設的問題解決方案，從而避免對問題的片面或直覺認識。為此，教師先要支持學生通過自主探究來分析問題，提供包含背景資料、知識范圍、問題解決難點、問題抽象化表征、算法知識點等內容的探究路線圖來指引自主探究學習過程；接下來指導學生在自主分析問題的基礎上，設計包含解決問題的相關假設、流程圖、算法知識點、注意事項、結果呈現方式等在內的問題解決方案；方案初步完成后，教師應及時反饋以指導學生對方案進行修改和完善，此時可借助組內互評和組間展示等活動評選出優秀的方案并進行點評；在組內互評環節，小組成員在評選他人方案的同時，自我鑒賞能力、溝通與表達能力也得到了提高；組間的優秀方案展示和教師點評在幫助學生學習借鑒優秀方案的同時，也為學生樹立了優秀方案“模范”，有助于提高學生問題分析和方案設計能力。（3）提供有效的學習支架。為實施問題解決方案，學生需要設計并實現合適的算法，但前提是學生能夠將問題進行抽象化表征并明晰問題解決的基本原理。因此，在教學過程中需要提供有效的學習支架來幫助學生進行問題抽象化表征和問題基本原理的辨析。對于問題抽象化表征，可提供基于算法解決問題的典型案例來幫助學生進行類比學習。對于問題解決的基本原理，可借助模型、虛擬實驗、文字提示、微課、步驟演示動畫等工具將基本原理中復雜的、抽象的部分進行可視化。學生通過將算法原理、問題抽象化表示補充到預設方案之中，從而使其問題解決方案更加完善。（4）設計算法解決問題。學生可借助相應的工具編寫算法以解決問題，教師需指導學生對算法的結構、語法、數據格式等進行核查和調試，以確保算法順利執行。之后，學生借助算法對預設方案中的假設進行驗證，并對算法解決問題的效果進行評估。實際上，當學生使用算法正確解決問題時，往往會滯留在算法設計層面上，表現在：不會主動去系統總結問題解決的過程，形成完善的問題解決方案；忽視建立問題解決方案和算法之間的聯系；很少會主動將已有的問題解決方案和算法思路遷移到新的情境中。因此，教師要注重引導學生對發現問題、分析問題、算法解決問題的過程進行歸納和總結，以形成學生個人的問題解決方案。另外，學生需要總結和比較算法實現的過程和問題解決方案之間的關系，設想類似的問題情境，并將其整合到個人方案之中。（5）基于小組互評的合作學習。已形成的問題解決方案學生較少會主動展示和分享并對方案進行查缺補漏。因此，需要為學生搭建作品展示和分享平臺。此時，可開展小組合作學習，讓學生在小組中開展分享、答辯和互評活動。小組成員及時完善個人方案，并評選出小組內的優秀代表作品，進行組間展示和分享。小組成員間的彼此反饋，有助于學生及時發現自身的不足并積極向他人學習，也為培養學生作品欣賞能力、觀念表達能力、合作意識創造了條件，讓學生在以問題解決方案為基礎并利用算法解決問題的過程中獲得更多成就感。（6）以自我反思推動方案遷移。學生問題解決方案形成后，教師需要提供一定的參考標準或指南，以幫助學生正確評估方案。為此，教師可以講解“關鍵案例”的方式來闡述問題解決方案中的注意事項和重要內容，在引導學生進行總結和反思的同時，也為學生后續設計問題解決方案提供了方向。最終，教師布置類似的教學問題，讓學生予以解決，并設計、提交完整的問題解決方案。基于學生問題解決方案的診斷，及時發現學生存在的問題并予以指導，在后續的教學中，教師可對上述教學環節予以完善和調整。

4 KI教學策略在實施過程中的注意事項

KI教學具有重視觀念分辨、自主探究、總結反思、意義建構、情境化學習等特點，能幫助學生形成對科學概念或現象的一致性理解，逐漸發展出科學的問題分析和解決方式，獲得個人成就感，這為培養學生計算思維能力提供了有利條件。本文提出的面向計算思維能力培養的KI教學策略在實施過程中應注意四個方面的事項：（1）信息技術的支持作用。注重借助信息技術工具來指導學生復雜的問題探究活動，記錄學生的問題解決過程并提供個性化指導。可以提供有效的學習支架，促使學生在理解問題解決原理的基礎上積極尋求使用算法的方式解決問題。此外，可視化工具“使思維看得見”，可幫助教師及時了解學生思維方式動態變化的過程，從而給予及時指引，幫助學生逐漸形成計算思維。（2）學生計算思維能力的培養不可一蹴而就。KI教學策略有助于培養學生的計算思維能力，但需要一個長期和穩定的過程，教師要有計劃、分階段地穩步推進，僅通過幾節課程就可以培養學生的計算思維能力與現實不符。（3）課程、教學與評價的統一。與傳統教學模式不同，KI教學強調學生的一致性理解，因而對以培養計算思維能力為導向的KI教學的評價和課程規劃需要進行適當調整，從而使課程、教學與評價相統一，共同促進學生計算思維能力的形成和發展。（4）情境化教學的實施與落地。KI教學的提出是建立在學生擁有關于教學主題的“觀念庫”基礎之上的，因此教師設置教學主題或問題時，需要將其與學生已有的“觀念庫”相結合，從而確保學生能夠基于自己的觀念發展自己的理解。教學活動或主題的選取要充分體現出情境化的特點，讓學生在理解生活現象，解決生活問題的過程中獲得一定的成就感。

本文系湖北汽車工業學院2023年度就業育人研究課題“大學生就業心理偏差及其調節策略研究”的階段性研究成果，課題編號：JYYR2023003。

（作者單位：湖北汽車工業學院）