核心素養(yǎng)視域下計(jì)算思維培養(yǎng)的主體性危機(jī)與對(duì)策

摘要：信息科技的快速發(fā)展促進(jìn)了信息科技教學(xué)內(nèi)容的更新。隨著新科技內(nèi)容的加入，信息科技課堂在培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的過(guò)程中，出現(xiàn)了主體能動(dòng)性降低、主體創(chuàng)造性退化、主體交互性淡漠三個(gè)問(wèn)題。這三個(gè)問(wèn)題的本質(zhì)是認(rèn)知負(fù)荷過(guò)載。通過(guò)大概念優(yōu)化同伴選擇、大概念構(gòu)建“單元圖式”、大概念組織原理學(xué)習(xí)的支架可以有效解決這些問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；計(jì)算思維；大概念教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.67 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-9094（2024）08-0084-04

關(guān)于“人的主體性”的研究是哲學(xué)上一個(gè)常思常新的重要命題，歷代哲學(xué)家圍繞這一命題進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究[1]。人的主體性集中了人的一切優(yōu)秀品質(zhì)和個(gè)性特征，是身、心或德、智、體、美、勞諸方面得到良好發(fā)展的綜合表現(xiàn)[2]，是人之為人的根本特質(zhì)，是人類區(qū)別于其他一切存在的典型特征，是人類生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)。人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新科技的不斷發(fā)展及其與各領(lǐng)域的深度融合，賦予了信息科技課程新的內(nèi)涵。信息科技課程圍繞信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任四個(gè)方面的核心素養(yǎng)展開。數(shù)字時(shí)代賦予信息科技新的任務(wù)，也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

一、問(wèn)題的提出

信息科技的快速發(fā)展加快了現(xiàn)實(shí)空間與虛擬空間的融合，形成了全新的信息化生態(tài)環(huán)境。教學(xué)過(guò)程中，教師要按照學(xué)生的具體情況與教育教學(xué)規(guī)律，選擇和設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，科學(xué)合理地安排教學(xué)過(guò)程[2]。一方面，隨著各種新技術(shù)、新概念進(jìn)入信息科技的教學(xué)內(nèi)容，這些新的內(nèi)容讓學(xué)生自己探索往往無(wú)從下手，甚至像物聯(lián)網(wǎng)、人工智能中的一些技術(shù)對(duì)于教師來(lái)講也是全新的。這樣一來(lái)，教學(xué)中就會(huì)以“教”為邏輯起點(diǎn)，忽略了學(xué)生主觀能動(dòng)性的發(fā)揮。另一方面，很多學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)體系距離很遠(yuǎn)，比如各類物聯(lián)網(wǎng)硬件，很多學(xué)生根本就沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)，學(xué)習(xí)往往會(huì)變成簡(jiǎn)單的模仿，造成創(chuàng)造性的退化。人是有社會(huì)性的，其主體性需要在后天社會(huì)實(shí)踐中，與周圍人和環(huán)境的交往互動(dòng)中發(fā)展起來(lái)。面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能這些新技術(shù)，如何實(shí)現(xiàn)師生、生生間的認(rèn)知信息交流、主體精神性的交往，也是必須面對(duì)的難題，各類學(xué)習(xí)任務(wù)組織不好就很容易變成單向交流，談不上交互。上述現(xiàn)實(shí)狀況歸納起來(lái)有三個(gè)問(wèn)題：（1）能動(dòng)性的降低；（2）創(chuàng)造性的退化；（3）交互性的淡漠。

二、問(wèn)題的分析

隨著人工智能的不斷發(fā)展，技術(shù)將重塑教育的形態(tài)，轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)技術(shù)與教育的深度融合[3]，其關(guān)鍵點(diǎn)在融合。目前信息科技中出現(xiàn)的問(wèn)題，其本質(zhì)是“認(rèn)知負(fù)荷”的過(guò)載。具體表現(xiàn)為：

（一）片面追求新技術(shù)的教學(xué)，忽略了解決問(wèn)題的“思維遷移”

當(dāng)下的教學(xué)實(shí)踐中，新技術(shù)多數(shù)是以實(shí)踐學(xué)習(xí)的方式呈現(xiàn)的，步聚方法詳細(xì)地列在教材中，師生按著步聚做，但這一過(guò)程忽略了“思維”。計(jì)算思維培養(yǎng)包括問(wèn)題分解、方案生成、思維外化、應(yīng)用分析、評(píng)價(jià)優(yōu)化五個(gè)環(huán)節(jié)[4]，最核心的任務(wù)是解決問(wèn)題的能力。這些能力不是憑空生成的，應(yīng)借助學(xué)生原有的解決問(wèn)題的能力，進(jìn)行思維遷移，與計(jì)算思維的抽象、算法、表征、泛化和評(píng)估五個(gè)維度相聯(lián)系，使知識(shí)和技能能夠無(wú)縫遷移到其他需要解決的問(wèn)題上。如果在教學(xué)中忽略了學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)，僅片面追求新技術(shù)的教學(xué)，很容易造成學(xué)生主體能動(dòng)性的降低[5]。

（二）學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)脫離了學(xué)生認(rèn)知水平，造成認(rèn)知負(fù)荷過(guò)重

學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)應(yīng)符合學(xué)生的認(rèn)知水平，與學(xué)生的認(rèn)知水平實(shí)現(xiàn)內(nèi)在統(tǒng)一，學(xué)生通過(guò)彼此合作、親身體驗(yàn)去解決問(wèn)題并進(jìn)行創(chuàng)造性思考。一旦脫離學(xué)生原有的認(rèn)知水平，短時(shí)間內(nèi)接受大量新的信息，學(xué)生難以理解，造成認(rèn)知負(fù)荷過(guò)重，降低了學(xué)生的信心。另外，學(xué)生間的認(rèn)知水平存在一定的差距，相同的任務(wù)會(huì)造成不同的認(rèn)知負(fù)荷。因此，在設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)環(huán)境時(shí)，應(yīng)首先盡量保持在最低的認(rèn)知限度，以便所有學(xué)生可以快速嘗試練習(xí)。另一方面，教師應(yīng)設(shè)計(jì)有梯度的學(xué)習(xí)任務(wù)，并在學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)進(jìn)展不同的小組及時(shí)提供幫助、甚至布置新的任務(wù)[4]，過(guò)于簡(jiǎn)單的任務(wù)會(huì)造成認(rèn)知水平較高的學(xué)生感到無(wú)聊，沒(méi)有挑戰(zhàn)性。

（三）靈活運(yùn)用“動(dòng)態(tài)同伴”的策略，促進(jìn)學(xué)習(xí)活動(dòng)的深入交互

學(xué)生間的交流互動(dòng)，有利于促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，提高計(jì)算思維能力，然后交互的效果會(huì)受同伴的影響。如果組內(nèi)兩人認(rèn)知差距較大，那么其中認(rèn)知較弱的學(xué)生需要更長(zhǎng)時(shí)間的思考，組內(nèi)活動(dòng)容易被認(rèn)知水平較高的學(xué)生主導(dǎo)，從而使組內(nèi)其他成員參與感明顯降低；如果組內(nèi)成員本來(lái)就是親密好友，又容易被無(wú)關(guān)的話題分散注意力[4]。解決的策略是“動(dòng)態(tài)同伴”，根據(jù)現(xiàn)有的認(rèn)知水平、親密狀態(tài)等進(jìn)行分組，促動(dòng)組內(nèi)學(xué)生間的交互，增加信心，鼓勵(lì)學(xué)生參與活動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

三、以“大概念教學(xué)”解決計(jì)算思維培養(yǎng)中主體性危機(jī)的策略

大概念是指某個(gè)學(xué)科或?qū)I(yè)領(lǐng)域的核心概念，對(duì)這些概念的理解有利于學(xué)生把握該學(xué)科的本質(zhì)。大概念教學(xué)有三個(gè)基本特征：（1）大概念教學(xué)以理解為核心，引導(dǎo)學(xué)生將相關(guān)知識(shí)整合起來(lái)，像專家那樣思考，形成整體性、關(guān)聯(lián)性、情境性思維；（2）大概念教學(xué)以“單元層面”展開，在一個(gè)單元中引導(dǎo)學(xué)生持續(xù)接觸和理解大概念，直到完全理解和把握；（3）大概念教學(xué)強(qiáng)調(diào)真實(shí)情境中的問(wèn)題解決，通過(guò)解決學(xué)習(xí)任務(wù)中的問(wèn)題實(shí)現(xiàn)遷移應(yīng)用[6]。

信息科技教學(xué)中計(jì)算思維培養(yǎng)的主體性危機(jī)，其本質(zhì)是認(rèn)知負(fù)荷過(guò)重的問(wèn)題。鑒于大概念教學(xué)的這些特點(diǎn)，在教學(xué)實(shí)踐中教師可按如下策略實(shí)施：

（一）以大概念組織原理學(xué)習(xí)的支架，幫助學(xué)生思維遷移、理解核心概念

大概念學(xué)習(xí)的真實(shí)性、自主性，都要求在真實(shí)的情境中進(jìn)行學(xué)習(xí)。當(dāng)情境創(chuàng)設(shè)后，場(chǎng)景分析才是關(guān)鍵。在場(chǎng)景分析的過(guò)程中，應(yīng)喚起學(xué)生自身的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)不等同于原理，但可以成為學(xué)習(xí)原理的支架，即建構(gòu)主義所說(shuō)的先行組織者。知識(shí)是否能夠有效建構(gòu)，先行組織者起著關(guān)鍵的作用。通過(guò)場(chǎng)景分析，在學(xué)生原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中找到可以固定新概念的支點(diǎn)，架構(gòu)大概念間的關(guān)聯(lián)，有助于學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。

例如，在“認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)”這一節(jié)中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成知識(shí)點(diǎn)很多，逐個(gè)講解又索然無(wú)味，畢竟很多硬件方面的知識(shí)學(xué)生從未接觸過(guò)。從大概念的角度思考，這部分內(nèi)容既然講的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成，那么一個(gè)“系統(tǒng)”是由哪些組成的呢？任何一個(gè)系統(tǒng)都由要素、連接、目標(biāo)組成。學(xué)生在生活中雖然沒(méi)有思考過(guò)“系統(tǒng)”的概念，但有相應(yīng)的生活經(jīng)驗(yàn)，借助這些生活經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行場(chǎng)景分析，架構(gòu)大概念間的聯(lián)系，有助于學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。

例如討論“七年級(jí)入學(xué)時(shí)是如何組成一個(gè)班級(jí)的”。學(xué)生經(jīng)過(guò)討論，可以得出：一是需要教室、桌椅、各類教學(xué)設(shè)備以及進(jìn)入班級(jí)的學(xué)生；二是需要教師和同學(xué)講同一種語(yǔ)言，并且定時(shí)在教室，方便交流；三是需要上課、值日等，并逐步完善值日表，建立班級(jí)的管理制度，形成班級(jí)的文化。此時(shí)，教師指出：如果把班級(jí)看成一個(gè)系統(tǒng)，那么這個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)部分組成——要素、連接、功能。要素對(duì)應(yīng)著教室、桌椅、學(xué)生等，其中有必須和非必須的要素，比如班級(jí)沒(méi)有多媒體大屏仍然可以是一個(gè)班級(jí)，但如果沒(méi)有學(xué)生和教師就不能稱為班級(jí)。師生講同一種語(yǔ)言可以看成“連接”，固定上學(xué)時(shí)間也可以看成連接；“功能”就是學(xué)習(xí)、值日等。計(jì)算機(jī)也可以看成一個(gè)系統(tǒng)，那么這個(gè)系統(tǒng)的組成是什么呢？由此引出硬件、馮·諾依曼原理、軟件三個(gè)部分，硬件對(duì)應(yīng)“要素”，馮·諾依曼原理對(duì)應(yīng)“連接”，軟件對(duì)應(yīng)“功能”。通過(guò)這樣的場(chǎng)景分析，學(xué)生在“班級(jí)系統(tǒng)組成”概念的基礎(chǔ)上，架構(gòu)起了“系統(tǒng)組成”的大概念關(guān)聯(lián)。

（二）以大概念構(gòu)建“單元圖式”，促進(jìn)學(xué)習(xí)資源與認(rèn)知水平的內(nèi)在統(tǒng)一

圖式是指每個(gè)人過(guò)去所獲得的知識(shí)在大腦中儲(chǔ)存的方式，有意義的信息是以相互聯(lián)系的事實(shí)或概念網(wǎng)絡(luò)的形式存儲(chǔ)在長(zhǎng)時(shí)記憶中的，這個(gè)就是圖式。圖式理論最重要的原則是：如果新信息能夠很恰當(dāng)?shù)厍度氲揭延械膱D式中，則這種信息比無(wú)法嵌入的信息更容易理解、習(xí)得和保持。怎樣實(shí)現(xiàn)新信息嵌入已有的圖式呢？實(shí)踐操作是一種很好的圖式應(yīng)用，通過(guò)這樣的方式可以引領(lǐng)對(duì)大概念的理解。

如前面所涉及的“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成”僅僅是場(chǎng)景分析，將“班級(jí)系統(tǒng)”、“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”和“系統(tǒng)”這個(gè)大概念相聯(lián)系，學(xué)生理解仍然有難度，怎么辦呢？此時(shí)教師可組織討論：一個(gè)新班級(jí)如何實(shí)現(xiàn)“開始值日”這個(gè)功能？學(xué)生討論后歸納：要有掃帚等勞動(dòng)工具、確定值日生、安排值日時(shí)間及任務(wù)。接下來(lái)教師組織學(xué)生討論“一篇文章如何存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中”這一功能。學(xué)生輸入一段文字并保存后討論：如何實(shí)現(xiàn)這一功能？要素、連接、功能分別是哪些？學(xué)生提煉出打開文字處理軟件、輸入、保存。文字處理軟件可以看成“功能”，電腦等硬件可以看成“要素”，那“連接”是什么呢？由此引出二進(jìn)制和馮·諾依曼原理。本來(lái)這個(gè)原理學(xué)生難以理解，但當(dāng)學(xué)生把其看到的“系統(tǒng)”進(jìn)行“連接”時(shí)，就能將新知納入原有圖式，有助于學(xué)生對(duì)“系統(tǒng)”這個(gè)大概念的理解。

（三）以大概念優(yōu)化同伴選擇，在真實(shí)情境交互中理解原理、促動(dòng)情感交流

遷移是指一個(gè)情境中學(xué)到的知識(shí)在另一個(gè)情境中的影響。通過(guò)知識(shí)的遷移可以達(dá)到認(rèn)知融合。從一個(gè)情境到另一個(gè)情境的學(xué)習(xí)遷移依賴于在最初情境中對(duì)知識(shí)或技能的掌握程度，也依賴于最初學(xué)習(xí)的情境與后來(lái)應(yīng)用情境之間的相似程度。不能想當(dāng)然地認(rèn)為遷移可以自動(dòng)發(fā)生，情境的相似程序是一個(gè)關(guān)鍵。而原理探索就是要找出新舊情境之間的相同點(diǎn)，幫助學(xué)生進(jìn)行遷移和認(rèn)知融合。

如馮·諾依曼原理雖然是“系統(tǒng)的連接”，但學(xué)生自己難以發(fā)現(xiàn)其與“班級(jí)系統(tǒng)中的連接”的相似處。因此，有必要進(jìn)行相應(yīng)的原理探索。教學(xué)中教師可引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到：班級(jí)中的師生使用同一種語(yǔ)言交流，計(jì)算機(jī)中的硬件也使用同一種語(yǔ)言，即二進(jìn)制所表示的機(jī)器語(yǔ)言。開展值日的工作時(shí)，首先需要師生將值日表準(zhǔn)備好，到值日的時(shí)間按值日表執(zhí)行；計(jì)算機(jī)也需要提前將相應(yīng)的程序、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，運(yùn)行時(shí)放入存儲(chǔ)器中讀取運(yùn)行。值日工作由值日的工具、值日表、師生執(zhí)行值日表所組成，但平常看到的是值日生拿著值日工具去值日，值日表已經(jīng)融入平時(shí)的習(xí)慣中。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件所組成，作為“連接”的馮·諾依曼原理并不單獨(dú)存在，而是融入軟件中。因此，班級(jí)系統(tǒng)可以看成由師生、教室、勞動(dòng)工具等“要素”和上課、值日等“功能”所組成，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件和軟件，分別對(duì)應(yīng)著“要素”“功能”。這樣的原理探索，有助于學(xué)生更深入地理解“系統(tǒng)組成”這個(gè)大概念，并將“班級(jí)系統(tǒng)”的概念遷移到“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”的概念中，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知融合。

計(jì)算思維的培養(yǎng)是信息科技核心素養(yǎng)四個(gè)組成部分之一，與信息意識(shí)、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任互相支持，互相滲透。以往的教學(xué)過(guò)程偏重細(xì)節(jié)，忽視思想，教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)為“拼盤”“濃縮”式的模塊，通過(guò)大概念學(xué)習(xí)可以有效地解決這些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)從“信息技術(shù)”到“信息科技”的有效轉(zhuǎn)變，計(jì)算思維的有效培養(yǎng)可以更好地促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升。

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責(zé)任編輯：顏瑩

*本文獲2023年江蘇省“師陶杯”教育科研論文評(píng)選一等獎(jiǎng)。

收稿日期：2024-01-15

作者簡(jiǎn)介：左延金，金湖縣育才初級(jí)中學(xué)，淮安市第五批學(xué)科帶頭人，淮安市第二期“533英才工程”學(xué)術(shù)技術(shù)骨干人才培養(yǎng)對(duì)象。