可視化編程教育促進學生思維發展

黃偉祥

【摘 要】隨著人工智能時代的來臨，信息技術課程的價值突顯，其中計算思維的培養成為重點。本文以“模擬無接觸配送餐”為例，遵循小學生的認知規律，分析了在教學中如何讓學生用信息意識觀察世界，用計算思維思考世界，用編程語言表達世界，以促進學生計算思維的發展。

【關鍵詞】可視化;編程教育;思維;信息素養;計算思維

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2021）06-056-04

近年來，由于可視化編程讓學生告別枯燥的代碼編寫，讓程序過程隨時可視化，深受學生的喜愛。計算思維是信息技術學科核心素養之一，它是與孩子們擁有的讀、寫、算同等重要的認知能力，決定著對信息技術學科的認知高度，能讓學生“像計算機科學家一樣思考”，要滲透到學習的全過程。

學會用信息意識觀察世界，學會用計算思維思考世界，學會用編程語言表達世界，這是學生計算思維發展的三個階段。本文從小學生年齡特征和認知規律出發，結合教學案例“模擬無接觸配送餐”，明晰如何培養計算思維意識;怎樣用計算思維的方法思考問題的解決方案;如何落實方案解決實際問題等等，為一線教師教學實踐提供借鑒。

會用信息意識觀察世界

計算思維的理解是基于情境的，又是超越情境的。情境是思維的腳手架和介質，讓計算思維從外在走向內里，從感性情境走向思維情境，最終脫離非本質屬性的情境，從現實生活的此岸到達語言代碼的彼岸，實現“生活化”的抽象生產和理性建構。

1.情境創設，促進計算思維的理解

情境是聯結現實生活與虛擬環境的橋梁，容易讓學生產生心靈共鳴，從而調動學習的欲望與興趣，有利于建立信息技術與生活之間的聯系，促進計算思維的理解，提升問題解決能力。

如在“模擬無接觸配送餐”一課教學中，筆者用視頻重現如下的情況：在疫情期間，為了加強疫情防控，各城市很多小區都實行了封閉式管理。但只有物資通暢了，生活才能繼續，社會才能盡可能正常運轉，為抗疫提供源源不斷的支撐，抗疫才能更高效地進行。為了防止人群接觸，外賣、快遞平臺也采取了“無接觸配送模式”，這樣既保證人們生活正常進行，也杜絕疫情人與人的傳播。學生可以基于情景，提出實現“無接觸配送”的策略，這不僅能夠讓學生從枯燥的技能學習、難懂的算法中解脫，并且能讓學生在頭腦風暴中進一步猜想、驗證、合作。

2.序化模式，從情境導向到問題導向

問題意識是思維的動力，是創新精神的基石，是探究問題、解決問題的前提。教師給學生營造提出問題的情境，學生通過討論，從問題情境抽象出問題的本質，把一個實際問題變為計算機可以處理的問題，這是算法與程序設計的切入點。

在教學中，學生通過“模擬無接觸配送餐”情境提出了序列化的問題。如：

在無接觸配送的訂單中，出現了幾個角色？

在各時間段中，各個角色發生了什么變化？

各個角色的變化有何異同？如何體現？

各個角色間如何聯系？用什么指令實現？

這些問題的提出雖然是分散、無序的，但通過師生共同整理，問題主要集中在角色內在聯系和技術實現方面，通過歸類整理，問題從無序走向有序集約化的發展。讓學生初步學會從計算思維的角度提出問題、理解問題，并能綜合運用所學的知識和技能解決問題。

會用計算思維思考世界

計算思維的習得表現為學生能夠采用計算機處理的方式界定問題、抽象特征、建立結構模型、合理組織數據;通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運用合理的算法形成解決問題的方案;總結利用計算機解決問題的過程與方法，并遷移到與之相關的其他問題解決。

1.計算思維簡約化，理清事件的關系

簡約化是運用計算思維解決復雜問題的第一步。特別是對于小學生來說，他們普遍存在注意力不集中、興趣點轉移快、知識積累不夠等特點，當他們面對復雜的問題及算法時，學生不知從何而起學習。基于此認識，首先，讓學生對設計項目有一個整體的理解;然后，通過畫圖進行簡約化的表達;最后，采取“大項目，小任務”，用塊語言來實現。這樣更有利于小學計算思維漸進式的發展，培養學生用計算思維去分解問題，從而解決實際問題。

在日常生活中，由于大多數學生有叫外賣的體驗，所以對概念的理解比較容易。筆者在“模擬無接觸配送餐”教學中，讓學生通過畫圖的方式理清事件的前后邏輯關系，學會用計算思維來思索問題。

第一步：配送流程，個性化表達

學生根據已有的生活經驗，對配送流程進行畫圖，大部分學生表示為：顧客下單→商家接單→騎手送餐。學生對配送的基本流程描述不夠精準、精細化不足，有待細化。

學生畫圖是探究學習的起點和過程，他們對問題的認知由此達彼，思考由淺入深，把動作表征與符號表征、形象思維與抽象思維、現實生活與計算思維聯結在一起，以方便學生理解、分析和把握，展現計算思維的路徑與結果。

第二步：任務細分，理順行為序列

這一環節旨在讓學生用計算思維把大項目進行精細化分解，把大任務分解成若干個小任務。從課堂觀察可知，大部分學生都可以對任務進行順利分解，但容易出現不同程度順序的混亂，學生的序列化意識不強。如：學生不理解商家動作與騎手動作為什么能同時進行;把商家接單與廚師烹飪備餐順序倒過來等等。

針對這些問題，教師找學生進行情境模擬活動，并讓學生將這些動作一一記錄下來，對照相應模塊尋找是否有相應的執行指令。如果沒有，進一步考慮細化動作，直至有指令實現動作為止，培養學生利用計算思維去分解問題的能力。

教師還特地要求學生按照打亂后的順序去配送，讓他們意識到有些任務的順序是不可逆的，固化學生信息流程的意識。與此同時，師生還共同完成貼標簽游戲，讓學生從活動中對照自己的分解方案，評判自己的任務有何不同，是否可以有不同的分解方法，以培養學生的發散性思維和批判性思維。

2.算法思維可視化，對接編程語言

雖然學生理清了行動流程，但將一個綜合性制作任務直接拋給學生，學生肯定不知所措，因此，借助自己的語言描述角色的行為，把大任務分解成一個個小任務來解決，并把編程工具動作模塊指令與任務一一對應起來，實現行為動作與編程語言的對接，并用思維導圖的方式進行記錄。

把自然語言與動作模塊進行相對應的教學，學生進行了第二次抽象，使角色行為更形象表達，把問題逐一解決突破，大大降低學生自主編程難度，使計算思維形成過程有據可循、有序思考。

3.完善流程圖，計算思維抽象化

通過前面的教學，學生對任務分解、角色關聯及行為與指令的對應關系均有比較深刻的理解。發送廣播及接收廣播是這節課的教學重點。在本節課里，涉及兩次廣播的使用，首先，教師引導學生解決;然后，讓學生進行舉一反三的學習。學生通過描述誰發送廣播，誰來接收廣播，讓他們明白為什么商家和騎手同時接收由顧客發送的廣播“1”，厘清信息廣播與接送的內在關系。在學生解決難點后，教師順勢出示流程圖，并且讓學生填寫對應的腳本（圖1）。從流程圖再到腳本圖的正向引導，是對程序設計的整體有序梳理，這樣再次培養學生思維的整體性與有序性。

會用編程語言表達世界

表達世界對于每一個學科都有不同的方式。以上流程圖的功能描述，需要通過計算機編程工具來實現，利用編程語言有條理地表達解決問題的思路、過程和方法，是計算思維的外在表現形式。本案例需要表達的具體內容有：顧客點餐、下單，商家接單、烹飪，騎手接單送餐、到商家取餐、送餐到指定地點。用編程語言反映三種角色的關系，實現三種角色行為，全程做到無接觸送餐。

1.編寫腳本，反向理解意圖

利用編程工具解決問題的方式具有多樣性和開放性。同一任務，有不同的計算思維，腳本編寫也是不同的。對于計算思維的培養，教師應該鼓勵學生多種渠道解決問題，培養學生求異思維，促進計算思維的再生長。

學生完成腳本編寫后，教師引導學生描述出自己腳本的功能，這是從腳本到功能描述的反向理解（圖2），也是對程序設計整體的再次梳理，是計算思維培養的再升華。通過正反兩次的思維梳理，強化了學生對流程步驟和算法的理解，突破了教學重點、難點。

2.腳本調整，培育評估思維

找錯、糾錯、修正是腳本調試的過程與基本步驟。當學生運行腳本時，出現運行結果與預設結果不一樣時，就需要進行有目的、有針對性的調試。但從課堂教學觀察中發現，當腳本運行出現問題時，學生很難找出個中原因，無從下手。教師可設計出調試單，從錯誤現象、錯誤原因、解決方法、處理成效四個維度幫助學生自糾錯誤。

調試單是學習的支架，是解決問題的有效載體。它可以幫助學生列出腳本運行的錯誤，并追根溯源地找到腳本錯誤之處，幫助學生進行有目的地糾錯。通過找問題、析成因、明方法培育了學生有序評估的思維，形成良好的思維習慣。

3.作品展評，訓練概況思維

作品展評包括了作品交流展示與評價兩個環節。學生不但要展示自己的作品，還要對制作作品過程進行說明，如整體構思、遇到問題、問題成因、解決問題的思路及方法等。學生在分享作品時，再三強調，顧客發送廣播“1”是由商家與騎手同時接收，角色有各自的行動。而騎手收到的廣播“1”和“2”分別是由顧客與商家發出的。因為有指令才行動，明晰了角色行動的前后關系。學生對作品設計進行梳理、總結、提煉、反思，這是計算思維概括的過程。

評價是計算思維實施的關鍵，教師一般使用作品展示評價法，使用該種方法評價，量表的制作尤為重要。如“模擬無接觸配送餐”評價標準中，筆者從學生作品的思想理念、設計創意、程序設計、邏輯表達、作品藝術五個指標進行定制，要求作品主題明確，內容健康;構思新穎，獨特創意;運行流暢，邏輯縝密;富有藝術性。

思維是學習的核心，是理性的力量。計算思維可以梳理解決問題的框架，分解思維實現對解決問題的剖析，抽象思維是深度學習的精髓。我們只有堅守“為思維而教”的理念，對其深度了解，豐富其內涵，才能促進學生思維真實地、自然地發展。

注：本文系廣東省教育科學“十三五”規劃課題“‘五度六環人工智能教育啟蒙課程的構建與實施”（課題編號：2020YQ JK234）基金項目成果