思維導(dǎo)圖在培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維中的應(yīng)用研究

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一、研究背景

進(jìn)入信息時(shí)代，人們?nèi)找骊P(guān)注計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。計(jì)算思維的概念，最早是在1996年由麻省理工學(xué)院Seymour Papert教授提出，2006年由美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Jeannette.M.Wing教授給出具體定義和系統(tǒng)闡述，由此引發(fā)了人們對(duì)計(jì)算思維的研究熱潮。新一輪基礎(chǔ)教育課程改革更是將計(jì)算思維納入了信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一。信息技術(shù)課不應(yīng)該是單純的計(jì)算機(jī)工具教學(xué)，而是讓學(xué)生學(xué)會(huì)像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那樣思考并解決實(shí)際問題。因此如何培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維成為信息技術(shù)學(xué)科亟待研究的問題之一。

二、計(jì)算思維概述

目前來說，國(guó)內(nèi)外眾多專家對(duì)于計(jì)算思維的認(rèn)識(shí)仍然沒有達(dá)成共識(shí)。Jeannette.M.Wing教授對(duì)于計(jì)算思維的定義闡述為：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和理解人類行為等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)廣度的一系列思維活動(dòng)。進(jìn)一步來說，計(jì)算思維就是通過約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，將原本復(fù)雜困難的問題重新分解成人們已知解決方案的問題的思維方法。2016年8月計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)發(fā)布了K-12計(jì)算機(jī)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，更新了計(jì)算思維的定義：計(jì)算思維是一種解決問題的方法，從計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到所有學(xué)科，為利用計(jì)算機(jī)解決問題提供了分析問題和設(shè)計(jì)解決方案的獨(dú)特方法。計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化。這種思維方式突破了計(jì)算過程的能力和限制，它應(yīng)當(dāng)如同所有人都具備的讀、寫、算能力一樣，成為一種普適技能。

三、思維導(dǎo)圖概述

思維導(dǎo)圖的概念最初是由英國(guó)學(xué)者Tony Buzan于20世紀(jì)60年代提出，它是一種基于腦科學(xué)和認(rèn)知心理學(xué)的發(fā)散性思維方式。思維導(dǎo)圖能夠模擬大腦的記憶結(jié)構(gòu)，綜合運(yùn)用符號(hào)、線條、詞匯、圖像等元素，將思維過程以圖文并茂、直觀清晰、生動(dòng)形象的圖形方式呈現(xiàn)出來。思維導(dǎo)圖的特點(diǎn)是，左腦右腦協(xié)作完成，結(jié)合具象思維和抽象思維，讓復(fù)雜的、零碎的知識(shí)遵循簡(jiǎn)單、自然、大腦容易接受的規(guī)則組成有高度組織性的圖示。使用思維導(dǎo)圖思考問題，學(xué)習(xí)者能夠直觀地回顧整個(gè)思考過程，系統(tǒng)地梳理整合知識(shí)，按照一定的邏輯理清思維脈絡(luò)，讓思維可視化。

在教學(xué)過程中使用思維導(dǎo)圖，可以將學(xué)生的思維過程完整清晰地呈現(xiàn)出來，讓學(xué)習(xí)過程從“無形”到“有形”，有效提高學(xué)生的元認(rèn)知水平。正因?yàn)橛?jì)算思維是學(xué)生分析問題、解決問題的一系列活動(dòng)過程，利用思維導(dǎo)圖將這個(gè)活動(dòng)過程可視化，可以為學(xué)生提供整個(gè)過程清晰化的結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生回顧并審視思考過程中的問題，及時(shí)調(diào)整解決方案。通過對(duì)自身思維過程的認(rèn)知，了解思維過程中的不足，改善并提升計(jì)算思維能力。

四、教學(xué)案例分析

本案例使用的教材為中圖版信息技術(shù)五年級(jí)第五單元第二節(jié)“程序結(jié)構(gòu)初嘗試”中的第三課時(shí)“三種結(jié)構(gòu)綜合用”。本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)是在順序和循環(huán)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，學(xué)會(huì)選擇結(jié)構(gòu)，并對(duì)三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合運(yùn)用，對(duì)學(xué)生來說有一定的難度。

本節(jié)課采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法，教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)如圖4-1所示，其中，復(fù)習(xí)舊知、合作探討、拓展任務(wù)、歸納總結(jié)教學(xué)環(huán)節(jié)中應(yīng)用了思維導(dǎo)圖工具。

在復(fù)習(xí)舊知環(huán)節(jié)中，引導(dǎo)學(xué)生使用思維導(dǎo)圖回顧順序結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)知識(shí)。在此環(huán)節(jié)中，教師為學(xué)生提供思維導(dǎo)圖框架，如圖4-2所示，不但能夠?yàn)閷W(xué)生復(fù)習(xí)舊知提供線索，加快復(fù)習(xí)的速度，而且能快速檢測(cè)出學(xué)生舊知的學(xué)習(xí)情況。

在講授新知環(huán)節(jié)中，教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)遇到需要判斷條件再執(zhí)行下一步程序的情況時(shí)，我們可以使用控制模塊中的“如果……”指令。在合作探討環(huán)節(jié)中學(xué)生使用思維導(dǎo)圖分析“口算練習(xí)”任務(wù)，如圖4-3所示，明白任務(wù)中涉及到的角色、每個(gè)角色需要實(shí)現(xiàn)的功能后，完成任務(wù)腳本的制作，調(diào)試腳本并展示作品。在這里要指出的是，學(xué)生在調(diào)試作品時(shí)，需要像計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序一樣思考、理解腳本中的每個(gè)語句應(yīng)該出現(xiàn)的現(xiàn)象，并與實(shí)際執(zhí)行結(jié)果相比較，反復(fù)糾錯(cuò)，提升計(jì)算思維能力。

在拓展任務(wù)環(huán)節(jié)中，學(xué)生獨(dú)立完成“升級(jí)版口算練習(xí)”任務(wù)。在本任務(wù)中，需要綜合使用循環(huán)結(jié)構(gòu)和選擇結(jié)構(gòu)。學(xué)生使用思維導(dǎo)圖分析任務(wù)，表征思考過程，完成任務(wù)，調(diào)試腳本并展示作品。在本環(huán)節(jié)中，不為學(xué)生提供思維導(dǎo)圖框架，學(xué)生自由發(fā)散思維，可以使用多種方法完成任務(wù)。

在歸納總結(jié)環(huán)節(jié)中，每個(gè)學(xué)生應(yīng)用思維導(dǎo)圖自主歸納本節(jié)課所學(xué)知識(shí)。教師為學(xué)生提供歸納總結(jié)的思維導(dǎo)圖框架，能夠快速掌握本節(jié)課教學(xué)效果。

在任教的4個(gè)班級(jí)中，其中2個(gè)班級(jí)應(yīng)用了思維導(dǎo)圖工具，本節(jié)課教學(xué)效果對(duì)比差異比較明顯。從課堂氣氛來看，學(xué)生對(duì)于使用思維導(dǎo)圖完成任務(wù)比較感興趣;從任務(wù)完成情況來看，使用思維導(dǎo)圖班級(jí)中85%的學(xué)生能夠獨(dú)立完成，其他班級(jí)獨(dú)立完成任務(wù)的學(xué)生則為65%-75%;從學(xué)生作品內(nèi)容來看，應(yīng)用思維導(dǎo)圖班級(jí)的學(xué)生作品功能和形式相比其他班級(jí)更加多種多樣。

五、小結(jié)

培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，是時(shí)代和社會(huì)發(fā)展的要求，也是學(xué)生適應(yīng)信息社會(huì)的保障，但是學(xué)生計(jì)算思維的形成卻不是一朝一夕就可以完成的。本文在信息技術(shù)教學(xué)過程中利用思維導(dǎo)圖工具初步嘗試了思考、探究、實(shí)踐這一目標(biāo)。在后續(xù)的教學(xué)中，將逐步探索思維導(dǎo)圖在教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)施和教學(xué)評(píng)價(jià)方面對(duì)培養(yǎng)計(jì)算思維的作用。