中職信息技術課程中計算思維的可視化研究
——以“程序設計入門”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)學校

《中等職業(yè)學校信息技術課程標準（2020年版）》（以下簡稱“課標”）將計算思維作為主要學科思維融入核心素養(yǎng)的設計之中，要求教師聚焦核心素養(yǎng)，根據(jù)教學內容提煉計算思維，充分運用新一代信息技術手段，培養(yǎng)學生的計算思維能力。

計算思維作為一個復雜的科學思維綜合體，其本質是抽象和自動化，具有如規(guī)劃、抽象、分解、建模、遞歸、折中、優(yōu)化、迭代、調度等特征。中職學校要培養(yǎng)的學生的計算思維能力，是讓學生采用計算機科學的思想和方法來界定問題，尋找問題解決方案，并遷移應用到相關問題解決中，這對教師的教和學生的學都是一個很大的挑戰(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，就成為一個亟待解決的問題。

●可視化技術助力計算思維培養(yǎng)的可行性

自20世紀80年代傳統(tǒng)視聽媒體引入教學以來，技術在教學中的應用主要經歷了三個階段：一是將最初的傳統(tǒng)視聽媒體作為學習“附屬產品”，以比較單一的形式支持學習階段；二是互聯(lián)網、多媒體學習資源和單一學習工具相融合的多功能學習平臺階段；三是以“互聯(lián)網+”、云計算及移動學習技術為基礎，從支持學生的探究和建構主義學習方面開發(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關系，并通過建模(模擬)的方式來促進學生的思維發(fā)展。技術的不斷發(fā)展使在學生中普及計算思維成為可能。

在研究領域，“可視化”作為專業(yè)術語出現(xiàn)，始于1987年2月美國國家自然科學基金會召開的一個專題研討會。2004年，埃普勒與伯克哈特首次提出知識可視化的概念，之后關于知識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，他認為思維可視化是運用一系列的圖示技術將人腦的思維活動呈現(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；北京師范大學的趙國慶博士跳出學科束縛，提出“隱性思維顯性化——顯性思維工具化——高效思維自動化”思維訓練框架，充分論證了思維有必要可視化、思維可以可視化、思維可視化的對象以及思維可視化的基本階段。

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

●計算思維可視化的基本框架

目前常見的可視化技術和工具很多，從不同的角度可以進行不同的分類。從廣義可視化角度講，技術工具的成分包括線條、圖表、圖像、地圖、實物、交互性可視化、故事和知識可視化等；從可視化工具分析的對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的工具；從可視化認知活動角度可以分為符號組織工具、動態(tài)模擬工具、信息呈現(xiàn)工具、知識建構工具和對話工具；從可視化技術和工具本身可以分為概念圖、思維導圖、思維地圖（思維八大圖）、電子表格、魚骨圖、專家系統(tǒng)等。

中職學校計算思維的培養(yǎng)依托信息技術學科進行，主要引導學生運用計算機科學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算機問題解決為主線的教學活動之中，并在學科知識的基礎上開展，因此，思維目標的達成既要注重思維載體的學科知識理解，也要關涉思維形成路徑的學科活動開展，并通過“學科知識——問題解決——思維提升”的基本路徑逐層轉化形成，這一過程中學生通過教師的引導進行自我思維建模，并通過使用公式、圖表、思維導圖、概念圖或其他圖示方式來表征自己的理解。

那么，如何對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《技術支持的思維建模：用于概念轉變的思維工具》一書中對思維建構領域的劃分，即為領域知識建模、為問題建模、為系統(tǒng)建模以及為思想（認知模擬）建模等幾個維度，可以將整個思維建模過程從建構對象角度分成以上四類，并以此為基礎，雙向考慮師生不同角色的交互活動，兼顧課內與課外不同教學環(huán)節(jié)、單元與課時不同層次內容進行實施，并依據(jù)不同對象領域的細化情境選擇合適的可視工具實現(xiàn)，如圖1所示。

圖1

●“程序設計入門”模塊計算思維的可視化表征

“程序設計入門”是中職信息技術課程8個基礎模塊中的第5部分，共12課時，培養(yǎng)的思維目標是引導學生運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)模塊調用、系統(tǒng)化設計、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、問題、系統(tǒng)以及認知四個領域出發(fā)，融合“單元——課時”“課內——課外”“教師——學生”各范圍、時段、視角進行可視化的具體設計。

1.知識領域可視化

知識領域主要指課程中的各種知識要點和概念體系，它是思維生成的重要載體。研究表明，學科思維不是通過零散、碎片化的知識點來表達，而是蘊含在結構化的單元知識體系中，并通過概念與概念之間關系的圖示來組織和實現(xiàn)知識結構化。在不同時段，師生之間的思維主體角色存在一定轉換，其對知識的可視化過程也存在區(qū)別。

（1）課前知識表征

在單元和課時學習之初，教師是知識內容的設計者和引領者，而學生是新知識內容的初次接觸者和學習者，思維引領的關鍵在于教師。對于教師而言，課程知識內容和概念已納入其原有的知識結構，在進行內容表征時，主要遵循由總到分的思路進行，即可以從大單元、大概念角度出發(fā)，先梳理整個單元的概念體系結構，挖掘其中蘊含的思維主題，然后逐步細分到各個模塊和課時，通過不同的圖示工具將各級各類概念以及概念之間的關系進行可視化表征，從而使學生對新內容的學習有系統(tǒng)的認知，并對教師的思考過程有初步了解，以便在課堂開展中逐步學會自我思考。

如圖2所示，以單元大概念“程序設計入門”為核心關鍵，根據(jù)課標的內容和學業(yè)要求，可以分設成“算法與程序”“簡單算法的程序實現(xiàn)”“典型算法”和“算法程序的綜合應用”四大概念主題，每個主題內含不同的子概念和知識點，借助思維導圖工具，將各級各類知識及其關系通過不同顏色、粗細的線條或底紋表示，形成了清晰的可視化知識圖譜。學生在學習之初，通過查看圖示可以相對輕松和系統(tǒng)地了解整個知識體系及其對應關系。

圖2

具體到模塊主題，可以將“算法與程序”細分為“算法內涵特征”“算法解決問題步驟”“算法的程序實現(xiàn)和體驗”三大要點（如圖3），每個要點提煉出針對性的關鍵問題，并以此為關注點，明確學生要掌握的具體知識。

圖3

（2）課內知識要點的表征

課內知識要點的表征主要是師生共同作用的過程。與教師的引領者角色相比，學生作為新知識學習的主體，其對知識概念的了解是未知的或不確切的，只有在教師的指導下，在精心設計的符合認知情境的活動參與中，才能對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，還需要調動思維將各個概念之間的關系梳理清楚。

（3）課后知識表征

課后知識的表征梳理，可以延續(xù)當堂課的知識進行，也可以將不同課時內容根據(jù)自我理解進行重新建構，從而將前后知識進行關聯(lián)，逐步形成主題單元式的思維脈絡。

2.問題領域可視化

問題是引發(fā)思考的第一步，不管是單元知識模塊還是任務活動設計，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。教師的問題鏈設計主要通過“課前問題鏈設計——課堂問題引導——課后問題梳理”引領學生思維關注與參與；學生主要從“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；其表征形式，可用思維導圖概括問題脈絡，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）思維導圖表征問題脈絡

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

圖4

（2）表格表征問題

以“典型算法”知識模塊為例，學生在三種典型算法（冒泡排序、二分查找、枚舉算法）的課時學習中，只是關注了各算法的應用分析，缺乏對算法之間的橫向區(qū)分和聯(lián)系，因此，教師應幫助學生在學習之后通過表格提煉關鍵要點，并進行橫縱對比（如從“識別分析”“確定方案”“執(zhí)行過程”“拓展應用”等方面進行橫向對比）。

（3）各種具體問題的圖示表征

各種圖示表征主要用于課時活動中的具體問題，師生可以根據(jù)個人需要和習慣選擇合適的圖示表達，如《任務1 認識算法》中算法的5個特征可以通過聚類圖表示、《任務2 算法的程序實現(xiàn)》中為何選擇Python語言可以通過Python和C語言對比的雙氣泡圖表示。

（4）各種以試題解決為主的問題表征

課堂中各種練習或課后習題也可以通過可視化的形式進行整理匯總，在引導學生解決單個問題的同時，使其進一步意識到各種題目之間的關聯(lián)，并形成從更高層次把握所學內容的意識和能力，逐步形成對所學知識的綜合概括和深入認識。

3.系統(tǒng)領域可視化

系統(tǒng)是由相互作用、相互依賴的要素構成，如單元系統(tǒng)是由模塊知識體系和教學組織組成，分課時案例由融為一體的知識、問題、活動、思維等構成，一個問題算法由抽象建模、算法設計、描述和程序實現(xiàn)組成等，一個系統(tǒng)從不同的角度分析可以有不同的組成方式；從系統(tǒng)的設計者角度來講，系統(tǒng)可以由教師、學生單獨設計，也可由二者共同參與進行。整個系統(tǒng)的組成要素以及相互作用本質上可以借助各種圖示清晰地表達。下面，分別以單個課時或某個算法的實現(xiàn)為關注點，進行系統(tǒng)的可視表征。它們的實現(xiàn)主體可以是教師，也可以是學生，二者在具體實現(xiàn)時由于發(fā)出者的角色不同，可能會存在一定的差異。

（1）課時活動組織——流程圖

每個課時的活動設計，可以圍繞具體課時任務，以擬解決的問題為關注點，根據(jù)時間先后順序，利用流程圖示將問題、活動和對應的知識技能基礎之間的關系展示出來。

（2）算法描述——流程圖

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

4.認知領域可視化

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

●可視化過程中應注意的問題

一是盡量選擇最符合大腦本身學習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，應將更優(yōu)化的解決問題輔助思維發(fā)展作為目標。以概念圖為例，由于知識都是相互聯(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。因此每個圖示的表示，應圍繞焦點問題展開，這樣構圖才能更準確。

三是要重視思維可視化工具和策略的有機結合，不要只重視思維可視化工具的使用，而導致繪圖作品“思維含量”不高。

四是以學生的已有認知為基礎，找準最近發(fā)展區(qū)著力點。由于思維圖示對思維參與的要求提升，有些學生并不適應，因此要時刻關注學生的知識掌握情況，設計不同層次的思維展示，注重學生差異化的思維發(fā)展。

五是思維訓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——高效思維自動化”過程，只有經過不斷的多輪實踐運用，學生才能意識到思維圖示的重要性，并逐步達到熟練與自動化運用。