算法思維可視化：促進兒童的編程概念轉變

摘要：本文以“初識變量”一課的教學為例，依托形象化的算法選擇、直觀化的算法描述、支架化的算法實現進行教學設計，旨在將算法思維的進階可視化，幫助學生理解算法思想，促進編程概念轉變。

關鍵詞：小學信息科技；算法教學；概念轉變

中圖分類號：G434" 文獻標識碼：A" 論文編號：1674-2117（2024）08-0035-04

案例背景

在小學信息科技的算法教學中，學生會在短短幾個月內接觸到許多全新的編程概念，如判斷、循環、變量等。這些詞語原本的概念學生已經理解，但它們的編程概念卻是全新的，這時，就需要教師引導學生進行概念轉變，促進學生對錯誤或不完善的前概念進行改造與重構，以正確認識編程概念。

然而，在實際教學中，學生的編程概念轉變卻很難推進。在前概念的影響下，學生很容易產生“簡單問題直接寫程序、復雜問題大腦一片空白”的情況。筆者認為，問題的根源出在學生的算法思維層面。因此，筆者嘗試在教學中以可視化的方式引領學生進行算法思維進階，創設真實的生活情境，將針對編程概念與算法的思考詳細化、具體化，將思維的每一次進階形象地展示出來，幫助學生理解算法思想，重構編程概念。

案例描述

在五年級信息技術《初識變量》一課中有“變量”這一編程概念，這是其第一次在課本中出現，本課的教學目標為“理解圖形化編程中變量的概念，并能夠綜合運用變量進行程序設計”。“變量”這一概念對五年級的小學生來說，較難理解，在非編程情境下，人們通常不會用這樣的專有名詞去稱呼它，但其實它在我們的生活中幾乎無處不在。例如，在購買同一件商品時，購買數量不同，總價也不同。其中，“購買數量”和“總價”就是變量。一般來說，學生在沒有運用信息化手段去解決問題時，很難觸及這個概念。因此，筆者在教學伊始設置了一個真實的購物情境，引領學生發現問題，體驗“變量”的使用。

1.變量我會建：購物情境交互，概念的初體驗

師：今天，老師開了一家“小飛象”商店，同學們可以用之前課上得到的花片來購買商店中的物資（如下頁表）。（規則：每位同學都只能在商店中選購一種商品，但同一種商品可以購買多個，多買可能還有一些優惠）請你來買一買。你想買什么？

生1：我有125個花片，我想買籃球。

師：誰來幫他算一算，他最多可以買幾個籃球？（學生回答）同學們反應都很快！還有誰想買籃球？

生2：我有100個花片，我想全部買籃球。

師：他可以買多少個呢？

生3：8個。

師：我們班有的同學有365個花片，他最多可以買多少籃球呢？（學生不能即刻算出購買結果，在這個過程中，他們會產生用信息化手段去解決問題的意識）在不同情況下，你在商店購買的籃球“個數”都不同，像“個數”這樣沒有固定的值，可以改變數值的量叫做變量。請同學們打開編程軟件，完成以下活動。

活動要求：參考課本第45頁，新建變量“個數”，并將“個數”的值設定為你想購買的數量。

2.總價我會算：從算式到算法，引領概念過渡

在體驗了新建變量后，學生對“變量是什么”有了初步的認知，但多數學生并未深入理解。因此，筆者為學生提供“算法設計卡”，將編程教學課堂的活動分為“算法設計”和“程序實現”兩個步驟，旨在引導學生的算法思維過程。

（1）算法設計

師：小買家們已經新建了“個數”這個變量，并能任意輸入“個數”的值。那么，買下這些商品的總價是多少，你會算嗎？以體育小組買籃球為例，我們一起算一算。如果個數是不固定的值呢？請同學們拿出算法設計卡1（如圖1），填一填。（學生匯報分享）

在學生的算法設計卡上，筆者看到了“總價=單價×數量”這樣的填寫（如圖2），經過詢問得知，學生在數學課上學習過購物主題的應用題，他們背誦的數學公式是“總價=單價×數量”。這說明，學生在此前的學習過程中并沒有完全擺脫前概念的影響，他們對“變量”編程概念的認知仍不清晰，無法判別哪個量是定值，哪個量是可以改變數值的量。因此，筆者化“錯誤”為“課堂生成”，采用生生互助的方式，探討學生的錯誤出現在哪里，糾正學生頑固的前概念。

師：xx同學的算法表達式并沒有完全錯誤，你們能不能發現，現在只有哪個是變量？

生：只有“個數”是變量，同一小組買的東西相同，單價是固定的。

師：怎么修改呢？

生1：要把“單價”改成他們小組的10。

生2：“數量”也要改成已經新建的變量，叫做“個數”。

生3分享：（文具小組）總價=10×個數；（體育小組）總價=12.5×個數；（游樂小組）總價=6.5×個數。

為了讓學生的算法思維更為清晰與直觀，筆者引導學生將總價的算法表達式在設計卡上寫下來。這樣，在接下來的程序實現環節，學生可以根據算法設計卡上的算法表達式，與程序塊一一對應，完成算法的程序化表達。

（2）程序實現

活動要求：依照自己小組的算法表達式，在程序中設定變量“總價”的值。

活動反饋：

生1：“總價=”對應的程序塊是“將總價設定為”。

生2：“×”對應的程序塊是“數字與邏輯運算”類別下的乘法運算。

生3：12.5直接輸入數字，“個數”對應我們之前新建的變量。

學生對照算法表達式，采用順次對應的方式，思考算法對應的程序表達。將算法表達式分解為一個又一個小問題，然后再進行融合，完成了算法的程序實現。

3.優惠我會選：抽象數據的可視化組織，強化概念轉變

經歷了之前的環節，在算法思維層面，從自然語言描述算法，到數學表達式表示算法，再到程序語言實現算法，學生已經能夠用編程實現簡單的算法，但對編程概念“變量”的概念轉變還沒有最終完成。筆者認為這是由于總價的算法表達式與數學過于相似，編程特性較弱，學生的概念轉變還需要與之前的編程經驗進行更為緊密的聯系。因此，筆者結合順序、選擇、循環三大程序結構，設計了復雜算法下的變量應用。在解決這個問題的過程中，筆者將教學活動進行了分解，即將其分解為算法設計、程序實現和策略選擇。

師：如圖3所示，小飛象市場提供了兩種不同的優惠方案，你們要怎么買才能更優惠呢？

（1）算法設計

活動要求：拿出算法設計卡2（如圖4），兩人小組分工，根據兩種不同的優惠方案，設計對應的算法表達式。

活動反饋：略。

（2）程序實現

活動要求：根據兩種優惠方案的算法設計，修改程序。

活動反饋：

①買8送1的程序實現：學生上講臺拼板貼（如圖5），分享思考過程。

②全場9折的程序實現：學生上講臺拼板貼（如圖6），分享思考過程。

（3）策略選擇

活動要求：小買家一共有100個花片，最多能買多少個呢？選擇哪種優惠能買更多個呢？請你分別運行兩種優惠的程序，關注“個數”和“實付金額”的值，填寫算法設計卡3。

師（總結）：我們分析發現，不同的商品，由于單價不同、購買數量不同，優惠策略的選擇也不同。在生活中，同學們也可以運用“變量”去編程，幫助自己進行策略的選擇。

本環節分為算法設計、程序實現和策略選擇三個步驟，將文字語言轉變為數學語言再轉變為程序語言，最后借助程序工具進行策略的對比與分析，鍛煉了學生的文本思維、算法思維和計算思維。優惠方案是文字語言，把它提煉為算法會牽涉數學學科的知識。在備課中，筆者和數學老師一起探討，設計了學生能夠理解、表達的兩種優惠方案，讓學生通過小組分工合作，能夠用自然語言描述算法。算法的程序表達用到了多個程序塊的嵌套，這方面學生的掌握情況差異較大，所以在課堂中運用同伴互助的方式，引導學生完成算法的程序化表達。

案例反思

1.算法選擇形象化：交互情境貫穿概念轉變

思維具有情境性，學生編程概念的轉變需要借助特定真實的問題情境，合理情境的創設有助于教學中概念轉變的推進。算法的基本思想原理性強，較為抽象，通過生動形象的情境可以將文字描述的算法原理動態立體地展現出來，幫助學生體會編程概念。在算法選擇階段，通過層層遞進的問題及追問，抽絲剝繭地引導學生進入算法思維狀態。就本課而言，“變量”這個詞是學生從未接觸過的概念，如果直接出示學科概念學生往往難以理解，而購物情境是學生在日常生活中常常遇到的，《初識變量》一課選擇這個情境，正是生活的真實寫照。同時，筆者將復雜的購物問題分解成幾個小問題——先用變量表達個數，再用數學算式計算總價，最后用邏輯算法甄別優惠策略，這種分解使得復雜問題變得簡單。接著筆者引導學生針對每個子問題進行算法選擇，最終形成了解決原始問題的方案。購物這一交互情境貫穿對問題的抽象過程，也貫穿學生的概念轉變過程。

2.算法描述直觀化：多維表達促進概念轉變

算法的描述是對算法核心思想的提煉，也是算法思維的重要環節。在算法教學中，提倡學生使用自然語言、列式、列表、過程圖等多元化算法描述的方式，清晰概括每個環節對應的信息要素。這樣的多維表達有助于學生選擇適合自己的方式，更好地梳理算法流程走向，消解錯誤的前概念的副作用，促進概念轉變。因此，在新建“個數”變量時，筆者摒棄了直接下達任務要求的教學方式，而是引導學生通過計算呈現具體的三個算式，讓學生從具體可感且不斷變化的“個數”出發，抽象出“變量”的概念。

3.算法實現支架化：能力遷移驗證概念轉變

算法的實現通常是程序設計的最后一環。算法實現的程序調試驗證活動主要是在比較與發現中不斷解決問題的過程，通過一系列連貫性的問題鏈啟發學生算法思維的進階。在算法實現環節，可通過設計適切的、多元化的引導思維發展和知識獲得的學習支架，運用恰當的教學方法和思維技巧，將學生的算法思維可視化，幫助學生在編程概念轉變中降低外在認知負荷，提高相關認知負荷。因此，在應用“變量”的程序編寫中，筆者將算法的實現支架化，引導學生理解算法描述的程序化表達，借助師生互助、生生互助的方式，學生可以把多元化的算法描述用程序語言表示出來。在此基礎上，還給學生提供了兩種優惠策略，讓學生使用不同的算法、不同的程序支架測試結果，并將結果記錄在另一支架中。程序支架給學生的算法思維指明了方向，而支架化的算法實現使得不同算法之間的對比更為明晰。三個小組的匯報直觀清晰地體現了組員的算法思維過程，思維遷移直指最優算法的選擇策略。這一能力遷移的過程，不僅是對概念轉變的驗證，也是對前一階段中未完成概念轉變的學生進行概念轉變的強化。

結束語

本案例選擇了合適的真實情境來教授抽象的編程概念，引導學生逐步完成將文字語言轉換為數學語言再轉換為程序語言的過程。從思維層面上來說，這是聚焦于算法思維三階段，即算法選擇、算法描述、算法實現的過程。它強調將算法選擇形象化、算法描述直觀化、算法實現支架化，將學生算法思維的進階可視化，促進學生的編程概念轉變。

參考文獻：

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