初中信息科技思維可視化教學實踐

【摘" 要】本文結合筆者長期教學實踐，提出要運用表格、線條、文本框、文字批注等簡單工具，結合教學實踐，將思維過程圖形化、問題化和公式化，由淺入深，具象化思維演化過程，讓學生“看得見”思維過程，“學得會”思維推導方法。并在此基礎上加強學生的理解與實踐，切實提升學生解決問題的能力，促進學生核心素養的成長。

【關鍵詞】核心素養；思維可視化；圖形問題

新版信息科技課程標準中提出信息科技課程要圍繞核心素養，體現課程性質，反映課程理念。在核心素養的解釋中，信息意識要求學生對信息具有一定的敏感度和判斷力，可以感知信息、熟悉信息及其呈現與傳遞方式；計算思維要求學生能夠運用計算機科學領域的思想方法，在問題解決過程中涉及抽象、分解、建模、算法設計等思維活動。

在日常教學中，由于計算機處理問題更像是一個黑盒，輸入數據運行后給出結果，我們無法看到或接觸到運行過程，學生在學習時難免會覺得信息科技課程很抽象，不好理解。教師在處理教學內容時，也缺乏有效的思維與過程的呈現手段。筆者根據自身長期的教學實踐，靈活運用表格、線條、文本框、文字批注等常見的手段與工具，在思維可視化方面做了一定的教學實踐探索。

一、如何讓思維可視化

思維是人類所具有的高級認知活動。美國教育家布魯姆1956年提出，人的思維過程可以劃分為六個層次：記憶、理解、應用、分析、評價、創造。其中，記憶、理解、應用被稱作低階思維，分析、評價、創造被稱作高階思維。在新頒布的課程標準中，對于人的培養提出了樂學善學、勤于思考，學會在真實情境中發現問題、解決問題，具有探究能力和創新精神。

思維可視化，是指運用一系列圖示技術把本來不可視的思維（思考方法和思考路徑）呈現出來，使其清晰可見。被可視化后的“思維”更有利于理解和記憶，并在此基礎上更容易被學生遷移與運用，對學生信息意識、計算思維等核心素養的培養具有很大的促進作用。

但是，思維可視化需要教師具備一定的圖示表達能力，能夠用清晰可見的圖示將思維過程呈現，將問題解決的注意點從“強調答案”轉化為“強調答案的生成過程”，從而幫助學生更容易理解知識與方法，并在此基礎上落實素養與能力。常見的思維可視化技術有思維導圖、模型圖、流程圖、概念圖和圖片等。這些思維可視化技術往往具有一定的技術門檻，且對于簡單問題與思維的呈現，容易出現“簡單問題復雜化”的問題。筆者根據長期的教學實踐，探索出運用簡單的繪圖工具也可以將思維可視化，并根據不同的教學內容運用思維圖形化、問題化和公式化等手段，將抽象過程具象化，幫助學生理解、掌握和遷移相應的知識與方法，并提升學生的素養與能力。

例如，對于小Q買筆的問題，可以設計如下的思維可視化樣例。

期末來臨，班長小Q決定將剩余班費x元錢，用于購買若干支鋼筆獎勵給一些學習好、表現好的同學。已知商店里有三種鋼筆，其單價分別為6元、5元和4元。小Q想買盡量多的筆（獎勵盡可能多的同學），同時他又不想有剩余的錢。請你編一程序，幫小Q制訂一種買筆的方案。

該問題可以用如圖1所示方式來呈現問題解決的思維過程。

二、思維圖形化，以圖形化助思維生成

計算機的本質是一個黑盒，它是如何運行的？數據在計算機內部是如何計算的？計算過程中數據發生了哪些變化？對于運算的控制是如何發生的？這些可能讓學生產生疑惑或者不理解的過程，在計算機處理問題時，均是不可見的。那么，我們如何在課堂上用學生可見的方式幫助學生理解數據在計算機內部運算的過程，就變得尤為重要。

筆者認為可以運用思維圖形化將抽象、不可見的數據與運算過程呈現出來，引導學生去觀察、思考與理解計算機內部計算與處理的步驟，進而幫助學生適應計算機的抽象性，理解數據與信息的存儲形式，形成運用計算思維解決問題的關鍵能力。

下面以浙江版八年級信息技術上冊“第8課 循環結構——for循環”為例。

在“第8課 循環結構——for循環”中，采用了輸出字符串“Python3”中的各個字符引入了循環結構，筆者對這個例子進行了改編，在原有題意的基礎上，修改為：輸入任意字符串，輸出這個字符串中大寫字符、小寫字母和數字的個數。這一修改既保留了教材原有的意圖，也復習了“第7課 分支結構的應用實例”，達到了承上啟下的目的。

由于for語句的作用是將序列中的元素逐個遍歷，而這個遍歷過程僅有一句語句組成，因此筆者采用如圖2所示呈現該問題的思考過程。

字符串s：

【教學建議】

在實際教學過程中，不妨采取分步走、分步呈現的方式組織課堂。

第一步，呈現字符串s和表格，讓學生理解字符串是由連續的存儲單元組成，每個單元里面放了一個字符，而我們需要將這些字符逐個取出并放到變量x中，由此引出for循環語句的作用；

第二步，討論針對變量x如何來分類判斷和統計對應的字符個數；

第三步，將呈現出的圖形圖示與python語句對應，幫助學生理解算法形成的過程。

三、思維問題化，以問題鏈促思維遞進

計算思維的形成不僅要關心如何讓學生理解計算機處理問題的過程，還要讓學生習慣和形成運用計算機處理問題的特點來解決新的問題，這一過程就是學生自主形成與運用思維的過程。然而，在教學實踐過程中，大部分教師更關注學生對知識和方法的掌握，而缺少對思維運用的指導與訓練，由此容易形成學生課堂上聽得懂，課后作業做不來的情況。

筆者認為可以在教學實踐中運用問題鏈的方式，將思維的生成過程、思考方向、形成步驟呈現出來，幫助學生厘清運用計算機解決問題的一般路徑，進而掌握知識與方法的遷移運用，形成一定的思維運用能力。

下面以浙教版八年級信息技術上冊“第6課 多分支結構程序設計”為例。

教材上用“比較三個數a，b，c（圖3），輸出其中最大的數”教授多分支結構的程序實現，筆者在教授完例題后，又設計了一個遞進問題幫助學生進一步加深對多分支結構的理解與運用。問題為：“輸入一個三位數，再把它的次序打亂重新組合一個新的三位整數，使其值最大”，并采用如下的問題鏈來幫助學生形成問題解決路徑。

【教學建議】

在實際教學實踐中，我們可以一邊呈現問題一邊思考問題的解決方法與程序代碼之間的關系，以此達到學生能力與思維的深入訓練。

第一步，提出問題1“如何將x中的a、b、c分離？”由學生回憶并實現相應的算法。

第二步，在分離后的a、b、c的基礎上，思考問題2“如何保證a是最大的？”，學生容易想到可以將a分別與b、c比較后，將較大的數交換到a中。

第三步，引導學生思考，接下來應該如何實現，學生應可以想到接下去可以保證b最大，此時教師拋出第3問“如何保證b最大？”，由學生實現。

第四步，讓學生思考此時的最大數怎么表示，最終給出結果表達式：a×100+b×10+c。

四、思維公式化，以公式演化促素養落地

在新頒布的義務教育階段課程標準中，將信息技術課程獨立出來，并命名為“信息科技”，課程的內涵、作用與目標發生了本質的變化，在課堂教學中如何突出信息科技課程的科學性，培養學生的核心素養和關鍵能力，變得尤為重要。

筆者認為可以在教學過程中，對教材上的素材進一步提煉與挖掘，運用數學、物理等學科的思維特點，遷移并結合到信息科技的日常教學中，從而讓信息科技的教學往科學類課程發展與演變。

下面以浙教版信息技術八年級上冊“第14課 枚舉算法”為例。

本節課用張丘建在《算經》中提出的“百錢買百雞”問題幫助學生理解枚舉算法的概念，教材上首先對問題進行分析，并用x表示公雞，y表示母雞，z表示小雞。結合題意，分析出x、y、z的取值范圍分別為0≤x≤20， 0≤y≤33，0≤z≤100。

然后，利用枚舉的思想，給出枚舉算法設計的關鍵條件：

最后，根據式①、②兩個條件，設計了枚舉公雞x和母雞y的枚舉算法。

【教學建議】

在本節課的教學中，教師可以從教材出發，先以教材的方法理解枚舉的基本思想，然后對原問題進行深入的討論，最終給出優化后的方案。在這個過程中，教師將枚舉算法的實現跳出代碼的限制，讓學生將注意力放到問題的討論與分析中來，使學生明白算法學習的本質是找到解決問題的方法，代碼只是實現方法的工具。

第一步，按照教材內容，將“百錢買百雞”問題的基本解決方案落實。

第二步，帶著學生對教材上的方法進行變換與討論。

第三步，學生根據討論后的新方法，編程實現，并在這個過程中進一步理解與思考方法不同對代碼實現的影響。

第四步，總結兩種方法的異同，將算法的學習認識維度從知識與方法提高到能力與素養的高度。

課堂實踐證明，思維可視化在培養學生建立抽象思維能力，理解基于黑盒的計算機運行機制，掌握抽象建模、算法設計等方面有積極作用。在信息科技課堂教學中進行思維可視化的探索，通過各種手段與工具將學生的思維“可視”“可分析”“可推導”，增強了學生在信息意識、計算思維等方面的核心素養的發展，對于日常的信息科技課堂教學改進是重要的一步。

【參考文獻】

[1]中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準[M].北京：北京師范大學出版社，2022.