張勇 周韜

[摘 要]信息技術(shù)學(xué)科要培養(yǎng)的計算思維是當(dāng)今學(xué)生需要具備的核心素養(yǎng)之一，也是時代的產(chǎn)物，受到教師的關(guān)注。計算思維在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，是一種具有廣泛應(yīng)用價值的思想方法，計算思維培養(yǎng)的第一步是要讓學(xué)生學(xué)會對問題進(jìn)行抽象與建模。結(jié)合實例闡述小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中抽象與建模能力培養(yǎng)的策略和思考。

[關(guān)鍵詞]計算思維;抽象;建模

[中圖分類號] G43[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A[文章編號] 1007-9068（2021）21-0085-03

一、抽象與建模的內(nèi)涵

目前，越來越多的教師開始關(guān)注核心素養(yǎng)在教學(xué)中的落實以及學(xué)生素養(yǎng)的發(fā)展。信息技術(shù)學(xué)科素養(yǎng)是核心素養(yǎng)在信息技術(shù)學(xué)科中的具體體現(xiàn)，包括信息意識、計算思維、信息社會責(zé)任、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新四個部分，其中計算思維又是學(xué)生在信息社會中需要具備的重要能力之一。

2006年時任美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計算機科學(xué)系的主任周以真教授最早提出了計算思維這一概念：計算思維是人們運用計算機科學(xué)思想與方法進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計，以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)廣度的一系列思維活動。信息技術(shù)新課標(biāo)將“計算思維”引入課堂，使其成為信息技術(shù)核心素養(yǎng)的重要組成部分。

利用計算思維解決問題就是要將現(xiàn)實生活中的問題轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C能夠處理的問題，現(xiàn)實生活中幾乎所有的東西都可以被“0”和“1”所代替，抽象能力決定著創(chuàng)造力，利用計算思維解決問題的過程其實是一個抽象建模、設(shè)計算法、描述算法的過程。抽象與建模是此過程中的第一步重要工作，抽象與建模過程中的抽象對于解決問題至關(guān)重要，在學(xué)生解決問題時引導(dǎo)其嘗試抽象思考抓住問題的重點部分去除非重點部分，將復(fù)雜的問題進(jìn)行簡化，然后通過抽象出的內(nèi)容構(gòu)建問題解決的模型，再嘗試像計算機執(zhí)行程序一樣去思考問題，利用合適的指令讓計算機能夠明白人的具體想法和思路。

所以，我們可以把抽象與建模視為計算思維培養(yǎng)的關(guān)鍵之一，將其引到小學(xué)信息技術(shù)教育中，讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)具備一定的“抽象與建模”意識和能力，為其終生發(fā)展打下基礎(chǔ)。

二、抽象與建模能力的培養(yǎng)策略

1.在現(xiàn)實生活中感知抽象與建模

學(xué)生學(xué)習(xí)抽象與建模，首先需要先了解抽象與建模的概念和內(nèi)涵，在學(xué)生的日常生活中就有很多關(guān)于抽象與建模的例子。

（1）求同去異進(jìn)行抽象。

例如，在生活中要查找城市中某一個地點或者規(guī)劃出行路線時，人們通常會查詢地圖網(wǎng)站或者使用地圖類App?，F(xiàn)實生活中包括馬路、建筑、汽車、植物等對象，而在電子地圖上并不包含所有的對象，像街道、建筑等主要內(nèi)容被標(biāo)記出來了，而樹木、汽車之類的內(nèi)容則被忽略了。在現(xiàn)實世界中，植物有種類、形狀屬性，在電子地圖上植物的這部分屬性被忽略了，它們被綠色代替，建筑被忽略了高矮、顏色等屬性，保留了位置和俯視視角形狀的屬性。通過地圖的案例分析，學(xué)生知道電子地圖的創(chuàng)建有選擇的忽略部分細(xì)節(jié)，抓住重點，這就是抽象的普遍方法。

教師接著引導(dǎo)學(xué)生思考，在生活中還有哪些抽象的例子，它們分別是對什么進(jìn)行抽象。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下結(jié)合生活經(jīng)驗進(jìn)行思考、討論，找到生活中的交通標(biāo)志是用抽象的內(nèi)容和特定的顏色表示路況，為車輛和行人提供完善和清晰的提示?？茖W(xué)中的細(xì)胞示意圖其實并不包含一個真正細(xì)胞的全部組成部分，但是課堂上常用這樣的圖來描述細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，因為圖中的特征是所有細(xì)胞共有的。

抽象，就是從眾多的事物中抽取出共同的、本質(zhì)性的特征，而舍棄其非本質(zhì)的特征，在嘗試解決問題時，我們也需如此。

（2）根據(jù)目的進(jìn)行抽象。

現(xiàn)在人臉識別技術(shù)在我們生活中有著廣泛的應(yīng)用，在不同的使用場合需要對人臉進(jìn)行不同的抽象。如果把人臉識別技術(shù)應(yīng)用在門禁系統(tǒng)上，就需要忽略人的發(fā)型、膚色、眼鏡、表情等屬性，將人的眼睛大小，眉毛和下巴輪廓等面部特征進(jìn)行抽象。但如果人臉識別用在課堂教學(xué)分析，用于了解學(xué)生學(xué)習(xí)的愉悅度和專注度，就需要重點抽象出人的表情，而忽略人臉的其他屬性。

通過學(xué)習(xí)學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)，抽象是有針對性的，需要先明確要解決的問題，然后根據(jù)問題選取抽象的內(nèi)容，解決的問題不同，抽象的對象也不同。

（3）基于抽象進(jìn)行建模。

如果要進(jìn)行人臉識別，只進(jìn)行抽象是無法識別人臉的，還需要在人的面部關(guān)鍵信息提取抽象之后，利用多種技術(shù)手段對信息進(jìn)行處理，建立人臉的編碼模型，然后與數(shù)據(jù)庫中存儲的模型進(jìn)行比對，最終實現(xiàn)人臉的識別。這個用抽象出的內(nèi)容構(gòu)建解決問題的模型，再用模型描述系統(tǒng)的因果關(guān)系或相互關(guān)系的過程就是建模。

通過人臉識別的案例學(xué)生們明白了，在解決實際問題時需要先根據(jù)問題進(jìn)行抽象，然后根據(jù)抽象出的要素建立解決問題的模型。

2.在案例學(xué)習(xí)中認(rèn)識抽象與建模

在生活中的建模種類有很多，如數(shù)學(xué)建模、數(shù)據(jù)建模、可視化建模、3D建模等，這些不同種類的建模在生活中發(fā)揮著不同的作用。接下來需要讓學(xué)生對抽象與建模的具體種類和方法有一個系統(tǒng)的了解。

例如可視化建模，它能通過直觀的展示為我們的生活提供參考和幫助。為了讓人們了解特殊時期不能開學(xué)的原因，有人構(gòu)建了《計算機仿真模擬疫情期間開學(xué)可能的后果》的可視化模型，在模型中，人被忽略了外貌、性別、年齡等屬性，被抽象成不同顏色的小球，小球的顏色表示人健康或生病的狀態(tài)，教室、食堂、寢室被抽象成了小方框。通過這個可視化建模的展示，非常直觀地讓人們知道特殊時期不能開學(xué)的原因。

3.在實際應(yīng)用中鍛煉抽象與建模

計算思維和抽象與建模的學(xué)習(xí)并非只局限于紙上談兵，學(xué)生學(xué)習(xí)它們的最終的目的是要將其運用到實際中解決實際問題。例如很多學(xué)生對于編程學(xué)習(xí)中創(chuàng)編游戲非常感興趣，在設(shè)計和編寫游戲時學(xué)生要考慮很多內(nèi)容，包括主角、配角、聲音、特效、背景等等。

這時可以利用思維導(dǎo)圖的BOIs策略中的ordering，也就是要在思維中構(gòu)建一定的順序。引導(dǎo)學(xué)生畫出思維導(dǎo)圖，忽略可有可無的細(xì)節(jié)以降低難度，抓住程序的重點關(guān)鍵部分，明確要解決的主要問題，再逐步添加其他部分的內(nèi)容。如程序中第一層是角色、背景、控制指令和結(jié)束條件，第二層是這些內(nèi)容的控制方案或觸發(fā)條件，可以通過偵測、廣播等手段讓眾多的角色或背景聯(lián)系起來產(chǎn)生互動。教師引導(dǎo)學(xué)生運用問題清單對程序的問題進(jìn)行分析和梳理，將一個完整的程序系統(tǒng)或問題分解為若干個容易處理的子系統(tǒng)或子問題，通過編寫子系統(tǒng)或解決子問題從而更簡單地找到程序編寫的切入點，接著逐漸完成整個程序的編寫，這樣才會讓學(xué)生編寫程序的思路更有條理，編寫程序的過程更加順利。

4.在日常應(yīng)用中發(fā)展抽象與建模

我們可以說抽象與建模是將一個看似困難的問題重新解釋成計算模型，解決實際問題的科學(xué)思維方式。在生活中，它的思想和方法在很多學(xué)科或領(lǐng)域都有應(yīng)用，比如數(shù)學(xué)、科學(xué)、信息技術(shù)、藝術(shù)設(shè)計等。

如果能掌握與運用抽象與建模的思想方法，對我們的生活是非常有幫助的。學(xué)生根據(jù)教師教授的思想，嘗試對遇到的問題進(jìn)行抽象與建模，設(shè)計算法，描述算法、解決問題，這不僅有助于發(fā)展學(xué)生的信息技術(shù)學(xué)科能力，還可以提高學(xué)生綜合運用所學(xué)信息技術(shù)與其他學(xué)科知識的能力，在解決問題的過程中，學(xué)生收獲信息技術(shù)學(xué)習(xí)的樂趣，學(xué)會舉一反三，提升核心素養(yǎng)。

三、關(guān)于計算思維、抽象與建模的思考

世界已經(jīng)進(jìn)入數(shù)字經(jīng)濟時代，社會正在經(jīng)歷全面的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，計算思維也將影響每個領(lǐng)域的每一個人。培養(yǎng)抽象與建模能力是培養(yǎng)計算思維的重要一環(huán)，小學(xué)信息技術(shù)教育對于學(xué)生的培養(yǎng)要求不斷提高，計算思維、抽象與建模教育是一個比較新的領(lǐng)域，這也對學(xué)生和教師提出了新的挑戰(zhàn)，要求教師能夠不斷提升自身素養(yǎng)，結(jié)合生活實際和學(xué)生基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行一系列的探究活動，從普遍的現(xiàn)象中找到其中蘊含的思維規(guī)律。教育不僅僅是讓學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)在的生活，更是為了學(xué)生的終生發(fā)展服務(wù)，怎樣做好計算思維的培養(yǎng)工作，還需要我們不斷去探索實踐。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 張松.建模與解模：探尋培養(yǎng)小學(xué)生計算思維的密碼——以小學(xué)Scratch編程課為例[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2019（05）.

[2] 王繼華.抽象：計算思維培養(yǎng)的關(guān)鍵[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2016（03）.

（責(zé)編 韋淑紅）