保安璞，吳美珊

（1.廣東省佛山市禪城區(qū)石灣第一小學(xué)，廣東佛山 528000；2.廣東省佛山市禪城區(qū)瀾石小學(xué)，廣東佛山 528000）

一、前言

信息科技課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)，主要包括信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任[1]。培養(yǎng)學(xué)生初步具備解決問題的能力，發(fā)展計算思維，是該課程的目標(biāo)之一，也是信息科技教師研究的熱點(diǎn)。通過梳理文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，有部分研究圍繞圖形化編程，探究以任務(wù)驅(qū)動的方式促進(jìn)學(xué)生問題解決能力；還有研究通過在教學(xué)環(huán)節(jié)中分析計算思維要素并尋找合適的課堂切入點(diǎn)，為其匹配適合每個教學(xué)環(huán)節(jié)的計算思維培養(yǎng)方法[2]。然而，通過檢索發(fā)現(xiàn)，基于交互式學(xué)習(xí)工具培養(yǎng)學(xué)生計算思維的研究處于探索階段，計算思維培養(yǎng)具體可操作、可借鑒的研究仍有待豐富。

教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中存在以下現(xiàn)象：一是問題分解能力薄弱，二是習(xí)慣盲目探索而不是先形成問題解決方案再進(jìn)行驗(yàn)證。針對這一現(xiàn)象，筆者圍繞算法這一課程邏輯主線，以編程繪圖設(shè)計學(xué)習(xí)內(nèi)容，在教育信息化2.0背景下，依托可視化教學(xué)理論、交互式學(xué)習(xí)理論等，設(shè)計開發(fā)交互式的思維可視化學(xué)習(xí)工具并應(yīng)用于教學(xué)，借助技術(shù)應(yīng)用重構(gòu)教學(xué)結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生針對給定任務(wù)，將問題分析過程分解為一系列的實(shí)施步驟，采用人機(jī)交互方式，用自然語言、流程圖等方式描述算法，形成問題解決方案并編程驗(yàn)證，在此過程中培養(yǎng)計算思維。

二、思維可視化學(xué)習(xí)工具的設(shè)計開發(fā)

對問題進(jìn)行分解，形成解決方案，驗(yàn)證解決問題的過程，從而遷移形成問題解決的能力，這是培養(yǎng)學(xué)生計算思維的要點(diǎn)。筆者根據(jù)可視化理論和交互式學(xué)習(xí)理論，針對學(xué)生計算思維培養(yǎng)，利用flash CS5.5軟件、flash as3.0代碼設(shè)計思維可視化學(xué)習(xí)工具，生成exe可執(zhí)行文件，應(yīng)用于編程繪圖教學(xué)，為學(xué)生提供圖形分析和算法設(shè)計的平臺。學(xué)生的思維過程可直觀清晰地展示在界面，并能一鍵保存分析界面截圖，提交到網(wǎng)絡(luò)平臺交流分享。

（一）功能設(shè)計

此思維可視化學(xué)習(xí)工具有以下三個功能：

1.畫板功能。學(xué)生面對復(fù)雜的圖形，需要根據(jù)數(shù)學(xué)幾何知識分析圖形的角度、比例、繪制路線等。在畫板功能中，提供多款顏色的畫筆和橡皮擦，讓學(xué)生能像在草稿紙上一樣分析圖形，標(biāo)注繪圖方向和角度，確定算法過程。畫板的上方提供可輸入文本描述圖形繪畫的順序點(diǎn)，讓學(xué)生從整體把握算法的步驟，實(shí)現(xiàn)顯性思考，顯性表達(dá)。該工具上的待分析圖形可根據(jù)教學(xué)需要更換，教師只要利用flash cs5.5或以上版本的軟件打開fla源文件，在對應(yīng)圖層中更換即可。工具的源文件容易使用，擴(kuò)展性強(qiáng)，能生成exe工具。

2.算法流程圖功能。在學(xué)生分析圖形的過程中，需要記錄分析步驟，如果采用寫字或打字的方式，在有限的課堂時間內(nèi)不便于操作，此工具中設(shè)置了算法流程圖功能，用戶可拖動界面中預(yù)設(shè)的自然語言并填寫相關(guān)參數(shù)，記錄算法步驟，利用人機(jī)交互功能，將思考過程可視化表達(dá)。自然語言部分同樣可以利用fla源文件按需更改。

3.保存功能。學(xué)生的思維過程在畫板和算法流程圖中清晰直觀地展示出來，為方便分享展示交流，工具中設(shè)置了保存按鈕，讓學(xué)生能輕松地把思維的過程以圖片形式保存到本地，并提交到網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺與同學(xué)分享，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、生生交互和師生交互。該工具支持學(xué)生保存提交多種問題解決方案。

（二）運(yùn)行界面設(shè)計

此思維可視化學(xué)習(xí)工具，界面分為左右兩部分。左邊為問題分析部分，右邊為算法設(shè)計部分。左邊問題分析部分，呈現(xiàn)需要通過編程繪制的目標(biāo)圖形（教師根據(jù)教學(xué)需要更換），學(xué)生可選用界面提供的各種顏色畫筆在圖上進(jìn)行分析（如分析旋轉(zhuǎn)角度和繪圖路線）；圖上方還可輸入文本描述圖形繪畫的順序點(diǎn)（如A→B→C→D→A）。界面的右邊是算法設(shè)計部分，設(shè)置多個與編程相關(guān)的自然語言（如向前進(jìn)、向后退等），學(xué)生只需把語句拖拽到流程圖中并填寫相應(yīng)數(shù)值，即可方便快捷地把自己的繪圖思路記錄下來。

三、思維可視化學(xué)習(xí)工具在教學(xué)中的應(yīng)用及效果

為探索思維可視化學(xué)習(xí)工具在教學(xué)中的應(yīng)用及效果，選取了小學(xué)六年級四個教學(xué)班作為研究對象開展研究。本研究中，采用同一教師授課，所有學(xué)生具備相同學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)能力起點(diǎn)水平相當(dāng)，且學(xué)生不知道實(shí)驗(yàn)的存在，排除了教師授課能力的變化、學(xué)生學(xué)業(yè)能力水平變化等干擾因素，通過問卷調(diào)查和學(xué)生訪談等方式獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（一）研究設(shè)計

選取兩個編程繪圖相似課例開展對比教學(xué)。A課例以傳統(tǒng)方式教學(xué)，學(xué)生采用的問題分析方法為紙筆分析，小組討論，實(shí)物投屏展示交流；B課例采用思維可視化學(xué)習(xí)工具輔助進(jìn)行問題分析，小組討論，網(wǎng)上共享分析成果，網(wǎng)上數(shù)據(jù)展示交流。

在課后，利用李克特量表、開放式問卷、個別訪談等方法收集學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、問題解決方法偏好、合作學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)滿意度、對思維可視化學(xué)習(xí)工具的認(rèn)可度等維度信息。

（二）應(yīng)用效果分析

在調(diào)查中，回收有效問卷150份。調(diào)查結(jié)果（如下表）顯示，在使用交互式思維可視化學(xué)習(xí)工具輔助學(xué)習(xí)之后，98.67%的學(xué)生接納或喜歡編程繪圖；61.33%的學(xué)生喜歡使用思維可視化學(xué)習(xí)工具進(jìn)行問題分析，70%的學(xué)生認(rèn)為采用思維可視化學(xué)習(xí)工具學(xué)習(xí)效率更高，學(xué)習(xí)收獲更大（超過喜歡用此工具進(jìn)行問題分析的學(xué)生比例）。此兩項(xiàng)的比例都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于選擇傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的學(xué)生比例。學(xué)生認(rèn)為交互式思維可視化學(xué)習(xí)工具對自己學(xué)習(xí)的各方面均有幫助。

思維可視化學(xué)習(xí)工具對學(xué)生的幫助

問卷調(diào)查數(shù)據(jù)及后續(xù)應(yīng)用思維可視化學(xué)習(xí)工具開展教學(xué)的反饋表明，思維可視化學(xué)習(xí)工具的應(yīng)用普遍受到學(xué)生歡迎，其效果主要體現(xiàn)在以下三方面：

1.提高學(xué)習(xí)興趣。思維可視化學(xué)習(xí)工具突破了傳統(tǒng)教學(xué)紙筆分析和單一模式交流的學(xué)習(xí)方式，將問題的分析與思考過程可視化呈現(xiàn)，幫助學(xué)生直觀、便利地開展圖形分析，降低了分析問題的難度，獲得良好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。使用思維可視化學(xué)習(xí)工具后，41.18%的學(xué)生認(rèn)為自己提高了學(xué)習(xí)興趣。思維可視化學(xué)習(xí)工具讓學(xué)生能聚焦于圖形，進(jìn)行自主、積極的分析，而不是盲目地直接編寫繪圖程序。教師則能通過學(xué)生可視化學(xué)習(xí)成果，看到學(xué)生思維的過程，并有針對性地指導(dǎo)學(xué)生和調(diào)整教學(xué)，支持學(xué)生實(shí)現(xiàn)真正意義上的自主學(xué)習(xí)。

2.提升問題解決能力。思維可視化學(xué)習(xí)工具提供自然語言半成品，為學(xué)生進(jìn)行算法分析提供必要的幫助，有效降低了學(xué)生制定問題解決方案和設(shè)計編程算法的難度，節(jié)約了學(xué)習(xí)時間，提高了教學(xué)效率。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，88.24%的學(xué)生反饋，借助思維可視化學(xué)習(xí)工具，自己獨(dú)立進(jìn)行問題分析更容易；100%的學(xué)生認(rèn)為借助思維可視化學(xué)習(xí)工具學(xué)習(xí)編程繪圖對自己分析問題和解決問題能力提升有幫助（包括不喜歡學(xué)習(xí)編程繪圖的學(xué)生）。

3.促進(jìn)合作學(xué)習(xí)。由于思維可視化學(xué)習(xí)工具能展示思維的動態(tài)過程，允許把思維的過程以圖片形式保存下來，方便學(xué)生之間展示思維過程和合作交流，很好地發(fā)揮了小組共同研究的作用，解決了學(xué)生可能無法依靠個人力量理解和完成的學(xué)習(xí)，甚至愿意挑戰(zhàn)分析更有難度的問題。學(xué)生在小組中討論、探究、設(shè)計，充分展示自己的才能，堅持不懈地研究和交流，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的合作學(xué)習(xí)。調(diào)查結(jié)果顯示，64.71%的學(xué)生認(rèn)為，通過使用思維可視化學(xué)習(xí)工具，更好地實(shí)現(xiàn)了同伴互助學(xué)習(xí)，對自己的學(xué)習(xí)有啟發(fā)；76.47%的學(xué)生認(rèn)為，借助網(wǎng)絡(luò)平臺瀏覽學(xué)習(xí)其他同學(xué)的學(xué)習(xí)成果，對自己有啟發(fā)。

四、思維可視化學(xué)習(xí)工具的應(yīng)用建議

（一）創(chuàng)設(shè)立德樹人學(xué)習(xí)情境，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情

有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)，是思維可視化學(xué)習(xí)工具成功應(yīng)用的第一步。《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》倡導(dǎo)以真實(shí)問題或項(xiàng)目驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷計算思維過程，構(gòu)建知識，提升問題解決能力。將中國傳統(tǒng)文化的學(xué)習(xí)融入教學(xué)活動之中，引導(dǎo)學(xué)生解決生活中的真實(shí)問題，是創(chuàng)設(shè)立德樹人情境、激發(fā)學(xué)習(xí)動機(jī)的一種方法。比如將中國傳統(tǒng)民間藝術(shù)——幾何窗花應(yīng)用于建筑設(shè)計作為學(xué)習(xí)情境，將長方形的畫法分析與窗花的設(shè)計聯(lián)系起來。通過創(chuàng)設(shè)情景，在增強(qiáng)學(xué)習(xí)趣味性的同時，增進(jìn)學(xué)生對民族文化的了解和認(rèn)同，增強(qiáng)文化自信，落實(shí)立德樹人育人目標(biāo)。

（二）優(yōu)化學(xué)習(xí)工具提示內(nèi)容，引導(dǎo)探究學(xué)習(xí)真實(shí)發(fā)生

分析問題并制定問題解決方案是培養(yǎng)學(xué)生計算思維的重要活動。借助交互式思維可視化學(xué)習(xí)工具，為學(xué)生自主探究分析問題和形成問題解決方案提供學(xué)習(xí)支架，需要教師優(yōu)化此學(xué)習(xí)工具中的提示信息，讓學(xué)生聚焦問題分析與解決，幫助學(xué)生將抽象的空間思維過程直觀呈現(xiàn)，讓學(xué)生做到所想皆可見，分析問題的過程與解決問題的方法得以同步呈現(xiàn)。

（三）促進(jìn)在線交流有效進(jìn)行，培養(yǎng)學(xué)生合作學(xué)習(xí)意識

面對復(fù)雜的幾何圖形，學(xué)生自主分析難度大，可采用小組合作策略，引導(dǎo)學(xué)生共同思考，合作探究，由小組長在交互式思維可視化學(xué)習(xí)工具上，記錄問題分析結(jié)果和算法分析結(jié)果，點(diǎn)擊界面上的保存按鈕上傳網(wǎng)絡(luò)平臺共享。在線共享學(xué)習(xí)成果，實(shí)現(xiàn)線下學(xué)習(xí)與線上交流雙措并舉，合作學(xué)習(xí)與自主探究相結(jié)合，讓學(xué)生可以在集體智慧的基礎(chǔ)上再次思考理解或創(chuàng)新；也讓教師動態(tài)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，及時進(jìn)行針對性指導(dǎo)或組織交流。

五、結(jié)語

在思維可視化與交互式學(xué)習(xí)理論支持下，開發(fā)思維可視化學(xué)習(xí)工具并應(yīng)用于教學(xué)，重構(gòu)教學(xué)結(jié)構(gòu)，將問題的分析與思考過程可視化呈現(xiàn)，讓學(xué)生的思維過程看得見，將學(xué)習(xí)過程可視化，讓合作學(xué)習(xí)有支架，降低學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中分析問題與解決問題難度，有效培養(yǎng)學(xué)生計算思維。技術(shù)與教學(xué)的融合創(chuàng)新，助力課堂減負(fù)提質(zhì)，降低學(xué)生認(rèn)知成本，激勵學(xué)生走向主動學(xué)習(xí)與個性化學(xué)習(xí)，并在有效的合作學(xué)習(xí)中得到發(fā)展。