基于计算思维的问题求解教学模式构建与探究*——以初中信息技术图像采集为例

李应聪

基于计算思维的问题求解教学模式构建与探究*
——以初中信息技术图像采集为例

李应聪

从计算思维提出入手，分析了初中信息技术教学中存在的问题及原因，关注信息技术课堂与计算思维的关系，基于教学情况提出计算思维培养的问题求解五阶段策略与原则，构建教学模式，并结合课堂教学案例，阐述如何在信息课堂培养计算思维。

问题求解；计算思维；信息技术

信息时代的海量数据催生出大数据时代，其核心就是计算。把握计算，就能把握时代，而培养新时代的人才，则要帮助学生形成符合时代要求的思维——计算思维。

作为人类三大科学思维之一的计算思维由卡内基梅隆大学周以真教授于2006年提出[1]。她阐述了一种运用计算机科学基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等解决问题的思维过程，这种思维能够清晰、抽象地将问题和解决方案用信息处理代理(机器或人)所能有效执行的方式表述出来[2]。

一、计算思维对初中信息技术教学的启示

计算思维给初中信息技术教学带来新变化。结合初中阶段性要求，在问题求解的过程中，培养学生用信息代理解决问题的思维方式和习惯。

1.当前教学存在的问题

在当前的教学中，教师把课堂上的能力培养简化为“步骤学习”和“技术操练”，侧重操作的机械训练，仅根据知识点要求学生掌握软件指令，而对于学生把握计算，解决问题的思维培养过于笼统，导致不能很好地给予学生思考、发展思维的空间，更不能帮助学生形成解决问题的能力。从而造成学生只把信息技术课看成是技能课，缺乏灵活的问题求解思维，只会生搬硬套。

计算思维理论恰恰填补了思维培养缺失的苍白，给教学注入了新的活力，是改善目前理念陈旧、教法笼统、学法机械的不利局面的新方向。

2.信息课堂培养计算思维的优势

计算思维培养在初中信息技术课堂上的实现，也有着天然的优势。

(1)课程纲要对计算思维培养的支持

《广东省义务教育信息技术课程纲要》(以下简称《纲要》)为计算思维培养提供有力支撑。《纲要》指出：信息技术课是为了适应信息时代对人才培养提出的新要求而设置，以培养学生信息素养、发展学生的信息技术能力为主要目标[3]。

学生要掌握信息时代生存与发展所需的知识与技能，形成在生活与学习中应用信息代理解决问题的态度与能力。这是适应时代发展变化的能力，而不是机械的操作与模仿；这也是创新的能力，在追寻技术发展的过程中，让学生体会创新的价值，培养创新的精神。

而创新源自思维，计算思维概念立足于学科本源，强调了教学的本质是培养建构于学科的思维，这需要帮助学生形成适应信息时代发展的思维方式，并发展成为解决问题的能力，落实在今天的信息技术课堂上就需要大力推行计算思维培养。

(2)教材内容有利计算思维培养

目前较为成功的计算思维培养案例多集中于高等教育，且以“程序设计”课程居多，这就会让人们产生了一些误区，以为计算思维必须要通过“程序设计”课程实现。就目前初中教材内容而言，Excel、多媒体及动画制作软件等工具软件才是主要内容。这些教学内容并不妨碍对学生计算思维培养的开展。其原因有三方面。

第一，虽然初中学生普遍不具备熟练编程的能力，只能简单使用工具软件，但是，软件的命令多是编写好的功能模块，只要合理使用，也能提高解决问题的效率。

第二，许多功能强大的工具软件，提供脚本语言实现操作自动化。对于学有余力的学生，完全可以在这方面更进一步，开拓解决问题的手段。

第三，从信息工具的发展和推广来看，良好的功能和易操作的特点，才便于更多人体验。计算思维要推广，工具软件也是很好的载体。

所以，结合初中学生实际情况，以工具软件为主的教学内容，也有利于计算思维的培养。

二、计算思维问题求解教学模式构建

计算思维培养将“问题求解”视为要经历的过程与效果评判依据。在这一过程中，应先从对基本概念的正确理解入手，提出并阐述可用信息处理代理解决的可计算性问题[4]，在问题求解中，应用计算机科学基础概念，树立计算的思想，形成计算思维。

本研究围绕粤教版信息技术教材中多媒体制作软件等教学内容，结合国内外学者对计算思维的观点，设计出问题求解五阶段策略：提出问题→分析问题→设计实施方案→评价反思→迁移实际生活。其中贯穿三大原则。

原则一，问题引领——在提出问题阶段，通过约简、嵌入、转化、仿真等方法，清晰抽象地重新阐述可计算性问题。在解决过程中，鼓励思考和探索，进而提出新疑问，进一步探究。

原则二，学科渗透——在分析问题阶段渗透计算机学科相关知识，不断学习，拓宽视野，从可计算角度达到运用信息处理代理理解和解决问题的目的。

原则三，迁移应用——在迁移阶段，鼓励学生像计算机科学家一样思维[5]，从可计算角度理解人类行为，将计算思维合理应用到日常生活中。

根据计算思维课堂培养策略和原则，可以初步构建问题求解教学模式。例如：在《图像的采集》一课中，图像的采集的问题求解教学模式的运用，用流程图表示(如图1所示)。

图1 计算思维问题求解教学模式

该模式紧扣计算思维培养的教学要求：以知识教学为任务，以问题解决为过程，从知识本质理解技术原理，合理使用技术，用概念图、流程图等工具可视化思维过程，迁移应用计算思维解决实际问题，使学生形成像计算机科学家一样的思考方式。

三、计算思维问题求解教学模式的实践

以问题引领、学科渗透和迁移应用为原则，让学生在信息处理条件下感受问题求解的过程，最终形成计算思维。下文将以粤教版初中教材第一册第三章第二节《图像的采集》为例，阐述问题求解教学模式的实践。

1.结合教材创设情景 提出问题

广州现行的信息技术教材并非完全依据计算思维理念编写，如果完全按照书本内容安排教学，难以实现计算思维培养的目标。因此，教师必须把握教材重难知识点，结合学生情况，引导学生提出问题。

根据知识点合理情境创设，引发学生问题意识。例如：在《图像的采集》课堂里，重点是掌握图像采集的技巧，难点是能根据实际情况合理使用技巧。教师通过情境设计，联系时事—人工智能程序AlphaGo战胜了围棋冠军李世石，设想AlphaGo的真面目会在科技展览会上与大家见面，提出参观要有参观证，制作需要彩色近照，应用问题引领原则，引发学生重新获取近照图像的需求，提出问题——如何获取图像。

计算思维培养实践中要抓住“计算”二字，在问题提出阶段，教师就要考虑到问题的对象是否可以计算，用什么计算，前者是计算思维区别于其他思维的关键，后者是通过软硬件提高效率帮助解决问题的关键。

2.引导学生分析问题 理解相关学科知识

分析问题能充分培养和展现学生的思维过程。

首先，分析问题的对象。例如：可以让学生明确问题的对象—头像，引出图像的知识原理。然后，从硬件和软件方面分析可以使用的信息处理途径。例如：让学生阅读书本，比较各种图像获取途径的特点(如图2所示)，选择可以解决问题的设备。

图2 获取图像的途径

同时，帮助学生更好理解和使用设备，教师可以介绍相关学科知识。例如：数码相机的工作原理(如图3所示)，提示学生数字图像是从外界事物的模拟图像得到的。

图3 数码相机的工作原理

教师必须有意识引导学生在分析问题过程中既要体现使问题可计算化的关键，又要学习和理解会用到的信息处理代理。依据学科渗透的原则，学习内容不但包括软、硬件知识，而且还包括如何使用的知识。

3.设计施行方案解决问题

设计和施行解决问题的方案能让学生充分理解知识点，更能在完善方案过程中整合技术，获得问题解决的喜悦，培养运用计算思维解决问题的习惯。

首先，根据采集方式设计方案的流程。例如：提供摄像头，让学生先设计和安排获取图像的步骤，再提出操作步骤的排序题，让学生讨论和完善方案。然后，对工具软件的简单讲解，鼓励学生按照设计方案尝试解决问题，并修正完善方案，让学生在做中学，学中思。例如：学生在计算机接好摄像头后，要用专用软件获取保存图像(如图4所示)。这时，可以鼓励学生通过互相合作，探讨软件的使用方法。对个别接受能力较差学生，教师可以简单讲解。有的学生发现用摄像头自拍时，眼看镜头和点击鼠标拍摄很难兼顾，后来想出请同桌帮忙拍摄的主意。也有的学生在操作中，发现刚才设计的操作步骤不合理，进而修正完善。这样，学生在问题解决过程中，摸索和理解软件的功能，在实践中激发学习的兴趣，思考如何才能用好软件。

图4 摄像头专用软件

先设计，后实施，在实施中反馈，在修改中完善设计方案。设计方面，可以学生自主设计，又可以由教师提供初步设计，学生再完善。实施方面，可以学生自主实施，也可以由教师在某阶段提示要点，促进问题解决方案得以实现。

4.评价反思解题过程

评价反思不但指问题解决的效果，而且指问题求解过程中各环节的完成情况。在这过程中，学生可能会发现新问题，从而通过进一步学习讨论，完善解决方案。例如：学生获取图像要保存时，产生了疑问—“图像的格式是怎么回事？”教师可以借此机会让学生用同一张图片另存为4种格式(如图5所示)，比较其特点。有的学生这时候发现，自己拍摄的图像色彩较差，原来是保存选择了“.gif”格式，于是重新拍摄保存成色彩更丰富更清晰的“.bmp”格式。

图5 图像的4种格式比较

评价方面，可以是教师点评，也可以是学生互评。反思方面，可以是学生主动提出新问题，也可以是教师总结学生情况。总之，评价是为了肯定学生，也为了反思过程，反思为了更好巩固所学，也为了完善认知不足。

5.迁移实际生活

在信息技术课程中，不仅需要普及计算机科学概念，更需要引导学生将计算思维合理地应用至日常生活与学习之中，让学生体验使用计算思维求解问题的一般过程和方法，最终达到能够在实际问题中灵活地迁移和应用计算思维的目标[6]。

迁移实际生活是学生对知识的综合运用。例如：让学生根据参观证、对弈棋谱、光盘等资源，讨论如何选择工具，获取图像，形成各种方案。

迁移应用不但要与日常生活实际相结合，而且要与课程目标相结合，更重要的是必须体现问题解决的思维过程，才能有助于合理运用信息工具的思维习惯的形成。

四、结束语

通过实践，笔者认为运用问题求解策略的信息技术课堂，教师应该鼓励学生通过思考并阐述可计算性问题，以激发学习兴趣；用学科知识分析，以帮助学生逐步建构信息技术知识体系；让学生主动探究设计和实施问题解决方案，以体会解决问题的思维过程；引导学生反思信息工具在问题解决中的局限性，以形成评价能力；推动学生形成用信息处理思维解决日常生活实际问题习惯，以培养计算思维意识。

计算思维让学生感受到与之前的不同，不再把信息课堂看成是只注重机械训练的技能课，而是充满创新精神的思维乐园，积极参与课堂，愉快感受信息技术的魅力。计算思维也让教师摆脱理念陈旧、教法笼统的局面。从新的角度思考教学、设计课堂，在良好的气氛中传授知识，在思维碰撞中增加课堂活力。

[1]朱亚宗.论计算思维:计算思维的科学定位、基本原理及创新路径[J].计算机科学,2009,(04):53-55,93.

[2]Jeannette M.Wing. Computational Thinking:What and Why?[DB/OL].2010-11-17.http://www.cs.cmu.edu/-CompThink/papers/TheLinkWing.

[3]广东省教育厅.广东省义务教育信息技术课程纲要:试行.广东省基础教育地方课程纲要汇编[M].广州:广东高等教育出版社,2012.

[4]龚沛曾,杨志强.大学计算机基础教学中的计算思维培养[J].中国大学学,2012(5):51-54.

[5]董荣胜.计算思维与计算机导论[J].计算机科学,2009(4):50-52.

[6]任友群,隋丰蔚,李锋.数字土著何以可能:也谈计算思维进入中小学信息技术教育的必要性和可能性[J].中国电化教育,2016(1):2-8.

李应聪，本科，一级教师。广州市第九十八中学，510280

本文系广州市海珠区教育科学 “十二五”规划教师专项课题(C类课题)《初中学生计算思维能力培养策略研究》(编号：2015C069)研究成果。