可视化编程教育促进学生思维发展

黄伟祥

【摘 要】随着人工智能时代的来临，信息技术课程的价值突显，其中计算思维的培养成为重点。本文以“模拟无接触配送餐”为例，遵循小学生的认知规律，分析了在教学中如何让学生用信息意识观察世界，用计算思维思考世界，用编程语言表达世界，以促进学生计算思维的发展。

【关键词】可视化;编程教育;思维;信息素养;计算思维

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2021）06-056-04

近年来，由于可视化编程让学生告别枯燥的代码编写，让程序过程随时可视化，深受学生的喜爱。计算思维是信息技术学科核心素养之一，它是与孩子们拥有的读、写、算同等重要的认知能力，决定着对信息技术学科的认知高度，能让学生“像计算机科学家一样思考”，要渗透到学习的全过程。

学会用信息意识观察世界，学会用计算思维思考世界，学会用编程语言表达世界，这是学生计算思维发展的三个阶段。本文从小学生年龄特征和认知规律出发，结合教学案例“模拟无接触配送餐”，明晰如何培养计算思维意识;怎样用计算思维的方法思考问题的解决方案;如何落实方案解决实际问题等等，为一线教师教学实践提供借鉴。

会用信息意识观察世界

计算思维的理解是基于情境的，又是超越情境的。情境是思维的脚手架和介质，让计算思维从外在走向内里，从感性情境走向思维情境，最终脱离非本质属性的情境，从现实生活的此岸到达语言代码的彼岸，实现“生活化”的抽象生产和理性建构。

1.情境创设，促进计算思维的理解

情境是联结现实生活与虚拟环境的桥梁，容易让学生产生心灵共鸣，从而调动学习的欲望与兴趣，有利于建立信息技术与生活之间的联系，促进计算思维的理解，提升问题解决能力。

如在“模拟无接触配送餐”一课教学中，笔者用视频重现如下的情况：在疫情期间，为了加强疫情防控，各城市很多小区都实行了封闭式管理。但只有物资通畅了，生活才能继续，社会才能盡可能正常运转，为抗疫提供源源不断的支撑，抗疫才能更高效地进行。为了防止人群接触，外卖、快递平台也采取了“无接触配送模式”，这样既保证人们生活正常进行，也杜绝疫情人与人的传播。学生可以基于情景，提出实现“无接触配送”的策略，这不仅能够让学生从枯燥的技能学习、难懂的算法中解脱，并且能让学生在头脑风暴中进一步猜想、验证、合作。

2.序化模式，从情境导向到问题导向

问题意识是思维的动力，是创新精神的基石，是探究问题、解决问题的前提。教师给学生营造提出问题的情境，学生通过讨论，从问题情境抽象出问题的本质，把一个实际问题变为计算机可以处理的问题，这是算法与程序设计的切入点。

在教学中，学生通过“模拟无接触配送餐”情境提出了序列化的问题。如：

在无接触配送的订单中，出现了几个角色？

在各时间段中，各个角色发生了什么变化？

各个角色的变化有何异同？如何体现？

各个角色间如何联系？用什么指令实现？

这些问题的提出虽然是分散、无序的，但通过师生共同整理，问题主要集中在角色内在联系和技术实现方面，通过归类整理，问题从无序走向有序集约化的发展。让学生初步学会从计算思维的角度提出问题、理解问题，并能综合运用所学的知识和技能解决问题。

会用计算思维思考世界

计算思维的习得表现为学生能够采用计算机处理的方式界定问题、抽象特征、建立结构模型、合理组织数据;通过判断、分析与综合各种信息资源，运用合理的算法形成解决问题的方案;总结利用计算机解决问题的过程与方法，并迁移到与之相关的其他问题解决。

1.计算思维简约化，理清事件的关系

简约化是运用计算思维解决复杂问题的第一步。特别是对于小学生来说，他们普遍存在注意力不集中、兴趣点转移快、知识积累不够等特点，当他们面对复杂的问题及算法时，学生不知从何而起学习。基于此认识，首先，让学生对设计项目有一个整体的理解;然后，通过画图进行简约化的表达;最后，采取“大项目，小任务”，用块语言来实现。这样更有利于小学计算思维渐进式的发展，培养学生用计算思维去分解问题，从而解决实际问题。

在日常生活中，由于大多数学生有叫外卖的体验，所以对概念的理解比较容易。笔者在“模拟无接触配送餐”教学中，让学生通过画图的方式理清事件的前后逻辑关系，学会用计算思维来思索问题。

第一步：配送流程，个性化表达

学生根据已有的生活经验，对配送流程进行画图，大部分学生表示为：顾客下单→商家接单→骑手送餐。学生对配送的基本流程描述不够精准、精细化不足，有待细化。

学生画图是探究学习的起点和过程，他们对问题的认知由此达彼，思考由浅入深，把动作表征与符号表征、形象思维与抽象思维、现实生活与计算思维联结在一起，以方便学生理解、分析和把握，展现计算思维的路径与结果。

第二步：任务细分，理顺行为序列

这一环节旨在让学生用计算思维把大项目进行精细化分解，把大任务分解成若干个小任务。从课堂观察可知，大部分学生都可以对任务进行顺利分解，但容易出现不同程度顺序的混乱，学生的序列化意识不强。如：学生不理解商家动作与骑手动作为什么能同时进行;把商家接单与厨师烹饪备餐顺序倒过来等等。

针对这些问题，教师找学生进行情境模拟活动，并让学生将这些动作一一记录下来，对照相应模块寻找是否有相应的执行指令。如果没有，进一步考虑细化动作，直至有指令实现动作为止，培养学生利用计算思维去分解问题的能力。

教师还特地要求学生按照打乱后的顺序去配送，让他们意识到有些任务的顺序是不可逆的，固化学生信息流程的意识。与此同时，师生还共同完成贴标签游戏，让学生从活动中对照自己的分解方案，评判自己的任务有何不同，是否可以有不同的分解方法，以培养学生的发散性思维和批判性思维。

2.算法思维可视化，对接编程语言

虽然学生理清了行动流程，但将一个综合性制作任务直接抛给学生，学生肯定不知所措，因此，借助自己的语言描述角色的行为，把大任务分解成一个个小任务来解决，并把编程工具动作模块指令与任务一一对应起来，实现行为动作与编程语言的对接，并用思维导图的方式进行记录。

把自然语言与动作模块进行相对应的教学，学生进行了第二次抽象，使角色行为更形象表达，把问题逐一解决突破，大大降低学生自主编程难度，使计算思维形成过程有据可循、有序思考。

3.完善流程图，计算思维抽象化

通过前面的教学，学生对任务分解、角色关联及行为与指令的对应关系均有比较深刻的理解。发送广播及接收广播是这节课的教学重点。在本节课里，涉及两次广播的使用，首先，教师引导学生解决;然后，让学生进行举一反三的学习。学生通过描述谁发送广播，谁来接收广播，让他们明白为什么商家和骑手同时接收由顾客发送的广播“1”，厘清信息广播与接送的内在关系。在学生解决难点后，教师顺势出示流程图，并且让学生填写对应的脚本（图1）。从流程图再到脚本图的正向引导，是对程序设计的整体有序梳理，这样再次培养学生思维的整体性与有序性。

会用编程语言表达世界

表达世界对于每一个学科都有不同的方式。以上流程图的功能描述，需要通过计算机编程工具来实现，利用编程语言有条理地表达解决问题的思路、过程和方法，是计算思维的外在表现形式。本案例需要表达的具体内容有：顾客点餐、下单，商家接单、烹饪，骑手接单送餐、到商家取餐、送餐到指定地点。用编程语言反映三种角色的关系，实现三种角色行为，全程做到无接触送餐。

1.编写脚本，反向理解意图

利用编程工具解决问题的方式具有多样性和开放性。同一任务，有不同的计算思维，脚本编写也是不同的。对于计算思维的培养，教师应该鼓励学生多种渠道解决问题，培养学生求异思维，促进计算思维的再生长。

学生完成脚本编写后，教师引导学生描述出自己脚本的功能，这是从脚本到功能描述的反向理解（图2），也是对程序设计整体的再次梳理，是计算思维培养的再升华。通过正反两次的思维梳理，强化了学生对流程步骤和算法的理解，突破了教学重点、难点。

2.脚本调整，培育评估思维

找错、纠错、修正是脚本调试的过程与基本步骤。当学生运行脚本时，出现运行结果与预设结果不一样时，就需要进行有目的、有针对性的调试。但从课堂教学观察中发现，当脚本运行出现问题时，学生很难找出个中原因，无从下手。教师可设计出调试单，从错误现象、错误原因、解决方法、处理成效四个维度帮助学生自纠错误。

调试单是学习的支架，是解决问题的有效载体。它可以帮助学生列出脚本运行的错误，并追根溯源地找到脚本错误之处，帮助学生进行有目的地纠错。通过找问题、析成因、明方法培育了学生有序评估的思维，形成良好的思维习惯。

3.作品展评，训练概况思维

作品展评包括了作品交流展示与评价两个环节。学生不但要展示自己的作品，还要对制作作品过程进行说明，如整体构思、遇到问题、问题成因、解决问题的思路及方法等。学生在分享作品时，再三强调，顾客发送广播“1”是由商家与骑手同时接收，角色有各自的行动。而骑手收到的广播“1”和“2”分别是由顾客与商家发出的。因为有指令才行动，明晰了角色行动的前后关系。学生对作品设计进行梳理、总结、提炼、反思，这是计算思维概括的过程。

评价是计算思维实施的关键，教师一般使用作品展示评价法，使用该种方法评价，量表的制作尤为重要。如“模拟无接触配送餐”评价标准中，笔者从学生作品的思想理念、设计创意、程序设计、逻辑表达、作品艺术五个指标进行定制，要求作品主题明确，内容健康;构思新颖，独特创意;运行流畅，逻辑缜密;富有艺术性。

思维是学习的核心，是理性的力量。计算思维可以梳理解决问题的框架，分解思维实现对解决问题的剖析，抽象思维是深度学习的精髓。我们只有坚守“为思维而教”的理念，对其深度了解，丰富其内涵，才能促进学生思维真实地、自然地发展。

注：本文系广东省教育科学“十三五”规划课题“‘五度六环人工智能教育启蒙課程的构建与实施”（课题编号：2020YQ JK234）基金项目成果