信息技术学科计算思维的 迁移能力培养实践研究

曹杨璐 谢忠新

在信息技术学科教学中强调、强化灵活迁移模型与算法具有十分重要的意义。本文从信息技术课程对迁移能力的现实需求出发，整理学科核心素养下信息技术学科迁移的概念和内涵，构建问题解决取向下的迁移能力培养模型，并对信息技术学科中的教学给出几点建议，期望为新课程改革背景下的信息技术教学在如何培养学生的灵活迁移算法和模型能力方面提供一些参考。

● 信息技術课程对迁移能力的现实需求

计算思维是信息技术学科核心素养的核心要素之一，普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）中对计算思维的定义是个体运用计算机科学领域的思想方法，在形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动。课标中计算思维水平要求学生能够把信息技术解决问题的过程迁移到学习和生活的其他问题的解决中。在信息技术学科常规教学中，多数教师是为了教授知识而教，而不是为启发学生将所学知识进行迁移应用来解决实际问题而教，学生获取知识的方法较为单一，也没有系统地对所学知识进行总结梳理和归纳。信息技术课程离不开编程，编程要做的绝不仅仅是对学生进行技术训练，而是要关注如何让学生理解和掌握编程背后的思想。所以对于信息技术学科来说，在学生学习算法并编写程序实现作品的过程中，迁移算法与问题解决的过程是计算思维培养过程中的重要环节。灵活迁移是一种高级思维能力，也是综合型的创新人才的需要。在新课程改革背景下，如何在信息技术学科中培养学生的计算思维迁移能力是值得研究和探索的。

● 学科核心素养下信息技术学科迁移的概念和内涵

计算思维是一种思考问题、解决问题的方式。在问题解决视角下，利用计算思维解决问题的步骤如下页图1所示：第一步要确定问题或者需求，第二步要把问题分解，第三步是对问题进行抽象，第四步是算法设计，第五步是算法实现与优化评估，第六步是概括与迁移解决同类别的问题。本文主要是围绕灵活迁移这一部分进行探究。

1.概括与迁移的概念

迁移是指把在一个情境中学到的知识和经验迁移到新情境的能力。学习的迁移是一种学习对另一种学习的影响，在学习这个连续过程中，任何学习都是在学习者已经具有的知识经验和认知结构、已获得的动作技能、习得的态度等基础上进行的。在将一个复杂的问题分解之后，人们常常可以发现小问题中有共同的属性以及相似之处，在计算思维中，这些属性被称为“模式”。在解决问题的过程中，找到模式（模型与算法）是非常重要的，模式可以让问题的解决简化。当问题具有相同的特征时，它们能够被更简单地解决，当存在共同模式时，能够灵活迁移模型与算法，用类似的方法解决一类问题。灵活迁移是基于先前已经解决的问题，将其概括作为通用解决方案（模型或者算法），以便于推广到更广泛的问题情境中。可以简单地将其理解为“举一反三，触类旁通”。

2.能够灵活迁移模型的条件

在对模型（或者算法）掌握之后，对其进行抽象表征概括出一个解决问题的流程或者原理，在面对不同任务时，会对目标任务进行预初判断，判断其是否可以用某种算法和模式进行迁移，具体有三点：①保证对模型与算法的掌握程度——对所学的模型与算法是理解性的学习，而不是简单记忆和背诵，并熟练掌握;②保证会对模型或者算法进行抽象表征——对模型或者算法进行深度的抽象化表征，概括是迁移的基础，如果不能通过概括，把握一般原理，掌握事物的本质和规律，也难以产生迁移;③在学习过程中灵活迁移——透彻理解和领悟学习情境和迁移情境之间的关系，主动思考所学内容的潜在迁移含义、不同任务之间的相关性、可迁移的具体场景。

3.常见的灵活迁移模型与算法

在信息技术学科中，灵活迁移模型与算法常见的有两种方式，一是把所学的模型与算法解决问题的方法归纳成一种模式，通过相似性问题进行比较，归纳出共性，在以往经验中搜索类似问题，套用类似的解决办法。例如，在讲解利用某种算法解决问题时，可以通过类比迁移到解决一类可以用同种算法解决的问题上。还有一种情况是，完成项目需要一系列的流程，归纳出核心流程，迁移到另一个类似的问题的解决中，也就是解决某一类问题的流程。例如，问题解决视角下利用计算思维解决问题的步骤，如果以后遇到要解决的问题，就可以把这个流程迁移应用到解决新的问题上去。

● 迁移“模型与算法”能力培养模型的构建

有效的教学方法不仅传授学生知识，更重要的是教给学生学习的方法，使学生的思维更敏捷、更灵活，有利于促进学习迁移。现代心理学家提出的“为迁移而教”的观点已为人们所瞩目，研究迁移规律并将这一规律运用到教学之中，正是信息技术教师的一项很重要的任务。本文基于心理学的部分学习迁移理论，立足信息技术学科核心素养，以解决问题为导向，为培养学生灵活迁将“模型与算法”能力构建了一个能力培养模型，如下页图2所示。

1.模型理论基础：概括化理论、学习定势说

基于问题解决的迁移能力培养模型是基于学习迁移理论的概括化理论和学习定势说。贾德的概括化理论强调的是学习主体对学习材料的加工，是学习者对学习材料中知识经验的概括，以及对两种学习情境中类似的原理、原则的概括，认为学习迁移取决于主体概括原理的能力或水平。学习定势说考虑的是学习方法的迁移问题。所谓学习定势，就是习得的学习方法的态度倾向。先行学习为后继学习准备了迁移的条件，或使后继学习处于准备状态中，这就有利于迁移。根据贾德的理论，两个学习活动间存在的共同成分，只是产生迁移的必要前提，而产生迁移的关键是学习者在两种活动中概括出它们之间的共同原理，强调经验概括化的重要性。学习定势说强调了学习支架的重要性，只有搭建循序渐进的教学支架，才能引导学生形成迁移能力。所以在模型中的问题解决层中，需要学生在解决问题的过程中概括出解决一类问题的算法和模式，所以在课堂中教育教学在迁移层需要教师设计目标任务时，要考虑与源任务之间的共同成分，并在引导学生解决新的目标任务时，要搭建符合学生学习认知的教学支架，从而促进学生迁移能力的培养。

2.模型解释

基于问题解决的迁移能力培养模型核心是学生迁移能力形成过程的模型，学生首先基于先前学习的经验和教师新授的知识来解决任务（主要强调算法和模型的学习），通过解决任务的过程（计算思维应用），归纳概括出解决问题的核心算法和解决问题的步骤，并归纳到学生的解决问题的方法库中。当遇到类似任务时，通过比较任务之间的相同要素，利用教师搭建的迁移学习支架，学生能较好的利用方法库中的经验（算法和模型）来解决目标任务，这是灵活迁移应用的体现。

在灵活迁移能力框架中，学生解决问题过程中的知识能力要求为纵向维度，它分为三个层面：第一层是双基层，即解决问题必要的基础知识和基本技能，如在讲解用算法来解决问题时，需要的基础知识有对象、指令、流程图、相关算法的概念或模型等，需要的基本技能有会画流程图、会编写简单程序等;第二层是问题解决层，需要学生利用计算思维的思想和方法来解决问题。例如，教师在设计任务来学习算法时，在解决问题时，首先要抽象提取任务需要解决的问题是什么，然后把问题分解成小问题，在解决问题的过程中运用已有的经验和方法（概括），设计使用算法解决问题的步骤（算法），对算法进行优化和评估（评估），直到问题解决，这个过程是使用计算思维解决任务的过程，在这个过程中学生全面地进行程序设计，基于算法解决问题，并能概括解决问题的流程或者模型;第三层是灵活迁移层，学生在面对目标任务时，能快速产生迁移，最终达到灵活迁移模型与提升算法能力的目的。

心理學家在研究中提到，学习者的迁移能力的产生与教师的教法密切相关。所以在模型中体现了教师教学的部分，教师在双基层环节，不仅需要对算法知识进行讲解，还需要对解决问题过程中需要用到的旧知识进行复习，让学生更好地用以往的经验和知识来解决问题;在问题解决环节，教师要引导学生运用计算思维的思想和方法来解决问题，设计合适的任务，涉及到问题分解、抽象、概括、算法、评估等环节，并在问题解决后，引导学生归纳概括用算法解决的类别和解决问题的流程;在灵活迁移模型与算法的环节，首先要设计同类别的任务，根据概括化理论，两个任务中需要有共同要素，这样才能为迁移提供前提条件，在解决目标问题的过程中，要搭建适当的脚手架，应当由易到难一步一步引导学生用算法和模型来解决问题，合适的支架对培养学生迁移能力至关重要，让学生能较好的接受知识和解决问题，并培养迁移的能力。

● 基于培养模型的教学实施策略

1.教师应该有培养学生灵活迁移“模型与算法”的意识

在迁移模型与算法上，多数教师在教学过程中只是对算法的概念及应用进行讲解，后续的迁移弱化，没有意识到培养迁移算法的重要性。现如今需要教师不断反思教学方法，让学生做到举一反三，实现“模型与算法”的迁移。教师要认识到迁移对提高解决问题的能力具有直接的促进作用。在编程教学中，如果将编程学习看作是计算机编程思想的学习，那么学生所获得的就将是计算机编程的本质原理和可迁移的思维方式，而这种思维方式也将能够被用来开展更多的研究和解决生活中更为复杂的问题。

2.教师要学会学习支架的设计

著名心理学家维果斯基在“最近发展区”理论基础上发展了“支架式教学”这一建构主义教学模式，认为学生在教师或他人的合理帮助（恰当的支架）下可以达到潜在发展水平。支架式学习理念重视学生学习过程中的思维发展轨迹，重视学习引导，重视复杂问题的分解。在灵活迁移算法与模型的教学中主要用到的支架有问题支架、图表支架等。

（1）问题支架。问题是学习过程中最为常见的支架，在特定主题的学习中，“支架问题”往往比“框架问题”更具结构性，更加关注细节和可操作性。当教师可以预期学生可能遇到的困难时，对支架问题进行适当设计是必要的。教师可以通过“搭建”一步一步的问题支架，引导学生思考学习，从而达到解决问题的目的。

例如，学习了枚举算法，面对下面这种新的问题情境——

今天是小明的生日，他像往常一样去了熟悉的生煎店吃早点，心情很好，吃完后准备付钱，老板想逗逗他，说你只需给我这个数：“二十几块，除三余二，除五余三。”小明陷入了思考，你们能帮小明算算该付多少钱吗？

教师可以搭建以下问题支架：

①我们之前用枚举算法解决过模糊数字（问题：一个五位数，万位和百位不知道，但是是57和67的倍数，求所有的可能性）的问题，想一想，该情境与之前的问题有哪些相似之处？

②枚举算法的适用条件是什么？

③枚举算法是否适合解决该问题？

④在使用枚举算法来解决模糊数字的问题时，主要的步骤有哪些？

⑤对应此问题，列出解决步骤。

这些问题可以引导学生对比之前所学知识，把枚举算法解决问题的方法应用到新的问题中去。

（2）图表支架。图表包括各种图示和表格，图表用可视化方式对信息进行描述，尤其支持学生的思维活动。图表支架是在教学过程中，利用表格或者视图的形式将信息传递给学生。图表包括很多种类型，如流程图、概念图、思维导图等，图表最大的特点就是直观，如流程图可以使学生对学习任务的划分一目了然，概念图和思维导图可以将知识点之间的联系通过图像的形式体现出来，能够帮学生清楚地梳理知识脉络，促进知识的建构和内化。

例如，编程解决问题的一般过程包括抽象与建模、设计算法、编写程序、调试运行这四个步骤（如图3），学生可以根据教师提供的图表支架，回想其步骤，并根据步骤来解决问题。

3.教师要设计灵活迁移能力的评价

教师在组织评价环节，缺少有关“灵活迁移算法与模型”方面的评价维度，如第100页图4所示。学生灵活迁移能力的评价应该包括过程评价和最终成果评价。

活动过程中教师基于一定的评价量表对学生的灵活迁移活动表现进行过程性评价。成果评价主要是依据学生独立思考后形成的可视化的思维导图（流程图）以及小组最终的可视化的思维导图（流程图）、解决问题的经验方法并迁移到一类问题中进行衡量。项目过程中灵活迁移评价量表的设计，如第100页表所示。

● 结束语

在课程改革背景下，在信息技术教学过程中，教师要结合学科的特点，及时引导学生归纳总结所学习的内容，强化新旧知识内在联系性，让学生参与通过迁移模型和算法来解决问题的过程，而不是通过讲授来间接地教授什么是模型与算法的迁移。在教学环节设计中，多元化支架的设计将帮助学生更好地理解与感受模型与算法的迁移，从而解决一类问题。在每个教学环节中，贯彻灵活迁移能力的评价，能更好地引导学生该能力的增长，最终提升他们的灵活迁移能力。