可视化工具在信息科技教学中的实践应用探索

■马玉敏

《义务教育信息科技课程标准（2022 年版）》（以下简称新课标）明确提出信息科技课程的核心素养主要包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新和信息社会责任[1]。为落实核心素养，广大教师都在探索有效的教学方法、手段、策略。可视化表征根据人们对图形、线条、颜色等快速识别的特点，借助形象化的视觉表征形式描述事物或思维过程，便于信息传播、内容解读、思维呈现、提炼归纳、创新设计等，成为以信息科技学科为代表的教与学的催化剂和助推器。

一、可视化在教育中的核心表现

（一）知识可视化

知识可视化（Knowledge Visualization）是知识的外在表现形式，是将内容以图表、矩阵、概念图等多种图解形式表现出来，既可以手绘，也可以借助计算机制作，以此促进知识的获取、内化、转化、交流、应用、传播和创新。它经历了科学计算可视化、数据可视化和信息可视化三个阶段[2]。

（二）思维可视化

思维可视化（Thinking Visualization）是将人们的思考方法、思考路径，按照一定逻辑用图示呈现出来，也称为“让思维看得见”[3]。思维可视化包括思维过程可视化和思维结果可视化，可以用于思维训练，思维训练有“隐性思维显性化—显性思维过程化—高效思维自动化”三阶段[4]，可见思维可视化是思维训练的首要环节。

许多老师不能分清知识可视化和思维可视化的区别，日常教学中比较擅长引导学生用知识可视化整理学习内容，但在思维可视化应用上比较缺乏。

二、义务教育中常用的可视化工具

可视化表征能有效降低认知负荷，符合教学规律，但也出现了应用方式单一的现象，只有用对了工具和策略才能体现它的最大价值。本文梳理出常见的工具有：圆圈图、气泡图、双向气泡图、韦恩图、树形图、组织结构图、鱼骨图、时间轴、括号图、情节梯、脑图、思维导图、概念图、流程图、SWOT 分析图、5W1H 分析法、四象限法则、柯尔特思维工具、六顶思考帽等。部分图示表示方法如图1 所示。

图1 可视化表征工具

从图1 中可以看出，有的可视化表征工具功能相似，有的是简单图示的扩展和延伸，有的可用于知识可视化表征，有的可用于思维可视化表征，但这些工具的使用没有明确的分界线，教师可根据具体的内容信息和自身表达策略选择可视化工具，或者将上述工具变式应用。表1 将上述工具的常用方法进行归纳，可供参考，但并不限于此种选择。

表1 可视化表征工具常见用法

三、信息科技课程中可视化的作用机理

新课标指出，义务教育信息科技课程具有基础性、实践性、综合性等特点，要纵览信息科技课程的性质和理念，遴选科学原理和实践应用并重的课程内容，倡导真实性学习、科与技并重，引导教学向“重思维、培素养、提能力”的方向发展。

信息科技课程的核心素养主要包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任。计算思维是信息科技四大核心素养之一，包括算法思维、分解、抽象、概括、评估五大要素。可视化是训练和培养学生计算思维的重要途径，对信息科技教学具有重要价值。

如图2 所示，在观课中发现，教师很容易观察到学生的技能掌握情况，但学生思维的起点在哪里，思维发展的过程是怎样的，思维如何优化迭代，很多教师缺乏思考及其指导策略。教师很难捕捉和获取学生思维演进的过程，因此也就很难在课程实施中有效培养学生的计算思维。可视化表征之所以有助于信息科技学习，其作用机理在运用可视化表征工具投射思维过程，最简单的用法就是利用各种图示表达人们头脑中的概念、知识、思想等，最直接的作用就是隐性思维显性化，将思维发生、演进、迭代、内化的过程展示出来，方便学生自己、师生、生生之间理解、思考和交流，为解决信息科技课程中的问题和建立内容之间的关系提供策略引导。

图2 信息科技课程中可视化的作用机理

图3 概念关系整理

图4 文件夹示意图

图5 大单元教学实施结构图

图6 核心问题和子问题结构

图7 双向气泡图应用

图8 流程图应用

图9 猜数游戏流程图

图10 不规范流程图案例

图11 组织结构图应用

图12 时间轴图应用

四、可视化工具在信息科技教学中的实践应用

要在信息科技教学中广泛开展可视化工具的应用实践，根据课程性质、教学方法、学习方法，梳理出可视化在信息科技教学中的六大主要应用，培育学生的数字素养与技能，提升学生的知识迁移能力和学科思维水平，实现信息科技课程的育人价值。

（一）组织内容，厘清概念关系

中小学信息科技课程能促进学生在数字世界和现实世界健康成长，在基本知识和基本技能的学习中，涉及诸多概念和知识点，一个相关知识点可能在多处提及，如果不将这些知识点进行归纳关联，那么在学生头脑中将是散点式、碎片式的出现，也不能建立起各个概念之间的联系。因此概念图和组织结构图的应用可以帮助学习者解释概念及分析它们的关系，帮助学生整理信息，落实“信息意识”核心素养。

案例1：七年级上册第一单元（以下教材均为人教版）有“探索信息技术”和“信息技术及其发展”两个小节，七年级下册第一单元有“信息的来源与获取”和“网络信息的获取与使用”两个小节，老师积极引导学生将其中的概念建立联结，学生可画出各式各样的概念关系图，帮助自己厘清其中的关系。

案例2： 同一班级孩子的信息科技能力也存在个体差异，水平参差不齐，简单有效地引导能让更多孩子有所收获。在七年级第二单元“整理文件”内容中，学生自主操作，也只有部分学生能够快速厘清“计算机—硬盘—文件夹—文件”之间的层级关系。这时，可借助组织结构图快速帮助学生厘清文件与文件夹的层级关系，并学会整理文件。

（二）建立联系，实现认知建构

在“信息科技”大单元教学整体设计中，要考虑单元目标、单元内容、纵向联系、核心能力，在学情分析中要考虑学生的知识储备点、思维发展点、情感触发点等。这就与建构主义学习理论提出的学习者通过新、旧知识经验的相互作用，以形成、丰富和调整自己认知结构的过程相一致[5]。教学中老师可借助可视化表征工具，解决认知过程中“整体与局部”“相似与不同”“因果关系”等架构问题。

案例3：在七年级校本课程“追逐/躲避类编程作品的创作”大单元教学设计中，老师应用树形图变式展示单元课程结构，老师和学生都能一目了然地明确追逐/躲避类作品的类型、特点和实施方式，纵向看到内容层次递进、相互联系和角色差异。应用括号图展示预设核心问题和子问题结构，可引导学生在头脑中建立“追逐/躲避”类程序的模型。

案例4：在四年级“即时通信聊创意”这节课中，介绍了常用的通信工具微信和QQ，从安装方法、功能探索、应用体验多角度认识微信，在介绍QQ 时则简略一些，因此在本章学习中可引导学生通过出示双向气泡图进行自主探究，激发学生探索实践，比较异同，归纳总结。

（三）发散思维，启发头脑智能

在信息科技的学习中，解决一个问题有多种方式，设计一个作品有多重思路，由一个事物联想到其他事物，这时可以借助可视化工具快速将想法表达出来，然后团队设计与调整、协作与加工、总结与反思，启发头脑智能，发挥学生创意，落实“数字化学习与创新”核心素养。

案例5：一千个人心中有一千个哈姆雷特，每一个学生都是一位欣赏者和设计者，在四年级“打地鼠”这节课中，老师简要介绍了打地鼠游戏的规则和实现效果，出示核心内容和设计框架，学生利用思维导图解读程序，设计个性化“打地鼠”游戏。可视化激发学生搭建支架、发散思维、启发头脑智能，为发挥想象和创新设计提供了可能。

（四）明晰思路，促进思维发展

在新课标中，义务教育信息科技课程围绕数据、算法、网络、信息处理、信息安全、人工智能六条逻辑主线展开。许多算法课程都离不开对学生思维能力的训练，可借助流程图呈现思维过程，引导学生思考，注重思维策略，促进逻辑思维、批判性思维发展，同时思维深度和流畅性也随之提高，思维品质得到提升，充分落实“计算思维”核心素养。

案例6：纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。信息科技是一门实践性极强的学科，可以真实问题或项目驱动，鼓励学生“做中学、用中学、创中学”，在实践中帮助学生理解基本概念和原理，提升学生知识迁移能力和思维水平。教学八年级“浇水机器人”内容，老师可将人思考问题的步骤迁移到植物管家的工作流程中，在板书时借助流程图，帮助学生理解选择判断程序的结构。

案例7：在五年级“猜数游戏”的编程内容中,整个程序过程比较复杂，老师可通过引导学生逐步绘制流程图，让复杂问题简单化，解决这个程序中的核心问题，明晰整个程序的思路，这样学生的思维在过程中得到呈现和训练。在授课中，老师可根据学生水平选择三种方式引导绘制：①呈现部分流程图，部分留空；②呈现各个模块，学生自己拖拉组合；③完全留白，学生自己绘制。

流程图有特定的规范和要求，在使用过程中容易出现不规范使用情况。如“猜数游戏”这节课中，容易被人的大脑思维带动，绘制出具有多个分支的选择情况，虽然从问题理解的角度是正确的，但这不符合计算机的原理和处理规则，所以在信息科技教学中绘制程序流程图时要注意规范性、严谨性。

（五）支架驱动，引导问题解决

信息科技课程涉及众多基础学科，具有较强的综合性。教学中应注重精讲、多思、勤练，发挥教师的主导作用、学生的主体性。在抛出一个综合性的问题时，可能会有多种解决问题的办法或设计思路，这时可视化工具为学生提供支架，设计问题解决策略，引导学生解决问题。

案例8：在五年级“智能家居—自动抽油烟机”项目学习中，学生利用5W1H 分析法聚焦问题，列出调研问题，利用六顶思考帽法商议解决方案，分析项目中各元素的优缺点，高效解决过程中遇到的问题。

案例9：在四年级编程课堂“益虫与害虫”这节课中，学生的年段较低，因此老师制作了与众不同的学习单。先分析不同对象的动作，然后将思维导图与编程模块相结合，学生根据导学单解决问题，提升学习力。

（六）迭代优化，促进学习管理

在项目式学习中，一个项目由一个团队合作完成，团队中的成员分工明确，各司其职，可以利用组织结构图呈现小组角色和职责，可以用时间轴图呈现项目的进展和安排，过程中不断迭代优化，解决项目管理和学习效率问题。

案例10：在八年级开展“智能植物管家”项目式学习中，按照异质分组，每组4—5 个成员，各自明确自己的角色和任务，展现每个学生的闪光点，同时要参与全过程学习，既发展学生思维，又提升综合能力。学生制作时间轴图，便于团队成员随时查看项目安排、调整进度、优化方案，确保顺利完成项目。

信息科技是一门具有挑战性的学科，教师要从注重传授技能向发展学生思维转变。借助可视化表征工具设计新颖的教案、板书、思路图、导学案、任务单、学习管理单等，学生借助可视化表征工具启发智能、整理思路、梳理知识、学习管理等。通过充分的图示对话将学生的思维呈现出来，给予学生更多的表达机会，挖掘学生潜能，支持批判性思维和问题解决建构主义活动的开展，促进学生深度学习和思维发展。