基于建模思想 培养计算思维

王敏军

小学信息科技的教材编排体系按照《义务教育信息科技课程标准》中的课程内容，根据核心素养和学段目标，围绕数据、算法、网络、信息处理、信息安全和人工智能六个逻辑主线进行设计，在这些主线的基础上，细化成册，又具体化成单元，采用循序渐进和螺旋上升的结构体系落实到具体的单元和课时中。学习过程中，学生通常先学习单一结构的知识，逐步过渡到一类知识体系。而信息科技学科中的建模思想则是学生学习信息科技过程中知识体系和实践应用的关键通道，也可用于解决学习中遇到的实际问题。

一、问题缘起

通俗地讲，信息科技核心素养指的是在排除或忘掉所学的信息科技知识后，所剩下的东西。信息科技学科的思维方式和解决问题的方式是学生终身受益的、真正意义上的核心素养。

1.问题提出

在日常的信息科技教学中，仍然以讲练结合为主，教师通过自身示范或请优秀学生示范的方式进行教学。同时，重复、机械的操练也普遍存在。然而，在这种操练的过程中，学生逐渐失去了对信息科技学习的兴趣和热爱，迷失了信息科技学科学习的本质和真谛。

随着社会蓬勃发展，信息科技也发展迅速。编程与算法、人工智能和大数据已经渗透到信息科技教育的各个层面，也对学科原有的教学方式产生了巨大冲击。信息科技的学习与实际生活密切相关，学生需要具备适应社会快速发展的信息科技能力。在信息科技教学中渗透建模思想更符合社会实际发展对人才的需求和要求。

2.概念界定

计算思维是指个体（学生）在解决问题的过程中应用计算机科学（信息科技）领域的思维方法而产生的一系列思维活动。计算思维的核心是学生在生活和学习中运用信息科技处理问题的方式界定问题、构建结构模型，并运用合理的算法形成解决问题的方案。其实质是按照信息科技领域特有的解决方式，对问题进行抽象和界定，通过量化、建模、设计算法和编程等方法，形成计算机可处理的解决方案（见图1）。

建模思想是一种运用建立模型去解决实际问题的思想，包括学习和生活中的问题。当学生应用信息科技知识解决问题时，他们能够将从信息科技学习中获得的能力迁移到问题解决中，将新问题转化为已有能力可以解决的问题，并在这个过程中有明确的思路和模式。培养计算思维的首要任务是让学生学会对问题进行抽象和建模，建模思想是培养学生计算思维的基础。

3.核心观点

信息科技建模思想就是用信息科技建模方法去解决问题的思想，它属于信息科技学科核心素养中的计算思维范畴，建模思想在计算思维中有着极为重要的地位。尽管信息科技建模思想的综合性比较强，学生在建立模型的过程中会遇到困难和挑战，但建模思想仍是学生小学阶段信息科技核心素养落地的重要标志，教师要帮助学生不断提升信息科技的建模素养。

二、操作实施

小学信息科技学科特别强调信息科技思想方法的渗透，它是落实基础知识、基本技能、基本经验和基本思想的重要途径，建模思想就是信息科技基本思想的重要类型。

在《义务教育信息科技课程标准》课程内容中的《数据与编码》《身边的算法》《过程与控制》等内容模块，教师都应及时渗透建模思想（见图2），或者说教师在进行该领域（共性）知識的教学中，要重视意识和方法、策略和操作，对学生进行有效帮助与指导，树立并巩固建模思想，进而用所建构的建模思想解决生活和学习中所遇到的问题。

1.基于现实场景，激活建模思想

小学信息科技教学中，培养学生建模思想的教学务必要先充分了解学情，立足学生的生活和学习实际，从而灵动地调整教学方法，激发学生的学习兴趣。

第一，还原真实情境，唤醒生活经验。所有的知识都是源于对实际生活的思考与研究，通过学习之后再还原于生活。在渗透建模思想的教学过程中，必然要将教学和学生的实际生活紧密关联，为学生的学习活动创建相应真实的情境。

学生的生活是丰富多彩的，他们的思想也是丰富多彩的。学生在学习信息科技的过程中，会不经意间结合自己的生活经验思考问题。在教学过程中，教师要时刻关注学生的实际需求和兴趣，借助学生的生活经验，引导他们利用已有的生活经验去思考和解决问题，积极、有效地激活建模思想。

例如，教学六年级跨学科课程《声音传感器》一课时，教师可将声控灯、音乐喷泉等生活中的真实情景融入学习环境中。

【案例1】六年级跨学科课程《声音传感器》教学片段

a.师生谈话：生活中有用声音控制设备的场景吗？（音乐喷泉、声控过道灯等）你能说说控制可能是怎样实现的吗？

b.演示程序：蝴蝶这个角色可通过声音的控制显示与隐藏。这个程序中，蝴蝶的显示与隐藏可能是什么原因产生的？

c.出示课题：声音传感器的应用。

d.实现声控蝴蝶角色的“隐藏与显示”。

通过简易流程图，引导学生给“蝴蝶”这个角色添加脚本，实现声控效果。

教师借助学生的实际生活经验，调动学生学习信息科技的内驱力，激活并内化学生的信息科技建模思想，并且能够借助模型解决实际的信息科技问题，从而在学习过程中产生高质量的思维活动。

第二，引导原型转化，提出问题假设。小学信息科技学习更多是体现生活化，信息科技教材中的素材和资源都是从生活中汲取的。由此可以逆向思考，还原学生真实的生活情境，引导学生从实际生活问题抽象出信息科技的学习问题。

提出假设是利用信息科技建模思想解决问题的重要环节，只有先对问题提出合理的假设后，学生才能以此为基础致力于探究和验证。没有假设学生就没有主动学习的机会，也就没有兴趣去研究，是缺少独立思考的被动学习。假设往往是以提出核心问题（关键问题）为载体呈现在常态的课堂教学中的。

例如，教学六年级《走近机器人》一课的“机器人的基本组成”环节时，通过之前知识的复习，梳理出辨别机器人特征的核心问题，以核心问题作为假设，该假设就是机器人基本组成的常规模型，为学生后续阶段的学习提供探究方向和目标。

【案例2】六年级《走近机器人》教学片段

a.知识复习衔接：上节课学习了《认识机器人》一课，关于机器人你一定学习到了一些新知识，请你告诉老师。（学生查阅教科书，描述机器人的种类、特征、发展和由来，等等）

你还产生了哪些新的疑惑呢？（教师边口头梳理，边展示课件）

b.梳理核心问题：关于机器人，你还想知道哪些新的知识，或者产生了哪些新的疑惑呢？

（请学生先学习教科书内容，同桌交流。汇报交流情况，了解机器人如何控制或者工作……）

老师梳理出两个问题：机器人是怎样工作的？既然是机器，为什么还要叫做“人”呢？（实质是辨别机器人特征，也就是核心问题）

我们带着这两个问题开始今天的学习。

问题来自学生，来自学生真实的学习情境中，以生为本的课堂依靠的是学生自觉、主动、积极地提出问题。在课堂教学中，学生通过探究实现了对假设问题的研究，得到机器人一般由控制模块、传感模块和执行模块三个部分组成的模型概念。

学生能用学到的信息科技知识、方法去认识真实的现实世界，让信息科技与生活真实对接，能积极、主动建构信息科技的新模型体系，体验到信息科技与生活的本质关联，这样的学习才是真实的、有意义的学习。

2.历经建模过程，深化模型思想

信息科技的建模先是源于学生学习的直觉（猜想），其次才是主动探究和实践验证。教师引导学生完善建模过程，不仅要丰富“模型”的生活化积累，更要引导学生历经“建构”的过程，只有这样才能让学生的建模过程不断走向完整和完善。教学中，教师要引导学生理性推理，深入理解信息科技的知识和能力体系，培养学生梳理、提炼核心问题的能力。

第一，催生真实学习，丰富建模体验。学生信息科技建模思想的形成需要历经信息科技的感知、理解、表达、探究、应用的过程。小学信息科技的建模思想主要是通过界定问题、抽象特征、结构模型和组织数据的形式呈现，并在此基础上分析、判断信息资源，最后形成解决问题的方案。

信息科技建模思想的教学突出学生实际情境问题的特征把握，是学生学习过程中提出假设的前提和基础，学生用信息科技的方式解释现实生活中的抽象概括。因此，学生具有丰富的信息科技建模体验，并让生活与学习联结，才能更高效地解决实际生活中遇到的问题。

例如，教学五年级跨学科课程《滑杆传感器》一课的“滑杆原理”环节时，通过具象生活中的真实情境，使滑杆传感器（一类传感器）的原理模型变得直观、生动和深刻。

【案例3】五年级跨学科课程《滑杆传感器》教学片段

a.滑杆原理。在Scratch界面中，滑杆移动为什么数值会变化呢？

滑动电位传感器通常由电阻体和可移动的电刷组成，通过移动滑块可以得到不同的电阻值（课件出示滑杆电位器和旋钮电位器）。滑动电位传感器在日常生活中有许多应用。

反馈：说说生活中的应用，如生活中看到的调音旋钮。

b.生活应用。教师示范用滑杆进行音量控制。

c.拓展练习。练一练：用滑杆控制接球游戏，接球次数以分值的形式在舞台上出现。

学生练习，教师巡视。

知识原理、生活原型和巩固练习有助于学生加深对新知的理解，体会相关知识之间的联系，形成稳固的知识体系。同时，有助于培养学生解决问题的能力，使他们产生有效迁移，提高学生思维的宽度和灵活性，提升信息科技建模素养。

第二，构建基本模型，解释验证内化。基于信息科技建模的学习过程中，学生通过感悟和理解构建并解释问题假设与模型之间的迭代关系，在思考和辩驳中完成对建模思想的验证与内化。利用已有的知识思考模型中的每一个关键点，通过逆向的思路让学生了解建模的思路，进一步走近建模思想，窥一斑而知全豹。

教师要引导学生对提出的问题进行抽象化分析，帮助学生将语言内容转化为信息科技内容（符号、图像），这样便于帮助学生建立模型概念，用建模的思想使问题结构化，让学生从建模思想的角度观察和分析问题，以便取得更好的学习效果。

例如，教学六年级《人脸识别》一课时，教师在课堂上为学生提供充足的自主思考的时间，让学生围绕关键问题展开深入的研究和探索，呈现信息科技的思想方法。

【案例4】六年级《人脸识别》教学片段

a.“人眼”识别过程初体验。活动1：肉眼如何判断一个人的表情？关键问题：如何判断大笑、微笑、难过？

b.“机器”识别人脸过程原理探究。活动2：打开平板，利用百度AI开放平台进行“人脸检测与属性分析”。

关键问题：参考人眼识别的过程，梳理机器识别人脸的过程，并总结原理。

活动3：对比肉眼识别表情，思考机器如何识别人的表情？

借助识别过程的体验和人脸识别过程的原理探究，引导学生进行自主分析和探索，拓展学生的建模思维，感受学习的趣味。同时，借助有效的信息科技语言的表达，使之转化信息科技模型，实现对知识的有效应用，促进信息科技问题的合理解决，完善学生对信息科技建模思想的内化。

3.归纳建模过程，应用建模思想

现行的信息科技教材中，学生学习程序、算法和人工智能等知识都比较抽象，这些抽象知识的学习都需要学生具备高质量的逻辑思维能力，而通过建模思想可将抽象化的内容变得更为具体形象，便于学生学习掌握。在信息科技教学中，让学生了解信息科技模型，特别是了解模型的形成过程是非常重要的，在信息科技建模的教学中，教师要讓学生运用建模思想，归纳建模过程，从中受到启迪，并有所收获。

第一，归纳建模过程，掌握建模方法。强调建模思想就是要强调信息科技知识的应用，培养学生对信息科技的兴趣，让学生在信息科技学习过程中获得收获感和成就感，在信息科技知识的建构建模过程中生成对信息科技思想方法的理解，并在此基础上形成信息科技学科的核心素养。

类似编程这样的学习其实只是一个抽象对象的学习过程，学生要想在编程学习中运用信息科技知识解决问题，就必须通过建立模型的思想实现高质量的思维活动和学习结果。

例如，教学六年级《走近机器人》一课的“智慧教学机器人”环节时，就可以通过实践，梳理并建立机器人操作的一般模式。

【案例5】六年级《走近机器人》教学片段

认识了教学机器人后，我们要用之前学到的知识尝试去控制机器人，给机器人编程。

a.合作探究，实践操控。谈谈“积木式教学机器人”的一般操作方法。师生一同体验“组装、编程、传输、运行”过程。

小组探究，展示具体要求：（1）小组合作完成，明确操作步骤：编程—传输—运行。（2）明确脚本内容，距离越近，车速越慢，最终距终点4cm时停止。（3）完成的小组举手示意教师，尝试为机器人添加新功能，如“声音提示”“灯光提示”等。

b.梳理问题，拓展提升。学生反馈困难问题，举手告诉教师完成情况，是否遇到困难。

请成功的学生演示和分享经验，遇到困难的其他学生认真学习，完善和改进自己的程序。

学生先通过书本了解到“积木式教学机器人”的一般操作方法；然后通过实践证实理论，既让学生明白“实践”的重要性，更使学习任务富有挑战性。通过实践操作，学生经历了操控机器人的过程，感受到了其中的乐趣，也激发了学习的兴趣。

第二，运用建模思想，解决现实问题。教师要引导学生去感受、体验信息科技建模思想的意义和价值，促进学生信息科技建模思想的形成。在日常的信息科技教学中渗透建模思想，学生不仅能够用这种建模思想解决课堂教学中的信息科技问题，也能从中掌握解决问题的关键方法。在将来的工作和生活中用学过的信息科技建模思想，去看待生活和解决生活中的实际问题。

例如，教学四年级《数据编码》一课时，教师要从现实生活中的编码切入，从求同的视角出发，发现编码规律，建构编码模型。

【案例6】四年级《数据编码》教学片段

a.生活中的编码。什么是数据？数据是描述事物的符号，是记录信息的载体，是计算工具识别、存储、加工的对象。

什么是编码？编码是信息从一种形式或格式转换为另一种形式的过程。解码，是编码的逆过程。

生活中有哪些编码？规律和原理是怎么样的？输入→编码→存储→解码→输出。

b.编码作业设计。为学校每个学生编排学号，保证唯一性。

将教材中的汉字作为信息，设计编码。输入→编码→加密→存储→解密→解码→输出。

编码的知识蕴含在生活中，教师应引导学生经历丰富、完整的信息科技建模历程。编码和解码的过程是信息的标准，也是信息科技建模思想的真实应用。

综上所述，信息科技建模的过程，是让学生体会用信息科技解决实际问题的过程。从教师的层面讲，教师的建模思想和建模素养直接影响到学生的学习过程和学习效益，教师需要有扎实的知识底蕴，同时也要俯下身来，深入到学生中去，通过发现和观察服务于学生的学习活动。从评价的层面分析，在信息科技建模学习过程中，如何评价学生的建模水平是一个很重要的内容，需要既考虑到学生的探究能力和思维能力，又考虑到学生的实践应用能力和在学习生活中解决问题的能力。教师要引导学生掌握方法，让学生用信息科技的独特视角去观察世界，用信息科技的思维方式进行思考，领悟信息科技与生活、与社会发展的密切关联，从而不断提升学生的综合素养。

（作者单位：浙江省杭州市富阳区富春第五小学）

（責任编辑刘源）