基于建模思想 培養(yǎng)計(jì)算思維

小學(xué)信息科技的教材編排體系按照《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)》中的課程內(nèi)容，根據(jù)核心素養(yǎng)和學(xué)段目標(biāo)，圍繞數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡(luò)、信息處理、信息安全和人工智能六個(gè)邏輯主線進(jìn)行設(shè)計(jì)，在這些主線的基礎(chǔ)上，細(xì)化成冊，又具體化成單元，采用循序漸進(jìn)和螺旋上升的結(jié)構(gòu)體系落實(shí)到具體的單元和課時(shí)中。學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生通常先學(xué)習(xí)單一結(jié)構(gòu)的知識，逐步過渡到一類知識體系。而信息科技學(xué)科中的建模思想則是學(xué)生學(xué)習(xí)信息科技過程中知識體系和實(shí)踐應(yīng)用的關(guān)鍵通道，也可用于解決學(xué)習(xí)中遇到的實(shí)際問題。一、問題緣起通俗地講，信息科技核心素養(yǎng)指的是在排除或忘掉所學(xué)的信息科技知識后，所剩下的東西。信息科技學(xué)科的思維方式和解決問題的方式是學(xué)生終身受益的、真正意義上的核心素養(yǎng)。1.問題提出在日常的信息科技教學(xué)中，仍然以講練結(jié)合為主，教師通過自身示范或請優(yōu)秀學(xué)生示范的方式進(jìn)行教學(xué)。同時(shí)，重復(fù)、機(jī)械的操練也普遍存在。然而，在這種操練的過程中，學(xué)生逐漸失去了對信息科技學(xué)習(xí)的興趣和熱愛，迷失了信息科技學(xué)科學(xué)習(xí)的本質(zhì)和真諦。隨著社會蓬勃發(fā)展，信息科技也發(fā)展迅速。編程與算法、人工智能和大數(shù)據(jù)已經(jīng)滲透到信息科技教育的各個(gè)層面，也對學(xué)科原有的教學(xué)方式產(chǎn)生了巨大沖擊。信息科技的學(xué)習(xí)與實(shí)際生活密切相關(guān)，學(xué)生需要具備適應(yīng)社會快速發(fā)展的信息科技能力。在信息科技教學(xué)中滲透建模思想更符合社會實(shí)際發(fā)展對人才的需求和要求。2.概念界定計(jì)算思維是指個(gè)體（學(xué)生）在解決問題的過程中應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)（信息科技）領(lǐng)域的思維方法而產(chǎn)生的一系列思維活動。計(jì)算思維的核心是學(xué)生在生活和學(xué)習(xí)中運(yùn)用信息科技處理問題的方式界定問題、構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型，并運(yùn)用合理的算法形成解決問題的方案。其實(shí)質(zhì)是按照信息科技領(lǐng)域特有的解決方式，對問題進(jìn)行抽象和界定，通過量化、建模、設(shè)計(jì)算法和編程等方法，形成計(jì)算機(jī)可處理的解決方案（見圖1）。建模思想是一種運(yùn)用建立模型去解決實(shí)際問題的思想，包括學(xué)習(xí)和生活中的問題。當(dāng)學(xué)生應(yīng)用信息科技知識解決問題時(shí)，他們能夠?qū)男畔⒖萍紝W(xué)習(xí)中獲得的能力遷移到問題解決中，將新問題轉(zhuǎn)化為已有能力可以解決的問題，并在這個(gè)過程中有明確的思路和模式。培養(yǎng)計(jì)算思維的首要任務(wù)是讓學(xué)生學(xué)會對問題進(jìn)行抽象和建模，建模思想是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的基礎(chǔ)。3.核心觀點(diǎn)信息科技建模思想就是用信息科技建模方法去解決問題的思想，它屬于信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)中的計(jì)算思維范疇，建模思想在計(jì)算思維中有著極為重要的地位。盡管信息科技建模思想的綜合性比較強(qiáng)，學(xué)生在建立模型的過程中會遇到困難和挑戰(zhàn)，但建模思想仍是學(xué)生小學(xué)階段信息科技核心素養(yǎng)落地的重要標(biāo)志，教師要幫助學(xué)生不斷提升信息科技的建模素養(yǎng)。二、操作實(shí)施小學(xué)信息科技學(xué)科特別強(qiáng)調(diào)信息科技思想方法的滲透，它是落實(shí)基礎(chǔ)知識、基本技能、基本經(jīng)驗(yàn)和基本思想的重要途徑，建模思想就是信息科技基本思想的重要類型。在《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)》課程內(nèi)容中的《數(shù)據(jù)與編碼》《身邊的算法》《過程與控制》等內(nèi)容模塊，教師都應(yīng)及時(shí)滲透建模思想（見圖2），或者說教師在進(jìn)行該領(lǐng)域（共性）知識的教學(xué)中，要重視意識和方法、策略和操作，對學(xué)生進(jìn)行有效幫助與指導(dǎo)，樹立并鞏固建模思想，進(jìn)而用所建構(gòu)的建模思想解決生活和學(xué)習(xí)中所遇到的問題。1.基于現(xiàn)實(shí)場景，激活建模思想小學(xué)信息科技教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生建模思想的教學(xué)務(wù)必要先充分了解學(xué)情，立足學(xué)生的生活和學(xué)習(xí)實(shí)際，從而靈動地調(diào)整教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。第一，還原真實(shí)情境，喚醒生活經(jīng)驗(yàn)。所有的知識都是源于對實(shí)際生活的思考與研究，通過學(xué)習(xí)之后再還原于生活。在滲透建模思想的教學(xué)過程中，必然要將教學(xué)和學(xué)生的實(shí)際生活緊密關(guān)聯(lián)，為學(xué)生的學(xué)習(xí)活動創(chuàng)建相應(yīng)真實(shí)的情境。學(xué)生的生活是豐富多彩的，他們的思想也是豐富多彩的。學(xué)生在學(xué)習(xí)信息科技的過程中，會不經(jīng)意間結(jié)合自己的生活經(jīng)驗(yàn)思考問題。在教學(xué)過程中，教師要時(shí)刻關(guān)注學(xué)生的實(shí)際需求和興趣，借助學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，引導(dǎo)他們利用已有的生活經(jīng)驗(yàn)去思考和解決問題，積極、有效地激活建模思想。例如，教學(xué)六年級跨學(xué)科課程《聲音傳感器》一課時(shí)，教師可將聲控?zé)簟⒁魳穱娙壬钪械恼鎸?shí)情景融入學(xué)習(xí)環(huán)境中?！景咐?】六年級跨學(xué)科課程《聲音傳感器》教學(xué)片段a.師生談話：生活中有用聲音控制設(shè)備的場景嗎？（音樂噴泉、聲控過道燈等）你能說說控制可能是怎樣實(shí)現(xiàn)的嗎？b.演示程序：蝴蝶這個(gè)角色可通過聲音的控制顯示與隱藏。這個(gè)程序中，蝴蝶的顯示與隱藏可能是什么原因產(chǎn)生的？c.出示課題：聲音傳感器的應(yīng)用。d.實(shí)現(xiàn)聲控蝴蝶角色的“隱藏與顯示”。通過簡易流程圖，引導(dǎo)學(xué)生給“蝴蝶”這個(gè)角色添加腳本，實(shí)現(xiàn)聲控效果。教師借助學(xué)生的實(shí)際生活經(jīng)驗(yàn)，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)信息科技的內(nèi)驅(qū)力，激活并內(nèi)化學(xué)生的信息科技建模思想，并且能夠借助模型解決實(shí)際的信息科技問題，從而在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生高質(zhì)量的思維活動。第二，引導(dǎo)原型轉(zhuǎn)化，提出問題假設(shè)。小學(xué)信息科技學(xué)習(xí)更多是體現(xiàn)生活化，信息科技教材中的素材和資源都是從生活中汲取的。由此可以逆向思考，還原學(xué)生真實(shí)的生活情境，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)際生活問題抽象出信息科技的學(xué)習(xí)問題。提出假設(shè)是利用信息科技建模思想解決問題的重要環(huán)節(jié)，只有先對問題提出合理的假設(shè)后，學(xué)生才能以此為基礎(chǔ)致力于探究和驗(yàn)證。沒有假設(shè)學(xué)生就沒有主動學(xué)習(xí)的機(jī)會，也就沒有興趣去研究，是缺少獨(dú)立思考的被動學(xué)習(xí)。假設(shè)往往是以提出核心問題（關(guān)鍵問題）為載體呈現(xiàn)在常態(tài)的課堂教學(xué)中的。例如，教學(xué)六年級《走近機(jī)器人》一課的“機(jī)器人的基本組成”環(huán)節(jié)時(shí)，通過之前知識的復(fù)習(xí)，梳理出辨別機(jī)器人特征的核心問題，以核心問題作為假設(shè)，該假設(shè)就是機(jī)器人基本組成的常規(guī)模型，為學(xué)生后續(xù)階段的學(xué)習(xí)提供探究方向和目標(biāo)?！景咐?】六年級《走近機(jī)器人》教學(xué)片段a.知識復(fù)習(xí)銜接：上節(jié)課學(xué)習(xí)了《認(rèn)識機(jī)器人》一課，關(guān)于機(jī)器人你一定學(xué)習(xí)到了一些新知識，請你告訴老師。（學(xué)生查閱教科書，描述機(jī)器人的種類、特征、發(fā)展和由來，等等）你還產(chǎn)生了哪些新的疑惑呢？（教師邊口頭梳理，邊展示課件）b.梳理核心問題：關(guān)于機(jī)器人，你還想知道哪些新的知識，或者產(chǎn)生了哪些新的疑惑呢？（請學(xué)生先學(xué)習(xí)教科書內(nèi)容，同桌交流。匯報(bào)交流情況，了解機(jī)器人如何控制或者工作……）老師梳理出兩個(gè)問題：機(jī)器人是怎樣工作的？既然是機(jī)器，為什么還要叫做“人”呢？（實(shí)質(zhì)是辨別機(jī)器人特征，也就是核心問題）我們帶著這兩個(gè)問題開始今天的學(xué)習(xí)。問題來自學(xué)生，來自學(xué)生真實(shí)的學(xué)習(xí)情境中，以生為本的課堂依靠的是學(xué)生自覺、主動、積極地提出問題。在課堂教學(xué)中，學(xué)生通過探究實(shí)現(xiàn)了對假設(shè)問題的研究，得到機(jī)器人一般由控制模塊、傳感模塊和執(zhí)行模塊三個(gè)部分組成的模型概念。學(xué)生能用學(xué)到的信息科技知識、方法去認(rèn)識真實(shí)的現(xiàn)實(shí)世界，讓信息科技與生活真實(shí)對接，能積極、主動建構(gòu)信息科技的新模型體系，體驗(yàn)到信息科技與生活的本質(zhì)關(guān)聯(lián)，這樣的學(xué)習(xí)才是真實(shí)的、有意義的學(xué)習(xí)。2.歷經(jīng)建模過程，深化模型思想信息科技的建模先是源于學(xué)生學(xué)習(xí)的直覺（猜想），其次才是主動探究和實(shí)踐驗(yàn)證。教師引導(dǎo)學(xué)生完善建模過程，不僅要豐富“模型”的生活化積累，更要引導(dǎo)學(xué)生歷經(jīng)“建構(gòu)”的過程，只有這樣才能讓學(xué)生的建模過程不斷走向完整和完善。教學(xué)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生理性推理，深入理解信息科技的知識和能力體系，培養(yǎng)學(xué)生梳理、提煉核心問題的能力。第一，催生真實(shí)學(xué)習(xí)，豐富建模體驗(yàn)。學(xué)生信息科技建模思想的形成需要?dú)v經(jīng)信息科技的感知、理解、表達(dá)、探究、應(yīng)用的過程。小學(xué)信息科技的建模思想主要是通過界定問題、抽象特征、結(jié)構(gòu)模型和組織數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)，并在此基礎(chǔ)上分析、判斷信息資源，最后形成解決問題的方案。信息科技建模思想的教學(xué)突出學(xué)生實(shí)際情境問題的特征把握，是學(xué)生學(xué)習(xí)過程中提出假設(shè)的前提和基礎(chǔ)，學(xué)生用信息科技的方式解釋現(xiàn)實(shí)生活中的抽象概括。因此，學(xué)生具有豐富的信息科技建模體驗(yàn)，并讓生活與學(xué)習(xí)聯(lián)結(jié)，才能更高效地解決實(shí)際生活中遇到的問題。例如，教學(xué)五年級跨學(xué)科課程《滑桿傳感器》一課的“滑桿原理”環(huán)節(jié)時(shí)，通過具象生活中的真實(shí)情境，使滑桿傳感器（一類傳感器）的原理模型變得直觀、生動和深刻?！景咐?】五年級跨學(xué)科課程《滑桿傳感器》教學(xué)片段a.滑桿原理。在Scratch界面中，滑桿移動為什么數(shù)值會變化呢？滑動電位傳感器通常由電阻體和可移動的電刷組成，通過移動滑塊可以得到不同的電阻值（課件出示滑桿電位器和旋鈕電位器）。滑動電位傳感器在日常生活中有許多應(yīng)用。反饋：說說生活中的應(yīng)用，如生活中看到的調(diào)音旋鈕。b.生活應(yīng)用。教師示范用滑桿進(jìn)行音量控制。c.拓展練習(xí)。練一練：用滑桿控制接球游戲，接球次數(shù)以分值的形式在舞臺上出現(xiàn)。學(xué)生練習(xí)，教師巡視。知識原理、生活原型和鞏固練習(xí)有助于學(xué)生加深對新知的理解，體會相關(guān)知識之間的聯(lián)系，形成穩(wěn)固的知識體系。同時(shí)，有助于培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，使他們產(chǎn)生有效遷移，提高學(xué)生思維的寬度和靈活性，提升信息科技建模素養(yǎng)。第二，構(gòu)建基本模型，解釋驗(yàn)證內(nèi)化?；谛畔⒖萍冀５膶W(xué)習(xí)過程中，學(xué)生通過感悟和理解構(gòu)建并解釋問題假設(shè)與模型之間的迭代關(guān)系，在思考和辯駁中完成對建模思想的驗(yàn)證與內(nèi)化。利用已有的知識思考模型中的每一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，通過逆向的思路讓學(xué)生了解建模的思路，進(jìn)一步走近建模思想，窺一斑而知全豹。教師要引導(dǎo)學(xué)生對提出的問題進(jìn)行抽象化分析，幫助學(xué)生將語言內(nèi)容轉(zhuǎn)化為信息科技內(nèi)容（符號、圖像），這樣便于幫助學(xué)生建立模型概念，用建模的思想使問題結(jié)構(gòu)化，讓學(xué)生從建模思想的角度觀察和分析問題，以便取得更好的學(xué)習(xí)效果。例如，教學(xué)六年級《人臉識別》一課時(shí)，教師在課堂上為學(xué)生提供充足的自主思考的時(shí)間，讓學(xué)生圍繞關(guān)鍵問題展開深入的研究和探索，呈現(xiàn)信息科技的思想方法?！景咐?】六年級《人臉識別》教學(xué)片段a.“人眼”識別過程初體驗(yàn)?；顒?：肉眼如何判斷一個(gè)人的表情？關(guān)鍵問題：如何判斷大笑、微笑、難過？b.“機(jī)器”識別人臉過程原理探究?；顒?：打開平板，利用百度AI開放平臺進(jìn)行“人臉檢測與屬性分析”。關(guān)鍵問題：參考人眼識別的過程，梳理機(jī)器識別人臉的過程，并總結(jié)原理。活動3：對比肉眼識別表情，思考機(jī)器如何識別人的表情？借助識別過程的體驗(yàn)和人臉識別過程的原理探究，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主分析和探索，拓展學(xué)生的建模思維，感受學(xué)習(xí)的趣味。同時(shí)，借助有效的信息科技語言的表達(dá)，使之轉(zhuǎn)化信息科技模型，實(shí)現(xiàn)對知識的有效應(yīng)用，促進(jìn)信息科技問題的合理解決，完善學(xué)生對信息科技建模思想的內(nèi)化。3.歸納建模過程，應(yīng)用建模思想現(xiàn)行的信息科技教材中，學(xué)生學(xué)習(xí)程序、算法和人工智能等知識都比較抽象，這些抽象知識的學(xué)習(xí)都需要學(xué)生具備高質(zhì)量的邏輯思維能力，而通過建模思想可將抽象化的內(nèi)容變得更為具體形象，便于學(xué)生學(xué)習(xí)掌握。在信息科技教學(xué)中，讓學(xué)生了解信息科技模型，特別是了解模型的形成過程是非常重要的，在信息科技建模的教學(xué)中，教師要讓學(xué)生運(yùn)用建模思想，歸納建模過程，從中受到啟迪，并有所收獲。第一，歸納建模過程，掌握建模方法。強(qiáng)調(diào)建模思想就是要強(qiáng)調(diào)信息科技知識的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生對信息科技的興趣，讓學(xué)生在信息科技學(xué)習(xí)過程中獲得收獲感和成就感，在信息科技知識的建構(gòu)建模過程中生成對信息科技思想方法的理解，并在此基礎(chǔ)上形成信息科技學(xué)科的核心素養(yǎng)。類似編程這樣的學(xué)習(xí)其實(shí)只是一個(gè)抽象對象的學(xué)習(xí)過程，學(xué)生要想在編程學(xué)習(xí)中運(yùn)用信息科技知識解決問題，就必須通過建立模型的思想實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的思維活動和學(xué)習(xí)結(jié)果。例如，教學(xué)六年級《走近機(jī)器人》一課的“智慧教學(xué)機(jī)器人”環(huán)節(jié)時(shí)，就可以通過實(shí)踐，梳理并建立機(jī)器人操作的一般模式?！景咐?】六年級《走近機(jī)器人》教學(xué)片段認(rèn)識了教學(xué)機(jī)器人后，我們要用之前學(xué)到的知識嘗試去控制機(jī)器人，給機(jī)器人編程。a.合作探究，實(shí)踐操控。談?wù)劇胺e木式教學(xué)機(jī)器人”的一般操作方法。師生一同體驗(yàn)“組裝、編程、傳輸、運(yùn)行”過程。小組探究，展示具體要求：（1）小組合作完成，明確操作步驟：編程—傳輸—運(yùn)行。（2）明確腳本內(nèi)容，距離越近，車速越慢，最終距終點(diǎn)4cm時(shí)停止。（3）完成的小組舉手示意教師，嘗試為機(jī)器人添加新功能，如“聲音提示”“燈光提示”等。b.梳理問題，拓展提升。學(xué)生反饋困難問題，舉手告訴教師完成情況，是否遇到困難。請成功的學(xué)生演示和分享經(jīng)驗(yàn)，遇到困難的其他學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)，完善和改進(jìn)自己的程序。學(xué)生先通過書本了解到“積木式教學(xué)機(jī)器人”的一般操作方法；然后通過實(shí)踐證實(shí)理論，既讓學(xué)生明白“實(shí)踐”的重要性，更使學(xué)習(xí)任務(wù)富有挑戰(zhàn)性。通過實(shí)踐操作，學(xué)生經(jīng)歷了操控機(jī)器人的過程，感受到了其中的樂趣，也激發(fā)了學(xué)習(xí)的興趣。第二，運(yùn)用建模思想，解決現(xiàn)實(shí)問題。教師要引導(dǎo)學(xué)生去感受、體驗(yàn)信息科技建模思想的意義和價(jià)值，促進(jìn)學(xué)生信息科技建模思想的形成。在日常的信息科技教學(xué)中滲透建模思想，學(xué)生不僅能夠用這種建模思想解決課堂教學(xué)中的信息科技問題，也能從中掌握解決問題的關(guān)鍵方法。在將來的工作和生活中用學(xué)過的信息科技建模思想，去看待生活和解決生活中的實(shí)際問題。例如，教學(xué)四年級《數(shù)據(jù)編碼》一課時(shí)，教師要從現(xiàn)實(shí)生活中的編碼切入，從求同的視角出發(fā)，發(fā)現(xiàn)編碼規(guī)律，建構(gòu)編碼模型。【案例6】四年級《數(shù)據(jù)編碼》教學(xué)片段a.生活中的編碼。什么是數(shù)據(jù)？數(shù)據(jù)是描述事物的符號，是記錄信息的載體，是計(jì)算工具識別、存儲、加工的對象。什么是編碼？編碼是信息從一種形式或格式轉(zhuǎn)換為另一種形式的過程。解碼，是編碼的逆過程。生活中有哪些編碼？規(guī)律和原理是怎么樣的？輸入→編碼→存儲→解碼→輸出。b.編碼作業(yè)設(shè)計(jì)。為學(xué)校每個(gè)學(xué)生編排學(xué)號，保證唯一性。將教材中的漢字作為信息，設(shè)計(jì)編碼。輸入→編碼→加密→存儲→解密→解碼→輸出。編碼的知識蘊(yùn)含在生活中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷豐富、完整的信息科技建模歷程。編碼和解碼的過程是信息的標(biāo)準(zhǔn)，也是信息科技建模思想的真實(shí)應(yīng)用。