基于建模思想 培養(yǎng)計算思維

小學信息科技的教材編排體系按照《義務教育信息科技課程標準》中的課程內容，根據(jù)核心素養(yǎng)和學段目標，圍繞數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡、信息處理、信息安全和人工智能六個邏輯主線進行設計，在這些主線的基礎上，細化成冊，又具體化成單元，采用循序漸進和螺旋上升的結構體系落實到具體的單元和課時中。學習過程中，學生通常先學習單一結構的知識，逐步過渡到一類知識體系。而信息科技學科中的建模思想則是學生學習信息科技過程中知識體系和實踐應用的關鍵通道，也可用于解決學習中遇到的實際問題。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的信息科技知識后，所剩下的東西。信息科技學科的思維方式和解決問題的方式是學生終身受益的、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中，仍然以講練結合為主，教師通過自身示范或請優(yōu)秀學生示范的方式進行教學。同時，重復、機械的操練也普遍存在。然而，在這種操練的過程中，學生逐漸失去了對信息科技學習的興趣和熱愛，迷失了信息科技學科學習的本質和真諦。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層面，也對學科原有的教學方式產(chǎn)生了巨大沖擊。信息科技的學習與實際生活密切相關，學生需要具備適應社會快速發(fā)展的信息科技能力。在信息科技教學中滲透建模思想更符合社會實際發(fā)展對人才的需求和要求。2.概念界定計算思維是指個體（學生）在解決問題的過程中應用計算機科學（信息科技）領域的思維方法而產(chǎn)生的一系列思維活動。計算思維的核心是學生在生活和學習中運用信息科技處理問題的方式界定問題、構建結構模型，并運用合理的算法形成解決問題的方案。其實質是按照信息科技領域特有的解決方式，對問題進行抽象和界定，通過量化、建模、設計算法和編程等方法，形成計算機可處理的解決方案（見圖1）。建模思想是一種運用建立模型去解決實際問題的思想，包括學習和生活中的問題。當學生應用信息科技知識解決問題時，他們能夠將從信息科技學習中獲得的能力遷移到問題解決中，將新問題轉化為已有能力可以解決的問題，并在這個過程中有明確的思路和模式。培養(yǎng)計算思維的首要任務是讓學生學會對問題進行抽象和建模，建模思想是培養(yǎng)學生計算思維的基礎。3.核心觀點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，它屬于信息科技學科核心素養(yǎng)中的計算思維范疇，建模思想在計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，學生在建立模型的過程中會遇到困難和挑戰(zhàn)，但建模思想仍是學生小學階段信息科技核心素養(yǎng)落地的重要標志，教師要幫助學生不斷提升信息科技的建模素養(yǎng)。二、操作實施小學信息科技學科特別強調信息科技思想方法的滲透，它是落實基礎知識、基本技能、基本經(jīng)驗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《義務教育信息科技課程標準》課程內容中的《數(shù)據(jù)與編碼》《身邊的算法》《過程與控制》等內容模塊，教師都應及時滲透建模思想（見圖2），或者說教師在進行該領域（共性）知識的教學中，要重視意識和方法、策略和操作，對學生進行有效幫助與指導，樹立并鞏固建模思想，進而用所建構的建模思想解決生活和學習中所遇到的問題。1.基于現(xiàn)實場景，激活建模思想小學信息科技教學中，培養(yǎng)學生建模思想的教學務必要先充分了解學情，立足學生的生活和學習實際，從而靈動地調整教學方法，激發(fā)學生的學習興趣。第一，還原真實情境，喚醒生活經(jīng)驗。所有的知識都是源于對實際生活的思考與研究，通過學習之后再還原于生活。在滲透建模思想的教學過程中，必然要將教學和學生的實際生活緊密關聯(lián)，為學生的學習活動創(chuàng)建相應真實的情境。學生的生活是豐富多彩的，他們的思想也是豐富多彩的。學生在學習信息科技的過程中，會不經(jīng)意間結合自己的生活經(jīng)驗思考問題。在教學過程中，教師要時刻關注學生的實際需求和興趣，借助學生的生活經(jīng)驗，引導他們利用已有的生活經(jīng)驗去思考和解決問題，積極、有效地激活建模思想。例如，教學六年級跨學科課程《聲音傳感器》一課時，教師可將聲控燈、音樂噴泉等生活中的真實情景融入學習環(huán)境中?！景咐?】六年級跨學科課程《聲音傳感器》教學片段a.師生談話：生活中有用聲音控制設備的場景嗎？（音樂噴泉、聲控過道燈等）你能說說控制可能是怎樣實現(xiàn)的嗎？b.演示程序：蝴蝶這個角色可通過聲音的控制顯示與隱藏。這個程序中，蝴蝶的顯示與隱藏可能是什么原因產(chǎn)生的？c.出示課題：聲音傳感器的應用。d.實現(xiàn)聲控蝴蝶角色的“隱藏與顯示”。通過簡易流程圖，引導學生給“蝴蝶”這個角色添加腳本，實現(xiàn)聲控效果。教師借助學生的實際生活經(jīng)驗，調動學生學習信息科技的內驅力，激活并內化學生的信息科技建模思想，并且能夠借助模型解決實際的信息科技問題，從而在學習過程中產(chǎn)生高質量的思維活動。第二，引導原型轉化，提出問題假設。小學信息科技學習更多是體現(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，還原學生真實的生活情境，引導學生從實際生活問題抽象出信息科技的學習問題。提出假設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后，學生才能以此為基礎致力于探究和驗證。沒有假設學生就沒有主動學習的機會，也就沒有興趣去研究，是缺少獨立思考的被動學習。假設往往是以提出核心問題（關鍵問題）為載體呈現(xiàn)在常態(tài)的課堂教學中的。例如，教學六年級《走近機器人》一課的“機器人的基本組成”環(huán)節(jié)時，通過之前知識的復習，梳理出辨別機器人特征的核心問題，以核心問題作為假設，該假設就是機器人基本組成的常規(guī)模型，為學生后續(xù)階段的學習提供探究方向和目標?！景咐?】六年級《走近機器人》教學片段a.知識復習銜接：上節(jié)課學習了《認識機器人》一課，關于機器人你一定學習到了一些新知識，請你告訴老師。（學生查閱教科書，描述機器人的種類、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：關于機器人，你還想知道哪些新的知識，或者產(chǎn)生了哪些新的疑惑呢？（請學生先學習教科書內容，同桌交流。匯報交流情況，了解機器人如何控制或者工作……）老師梳理出兩個問題：機器人是怎樣工作的？既然是機器，為什么還要叫做“人”呢？（實質是辨別機器人特征，也就是核心問題）我們帶著這兩個問題開始今天的學習。問題來自學生，來自學生真實的學習情境中，以生為本的課堂依靠的是學生自覺、主動、積極地提出問題。在課堂教學中，學生通過探究實現(xiàn)了對假設問題的研究，得到機器人一般由控制模塊、傳感模塊和執(zhí)行模塊三個部分組成的模型概念。學生能用學到的信息科技知識、方法去認識真實的現(xiàn)實世界，讓信息科技與生活真實對接，能積極、主動建構信息科技的新模型體系，體驗到信息科技與生活的本質關聯(lián)，這樣的學習才是真實的、有意義的學習。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生學習的直覺（猜想），其次才是主動探究和實踐驗證。教師引導學生完善建模過程，不僅要豐富“模型”的生活化積累，更要引導學生歷經(jīng)“建構”的過程，只有這樣才能讓學生的建模過程不斷走向完整和完善。教學中，教師要引導學生理性推理，深入理解信息科技的知識和能力體系，培養(yǎng)學生梳理、提煉核心問題的能力。第一，催生真實學習，豐富建模體驗。學生信息科技建模思想的形成需要歷經(jīng)信息科技的感知、理解、表達、探究、應用的過程。小學信息科技的建模思想主要是通過界定問題、抽象特征、結構模型和組織數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)，并在此基礎上分析、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突出學生實際情境問題的特征把握，是學生學習過程中提出假設的前提和基礎，學生用信息科技的方式解釋現(xiàn)實生活中的抽象概括。因此，學生具有豐富的信息科技建模體驗，并讓生活與學習聯(lián)結，才能更高效地解決實際生活中遇到的問題。例如，教學五年級跨學科課程《滑桿傳感器》一課的“滑桿原理”環(huán)節(jié)時，通過具象生活中的真實情境，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?】五年級跨學科課程《滑桿傳感器》教學片段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）?；瑒与娢粋鞲衅髟谌粘Ｉ钪杏性S多應用。反饋：說說生活中的應用，如生活中看到的調音旋鈕。b.生活應用。教師示范用滑桿進行音量控制。c.拓展練習。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)。學生練習，教師巡視。知識原理、生活原型和鞏固練習有助于學生加深對新知的理解，體會相關知識之間的聯(lián)系，形成穩(wěn)固的知識體系。同時，有助于培養(yǎng)學生解決問題的能力，使他們產(chǎn)生有效遷移，提高學生思維的寬度和靈活性，提升信息科技建模素養(yǎng)。第二，構建基本模型，解釋驗證內化?；谛畔⒖萍冀５膶W習過程中，學生通過感悟和理解構建并解釋問題假設與模型之間的迭代關系，在思考和辯駁中完成對建模思想的驗證與內化。利用已有的知識思考模型中的每一個關鍵點，通過逆向的思路讓學生了解建模的思路，進一步走近建模思想，窺一斑而知全豹。教師要引導學生對提出的問題進行抽象化分析，幫助學生將語言內容轉化為信息科技內容（符號、圖像），這樣便于幫助學生建立模型概念，用建模的思想使問題結構化，讓學生從建模思想的角度觀察和分析問題，以便取得更好的學習效果。例如，教學六年級《人臉識別》一課時，教師在課堂上為學生提供充足的自主思考的時間，讓學生圍繞關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》教學片段a.“人眼”識別過程初體驗?；顒?：肉眼如何判斷一個人的表情？關鍵問題：如何判斷大笑、微笑、難過？b.“機器”識別人臉過程原理探究?；顒?：打開平板，利用百度AI開放平臺進行“人臉檢測與屬性分析”。關鍵問題：參考人眼識別的過程，梳理機器識別人臉的過程，并總結原理?；顒?：對比肉眼識別表情，思考機器如何識別人的表情？借助識別過程的體驗和人臉識別過程的原理探究，引導學生進行自主分析和探索，拓展學生的建模思維，感受學習的趣味。同時，借助有效的信息科技語言的表達，使之轉化信息科技模型，實現(xiàn)對知識的有效應用，促進信息科技問題的合理解決，完善學生對信息科技建模思想的內化。3.歸納建模過程，應用建模思想現(xiàn)行的信息科技教材中，學生學習程序、算法和人工智能等知識都比較抽象，這些抽象知識的學習都需要學生具備高質量的邏輯思維能力，而通過建模思想可將抽象化的內容變得更為具體形象，便于學生學習掌握。在信息科技教學中，讓學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中，教師要讓學生運用建模思想，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。強調建模思想就是要強調信息科技知識的應用，培養(yǎng)學生對信息科技的興趣，讓學生在信息科技學習過程中獲得收獲感和成就感，在信息科技知識的建構建模過程中生成對信息科技思想方法的理解，并在此基礎上形成信息科技學科的核心素養(yǎng)。類似編程這樣的學習其實只是一個抽象對象的學習過程，學生要想在編程學習中運用信息科技知識解決問題，就必須通過建立模型的思想實現(xiàn)高質量的思維活動和學習結果。例如，教學六年級《走近機器人》一課的“智慧教學機器人”環(huán)節(jié)時，就可以通過實踐，梳理并建立機器人操作的一般模式?！景咐?】六年級《走近機器人》教學片段認識了教學機器人后，我們要用之前學到的知識嘗試去控制機器人，給機器人編程。a.合作探究，實踐操控。談談“積木式教學機器人”的一般操作方法。師生一同體驗“組裝、編程、傳輸、運行”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—運行。（2）明確腳本內容，距離越近，車速越慢，最終距終點4cm時停止。（3）完成的小組舉手示意教師，嘗試為機器人添加新功能，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。請成功的學生演示和分享經(jīng)驗，遇到困難的其他學生認真學習，完善和改進自己的程序。學生先通過書本了解到“積木式教學機器人”的一般操作方法；然后通過實踐證實理論，既讓學生明白“實踐”的重要性，更使學習任務富有挑戰(zhàn)性。通過實踐操作，學生經(jīng)歷了操控機器人的過程，感受到了其中的樂趣，也激發(fā)了學習的興趣。第二，運用建模思想，解決現(xiàn)實問題。教師要引導學生去感受、體驗信息科技建模思想的意義和價值，促進學生信息科技建模思想的形成。在日常的信息科技教學中滲透建模思想，學生不僅能夠用這種建模思想解決課堂教學中的信息科技問題，也能從中掌握解決問題的關鍵方法。在將來的工作和生活中用學過的信息科技建模思想，去看待生活和解決生活中的實際問題。例如，教學四年級《數(shù)據(jù)編碼》一課時，教師要從現(xiàn)實生活中的編碼切入，從求同的視角出發(fā)，發(fā)現(xiàn)編碼規(guī)律，建構編碼模型?！景咐?】四年級《數(shù)據(jù)編碼》教學片段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)設計。為學校每個學生編排學號，保證唯一性。將教材中的漢字作為信息，設計編碼。輸入→編碼→加密→存儲→解密→解碼→輸出。編碼的知識蘊含在生活中，教師應引導學生經(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準，也是信息科技建模思想的真實應用。