基于計算思維的問題求解教學(xué)模式構(gòu)建與探究*
——以初中信息技術(shù)圖像采集為例

李應(yīng)聰

基于計算思維的問題求解教學(xué)模式構(gòu)建與探究*
——以初中信息技術(shù)圖像采集為例

李應(yīng)聰

從計算思維提出入手，分析了初中信息技術(shù)教學(xué)中存在的問題及原因，關(guān)注信息技術(shù)課堂與計算思維的關(guān)系，基于教學(xué)情況提出計算思維培養(yǎng)的問題求解五階段策略與原則，構(gòu)建教學(xué)模式，并結(jié)合課堂教學(xué)案例，闡述如何在信息課堂培養(yǎng)計算思維。

問題求解；計算思維；信息技術(shù)

信息時代的海量數(shù)據(jù)催生出大數(shù)據(jù)時代，其核心就是計算。把握計算，就能把握時代，而培養(yǎng)新時代的人才，則要幫助學(xué)生形成符合時代要求的思維——計算思維。

作為人類三大科學(xué)思維之一的計算思維由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)周以真教授于2006年提出[1]。她闡述了一種運用計算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等解決問題的思維過程，這種思維能夠清晰、抽象地將問題和解決方案用信息處理代理(機(jī)器或人)所能有效執(zhí)行的方式表述出來[2]。

一、計算思維對初中信息技術(shù)教學(xué)的啟示

計算思維給初中信息技術(shù)教學(xué)帶來新變化。結(jié)合初中階段性要求，在問題求解的過程中，培養(yǎng)學(xué)生用信息代理解決問題的思維方式和習(xí)慣。

1.當(dāng)前教學(xué)存在的問題

在當(dāng)前的教學(xué)中，教師把課堂上的能力培養(yǎng)簡化為“步驟學(xué)習(xí)”和“技術(shù)操練”，側(cè)重操作的機(jī)械訓(xùn)練，僅根據(jù)知識點要求學(xué)生掌握軟件指令，而對于學(xué)生把握計算，解決問題的思維培養(yǎng)過于籠統(tǒng)，導(dǎo)致不能很好地給予學(xué)生思考、發(fā)展思維的空間，更不能幫助學(xué)生形成解決問題的能力。從而造成學(xué)生只把信息技術(shù)課看成是技能課，缺乏靈活的問題求解思維，只會生搬硬套。

計算思維理論恰恰填補(bǔ)了思維培養(yǎng)缺失的蒼白，給教學(xué)注入了新的活力，是改善目前理念陳舊、教法籠統(tǒng)、學(xué)法機(jī)械的不利局面的新方向。

2.信息課堂培養(yǎng)計算思維的優(yōu)勢

計算思維培養(yǎng)在初中信息技術(shù)課堂上的實現(xiàn)，也有著天然的優(yōu)勢。

(1)課程綱要對計算思維培養(yǎng)的支持

《廣東省義務(wù)教育信息技術(shù)課程綱要》(以下簡稱《綱要》)為計算思維培養(yǎng)提供有力支撐。《綱要》指出：信息技術(shù)課是為了適應(yīng)信息時代對人才培養(yǎng)提出的新要求而設(shè)置，以培養(yǎng)學(xué)生信息素養(yǎng)、發(fā)展學(xué)生的信息技術(shù)能力為主要目標(biāo)[3]。

學(xué)生要掌握信息時代生存與發(fā)展所需的知識與技能，形成在生活與學(xué)習(xí)中應(yīng)用信息代理解決問題的態(tài)度與能力。這是適應(yīng)時代發(fā)展變化的能力，而不是機(jī)械的操作與模仿；這也是創(chuàng)新的能力，在追尋技術(shù)發(fā)展的過程中，讓學(xué)生體會創(chuàng)新的價值，培養(yǎng)創(chuàng)新的精神。

而創(chuàng)新源自思維，計算思維概念立足于學(xué)科本源，強(qiáng)調(diào)了教學(xué)的本質(zhì)是培養(yǎng)建構(gòu)于學(xué)科的思維，這需要幫助學(xué)生形成適應(yīng)信息時代發(fā)展的思維方式，并發(fā)展成為解決問題的能力，落實在今天的信息技術(shù)課堂上就需要大力推行計算思維培養(yǎng)。

(2)教材內(nèi)容有利計算思維培養(yǎng)

目前較為成功的計算思維培養(yǎng)案例多集中于高等教育，且以“程序設(shè)計”課程居多，這就會讓人們產(chǎn)生了一些誤區(qū)，以為計算思維必須要通過“程序設(shè)計”課程實現(xiàn)。就目前初中教材內(nèi)容而言，Excel、多媒體及動畫制作軟件等工具軟件才是主要內(nèi)容。這些教學(xué)內(nèi)容并不妨礙對學(xué)生計算思維培養(yǎng)的開展。其原因有三方面。

第一，雖然初中學(xué)生普遍不具備熟練編程的能力，只能簡單使用工具軟件，但是，軟件的命令多是編寫好的功能模塊，只要合理使用，也能提高解決問題的效率。

第二，許多功能強(qiáng)大的工具軟件，提供腳本語言實現(xiàn)操作自動化。對于學(xué)有余力的學(xué)生，完全可以在這方面更進(jìn)一步，開拓解決問題的手段。

第三，從信息工具的發(fā)展和推廣來看，良好的功能和易操作的特點，才便于更多人體驗。計算思維要推廣，工具軟件也是很好的載體。

所以，結(jié)合初中學(xué)生實際情況，以工具軟件為主的教學(xué)內(nèi)容，也有利于計算思維的培養(yǎng)。

二、計算思維問題求解教學(xué)模式構(gòu)建

計算思維培養(yǎng)將“問題求解”視為要經(jīng)歷的過程與效果評判依據(jù)。在這一過程中，應(yīng)先從對基本概念的正確理解入手，提出并闡述可用信息處理代理解決的可計算性問題[4]，在問題求解中，應(yīng)用計算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)概念，樹立計算的思想，形成計算思維。

本研究圍繞粵教版信息技術(shù)教材中多媒體制作軟件等教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者對計算思維的觀點，設(shè)計出問題求解五階段策略：提出問題→分析問題→設(shè)計實施方案→評價反思→遷移實際生活。其中貫穿三大原則。

原則一，問題引領(lǐng)——在提出問題階段，通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真等方法，清晰抽象地重新闡述可計算性問題。在解決過程中，鼓勵思考和探索，進(jìn)而提出新疑問，進(jìn)一步探究。

原則二，學(xué)科滲透——在分析問題階段滲透計算機(jī)學(xué)科相關(guān)知識，不斷學(xué)習(xí)，拓寬視野，從可計算角度達(dá)到運用信息處理代理理解和解決問題的目的。

原則三，遷移應(yīng)用——在遷移階段，鼓勵學(xué)生像計算機(jī)科學(xué)家一樣思維[5]，從可計算角度理解人類行為，將計算思維合理應(yīng)用到日常生活中。

根據(jù)計算思維課堂培養(yǎng)策略和原則，可以初步構(gòu)建問題求解教學(xué)模式。例如：在《圖像的采集》一課中，圖像的采集的問題求解教學(xué)模式的運用，用流程圖表示(如圖1所示)。

圖1 計算思維問題求解教學(xué)模式

該模式緊扣計算思維培養(yǎng)的教學(xué)要求：以知識教學(xué)為任務(wù)，以問題解決為過程，從知識本質(zhì)理解技術(shù)原理，合理使用技術(shù)，用概念圖、流程圖等工具可視化思維過程，遷移應(yīng)用計算思維解決實際問題，使學(xué)生形成像計算機(jī)科學(xué)家一樣的思考方式。

三、計算思維問題求解教學(xué)模式的實踐

以問題引領(lǐng)、學(xué)科滲透和遷移應(yīng)用為原則，讓學(xué)生在信息處理條件下感受問題求解的過程，最終形成計算思維。下文將以粵教版初中教材第一冊第三章第二節(jié)《圖像的采集》為例，闡述問題求解教學(xué)模式的實踐。

1.結(jié)合教材創(chuàng)設(shè)情景 提出問題

廣州現(xiàn)行的信息技術(shù)教材并非完全依據(jù)計算思維理念編寫，如果完全按照書本內(nèi)容安排教學(xué)，難以實現(xiàn)計算思維培養(yǎng)的目標(biāo)。因此，教師必須把握教材重難知識點，結(jié)合學(xué)生情況，引導(dǎo)學(xué)生提出問題。

根據(jù)知識點合理情境創(chuàng)設(shè)，引發(fā)學(xué)生問題意識。例如：在《圖像的采集》課堂里，重點是掌握圖像采集的技巧，難點是能根據(jù)實際情況合理使用技巧。教師通過情境設(shè)計，聯(lián)系時事—人工智能程序AlphaGo戰(zhàn)勝了圍棋冠軍李世石，設(shè)想AlphaGo的真面目會在科技展覽會上與大家見面，提出參觀要有參觀證，制作需要彩色近照，應(yīng)用問題引領(lǐng)原則，引發(fā)學(xué)生重新獲取近照圖像的需求，提出問題——如何獲取圖像。

計算思維培養(yǎng)實踐中要抓住“計算”二字，在問題提出階段，教師就要考慮到問題的對象是否可以計算，用什么計算，前者是計算思維區(qū)別于其他思維的關(guān)鍵，后者是通過軟硬件提高效率幫助解決問題的關(guān)鍵。

2.引導(dǎo)學(xué)生分析問題 理解相關(guān)學(xué)科知識

分析問題能充分培養(yǎng)和展現(xiàn)學(xué)生的思維過程。

首先，分析問題的對象。例如：可以讓學(xué)生明確問題的對象—頭像，引出圖像的知識原理。然后，從硬件和軟件方面分析可以使用的信息處理途徑。例如：讓學(xué)生閱讀書本，比較各種圖像獲取途徑的特點(如圖2所示)，選擇可以解決問題的設(shè)備。

圖2 獲取圖像的途徑

同時，幫助學(xué)生更好理解和使用設(shè)備，教師可以介紹相關(guān)學(xué)科知識。例如：數(shù)碼相機(jī)的工作原理(如圖3所示)，提示學(xué)生數(shù)字圖像是從外界事物的模擬圖像得到的。

圖3 數(shù)碼相機(jī)的工作原理

教師必須有意識引導(dǎo)學(xué)生在分析問題過程中既要體現(xiàn)使問題可計算化的關(guān)鍵，又要學(xué)習(xí)和理解會用到的信息處理代理。依據(jù)學(xué)科滲透的原則，學(xué)習(xí)內(nèi)容不但包括軟、硬件知識，而且還包括如何使用的知識。

3.設(shè)計施行方案解決問題

設(shè)計和施行解決問題的方案能讓學(xué)生充分理解知識點，更能在完善方案過程中整合技術(shù)，獲得問題解決的喜悅，培養(yǎng)運用計算思維解決問題的習(xí)慣。

首先，根據(jù)采集方式設(shè)計方案的流程。例如：提供攝像頭，讓學(xué)生先設(shè)計和安排獲取圖像的步驟，再提出操作步驟的排序題，讓學(xué)生討論和完善方案。然后，對工具軟件的簡單講解，鼓勵學(xué)生按照設(shè)計方案嘗試解決問題，并修正完善方案，讓學(xué)生在做中學(xué)，學(xué)中思。例如：學(xué)生在計算機(jī)接好攝像頭后，要用專用軟件獲取保存圖像(如圖4所示)。這時，可以鼓勵學(xué)生通過互相合作，探討軟件的使用方法。對個別接受能力較差學(xué)生，教師可以簡單講解。有的學(xué)生發(fā)現(xiàn)用攝像頭自拍時，眼看鏡頭和點擊鼠標(biāo)拍攝很難兼顧，后來想出請同桌幫忙拍攝的主意。也有的學(xué)生在操作中，發(fā)現(xiàn)剛才設(shè)計的操作步驟不合理，進(jìn)而修正完善。這樣，學(xué)生在問題解決過程中，摸索和理解軟件的功能，在實踐中激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，思考如何才能用好軟件。

圖4 攝像頭專用軟件

先設(shè)計，后實施，在實施中反饋，在修改中完善設(shè)計方案。設(shè)計方面，可以學(xué)生自主設(shè)計，又可以由教師提供初步設(shè)計，學(xué)生再完善。實施方面，可以學(xué)生自主實施，也可以由教師在某階段提示要點，促進(jìn)問題解決方案得以實現(xiàn)。

4.評價反思解題過程

評價反思不但指問題解決的效果，而且指問題求解過程中各環(huán)節(jié)的完成情況。在這過程中，學(xué)生可能會發(fā)現(xiàn)新問題，從而通過進(jìn)一步學(xué)習(xí)討論，完善解決方案。例如：學(xué)生獲取圖像要保存時，產(chǎn)生了疑問—“圖像的格式是怎么回事？”教師可以借此機(jī)會讓學(xué)生用同一張圖片另存為4種格式(如圖5所示)，比較其特點。有的學(xué)生這時候發(fā)現(xiàn)，自己拍攝的圖像色彩較差，原來是保存選擇了“.gif”格式，于是重新拍攝保存成色彩更豐富更清晰的“.bmp”格式。

圖5 圖像的4種格式比較

評價方面，可以是教師點評，也可以是學(xué)生互評。反思方面，可以是學(xué)生主動提出新問題，也可以是教師總結(jié)學(xué)生情況?？傊?，評價是為了肯定學(xué)生，也為了反思過程，反思為了更好鞏固所學(xué)，也為了完善認(rèn)知不足。

5.遷移實際生活

在信息技術(shù)課程中，不僅需要普及計算機(jī)科學(xué)概念，更需要引導(dǎo)學(xué)生將計算思維合理地應(yīng)用至日常生活與學(xué)習(xí)之中，讓學(xué)生體驗使用計算思維求解問題的一般過程和方法，最終達(dá)到能夠在實際問題中靈活地遷移和應(yīng)用計算思維的目標(biāo)[6]。

遷移實際生活是學(xué)生對知識的綜合運用。例如：讓學(xué)生根據(jù)參觀證、對弈棋譜、光盤等資源，討論如何選擇工具，獲取圖像，形成各種方案。

遷移應(yīng)用不但要與日常生活實際相結(jié)合，而且要與課程目標(biāo)相結(jié)合，更重要的是必須體現(xiàn)問題解決的思維過程，才能有助于合理運用信息工具的思維習(xí)慣的形成。

四、結(jié)束語

通過實踐，筆者認(rèn)為運用問題求解策略的信息技術(shù)課堂，教師應(yīng)該鼓勵學(xué)生通過思考并闡述可計算性問題，以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；用學(xué)科知識分析，以幫助學(xué)生逐步建構(gòu)信息技術(shù)知識體系；讓學(xué)生主動探究設(shè)計和實施問題解決方案，以體會解決問題的思維過程；引導(dǎo)學(xué)生反思信息工具在問題解決中的局限性，以形成評價能力；推動學(xué)生形成用信息處理思維解決日常生活實際問題習(xí)慣，以培養(yǎng)計算思維意識。

計算思維讓學(xué)生感受到與之前的不同，不再把信息課堂看成是只注重機(jī)械訓(xùn)練的技能課，而是充滿創(chuàng)新精神的思維樂園，積極參與課堂，愉快感受信息技術(shù)的魅力。計算思維也讓教師擺脫理念陳舊、教法籠統(tǒng)的局面。從新的角度思考教學(xué)、設(shè)計課堂，在良好的氣氛中傳授知識，在思維碰撞中增加課堂活力。

[1]朱亞宗.論計算思維:計算思維的科學(xué)定位、基本原理及創(chuàng)新路徑[J].計算機(jī)科學(xué),2009,(04):53-55,93.

[2]Jeannette M.Wing. Computational Thinking:What and Why?[DB/OL].2010-11-17.http://www.cs.cmu.edu/-CompThink/papers/TheLinkWing.

[3]廣東省教育廳.廣東省義務(wù)教育信息技術(shù)課程綱要:試行.廣東省基礎(chǔ)教育地方課程綱要匯編[M].廣州:廣東高等教育出版社,2012.

[4]龔沛曾,楊志強(qiáng).大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中的計算思維培養(yǎng)[J].中國大學(xué)學(xué),2012(5):51-54.

[5]董榮勝.計算思維與計算機(jī)導(dǎo)論[J].計算機(jī)科學(xué),2009(4):50-52.

[6]任友群,隋豐蔚,李鋒.數(shù)字土著何以可能:也談計算思維進(jìn)入中小學(xué)信息技術(shù)教育的必要性和可能性[J].中國電化教育,2016(1):2-8.

李應(yīng)聰，本科，一級教師。廣州市第九十八中學(xué)，510280

本文系廣州市海珠區(qū)教育科學(xué) “十二五”規(guī)劃教師專項課題(C類課題)《初中學(xué)生計算思維能力培養(yǎng)策略研究》(編號：2015C069)研究成果。