應用可視化學習工具，培養(yǎng)學生編程思維

吳照龍

在人工智能時代，智能設備、智能應用時時處處都在影響著我們的生活、學習、工作，編程教育、編程思維是智能設備應用的前提和基礎，沒有編程思維，就不可能開發(fā)出優(yōu)秀的智能APP應用。在當前的中小學編程教育中，編程工具種類豐富，知識更新的速度非?？?，教師不可能在有限的課堂上教會學生所有知識，只能教會學生掌握學習知識的能力，培養(yǎng)學生思考問題、解決問題的思維能力。可視化學習工具是一種圖形化的、非常直觀的全腦思維方式，它作為一種信息技術課程的輔助教學工具，能有效幫助學生思考問題、解決問題，培養(yǎng)中小學生編程思維能力。

● 可視化學習工具的概念及其應用方式

1.可視化學習工具的概念

可視化學習，是以圖形化的手段直觀地把學習過程中復雜的、不可視的思考方法和思考過程清晰地呈現出來，進而促進問題分析、問題解決的一種技術手段。思維可視化是一種以數據可視化、計算可視化和信息可視化為基礎，促進知識的傳播和創(chuàng)新的技術。國內外的專家學者認為，思維可視化建模是一種能夠激發(fā)、支持和評估概念轉變的強有力的知識組織策略。美國教育技術和教學設計專家戴維·喬納森在2006年創(chuàng)造性地提出了思維建模工具這一概念，并將其明確定義為可用來建立思維模型的思維可視化學習工具。他還提出了將可視化學習工具用來作為建模工具的思想，即利用可視化學習工具為自己的知識闡釋和重組建立模型，從而更好地通過知識吸收與重組，獲得有意義的學習。常見的可視化學習工具有概念圖（Concept Map）、思維導圖（Mind Map）、認知地圖（Cognitive Map）、思維地圖（Thinking Map），其中以概念圖和思維導圖最常用。

2.可視化學習工具在編程教育教學中的應用方式

常言道：“百聞不如一見?！薄耙粓D勝過千言?！比藗?0%以上的信息是通過視覺獲得的。把紛繁復雜、豐富多樣的知識以直觀、常見的圖形呈現出來，能有效解決在傳統(tǒng)教學中單一文字方式呈現的不足，能簡化語言表達，提高學習效率。知識的建構是建立在已有的概念對事物的觀察和認識的基礎上，學習的過程就是一個建立概念網絡，并不斷地向該網絡增添新內容的過程。為了提升學習效率，必須把新知識和舊知識聯(lián)系起來?？梢暬瘜W習工具應用于編程教育課堂教學中，能有效幫助學生構建知識網絡，分析各個知識點之間的區(qū)別與聯(lián)系，針對具體的知識點線索分析問題、解決問題，提高學生的思維能力和學習能力，培養(yǎng)學生的編程思維，提升課堂教學效果。

可視化學習工具在編程教育課堂教學中的應用，主要有以下幾種方式：①編程流程板書?？梢暬瘜W習工具有豐富的圖形展示功能，在編程教學中使用色彩、圖形、文字等方式進行板書，可以清晰講解程序編寫的整個流程，激發(fā)學生對編程課程的學習興趣。②使用可視化學習工具進行課前預習。讓學生通過繪制已有知識的網絡圖，加深鞏固已經掌握的知識，找出不會的知識點，并進行標注說明，帶著問題去上課，可有效提升學習效率。③速記課堂筆記。應用可視化學習工具記筆記，培養(yǎng)學生使用簡潔的關鍵詞來進行記錄，可以節(jié)省時間、加深記憶，保證跟上教師的教學進度。同時，使用可視化學習工具的方式記錄課堂所學知識，也可以使學生在日后復習知識時，更有興趣，更有效率。④提升復習效率。應用可視化學習工具對相應知識點進行總結復習，把自己的理解畫成直觀的可視化圖形，這在提升復習效率的同時，也可以讓教師快速掌握學生對知識點的理解情況。

● 可視化學習工具在編程課堂教學中的作用

1.編程思維過程可視化

可視化學習工具通過直觀的圖形、連接線的形式向學生展示出編程問題思考的過程以及各個子程序之間的具體關系，簡化程序的算法、流程，學生更容易理解和接受。

2.直觀整合各個知識點

可視化學習工具更直觀地顯示各個知識點之間的區(qū)別與聯(lián)系，并把新知識點整合到可視化圖形中，降低理解的難度。

3.整合各個學科的學習資源

人工智能時代的編程教育，并不僅僅局限于單一的學科，STEAM（科學、技術、工程、藝術、數學）教育跨學科融合，打破傳統(tǒng)的學科界限。在進行編程教育課堂教學時，也需要考慮把這些領域的項目有序地放到一起，以此讓學生有機會接觸各個領域的問題、知識，激發(fā)其興趣愛好?？梢暬瘜W習工具為跨學科融合提供了直觀、易于理解的有效手段。

4.整合豐富的教育教學資源

使用可視化學習工具，可以整合豐富的教育教學資源，如文本、視頻、音頻、圖形圖像、Excel、Doc、PPT、JPG、PDF、HTML等素材，提升課堂教學效率。

● 可視化學習工具提高中小學編程教育課堂效率

1.綜合運用思維導圖、樹狀圖來梳理編程思維

人工智能時代，編程教育已經不斷深入滲透到中小學信息技術學科教學中，編程教育可以培養(yǎng)學生的計算思維，讓學生利用編程思維的方式去解決生活中碰到的實際問題，滿足不同學生的興趣需求。在實際的編程教學中，可以借助可視化學習工具，來幫助學生進行編程思路的梳理，優(yōu)化解決問題的思想和方法，對程序編寫的過程、數據、結果進行對比分析，簡化編程過程。

以“繪制螺旋狀圖形”為例，使用思維導圖、樹狀圖、魚骨圖等可視化學習工具，清晰梳理出繪制螺旋狀圖形的過程（如圖1）。把基本圖形與螺旋狀圖形進行對比分析，可以直觀地總結出編程的關鍵之處：線條、角度。基本圖形的線條長度固定不變，線條數量有限，線條顏色單一;而螺旋狀圖形的線條長度是有規(guī)律增加的，線條數量不限，線條顏色是彩色的。另外，不管是基本圖形，還是螺旋狀圖形，每次繪制線條的旋轉角度都是固定不變的。

因此，我們可以用思維導圖進行梳理對比基本圖形與螺旋狀圖形的繪圖過程，用樹狀圖列出旋轉角度固定時繪制出的規(guī)則圖形及角度。

在編程教育課堂教學中，針對具體的問題，程序編寫可能會需要用到跨學科、跨章節(jié)、跨年段的知識點，使用合適的可視化學習工具，可以使這些零亂的、相對獨立的知識點之間清晰地關聯(lián)起來，幫助學生有效提煉各種信息，把零亂豐富的知識內容變成生動、好記的圖例，如圖2所示。

2.用魚骨圖引導學生探究問題、解決問題

魚骨圖是一種發(fā)現問題“根本原因”的方法，它也可以稱為“Ishikawa”或者“因果圖”。其特點是簡潔實用、深入直觀。它看上去有些像魚骨，問題或缺陷（即后果）標在“魚頭”外。在魚骨上長出魚刺，上面按出現機會多寡列出產生問題的可能原因，有助于說明各個原因之間是如何相互影響的。因其形狀如魚骨，所以又叫魚骨圖，它是一種透過現象看本質的分析方法。在教學中，魚骨圖可以很形象地表示解決問題的流程，也可用于探究式學習，首先我們知道了結果，再去分析造成結果可能出現的多種原因，這樣引導學生踴躍提出疑問，合作式地去探究結果的源頭。

同樣以“繪制螺旋狀圖形”為例，我們可以用魚骨圖來直觀地分析梳理繪制螺旋狀圖形的整個流程（如圖3），知道了結果（繪制螺旋狀圖形），進而探究原因（線條、旋轉角度），得到過程（線條長度、線條數量、線條顏色）變化，總結出繪制螺旋狀圖形的關鍵點：線條長度有規(guī)律地增加。通過編寫程序解決“線條長度有規(guī)律增加”，來實現最終結果，繪制螺旋狀圖形。

● 結語

在傳統(tǒng)的中小學信息技術課堂教學中，教師重視學生對“操作技能”的掌握，教師和學生都更多地關注如何實現某一操作，而忽視“為什么要實現這一效果，原理是什么”的問題，這往往使知識脫離具體的邏輯思維，變成了“死知識”。在這樣的課堂上，教師教什么，學生就會什么，學生缺乏自己的創(chuàng)新精神。因此，應用可視化學習工具，可以把“看不見的”思維過程和方法清晰地呈現出來，從一個知識點開始，隨著探究思維的不斷深入，在思考過程中逐步形成一個直觀有序的圖，促使學生勤于思考，習慣思考，使思維立體化，激發(fā)想象力，挖掘知識的深度和廣度，激發(fā)學生的創(chuàng)新潛能，促進學生邏輯思維能力的提升，提高課堂教學效率。