基于建模思想 培養(yǎng)計算思維

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邏輯主線進(jìn)行設(shè)計，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)體系落實到具體的單元和課時中。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，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(xué)生）在解決問題的過程中應(yīng)用計算機(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。計算思維的核心是學(xué)生在生活和學(xué)習(xí)中運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，并運用合理的算法形成解決問題的方案。其實質(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)計算法和編程等方法，形成計算機(jī)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(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，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，并在這個過程中有明確的思路和模式。培養(yǎng)計算思維的首要任務(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)生計算思維的基礎(chǔ)。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(xué)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(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，它是落實基礎(chǔ)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(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(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)驗思考問題。在教學(xué)過程中，教師要時刻關(guān)注學(xué)生的實際需求和興趣，借助學(xué)生的生活經(jīng)驗，引導(dǎo)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(xué)六年級跨學(xué)科課程《聲音傳感器》一課時，教師可將聲控?zé)?、音樂噴泉等生活中的真實情景融入學(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(yīng)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(dǎo)學(xué)生給“蝴蝶”這個角色添加腳本，實現(xiàn)聲控效果。教師借助學(xué)生的實際生活經(jīng)驗，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)生真實的生活情境，引導(dǎo)學(xué)生從實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，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(gòu)信息科技的新模型體系，體驗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踐驗證。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，催生真實學(xué)習(xí)，豐富建模體驗。學(xué)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(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，并讓生活與學(xué)習(xí)聯(lián)結(jié)，才能更高效地解決實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，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(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）?；瑒与娢粋鞲衅髟谌粘Ｉ钪杏性S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，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證與內(nèi)化。利用已有的知識思考模型中的每一個關(guān)鍵點，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，教師在課堂上為學(xué)生提供充足的自主思考的時間，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。【案例4】六年級《人臉識別》教學(xué)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(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，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)其實只是一個抽象對象的學(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(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，就可以通過實踐，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“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(nèi)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(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，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；然后通過實踐證實理論，既讓學(xué)生明白“實踐”的重要性，更使學(xué)習(xí)任務(wù)富有挑戰(zhàn)性。通過實踐操作，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，運用建模思想，解決現(xiàn)實問題。教師要引導(dǎo)學(xué)生去感受、體驗信息科技建模思想的意義和價值，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際問題。例如，教學(xué)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(gòu)編碼模型?！景咐?】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。為學(xué)校每個學(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(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應(yīng)用。