信息技術(shù)學(xué)科計(jì)算思維的 遷移能力培養(yǎng)實(shí)踐研究

信息技術(shù)學(xué)科計(jì)算思維的遷移能力培養(yǎng)實(shí)踐研究曹楊璐謝忠新●信息技術(shù)課程對(duì)遷移能力的現(xiàn)實(shí)需求●學(xué)科核心素養(yǎng)下信息技術(shù)學(xué)科遷移的概念和內(nèi)涵計(jì)算思維是一種思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的方式。在問(wèn)題解決視角下，利用計(jì)算思維解決問(wèn)題的步驟如下頁(yè)圖1所示：第一步要確定問(wèn)題或者需求，第二步要把問(wèn)題分解，第三步是對(duì)問(wèn)題進(jìn)行抽象，第四步是算法設(shè)計(jì)，第五步是算法實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化評(píng)估，第六步是概括與遷移解決同類別的問(wèn)題。本文主要是圍繞靈活遷移這一部分進(jìn)行探究。1.概括與遷移的概念遷移是指把在一個(gè)情境中學(xué)到的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)遷移到新情境的能力。學(xué)習(xí)的遷移是一種學(xué)習(xí)對(duì)另一種學(xué)習(xí)的影響，在學(xué)習(xí)這個(gè)連續(xù)過(guò)程中，任何學(xué)習(xí)都是在學(xué)習(xí)者已經(jīng)具有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知結(jié)構(gòu)、已獲得的動(dòng)作技能、習(xí)得的態(tài)度等基礎(chǔ)上進(jìn)行的。在將一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題分解之后，人們常常可以發(fā)現(xiàn)小問(wèn)題中有共同的屬性以及相似之處，在計(jì)算思維中，這些屬性被稱為“模式”。在解決問(wèn)題的過(guò)程中，找到模式（模型與算法）是非常重要的，模式可以讓問(wèn)題的解決簡(jiǎn)化。當(dāng)問(wèn)題具有相同的特征時(shí)，它們能夠被更簡(jiǎn)單地解決，當(dāng)存在共同模式時(shí)，能夠靈活遷移模型與算法，用類似的方法解決一類問(wèn)題。靈活遷移是基于先前已經(jīng)解決的問(wèn)題，將其概括作為通用解決方案（模型或者算法），以便于推廣到更廣泛的問(wèn)題情境中?？梢院?jiǎn)單地將其理解為“舉一反三，觸類旁通”。2.能夠靈活遷移模型的條件在對(duì)模型（或者算法）掌握之后，對(duì)其進(jìn)行抽象表征概括出一個(gè)解決問(wèn)題的流程或者原理，在面對(duì)不同任務(wù)時(shí)，會(huì)對(duì)目標(biāo)任務(wù)進(jìn)行預(yù)初判斷，判斷其是否可以用某種算法和模式進(jìn)行遷移，具體有三點(diǎn)：①保證對(duì)模型與算法的掌握程度——對(duì)所學(xué)的模型與算法是理解性的學(xué)習(xí)，而不是簡(jiǎn)單記憶和背誦，并熟練掌握;②保證會(huì)對(duì)模型或者算法進(jìn)行抽象表征——對(duì)模型或者算法進(jìn)行深度的抽象化表征，概括是遷移的基礎(chǔ)，如果不能通過(guò)概括，把握一般原理，掌握事物的本質(zhì)和規(guī)律，也難以產(chǎn)生遷移;③在學(xué)習(xí)過(guò)程中靈活遷移——透徹理解和領(lǐng)悟?qū)W習(xí)情境和遷移情境之間的關(guān)系，主動(dòng)思考所學(xué)內(nèi)容的潛在遷移含義、不同任務(wù)之間的相關(guān)性、可遷移的具體場(chǎng)景。3.常見(jiàn)的靈活遷移模型與算法在信息技術(shù)學(xué)科中，靈活遷移模型與算法常見(jiàn)的有兩種方式，一是把所學(xué)的模型與算法解決問(wèn)題的方法歸納成一種模式，通過(guò)相似性問(wèn)題進(jìn)行比較，歸納出共性，在以往經(jīng)驗(yàn)中搜索類似問(wèn)題，套用類似的解決辦法。例如，在講解利用某種算法解決問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)類比遷移到解決一類可以用同種算法解決的問(wèn)題上。還有一種情況是，完成項(xiàng)目需要一系列的流程，歸納出核心流程，遷移到另一個(gè)類似的問(wèn)題的解決中，也就是解決某一類問(wèn)題的流程。例如，問(wèn)題解決視角下利用計(jì)算思維解決問(wèn)題的步驟，如果以后遇到要解決的問(wèn)題，就可以把這個(gè)流程遷移應(yīng)用到解決新的問(wèn)題上去。●遷移“模型與算法”能力培養(yǎng)模型的構(gòu)建有效的教學(xué)方法不僅傳授學(xué)生知識(shí)，更重要的是教給學(xué)生學(xué)習(xí)的方法，使學(xué)生的思維更敏捷、更靈活，有利于促進(jìn)學(xué)習(xí)遷移?，F(xiàn)代心理學(xué)家提出的“為遷移而教”的觀點(diǎn)已為人們所矚目，研究遷移規(guī)律并將這一規(guī)律運(yùn)用到教學(xué)之中，正是信息技術(shù)教師的一項(xiàng)很重要的任務(wù)。本文基于心理學(xué)的部分學(xué)習(xí)遷移理論，立足信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)，以解決問(wèn)題為導(dǎo)向，為培養(yǎng)學(xué)生靈活遷將“模型與算法”能力構(gòu)建了一個(gè)能力培養(yǎng)模型，如下頁(yè)圖2所示。1.模型理論基礎(chǔ)：概括化理論、學(xué)習(xí)定勢(shì)說(shuō)基于問(wèn)題解決的遷移能力培養(yǎng)模型是基于學(xué)習(xí)遷移理論的概括化理論和學(xué)習(xí)定勢(shì)說(shuō)。賈德的概括化理論強(qiáng)調(diào)的是學(xué)習(xí)主體對(duì)學(xué)習(xí)材料的加工，是學(xué)習(xí)者對(duì)學(xué)習(xí)材料中知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的概括，以及對(duì)兩種學(xué)習(xí)情境中類似的原理、原則的概括，認(rèn)為學(xué)習(xí)遷移取決于主體概括原理的能力或水平。學(xué)習(xí)定勢(shì)說(shuō)考慮的是學(xué)習(xí)方法的遷移問(wèn)題。所謂學(xué)習(xí)定勢(shì)，就是習(xí)得的學(xué)習(xí)方法的態(tài)度傾向。先行學(xué)習(xí)為后繼學(xué)習(xí)準(zhǔn)備了遷移的條件，或使后繼學(xué)習(xí)處于準(zhǔn)備狀態(tài)中，這就有利于遷移。根據(jù)賈德的理論，兩個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)間存在的共同成分，只是產(chǎn)生遷移的必要前提，而產(chǎn)生遷移的關(guān)鍵是學(xué)習(xí)者在兩種活動(dòng)中概括出它們之間的共同原理，強(qiáng)調(diào)經(jīng)驗(yàn)概括化的重要性。學(xué)習(xí)定勢(shì)說(shuō)強(qiáng)調(diào)了學(xué)習(xí)支架的重要性，只有搭建循序漸進(jìn)的教學(xué)支架，才能引導(dǎo)學(xué)生形成遷移能力。所以在模型中的問(wèn)題解決層中，需要學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中概括出解決一類問(wèn)題的算法和模式，所以在課堂中教育教學(xué)在遷移層需要教師設(shè)計(jì)目標(biāo)任務(wù)時(shí)，要考慮與源任務(wù)之間的共同成分，并在引導(dǎo)學(xué)生解決新的目標(biāo)任務(wù)時(shí)，要搭建符合學(xué)生學(xué)習(xí)認(rèn)知的教學(xué)支架，從而促進(jìn)學(xué)生遷移能力的培養(yǎng)。2.模型解釋基于問(wèn)題解決的遷移能力培養(yǎng)模型核心是學(xué)生遷移能力形成過(guò)程的模型，學(xué)生首先基于先前學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)和教師新授的知識(shí)來(lái)解決任務(wù)（主要強(qiáng)調(diào)算法和模型的學(xué)習(xí)），通過(guò)解決任務(wù)的過(guò)程（計(jì)算思維應(yīng)用），歸納概括出解決問(wèn)題的核心算法和解決問(wèn)題的步驟，并歸納到學(xué)生的解決問(wèn)題的方法庫(kù)中。當(dāng)遇到類似任務(wù)時(shí)，通過(guò)比較任務(wù)之間的相同要素，利用教師搭建的遷移學(xué)習(xí)支架，學(xué)生能較好的利用方法庫(kù)中的經(jīng)驗(yàn)（算法和模型）來(lái)解決目標(biāo)任務(wù)，這是靈活遷移應(yīng)用的體現(xiàn)。在靈活遷移能力框架中，學(xué)生解決問(wèn)題過(guò)程中的知識(shí)能力要求為縱向維度，它分為三個(gè)層面：第一層是雙基層，即解決問(wèn)題必要的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，如在講解用算法來(lái)解決問(wèn)題時(shí)，需要的基礎(chǔ)知識(shí)有對(duì)象、指令、流程圖、相關(guān)算法的概念或模型等，需要的基本技能有會(huì)畫流程圖、會(huì)編寫簡(jiǎn)單程序等;第二層是問(wèn)題解決層，需要學(xué)生利用計(jì)算思維的思想和方法來(lái)解決問(wèn)題。例如，教師在設(shè)計(jì)任務(wù)來(lái)學(xué)習(xí)算法時(shí)，在解決問(wèn)題時(shí)，首先要抽象提取任務(wù)需要解決的問(wèn)題是什么，然后把問(wèn)題分解成小問(wèn)題，在解決問(wèn)題的過(guò)程中運(yùn)用已有的經(jīng)驗(yàn)和方法（概括），設(shè)計(jì)使用算法解決問(wèn)題的步驟（算法），對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化和評(píng)估（評(píng)估），直到問(wèn)題解決，這個(gè)過(guò)程是使用計(jì)算思維解決任務(wù)的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中學(xué)生全面地進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，基于算法解決問(wèn)題，并能概括解決問(wèn)題的流程或者模型;第三層是靈活遷移層，學(xué)生在面對(duì)目標(biāo)任務(wù)時(shí)，能快速產(chǎn)生遷移，最終達(dá)到靈活遷移模型與提升算法能力的目的。心理學(xué)家在研究中提到，學(xué)習(xí)者的遷移能力的產(chǎn)生與教師的教法密切相關(guān)。所以在模型中體現(xiàn)了教師教學(xué)的部分，教師在雙基層環(huán)節(jié)，不僅需要對(duì)算法知識(shí)進(jìn)行講解，還需要對(duì)解決問(wèn)題過(guò)程中需要用到的舊知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)，讓學(xué)生更好地用以往的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)來(lái)解決問(wèn)題;在問(wèn)題解決環(huán)節(jié)，教師要引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維的思想和方法來(lái)解決問(wèn)題，設(shè)計(jì)合適的任務(wù)，涉及到問(wèn)題分解、抽象、概括、算法、評(píng)估等環(huán)節(jié)，并在問(wèn)題解決后，引導(dǎo)學(xué)生歸納概括用算法解決的類別和解決問(wèn)題的流程;在靈活遷移模型與算法的環(huán)節(jié)，首先要設(shè)計(jì)同類別的任務(wù)，根據(jù)概括化理論，兩個(gè)任務(wù)中需要有共同要素，這樣才能為遷移提供前提條件，在解決目標(biāo)問(wèn)題的過(guò)程中，要搭建適當(dāng)?shù)哪_手架，應(yīng)當(dāng)由易到難一步一步引導(dǎo)學(xué)生用算法和模型來(lái)解決問(wèn)題，合適的支架對(duì)培養(yǎng)學(xué)生遷移能力至關(guān)重要，讓學(xué)生能較好的接受知識(shí)和解決問(wèn)題，并培養(yǎng)遷移的能力。●基于培養(yǎng)模型的教學(xué)實(shí)施策略1.教師應(yīng)該有培養(yǎng)學(xué)生靈活遷移“模型與算法”的意識(shí)在遷移模型與算法上，多數(shù)教師在教學(xué)過(guò)程中只是對(duì)算法的概念及應(yīng)用進(jìn)行講解，后續(xù)的遷移弱化，沒(méi)有意識(shí)到培養(yǎng)遷移算法的重要性?，F(xiàn)如今需要教師不斷反思教學(xué)方法，讓學(xué)生做到舉一反三，實(shí)現(xiàn)“模型與算法”的遷移。教師要認(rèn)識(shí)到遷移對(duì)提高解決問(wèn)題的能力具有直接的促進(jìn)作用。在編程教學(xué)中，如果將編程學(xué)習(xí)看作是計(jì)算機(jī)編程思想的學(xué)習(xí)，那么學(xué)生所獲得的就將是計(jì)算機(jī)編程的本質(zhì)原理和可遷移的思維方式，而這種思維方式也將能夠被用來(lái)開展更多的研究和解決生活中更為復(fù)雜的問(wèn)題。2.教師要學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)支架的設(shè)計(jì)著名心理學(xué)家維果斯基在“最近發(fā)展區(qū)”理論基礎(chǔ)上發(fā)展了“支架式教學(xué)”這一建構(gòu)主義教學(xué)模式，認(rèn)為學(xué)生在教師或他人的合理幫助（恰當(dāng)?shù)闹Ъ埽┫驴梢赃_(dá)到潛在發(fā)展水平。支架式學(xué)習(xí)理念重視學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的思維發(fā)展軌跡，重視學(xué)習(xí)引導(dǎo)，重視復(fù)雜問(wèn)題的分解。在靈活遷移算法與模型的教學(xué)中主要用到的支架有問(wèn)題支架、圖表支架等。例如，學(xué)習(xí)了枚舉算法，面對(duì)下面這種新的問(wèn)題情境——今天是小明的生日，他像往常一樣去了熟悉的生煎店吃早點(diǎn)，心情很好，吃完后準(zhǔn)備付錢，老板想逗逗他，說(shuō)你只需給我這個(gè)數(shù)：“二十幾塊，除三余二，除五余三?！毙∶飨萑肓怂伎?，你們能幫小明算算該付多少錢嗎？教師可以搭建以下問(wèn)題支架：①我們之前用枚舉算法解決過(guò)模糊數(shù)字（問(wèn)題：一個(gè)五位數(shù)，萬(wàn)位和百位不知道，但是是57和67的倍數(shù)，求所有的可能性）的問(wèn)題，想一想，該情境與之前的問(wèn)題有哪些相似之處？②枚舉算法的適用條件是什么？③枚舉算法是否適合解決該問(wèn)題？④在使用枚舉算法來(lái)解決模糊數(shù)字的問(wèn)題時(shí)，主要的步驟有哪些？⑤對(duì)應(yīng)此問(wèn)題，列出解決步驟。這些問(wèn)題可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比之前所學(xué)知識(shí)，把枚舉算法解決問(wèn)題的方法應(yīng)用到新的問(wèn)題中去。（2）圖表支架。圖表包括各種圖示和表格，圖表用可視化方式對(duì)信息進(jìn)行描述，尤其支持學(xué)生的思維活動(dòng)。圖表支架是在教學(xué)過(guò)程中，利用表格或者視圖的形式將信息傳遞給學(xué)生。圖表包括很多種類型，如流程圖、概念圖、思維導(dǎo)圖等，圖表最大的特點(diǎn)就是直觀，如流程圖可以使學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)的劃分一目了然，概念圖和思維導(dǎo)圖可以將知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系通過(guò)圖像的形式體現(xiàn)出來(lái)，能夠幫學(xué)生清楚地梳理知識(shí)脈絡(luò)，促進(jìn)知識(shí)的建構(gòu)和內(nèi)化。例如，編程解決問(wèn)題的一般過(guò)程包括抽象與建模、設(shè)計(jì)算法、編寫程序、調(diào)試運(yùn)行這四個(gè)步驟（如圖3），學(xué)生可以根據(jù)教師提供的圖表支架，回想其步驟，并根據(jù)步驟來(lái)解決問(wèn)題。3.教師要設(shè)計(jì)靈活遷移能力的評(píng)價(jià)教師在組織評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，缺少有關(guān)“靈活遷移算法與模型”方面的評(píng)價(jià)維度，如第100頁(yè)圖4所示。學(xué)生靈活遷移能力的評(píng)價(jià)應(yīng)該包括過(guò)程評(píng)價(jià)和最終成果評(píng)價(jià)?；顒?dòng)過(guò)程中教師基于一定的評(píng)價(jià)量表對(duì)學(xué)生的靈活遷移活動(dòng)表現(xiàn)進(jìn)行過(guò)程性評(píng)價(jià)。成果評(píng)價(jià)主要是依據(jù)學(xué)生獨(dú)立思考后形成的可視化的思維導(dǎo)圖（流程圖）以及小組最終的可視化的思維導(dǎo)圖（流程圖）、解決問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)方法并遷移到一類問(wèn)題中進(jìn)行衡量。項(xiàng)目過(guò)程中靈活遷移評(píng)價(jià)量表的設(shè)計(jì)，如第