运用思维可视化工具培养计算思维的研究

运用思维可视化工具培养计算思维的研究作者：张晓雯
来源：《小学教学研究》2019年第10期
【摘要】本文是基于信息技术三年级“画图”课程，利用思维导图培养小学生计算思维的实践研究。

设计绘制组合图形的思维导图，将其融入解决问题的四个方面（发现问题、分析问题、提出假设、检验假设），培养小学生计算思维。

【关键词】计算思维; 信息技术; 画图
2016年9月13日上午，中国学生发展核心素养总体框架应运而生。

随后在此基础上，各学科也开始探索自己的学科核心素养。

2018年江苏省教育厅印发了《江苏省义务教育信息技术课程纲要（2017年修订）》，纲要中提到“义务教育信息技术学科核心素养包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任等方面”，要养成这些核心素养需要从信息技术课程性质上把握，也就是基础性、工具性、实践性、发展性。

本论文着重论述如何在画图课程中培养小学生计算思维，提升小学生解决问题能力。

一、培养计算思维需从基础开始
（一）计算思维培养的是什么
计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。

《江苏省义务教育信息技术课程纲要（2017年修订）》中提出了计算思维是信息学科核心素养之一，运用计算思维能识别与分析问题，抽象、建模与设计系统性解决方案，是解决问题的重要思维能力。

处于小学阶段计算思维培养的是学生发现问题、分析问题、提出假设、检验假设的能力，也就是学会问题解决。

（二）计算思维也需要从基础开始培养
很多教师会觉得程序设计模块的课程中更能培养计算思维，笔者也认同，但是任何一种思维的训练都需贯穿始终，潜移默化。

再者，程序设计模块只占整个小学信息技术课程的八分之一（如表1），若研究以此为培养计算思维的起点，不仅培养计算思维的时间较短，还存在断层，效果也许并不理想。

从表1中可以发现整个小学信息技术课程基础模块占比很大，而“画图”作为小学生学习的第一款应用软件，其基础性、工具性、实践性不言而喻，所以笔者以此为研究内容。

如何有效培养小学生计算思维？通过什么手段或者工具培养？首先需要了解小学阶段儿童的思维特点。

二、小学生思维特点
心理学家皮亚杰的认知发展规律（感知运算阶段、前运算阶段、具体运算阶段、形式运算阶段）表明小学生的认知发展正处在由“前运算阶段（2～7岁）”进入到“具体运算阶段（7～11岁）”的过程中。

在这个过程中思维不可逆性转变为思维可逆;思维逐渐去集中化，能从事物的整体和部分出发看待问题;儿童仍需要从具体事物中获得逻辑思维。

本研究对象是小学三年级儿童，处于具体运算阶段，在解决两类范畴相结合的复合群集的分类任务上，能够根据物体各种特性结合的复杂规则进行分类，但仍需要借助具体事物进行思考。

这表明儿童需要借助直观工具，将复杂的问题分解，一步一步解决问题，也就是要将解决问题的思维过程可视化。

三、思维可视化
（一）思维可视化概念及工具
思维可视化是指对原本不可见的思维路径、方式、规律运用图示或图示组合的方式呈现出来，以期实现增强记忆及加深理解的效果，其本质就是将隐形思维显性化的过程。

实现思维可视化的工具多种多样，思维导图是应用最广泛的。

思维导图是由英国心理学家托尼巴赞提出的，最初是学生用来做笔记的，帮助学生在记忆过程中构建可视化的思考框架，提高学习效率。

（二）思维导图特点
思维导图主要由四部分组成：关键词、分支、颜色、图画。

其特点概括起来为以下四点：
（1）关注焦点集中在中央图像上;
（2）以关键词为分支向四周发散;
（3）分支由线条和写在线条上的关键词、图像构成，二级主题或相对次要的主题附在较高层次的分支上呈现出来;
（4）各分支相互关联，构成互相连接的节点。

考虑到三年级儿童对应用软件的不熟练，笔者以手绘形式构建思维导图。

四、基于“画图”提高学生解决问题的实践研究
（一）初步尝试，引导学生发现问题
“画图”是小学生学习信息技術课程遇到的第一款软件，其有着斑斓的色彩、丰富的图形、各式工具……一开始就吸引着学生们，教学“画图”课程需要利用好学生的好奇心，保护好他们的求知欲，以及揣摩他们蠢蠢欲动的心理，适当引导后，给予学生初步尝试的机会，在过程中自然而然地发现问题。

例如，学习“画方形和圆形”一课，出示房子图片（图1），简单分析房子的构成（是由哪些图形组成的？），学生的小手已经按捺不住地挪动鼠标了，此时让他们画房子，一下就抓住了他们立刻想画图的心理，使课堂气氛变得积极向上。

在绘制过程中，他们会遇到使用错误图形、空间布局、比例大小等问题，教师不用急于纠正，出示例图后，让学生自己比较，引导学生结合绘图过程中遇到的问题，立马就能发现问题。

（二）巧用导图，培养学生分析问题
出现了问题，自然就得解决问题，通常教师会利用任务驱动法、探究学习法、合作学习等方式解决这些问题，这些方法在以往实践过程中都获得了很好的效果。

但笔者认为这些方法放在独立的一堂课中是完全没有问题的，绝大部分学生能当堂解决问题，但是放在整个课程体系中，就显得有些孤立了，学生分析问题的方式每堂课都不同，并不利于培养计算思维。

如果制订出某个基于此类知识的框架，学生利用这种框架去分析问题，那么思维也就能形成一个体系了。

思维导图就是这样的框架。

上述例子中，学生面对各种各样的问题，不知从何下手，教师可以为其分门别类，这些类别涵盖整个模块。

将“画图”模块的问题分为：①图形类别问题;②空间布局大小比例;③绘图顺序。

以“画方形和圆形”为例，绘制出思维导图框架（图2）：
（三）再用导图，帮助学生提出假设
在思维导图的引领下，学生就会顺着此框架分析问题。

有了这三方面的思考，在完成组合图形时，学生就能比较容易着手绘图。

特别是“绘制顺序”，学生以此为据，提出绘画图形的顺序，方能掌握电脑绘画的一般步骤，并为之后的电脑绘图打下基础。

初步尝试时，笔者发现，学生绘图没有一定顺序，不会先分析整个图形的结构，都是随意选择形状后，立马画，导致图形松散、歪斜。

例如，有学生先画了烟，再画了墙壁及门窗，中间留给屋顶和烟囱的空间所剩无几，最后的成品也就不太美观了。

故笔者在教学时，出示几幅组合图形（如图3和4）的绘图顺利，引导学生总结出从“整体到局部，由大到小”的一般绘图顺序，帮助他们提出绘图顺序的假设。

绘图顺序：
（四）大胆实践，检验学生所提假设
有了绘制顺序的假设，学生就可以按照步骤绘图了，在此过程中学生会发现提出的假设存在一定问题，那么重新分析问题，再次修正思维导图，然后再进行绘图，不断检验假设，完善导图。

在用思维导图分析和提出绘图假设的过程中，教师将逐步放手，从搭建思维导图框架、设置关键词到引导学生总结绘图一般顺序，再到学生能自主完成思维导图。

整个学期18堂课，学生渐渐形成了基于画图的问题解决策略，形成这个阶段的信息技术计算思维。

五、研究总结
本研究利用思维导图培养学生计算思维，最终效果比较满意，达到以下几点：
1.学生思维外显，及时发现问题所在;
2.学生掌握方法后，课堂效率不断提高;
3.为后续阶段提升计算思维奠定基础。

研究还有不足，研究范围是画图课程中绘制“组合图形”的教学，对于画图课程中基本知识点教学没有使用思维导图，在今后教学中将扩大思维导图研究范围，不断发掘可培养计算思维的方法。