信息技术学科计算思维的 迁移能力培养实践研究

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  在信息技术学科教学中强调、强化灵活迁移模型与算法具有十分重要的意义。本文从信息技术课程对迁移能力的现实需求出发,整理学科核心素养下信息技术学科迁移的概念和内涵,构建问题解决取向下的迁移能力培养模型,并对信息技术学科中的教学给出几点建议,期望为新课程改革背景下的信息技术教学在如何培养学生的灵活迁移算法和模型能力方面提供一些参考。
  ● 信息技術课程对迁移能力的现实需求
  计算思维是信息技术学科核心素养的核心要素之一,普通高中信息技术课程标准(2017年版2020年修订)中对计算思维的定义是个体运用计算机科学领域的思想方法,在形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动。课标中计算思维水平要求学生能够把信息技术解决问题的过程迁移到学习和生活的其他问题的解决中。在信息技术学科常规教学中,多数教师是为了教授知识而教,而不是为启发学生将所学知识进行迁移应用来解决实际问题而教,学生获取知识的方法较为单一,也没有系统地对所学知识进行总结梳理和归纳。信息技术课程离不开编程,编程要做的绝不仅仅是对学生进行技术训练,而是要关注如何让学生理解和掌握编程背后的思想。所以对于信息技术学科来说,在学生学习算法并编写程序实现作品的过程中,迁移算法与问题解决的过程是计算思维培养过程中的重要环节。灵活迁移是一种高级思维能力,也是综合型的创新人才的需要。在新课程改革背景下,如何在信息技术学科中培养学生的计算思维迁移能力是值得研究和探索的。
  ● 学科核心素养下信息技术学科迁移的概念和内涵
  计算思维是一种思考问题、解决问题的方式。在问题解决视角下,利用计算思维解决问题的步骤如下页图1所示:第一步要确定问题或者需求,第二步要把问题分解,第三步是对问题进行抽象,第四步是算法设计,第五步是算法实现与优化评估,第六步是概括与迁移解决同类别的问题。本文主要是围绕灵活迁移这一部分进行探究。
  1.概括与迁移的概念
  迁移是指把在一个情境中学到的知识和经验迁移到新情境的能力。学习的迁移是一种学习对另一种学习的影响,在学习这个连续过程中,任何学习都是在学习者已经具有的知识经验和认知结构、已获得的动作技能、习得的态度等基础上进行的。在将一个复杂的问题分解之后,人们常常可以发现小问题中有共同的属性以及相似之处,在计算思维中,这些属性被称为“模式”。在解决问题的过程中,找到模式(模型与算法)是非常重要的,模式可以让问题的解决简化。当问题具有相同的特征时,它们能够被更简单地解决,当存在共同模式时,能够灵活迁移模型与算法,用类似的方法解决一类问题。灵活迁移是基于先前已经解决的问题,将其概括作为通用解决方案(模型或者算法),以便于推广到更广泛的问题情境中。可以简单地将其理解为“举一反三,触类旁通”。
  2.能够灵活迁移模型的条件
  在对模型(或者算法)掌握之后,对其进行抽象表征概括出一个解决问题的流程或者原理,在面对不同任务时,会对目标任务进行预初判断,判断其是否可以用某种算法和模式进行迁移,具体有三点:①保证对模型与算法的掌握程度——对所学的模型与算法是理解性的学习,而不是简单记忆和背诵,并熟练掌握;②保证会对模型或者算法进行抽象表征——对模型或者算法进行深度的抽象化表征,概括是迁移的基础,如果不能通过概括,把握一般原理,掌握事物的本质和规律,也难以产生迁移;③在学习过程中灵活迁移——透彻理解和领悟学习情境和迁移情境之间的关系,主动思考所学内容的潜在迁移含义、不同任务之间的相关性、可迁移的具体场景。
  3.常见的灵活迁移模型与算法
  在信息技术学科中,灵活迁移模型与算法常见的有两种方式,一是把所学的模型与算法解决问题的方法归纳成一种模式,通过相似性问题进行比较,归纳出共性,在以往经验中搜索类似问题,套用类似的解决办法。例如,在讲解利用某种算法解决问题时,可以通过类比迁移到解决一类可以用同种算法解决的问题上。还有一种情况是,完成项目需要一系列的流程,归纳出核心流程,迁移到另一个类似的问题的解决中,也就是解决某一类问题的流程。例如,问题解决视角下利用计算思维解决问题的步骤,如果以后遇到要解决的问题,就可以把这个流程迁移应用到解决新的问题上去。
  ● 迁移“模型与算法”能力培养模型的构建
  有效的教学方法不仅传授学生知识,更重要的是教给学生学习的方法,使学生的思维更敏捷、更灵活,有利于促进学习迁移。现代心理学家提出的“为迁移而教”的观点已为人们所瞩目,研究迁移规律并将这一规律运用到教学之中,正是信息技术教师的一项很重要的任务。本文基于心理学的部分学习迁移理论,立足信息技术学科核心素养,以解决问题为导向,为培养学生灵活迁将“模型与算法”能力构建了一个能力培养模型,如下页图2所示。
  1.模型理论基础:概括化理论、学习定势说
  基于问题解决的迁移能力培养模型是基于学习迁移理论的概括化理论和学习定势说。贾德的概括化理论强调的是学习主体对学习材料的加工,是学习者对学习材料中知识经验的概括,以及对两种学习情境中类似的原理、原则的概括,认为学习迁移取决于主体概括原理的能力或水平。学习定势说考虑的是学习方法的迁移问题。所谓学习定势,就是习得的学习方法的态度倾向。先行学习为后继学习准备了迁移的条件,或使后继学习处于准备状态中,这就有利于迁移。根据贾德的理论,两个学习活动间存在的共同成分,只是产生迁移的必要前提,而产生迁移的关键是学习者在两种活动中概括出它们之间的共同原理,强调经验概括化的重要性。学习定势说强调了学习支架的重要性,只有搭建循序渐进的教学支架,才能引导学生形成迁移能力。所以在模型中的问题解决层中,需要学生在解决问题的过程中概括出解决一类问题的算法和模式,所以在课堂中教育教学在迁移层需要教师设计目标任务时,要考虑与源任务之间的共同成分,并在引导学生解决新的目标任务时,要搭建符合学生学习认知的教学支架,从而促进学生迁移能力的培养。
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