初中学生计算思维发展的教学策略研究

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  【摘要】注重培养学生的计算思维,让信息技术与实际生活更好地联系,才能让学生更好地解决现在和未来的各种问题。文章结合FLASH课堂教学,从抽象能力、分解能力、算法能力、评估能力和概括能力这五方面来落实课堂教学,并从实践中总结出注重自主式、探究式学习,方法理论与操作相结合,任务设计项目化、评价形式多样化的教学策略与方法。
  【关键词】计算思维;信息技术;FLASH教学;教学策略
  一、问题的提出
  计算思维是目前国内外计算机及教育领域广为关注的一个热点。周以真教授认为:“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。”2013年,英国直接把原有的信息通信技术课程改名为计算课程。
  以往的信息技术课堂上我们强调技术操练,这样的课堂活动仅锻炼了学生低层次的思维能力,学生对所学知识遗忘得很快,而且根本不知道如何运用知识解决实际问题。注重培养学生的计算思维,让信息技术与实际生活更好地联系,才能让学生充分理解并能够运用这种思维方式解决现在和未来的各种问题;注重学科思维的发展,才能真正培养学生的能力。国内的中小学信息教师逐渐认识到计算思维对于信息技术课程的重要性,逐步将计算思维的理念落实于日常教学中。
  二、研究理论依据
  2013年,南安普顿大学John Woollard研究员提出计算思维“是一个认知或思维过程,能够反映人们的抽象能力、分解能力、算法能力、评估能力和概括能力”。这五方面能力的应用,贯穿了学生解决问题、完成具体任务的整个过程。面对一个复杂的任务,学生首先分析任务,利用抽象能力判断任务要点,抓住问题的本质;其次利用分解能力把复杂的问题分解为简单的小问题;再次利用算法能力,把具体的问题转化为数学模型,再制订解决方案;然后利用评估能力判断解决方案的可行性,对方案进一步调整修改或者回到原点,重新制订;最后在完成任务后,概括各种经验和方法,并在遇到同类问题时能快速地解决。
  三、以计算思维为核心的课堂实践
  计算思维与我们程序设计的过程非常相符,所以在初中vb教学或者虚拟机器人教学中,学生计算思维得以很好地发展。那么在其他课程的教学中,如何才能有效地开展?针对这一问题,笔者在FLASH动画教学中进行了如下实践。
  (一)抽象能力培养的课堂实践
  在理解和分析问题过程中,抽象能力能够帮助学生梳理关键点,提炼出相关操作或知识点的本质内容,重构问题,并在此基础上能够将这些相关内容条理化,为之后的分解问题和得出解决步骤做准备。
  教学片断1:抽象能力帮助分析具体任务
  在《丰富的动画补间动画》这节课中,笔者设计了一个制作“花蝶恋”动画的任务。要求学生利用之前学习的舞台布置、元件的使用、逐帧动画和补间动画的制作等知识,来完成这一集合多种动画效果的作品。在演示示例作品后,让学生分析动画作品,并思考下列问题。
  师:动画中出现哪些类型的动画效果?
  生:逐帧动画和动画补间动画。
  师:制作这一综合动画作品,你大致会设置几个图层?
  生:大致是四层吧,背景层、逐帧动画,还有两个动画补间动画。
  师:你计划如何制作这一动画,大致步骤是怎样的?
  生:设置舞台背景,再设置好元件,制作逐帧动画和动画补间动画。
  在学生分析完动画后,抽象出所看到的动画类型为逐帧动画和动画补间动画。在这一过程中,学生对不同类型的动画特点進一步加深了印象,对相关知识点也会有进一步的理解。
  教学片断2:抽象能力帮助理解基本概念
  在《认识动画》这一课中,笔者是这样引导学生理解“帧”和“关键帧”这两个基本概念的。
  师:看一下“向日葵”动画的时间轴,老师点击时间轴上的每一帧,请同学们查看舞台上图案的变化。
  生:我发现老师每次点击关键帧时,舞台的图案就会发生变化,而点击普通帧时图案是不会发生变化的。
  师:对,任何动画要表现运动或者变化,至少前后要给出两个不同的关键状态,表现变化这个关键状态的帧就是关键帧。
  在任务设计过程中,通常会出现以下两种问题。
  第一,教师在学生分析思考任务前,就将具体步骤详细地呈现,没有学生思考的过程。虽然课堂任务达成率很高,整堂课显得有序高效,但学生的思考仅停留在低层次思维,甚至只是机械模仿。学生对所学知识遗忘得很快,而且根本不知道如何运用知识解决实际问题。
  第二,教师在布置任务后,让学生不经思考直接进行操作以完成任务,以致学生操作步骤凌乱,完成效率低,对知识的理解也是模糊的,当然也不利于培养学生分析、抽象具体任务的能力。所以在课堂任务设计中,教师要留给学生思考的空间,引导学生分析任务,分离出相关知识点,帮助学生加深理解相关知识,完善知识结构,提升抽象能力,使学生在反复操练中培养抽象分析问题的习惯。
  信息技术基础知识及基本概念一直是学生学习的难点,单纯地讲解概念明显不适合初中学生。学生要在感性认识的基础上,通过思维活动,认清事物的本质,获得理性认识。教师在讲解中增加从感性认识转变为理性认识的过程,让学生对客观现实进行分析归纳,帮助理解概念,提升抽象能力。
  (二)分解能力培养的课堂实践
  分解能力建立在抽象能力的基础上,它帮助学生将问题分而治之,把复杂综合性问题化解为简单的独立问题,单独地进行理解、解决、开发和评估。在实际任务中,我们可以按维度、按层次、按流程分解问题。
  教学片断3:分解能力帮助分解复杂问题
  在《添加ActionScript代码》这一课中,在学生学习了基础知识后,笔者设计了这样一个综合性的任务,在提供的动画半成品的基础上,添加按钮和代码,完成动画作品。   任务四:制作绿碳爱心树动画
  师:大家看这个示例动画,我们先来分析一下这个动画,动画中哪些地方可以实现页面跳转?分别跳转至哪一页?带着这两个问题再次查看动画,并填写动画规划表。
  生:片头点击按钮后应该跳至第二帧播放,然后点击不同的功能按钮,跳转至浇水、阳光、施肥等界面。最后播放片尾,如果点击了Replay,就返回片头。
  师:分析得很全面,还有同学要补充吗?
  生:在浇水、阳光、施肥界面点击了Back按钮后才能返回主界面,否则无法继续其他的操作。
  学生完成规划表的填写。
  师:根据规划表要求,想一想你要添加哪些按钮和代码来完成“绿碳爱心树”动画的制作?
  生:我们要添加按钮,在每个帧上添加停止播放代码,还要为各按钮添加事件触发代码。
  通过查看示例动画,在规划表和问题的引导下,学生很容易就分析出需要从添加按钮,添加停止播放代码,为各按钮添加事件触发代码这三方面着手完成动画作品,把原来看似复杂的综合任务分解为独立的小任务,再进一步分析和解决这三个问题。在这个过程中,这个动画规划表起到了关键的作用,帮助学生分析动画,理清思路,更重要的是培养了学生使用图表工具和分解思维分析化解问题的习惯。学生在今后遇到的实际生活学习问题中,学会用这种思维方式来解决问题。
  (三)算法、评估能力培养的课堂实践
  所谓算法能力就是将实际的生活问题建立数学模型的能力。建模就是通过明确定义的步骤来处理、解决复杂问题的方法,它强调的是解决问题过程中资源的分配和步骤规则的制定,而不是问题的答案。评估能力就是指判断“算法”是否是解决问题的最佳方案,并能够指出问题所在,进一步优化算法的能力。在初中信息课中最能够培养学生算法、评估能力的部分就是综合作品的创作。比如在《综合创作动画作品》这一课中,不但涉及知识的综合运用,还要求学生进行小组合作,分工配合,对学生来说难度极大。在这种综合作品创作的课程中,可以对任务建模,避免盲目制作,提高作品完成效率。具体可以引导学生制定动画作品实施计划表和计划图(如图1),对动画剧本、角色分镜绘制、动画制作、后期加工等不同任务进行分工,体验“多线程式”和“迭代探索式”的工作方式。在制作过程中,组员再进一步评估分析,修正方案。
  (四)概括能力培养的课堂实践
  概括能力是基于先前已经解决的问题,总结出方法经验后,快速地解决新问题的能力,对于同类问题还可以概括出一个通用的解决方案。
  教学片断4:概括能力快速解决新问题
  在《简单的动画补间动画》这一课中,学生要掌握创建动画补间动画的基本方法。动画补间动画除了元件位置变化,还有大小、不透明度、颜色、旋转的变化。所以笔者在这节课中设计了“跳动的篮球”这一动画制作任务,要求学生制作篮球上下、旋转的动画和阴影大小变化的动画。在学习并制作了篮球位置变化的动画补间动画后,让学生探究尝试制作其他类型的动画补间动画。
  师:刚才同学们已经完成了篮球上下运动的补间动画,接下来想一下在篮球运动的过程中,阴影应该有怎样的变化?
  生:篮球落下,阴影应该变大,篮球弹起,阴影变小。
  师:那阴影的动画该如何来制作?请同学们尝试制作阴影的动画补间动画,并想一想制作动画补间动画应注意哪些关键问题。
  学生尝试操作,通过刚才篮球动画的制作,学生很快发现只要在起始帧把阴影缩小,结束帧阴影放大,再添加补间动画就完成了。
  生:通过两种补间动画的制作,我发现设置好起始帧和结束帧是制作动画补间动画的关键。
  概括能力能夠帮助学生联系已有的知识经验,触类旁通来解决新问题。通过这次补间动画的探究式学习,相信学生对动画补间动画已有了比较深层次的思维体验,以后遇到同类问题也能快速地解决。
  四、教学策略与方法
  信息技术教学一直倡导的方法是“做中学”。很多教师都认为信息技术课就是教学生怎样使用计算机,把“做中学”理解为技术操练,机械模仿。大批学生能够模仿教师示范完成操作任务,一节课下来任务达成率很高,整堂课显得有序高效。但是这样的课堂活动仅锻炼了学生低层次的思维能力,学得快忘得也快,而且学生根本不知道如何运用知识解决实际问题。这样的误区不仅有碍于学生信息学科思维发展,更造成信息课价值丧失,沦为“技能培训班”。为促进学生计算思维的发展,笔者认为信息技术课堂应该从以下五个方面着手。
  (一)注重自主式、探究式学习方法
  通过教师的引导,学生自主学习探究,有助于学生深层次的思维发展。在自主探究式的学习过程中,学生的主体性得到充分发挥。学生在自主分析、概括、解决问题的过程中,计算思维得以充分发展。教师也要针对学生的思维特点,通过对教材的整合优化,为学生搭建探究式学习平台。比如在《创建按钮元件》一课中,理解按钮元件四个不同状态帧的意义是教学难点。在教学中我们可以利用“问题按钮”,让学生观察对比,分析推理,修改完善,解决问题,从而加深对按钮元件四个不同状态帧的理解。
  (二)理论与操作相结合
  理论教学一直是信息技术教学的薄弱环节。很多教师重视操作,却忽视了理论。学生只知道“怎么做”而不知“为什么这样做”。在操作学习中需要思维的参与,只有理解操作所要解决的根本问题是什么,学生才能触类旁通,举一反三,将知识和技能内化为思维的一部分。因此,信息教学应注重理论与操作相结合,在注重操作的同时,适度地讲解知识原理。例如在学习形状补间动画的过程中,很多学生常常会忘记分离对象。虽然教师一直强调不要忘记分离,但这只是机械性的记忆,学生很快就会忘记这一操作。为什么要分离呢?是不是所有操作对象都需要分离呢?只有帮助学生解决这两个疑问,学生才能正确地应用操作。所以在讲解“分离”这一操作时,要简单介绍一下矢量图与位图,在制作补间动画时,矢量图(如flash中绘制的圆形、方形)是不需要分离的,而如果是位图、元件、文字,必须分离后才能制作动画。   (三)任务设计项目化
  所谓项目化,就是教学任务有一定的实际应用价值,围绕任务目标,会产生一系列复杂的相关联的项目活动。项目化的任务设计,有助于学生开展自主探究学习。项目化的学习过程,有助于学生内化所学知识,提升思维层次。综合性强的项目任务,能够帮助学生理解计算思维涵盖的计算概念和方法,培养学生运用抽象、分解、算法、评估和概括这五种思维方式解决问题的习惯,锻炼学生使用流程图、思维导图等工具清晰地表达自己想法的能力。
  (四)评价形式多样化
  操作技能的评价更注重结果,因为它的成效比较单一,评价方式比较简单。而计算思维的成效更多样化,评价难度较高。我们不仅要关注学习结果,更要关注学生解决问题的条理性、多样性和批判性,从多方面评价学生。所以在日常教学中,更要关注学生的思维过程,利用课堂观察、小组评价、成长记录等多种评价方式来评估学生的计算思维能力。
  五、计算思维培养实施成效
  计算思维的培养可谓任重道远,因思维具有内隐性和多样性,对于学生思维的评价也颇有难度。在实行相关教学实践一学期后,笔者针对学生信息技术课程的学习情况进行了问卷调查。调查发现,学生的课堂拓展任务达成度、自主探究学习能力以及思维工具使用习惯都有了一定的提高。首先,计算思维的培养让学生的知识迁移和应用能力都有很大提高,在课堂中教师布置的拓展性任务达成率较以往都有所提高。其次,计算思维课堂中项目化的任务设计及探究式的课堂教学提升了学生自主学习的能力,提高了课堂学习效率。再次,概括能力、分解能力的提升和日常学习中流程图、思维导图等思维工具的应用,让学生的操作更具条理性,也让学生在日常的学习、生活中养成了运用思维工具的习惯。
  第4题:没有老师的提示帮助,你能完成拓展任务吗?
  809班问卷第4题统计结果对比(图2实验前,图3实验后)
  六、收获和感悟
  正如《为未来而教,为未来而学》的作者提出的“具有生活价值的学习理念”,培养学生的计算思维,就是让信息技术与实际生活更好地联系,让学生充分理解并能够运用这种思维方式解决现在和未来的各种问题。而培养学生的计算思维可谓是任重道远,作为信息教师仍需砥砺前行。
  第一,作为教师,我们要转变观念,不仅要重视学生学习的结果,更要重视学生学习的思维过程,让学生提升计算思维能力的同时,能不自觉地将计算思维用到现在和未来的生活和学习中去。
  第二,教学方式的转变对教师的信息技术应用能力、课堂教学设计能力、创新力有更高的要求。以学生为主导的课堂,不再是教师一手掌控。教师必须通过任务单、微课、项目式教学等方式来引导学生的学习,凭自己对教学重难点的掌控,从重难点及其他知识点中提炼出问题,设计学习任务。课程视频的设计,要求能快速吸引学生注意力,并且在短短几分钟内将教学重难点或其他知识点简要清晰地表述,这些都是对教师教学设计能力的考验。而项目式的课程设计,要求教师有很高的综合素质及创新能力。
  第三,由知识技能为主导转变为以信息素养为主导的教学方式,在设计和实施过程中还有很多地方有待改进,在课堂上要更多地关注各个层面的学生,根据学生的困惑和建议,不断反思,不断调整自己的设计。
  在信息技术飞速发展的年代,为什么要学习信息技术?信息技术要怎么学?这是我们信息技术教师时常要静下心来考虑的问题。2017年浙江省高考选考,第一次正式把技术学科作为高考科目。很多教师感到高兴,因为信息技术的学科地位提高了。但信息技术课如果一味关注信息技术本身,只会让信息技术课变成应试教育的牺牲品。只有注重学科思维的发展,才能真正提高学科地位。
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